城市軌道交通排水泵智能控制技術(shù)研究

董夢雪 趙帥帥

（杭州萬向職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310023）

以地鐵為代表的城市軌道交通系統(tǒng)通常設(shè)于地下，可以疏導(dǎo)地面密集的人流，但也存在安全隱患。發(fā)生洪澇災(zāi)害時，洪水進入地鐵內(nèi)部會迅速波及整個連通區(qū)域，造成城市軌道交通車輛及設(shè)備損壞。以潛污泵為代表的排水泵是實現(xiàn)城市軌道交通排水過程的重要裝備[1]，城市軌道交通使用的潛污泵存在智能化水平低、缺乏自動控制及遠程控制功能、對突發(fā)情況適應(yīng)性差等問題[2]。城市軌道交通排水系統(tǒng)智能控制的缺失可能導(dǎo)致在緊急情況下缺乏人工干預(yù)，造成人民財產(chǎn)及生命安全損失。因此，發(fā)展城市軌道交通排水泵智能控制技術(shù)對城市軌道交通系統(tǒng)高效安全運行具有重要的意義[3]。

1 城市軌道交通排水系統(tǒng)及控制算法可行性分析

傳統(tǒng)的城市軌道交通排水系統(tǒng)由排水管道、污水池及潛污泵組成，采用排水分流制，各類污水、廢水、雨水分類收集，經(jīng)排潛污泵機組提升排放至市政排水管網(wǎng)中。系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、運營管理經(jīng)驗豐富、設(shè)備初期投資較小等優(yōu)點。城市軌道交通排水系統(tǒng)的動力源自泵房中的潛污泵組。多套潛污泵組共同工作實現(xiàn)排水過程，但排水泵單機獨立工作，對城市軌道交通系統(tǒng)排水需求并不敏感，難以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境變化。

多泵并聯(lián)智能控制技術(shù)是解決城市軌道交通排水泵智能化水平低的重要方法，技術(shù)的核心是智能算法。常見的智能算法包括遺傳算法、模擬退火、差分進化、禁忌搜索、粒子群算法和蟻群算法等[4]。其中，遺傳算法受自然進化過程中的基因遺傳、選擇、自然變異和雜交等現(xiàn)象的啟發(fā)，由美國密歇根大學(xué)的Holland教授首先提出。廖莉等[5]在使用指數(shù)曲線準確地擬合水泵性能曲線的基礎(chǔ)上，建立供水泵站效率優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計相應(yīng)的遺傳算法進行求解。Wang等[6]改進遺傳算法，對供水系統(tǒng)中離心泵運行過程進行多目標優(yōu)化。將遺傳算法應(yīng)用于城市軌道交通多泵并聯(lián)排水系統(tǒng)具有可行性。

2 城市軌道交通多泵并聯(lián)排水系統(tǒng)特性方程

多泵并聯(lián)排水系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括變頻控制器、潛污泵、壓力罐、進水總管和出水總管。其中，變頻控制器通過控制泵轉(zhuǎn)速實現(xiàn)潛污泵的控制，實現(xiàn)對流量和揚程的控制。排水系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力包括特定流量下的管路壓力損失以及控制閥門的局部壓力損失。管路壓力損失由流速和管路的阻力系數(shù)決定，控制閥門的局部壓力損失主要由閥門的開度決定，具體表現(xiàn)為閥門開度越大，局部壓力損失越小；為了實現(xiàn)對多泵并聯(lián)系統(tǒng)的智能控制，需要建立系統(tǒng)的管網(wǎng)特性曲線方程。

式中：Hr——系統(tǒng)所需的總揚程（m）；Qr——系統(tǒng)所需的總流量（m3/s）；H0——系統(tǒng)初始管網(wǎng)壓力（Pa）；k——管網(wǎng)阻力特性系數(shù)。

為了計算潛污泵的流量和功率，需要建立泵的特性方程。采用三臺型號相同的潛污泵時，可以采用同一組特性方程表達，得到水泵的揚程和功率特性方程，采用三次多項式近似方程表達。

式中：Q——水泵的輸出流量（m3/s）；P——水泵驅(qū)動電機的輸入功率（W）；f——水泵的運行頻率（Hz）；H——水泵的輸出揚程（m）；a00～a30——揚程特性方程的系數(shù)；b00～b30——功率特性方程的系數(shù)。

利用公式（2）和（3）可以得到不同頻率和流量下的潛污泵揚程和功率值，保證后續(xù)水泵運行參數(shù)的計算和遺傳算法的迭代求解。

3 城市軌道交通系統(tǒng)多泵智能控制算法

3.1 算法實現(xiàn)流程

將遺傳算法用于城市軌道交通排水系統(tǒng)多泵并聯(lián)智能控制，可以實現(xiàn)排水系統(tǒng)流量、揚程和頻率的自動調(diào)整，使?jié)撐郾脵C組的總體運行效率達到最優(yōu)值，大幅降低系統(tǒng)運行能耗。

遺傳算法流程如圖1所示。

圖1 遺傳算法流程

基于排水系統(tǒng)所需的流量和所需的揚程，通過定義初始種群的規(guī)模控制最優(yōu)化求解的收斂速度和種群多樣性，種群規(guī)模N通常被控制為20～200。計算水泵的運行參數(shù)，確定初始種群所需的個體樣本。

定義水泵的臺數(shù)；隨機確定每臺泵的運行頻率，根據(jù)頻率隨機函數(shù)fi=Rand（0…fmax）確定指定水泵的運行頻率，fi為第i臺水泵的頻率，fmax為頻率的最大值，即50 Hz；隨機確定每臺泵的揚程，根據(jù)揚程隨機函數(shù)Hi=Rand（0…Hmax）確定指定水泵的揚程，Hi為第i臺水泵的揚程，Hmax為揚程的最大值；基于隨機計算得到的頻率fi和揚程Hi，根據(jù)公式（2）計算每臺泵的流量；三臺泵否計算完成進入下一步，否則返回再次計算；計算特定運行參數(shù)下的并聯(lián)水泵系統(tǒng)總流量Qsys；）對比系統(tǒng)總流量Qsys和系統(tǒng)所需流量Qr以及單臺泵揚程Hi和系統(tǒng)所需揚程Hr，判定計算的個體樣本是否滿足性能要求；基于判定結(jié)果，確定合格個體樣本，設(shè)定個體樣本對應(yīng)的染色體結(jié)構(gòu)。

由系統(tǒng)總體流量Qsys以及公式（3）計算得到的每臺水泵消耗的功率Pi，建立多泵并聯(lián)系統(tǒng)流量和效率最優(yōu)目標函數(shù)F（Q）和F（η）：

式中：ΔQ——系統(tǒng)實際流量與系統(tǒng)所需流量的差值與系統(tǒng)所需流量的比值，即流量溢出率；η——系統(tǒng)的總效率，即三臺水泵輸出功率之和與三臺水泵驅(qū)動電機輸入功率之和的比值；ρ——水的密度（kg/m3）；g——重力加速度（m/s2）。

3.2 算法求解過程

遺傳算法由編碼、適應(yīng)度函數(shù)、遺傳算子（選擇、交叉、變異）及運行參數(shù)組成。

①確定染色體結(jié)構(gòu)和每臺泵的初始化運行參數(shù)。染色體結(jié)構(gòu)和每臺泵的初始化運行參數(shù)如表1所示。

表1 染色體結(jié)構(gòu)和每臺泵的初始化運行參數(shù)

②對個體染色體結(jié)構(gòu)進行編碼。編碼為十進制到二進制的轉(zhuǎn)換，原始十進制數(shù)值的格式為小數(shù)點保留一位，為了快速有效地進行二進制轉(zhuǎn)換，將十進制數(shù)值乘以10，將整數(shù)化的十進制數(shù)值進行二進制轉(zhuǎn)換，獲得有效編碼，不足9位的在編碼右側(cè)補“0”。

染色體結(jié)構(gòu)編碼如表2所示。

③定義遺傳算法迭代次數(shù)n，為了平衡計算時間和精度，迭代次數(shù)設(shè)定為n=10 000。

④采用遺傳算子：選擇、變異、交叉，對個體樣本進行處理，首先定義適應(yīng)度函數(shù)G，適應(yīng)度函數(shù)可以反映每個染色體與問題最優(yōu)解染色體之間的距離。

適應(yīng)度函數(shù)由系統(tǒng)總效率與流量溢出率的倒數(shù)組成，數(shù)值越大表明個體染色體越接近最優(yōu)解染色體；選擇算子將適應(yīng)度高的個體遺傳到下一代種群；通過變異算子獲得新個體，運算時需要定義變異率，變異運算通過均勻變異隨機函數(shù)確定變異位，通過其他等位基因替換原始基因。

個體染色體變異運算如表3所示。

表3 個體染色體變異運算

采用交叉算子獲得新的個體，運算時需要定義交叉概率，交叉運算通過單點交叉法隨機設(shè)定一個交叉點，實行交叉時，點后的兩個個體的部分結(jié)構(gòu)進行互換，生成兩個新個體，原始的個體A和個體B通過交叉運算后，產(chǎn)生新的個體A和新的個體B。

個體染色體交叉運算如表4所示。

表4 個體染色體交叉運算

⑤基于優(yōu)化流量和效率目標函數(shù)，對遺傳算法求解后的種群內(nèi)的個體樣本進行評估，獲取最佳解。

⑥判定迭代次數(shù)是否達到設(shè)定值n=10 000，超過時停止迭代。

⑦遺傳算法優(yōu)化結(jié)束，獲得流量溢出率最小值、系統(tǒng)總效率最高的水泵最佳運行參數(shù)解，對最佳解進行反編碼，將其轉(zhuǎn)換成可讀性強的十進制。

⑧對最佳解進行反編碼運算，將二進制數(shù)值轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)值，除以10，進行還原處理，獲得最終的參數(shù)最優(yōu)解。水泵運行參數(shù)反編碼如表5所示。

表5 水泵運行參數(shù)反編碼

3.3 算法實施結(jié)果

針對特定系統(tǒng)管路特性，確定水泵最佳運行參數(shù)，將水泵運行參數(shù)中的頻率值作為設(shè)定值寫入變頻控制器，對系統(tǒng)動態(tài)智能調(diào)整，保證排水系統(tǒng)所需流量和壓力，提升水泵綜合運行性能，降低系統(tǒng)運行能耗。

4 結(jié)語

基于遺傳算法的城市軌道交通排水泵智能控制技術(shù)可以實現(xiàn)排水系統(tǒng)流量、揚程和頻率的自動調(diào)整，使水泵機組的總體運行效率達到最優(yōu)值，大幅降低系統(tǒng)運行能耗，實現(xiàn)城市軌道交通多泵并聯(lián)排水系統(tǒng)的智能控制，為城市軌道交通排水泵智能控制技術(shù)的發(fā)展提供參考。