智慧供水系統(tǒng)節(jié)能策略研究

張劍惠， 車通， 朱杰， 朱鴻彬， 黃寧， 魯立明， 鄧幫武， 王星照

（1. 杭州余杭水務控股集團有限公司；2. 安徽舜禹水務股份有限公司；3. 安徽建筑大學）

1 引言

供水系統(tǒng)運行能耗過高一直是水務行業(yè)成本效益難以提高的現(xiàn)實問題之一。國內(nèi)供水企業(yè)系統(tǒng)運行能耗普遍占到制水成本的20%～30%左右[1]。

信息技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器和控制器等設備的出現(xiàn)、大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)的應用促使水務行業(yè)研究人員開始考慮將節(jié)能供水與智能技術(shù)的結(jié)合。許多智能技術(shù)，例如供水管網(wǎng)壓力管理技術(shù)、管網(wǎng)漏損智能識別技術(shù)、泵送控制優(yōu)化調(diào)度技術(shù)等，展現(xiàn)出優(yōu)越的節(jié)能特性；機器學習與水力建模軟件融合助力系統(tǒng)改造，通過軟件模擬做到以問題為導向，最大限度縮小改造范圍、節(jié)約資源。

文章回顧供水領(lǐng)域使用的多種智能技術(shù)，包括壓力管理、管道泄漏檢測、水泵優(yōu)化調(diào)度等；詳細分析未來需解決的諸如高成本、網(wǎng)絡攻擊等關(guān)鍵挑戰(zhàn)，有助于厘清水務智能化發(fā)展瓶頸，展望智慧供水系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。

2 智能化在市政供水管網(wǎng)中的應用

隨著智能技術(shù)發(fā)展，行業(yè)研究者試圖運用最新技術(shù)謀求市政管網(wǎng)運行過程中已存在問題的解決方案，這些問題涵蓋泄漏檢測、壓力管理和智能優(yōu)化調(diào)度三大領(lǐng)域。

2.1 管網(wǎng)漏損識別

管網(wǎng)漏損問題普遍存在且難以避免、居高不下的管網(wǎng)漏損造成水資源的嚴重浪費與能源的額外消耗，影響節(jié)水型社會建設與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

供水智能系統(tǒng)通過傳感器實現(xiàn)實時監(jiān)測，做到供水設施故障實時響應和管理。新算法的涌現(xiàn)進一步豐富了管網(wǎng)漏損控制智能化方案，王俊嶺[2]將漏損發(fā)生前后管網(wǎng)數(shù)據(jù)訓練完成的BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行漏損定位，大大提高漏損控制工作效率。

以漏損控制為目標，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，依靠智能技術(shù)迅速識別管網(wǎng)漏損，對于降低區(qū)域產(chǎn)銷差率作用明顯。

2.2 壓力管理

管道余壓與配水管道泄漏密切相關(guān)，管網(wǎng)壓力管理可以作為降低漏損率、提高供水效能最為經(jīng)濟的方案。壓力管理的本質(zhì)是管網(wǎng)中減壓閥的有效調(diào)控。通過壓力管理降低管網(wǎng)運行能耗，核心任務是尋找最佳控制策略及優(yōu)化布置。

2.2.1 減壓閥優(yōu)化控制

計算管網(wǎng)壓力分布最優(yōu)解是復雜的非線性問題，機器學習優(yōu)化算法為減壓閥優(yōu)化控制提供思路。陳紫怡[3]通過粒子群算法求解模型解決多個減壓閥優(yōu)化控制問題，提高了供水安全性及管網(wǎng)壓力均衡性，降低了管網(wǎng)漏損率。

2.2.2 減壓閥優(yōu)化布置

智能算法為減壓閥優(yōu)化布置提供了有效支持。Creaco[4]借助遺傳算法快速搜索出管網(wǎng)模型中最佳減壓閥布置區(qū)域。除減壓閥位置優(yōu)化外，布置數(shù)量也是重要的考慮因素。Nicolini[5]等通過多目標遺傳算法解決了同一管網(wǎng)減壓閥布置數(shù)量及布置位置雙目標優(yōu)化問題。

雖然壓力管理在軟件方面展現(xiàn)了優(yōu)越的漏損控制性能，但目前對管網(wǎng)壓力控制漏損的研究仍不完善，沒有科學的理論解釋壓力管理過程的動態(tài)影響。

2.3 智能優(yōu)化調(diào)度

數(shù)字技術(shù)與軟件開發(fā)推動了水力模擬軟件的改造升級，促進了管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的智能化發(fā)展。傳統(tǒng)的水力建模工具通過將用水需求分配至計算節(jié)點模擬供水管網(wǎng)運行，具備加壓管網(wǎng)水力和配水模擬功能，提高供水系統(tǒng)運行的直觀性。

2.3.1 泵組智能優(yōu)化調(diào)度

由于供水管網(wǎng)的復雜性，傳統(tǒng)數(shù)學模型在求解優(yōu)化問題時迭代速度較慢，隨著軟件功能拓展和人工智能技術(shù)發(fā)展，計算機算法的應用加速了模型求解速度。吳阮彬[6]基于智能算法建立優(yōu)化模型，尋找最優(yōu)泵群調(diào)度方案。

2.3.2 水箱水位智能優(yōu)化調(diào)度

水箱在供水系統(tǒng)中占據(jù)很重要的地位，其水位的調(diào)控影響市政管網(wǎng)水量的調(diào)配和壓力波動。設置最佳水箱水位可有效減少水泵、閥門頻繁啟停造成的能量耗散，也能最大限度削減管網(wǎng)余壓，增加管網(wǎng)運行穩(wěn)定性。水務部門收集一天不同時段的觸發(fā)水位，通過遺傳算法優(yōu)化觸發(fā)水位設置，滿足供水揚程峰值的同時達到抽水量合理分配的目的。

2.3.3 優(yōu)化調(diào)度效益評估

智能優(yōu)化調(diào)度最終目的是提高管網(wǎng)運行效率，降低供水能耗。水務部門應用算法優(yōu)化配水系統(tǒng)設計，能節(jié)省兩成左右的能源成本。基于管網(wǎng)模型的配水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度在算法的加持下求解速度大大提升，為供水部門節(jié)能增效提供了方案。

縱使考慮多方因素，軟件模擬始終處于理想狀態(tài)，即使模擬效果較好，應用到實際工程中也可能出現(xiàn)種種問題。表1列出部分實際案例使用方案及其存在的缺陷。

表1 優(yōu)化調(diào)度部分優(yōu)化案例及缺陷

3 智能化在建筑供水系統(tǒng)中的應用

建筑供水系統(tǒng)中智能技術(shù)應用助力建筑節(jié)能。其中智能水表的應用最為廣泛，智能水表收集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為節(jié)能策略制定、供水方案調(diào)整提供依據(jù)。

3.1 用水數(shù)據(jù)可視化

智能水表通過用水數(shù)據(jù)可視化警醒用戶節(jié)約用水。水務部門在用戶家中安裝可雙向通信的智能水表，一方面，工作人員將價格信息發(fā)送至水表；另一方面，水表將用水量信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿畡詹块T。水務部門便可及時向消費者展示用水明細，使消費者明晰自己的用水情況。智能水表的應用一方面幫助用戶及時掌握用水情況，預防水資源濫用，另一方面降低了水務公司的運營成本，增加了智能技術(shù)的可信度。

3.2 明確用戶的用水模式

根據(jù)用戶實際用水規(guī)律進行預測建模將大幅提高預測精度。智能水表提供的數(shù)據(jù)幫助研究者分析用戶的用水模式與用水特征，根據(jù)用水頻率、用水時長、用水量預測居民的各種日常用水行為，預測用戶用水活動。

智能水表購置安裝的高成本使其難以在世界范圍內(nèi)普及，更多國家傾向于安裝傳統(tǒng)機械式水表。目前許多地區(qū)智能改造常用手段是將此類機械儀表改造為智能儀表，這種改進型水表不需要復雜的信息模塊，改造成本低，雖然精度較差，但在數(shù)據(jù)量足夠大的前提下也能用于粗略分析，減少人力消耗。

4 面臨的挑戰(zhàn)

為響應國家綠色減排號召，水行業(yè)致力于推廣高效的智能供水技術(shù)，但現(xiàn)階段智能技術(shù)發(fā)展仍存在不少限制因素。

4.1 成本問題

智能技術(shù)研發(fā)步伐放緩與財政投入減少不無關(guān)系。與在供水系統(tǒng)中建立智能傳感器網(wǎng)絡相比，水務部門更加注重供水系統(tǒng)的可持續(xù)性。項目初期購置設備技術(shù)的投入巨大，后期運行維護同樣需要大量資金支持。智能系統(tǒng)運維成本過高，地區(qū)財政難以維系。此外，在實際項目實施過程中，往往由于經(jīng)驗和專業(yè)知識的缺乏，導致項目成本和工期大幅上升，項目質(zhì)量和效果也難以得到保證。

4.2 用戶認可度

智能供水系統(tǒng)及配套技術(shù)需要贏得用戶的信任。一些用戶對系統(tǒng)安全性持懷疑態(tài)度，認為在飲用水系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)中安裝智能設備過于草率。因此，在該地區(qū)安裝、操作和維護設備時，研究人員應事先展示系統(tǒng)功能，包括智能網(wǎng)絡傳輸大量數(shù)據(jù)的能力、無線網(wǎng)絡的穩(wěn)定性、人為損壞的預防、故障多發(fā)區(qū)的檢測等。供水事關(guān)民生，供水系統(tǒng)預測失誤將引發(fā)用戶的信任危機，在實際項目運行中不允許出現(xiàn)這種失誤，所以研究人員在布置傳感器前需反復模擬驗證效果。

4.3 數(shù)據(jù)安全

數(shù)據(jù)安全問題是另一個居民抵觸生活用水使用智能技術(shù)的原因。為了完善需求管理模型，系統(tǒng)需要用戶定期訪問其用水數(shù)據(jù)。然而，頻繁訪問自身的用水數(shù)據(jù)引發(fā)了人們對隱私信息泄漏的擔憂。用戶擔心存儲在云上的個人數(shù)據(jù)遭到泄漏，第三方公司也可能濫用個人信息。政府需要完善法律保護用戶隱私，禁止相關(guān)公司傳播濫用個人數(shù)據(jù)。水務公司應加強系統(tǒng)網(wǎng)絡安全，保證受到網(wǎng)絡攻擊時有足夠的反應時間切斷操控系統(tǒng)并及時排查出未經(jīng)身份驗證的訪客。

5 結(jié)論與未來發(fā)展方向

在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，智能供水系統(tǒng)節(jié)能研究取得了較好的成果。已有許多地區(qū)將智能技術(shù)、分析工具和建模方法納入現(xiàn)有或新的系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運行和管理效率。水行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級成為各地區(qū)供水領(lǐng)域的迫切需要。

未來對智能化應用的研究可從幾個方向開展。

1）低成本、高質(zhì)量的智能系統(tǒng)研發(fā)

智能技術(shù)在供水領(lǐng)域節(jié)能研究處于初始階段，信息基礎(chǔ)建設需要投資成本。我國部分地區(qū)財政難以支撐智能技術(shù)在供水系統(tǒng)的應用，這些地區(qū)迫切需要低成本、高質(zhì)量的智能系統(tǒng)。研究人員可以就改造原有系統(tǒng)和傳統(tǒng)儀器深入研究。此外，在部分地區(qū)，由于基礎(chǔ)設施不健全，實現(xiàn)供水管網(wǎng)全覆蓋已成困難，部署高精度傳感器網(wǎng)絡更是空談。未來針對欠發(fā)達地區(qū)，研發(fā)耐用廉價的智能設備將作為研究重心。

2）更高精度的智能泄漏檢測

由于閥門啟閉、多泵調(diào)控等復雜的操作，智能泄漏檢測存在誤判誤報風險。漏損定位技術(shù)還有改進的余地，研究人員需要增強智能系統(tǒng)對突發(fā)事件和水力狀況異變的精確識別能力，提高定位精準度。