蔣云鐘 ，馬瑋駿 ，李 勝 ，金惠英 ，冷祥陽 ，田 雨 ，畢 程 ，孫 艷 ，馬永志

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京；2.南京金水尚陽信息技術(shù)有限公司，210034，南京；3.大連理工大學(xué)，116024，大連； 4.中建水務(wù)環(huán)保有限公司，100037，北京）

坪山河干流智慧水務(wù)平臺(tái)結(jié)合當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的軟硬件平臺(tái)等技術(shù)，滿足控源截污、調(diào)水引流、出入湖河道整治、生態(tài)修復(fù)等業(yè)務(wù)協(xié)同和智能調(diào)度需要，形成以“監(jiān)測預(yù)警、集中控制、精細(xì)管理、科學(xué)調(diào)度”為標(biāo)志的“智慧水務(wù)”模式。

智能調(diào)度系統(tǒng)是坪山河干流智慧水務(wù)平臺(tái)的重要組成部分，其調(diào)度對象涉及截流系統(tǒng)、調(diào)蓄系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)。 截流井的工作原理是雨時(shí)根據(jù)初期雨水水質(zhì)進(jìn)行截留， 根據(jù)SS 指標(biāo)有效控制面源污染；調(diào)蓄池的工作原理是雨時(shí)與截流井聯(lián)動(dòng)，存儲(chǔ)截留的高污染初雨， 雨后與凈化站聯(lián)動(dòng)，將初雨排放進(jìn)截留干管并輸送到凈化站進(jìn)行污水處理；凈化站的工作原理是一直處理生活污水，在雨后要額外處理雨時(shí)存儲(chǔ)的初雨。 由于截流井是對流域的產(chǎn)匯流進(jìn)行截污，而雨量和雨強(qiáng)的不確定性導(dǎo)致了產(chǎn)匯流的不確定性，從而導(dǎo)致了工程聯(lián)動(dòng)啟閉的不確定性。 本文對廣義的雨時(shí)作定義修正，區(qū)分多個(gè)調(diào)度階段，并設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的智能調(diào)度方法，以適應(yīng)工程特性，確保坪山河智慧水務(wù)平臺(tái)穩(wěn)定、有效地運(yùn)行。

一、總體調(diào)度思路

1.調(diào)度時(shí)段劃分

基于調(diào)蓄池承前啟后的作用，調(diào)度方案以調(diào)蓄池的狀態(tài)作為工況劃分的依據(jù)。 ①旱時(shí)：調(diào)蓄系統(tǒng)內(nèi)沒有初雨，凈化系統(tǒng)僅需要處理區(qū)域內(nèi)的生活污水，將此時(shí)段定義為工程的旱時(shí)。 ②雨時(shí)：降雨產(chǎn)匯流之后，第一個(gè)調(diào)蓄池開始進(jìn)水（判斷條件：泵開啟狀態(tài)或池內(nèi)水位變化）直至雨后方案創(chuàng)建時(shí)， 將此時(shí)段定義為工程的雨時(shí)。 ③雨后：當(dāng)調(diào)蓄系統(tǒng)開始放水直到最后一個(gè)調(diào)蓄池放空 （判斷條件：排水閘門狀態(tài)或池內(nèi)水位變化），將此段時(shí)間定義為雨后。 由此形成全年旱時(shí)－雨時(shí)－雨后的閉合循環(huán)。

2.調(diào)度思路

根據(jù)調(diào)度時(shí)段的劃分方法，提出以下調(diào)度思路： ①旱時(shí)調(diào)度思路：生活污水總量相對穩(wěn)定，且變化規(guī)劃可查，關(guān)鍵是如何考慮水質(zhì)和成本目標(biāo)后在碧嶺凈化站、南布凈化站、上洋污水處理廠間分配生活污水量。 ②雨時(shí)調(diào)度思路： 降雨預(yù)報(bào)的不確定性、產(chǎn)匯流的不確定性、管網(wǎng)水力條件的不確定性，導(dǎo)致雨時(shí)難以通過調(diào)度方案優(yōu)化凈化系統(tǒng)和調(diào)蓄系統(tǒng)的運(yùn)行，因此， 計(jì)劃雨時(shí)調(diào)蓄系統(tǒng)根據(jù)控制規(guī)則（各調(diào)蓄池的進(jìn)水判斷水位）進(jìn)行更加安全和可靠的運(yùn)行。 ③雨后調(diào)度思路： 工程系統(tǒng)內(nèi)既有生活污水也有調(diào)蓄池內(nèi)的初雨， 且調(diào)蓄池存在優(yōu)先級考慮，因此，雨后調(diào)度的關(guān)鍵是如何利用凈化系統(tǒng)處理生活污水的剩余能力盡快處理掉7 個(gè)調(diào)蓄池內(nèi)的初雨。

3.精準(zhǔn)截污策略

坪山河智慧水務(wù)污水處理過程涉及截污管線、提升泵房、調(diào)蓄池、水質(zhì)凈化站、人工濕地等多道工序。 通過建立截污系統(tǒng)與調(diào)蓄池聯(lián)合調(diào)度模型，能有效制定不同工況下系統(tǒng)的調(diào)度規(guī)則，使其在水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下系統(tǒng)能耗最低，這對于創(chuàng)建全國低碳生態(tài)城市具有重要意義。 其模型建立過程： ①分析流域面臨的所有工況，根據(jù)坪山河水量和水質(zhì)特點(diǎn)劃分為旱時(shí)、雨中、雨后三種工況。 ②深入分析各工況特征，旱時(shí)污水來源主要是生活污水，來水量較少，不需調(diào)用調(diào)蓄池，需考慮制定保質(zhì)降耗的運(yùn)行方案； 雨時(shí)的污染源主要是合流制污染，污染量較大，需調(diào)用調(diào)蓄池，重點(diǎn)是坪山河沿線截污管如何分流、調(diào)蓄池如何啟閉才能在不發(fā)生溢流污染情況下滿足水質(zhì)目標(biāo)；雨后需要處理的污水主要是生活污水和調(diào)蓄池的蓄水，生活污水與調(diào)蓄池中的蓄水是獨(dú)立的，沒有發(fā)生混合，可以根據(jù)各自污水的成分特點(diǎn)選擇適合的污水處理廠輸送污水，由于調(diào)蓄池中的污水最多可以儲(chǔ)存2 天，此時(shí)應(yīng)主要考慮如何在水質(zhì)達(dá)標(biāo)的同時(shí)，提升污水處理效率。 ③在明確各工況特點(diǎn)與目標(biāo)基礎(chǔ)上制定相應(yīng)的調(diào)度方案，通過對比優(yōu)選確定各工況下的最優(yōu)方案作為運(yùn)行方案。

二、旱時(shí)調(diào)度模型

1.旱時(shí)調(diào)度流程

旱時(shí)工程系統(tǒng)內(nèi)僅有生活污水，因此旱時(shí)調(diào)度的關(guān)鍵是如何在碧嶺凈化站、南布凈化站、上洋污水處理廠間分配生活污水量， 考慮因素：①各凈化站的處理成本差異，初步調(diào)查顯示，上洋污水處理廠單方處理成本為0.8 元， 碧嶺凈化站單方處理成本為1.9 元， 南布凈化站單方處理成本為1.83 元；②各凈化站的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)差異，上洋污水處理廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為一級A，碧嶺和南布凈化站的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為IV 類。 因此，旱時(shí)工程系統(tǒng)內(nèi)生活污水量的分配存在處理成本和出水水質(zhì)對沖的關(guān)系。

2.旱時(shí)調(diào)度模型建模

（1）調(diào)度目標(biāo)

在處理成本和出水水質(zhì)對沖關(guān)系基礎(chǔ)上， 構(gòu)建旱時(shí)成本-水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度模型，確定成本最低和水質(zhì)最優(yōu)兩個(gè)調(diào)度目標(biāo)。 目標(biāo)函數(shù)：

公式（1）為水質(zhì)最優(yōu)調(diào)度目標(biāo)，即生活污水總量經(jīng)過碧嶺凈化站、南布凈化站、上洋污水處理廠達(dá)標(biāo)處理后，上洋斷面的水質(zhì)最優(yōu)，滿足國家水質(zhì)斷面考核目標(biāo)。 式中，Wqsy表示上洋斷面各水質(zhì)指標(biāo)濃度的均值表示調(diào)度方案模擬的各水質(zhì)指標(biāo)的濃度，n 表示水質(zhì)指標(biāo)總數(shù)（說明：上洋污水處理廠尾水經(jīng)過濕地深度處理后匯入坪山河干流，濕地處理系數(shù)需要概化）。

公式（2）為成本最低調(diào)度目標(biāo)，即生活污水總量在碧嶺凈化站、南布凈化站、上洋污水處理廠分配處理之后總成本最低， 有效控制運(yùn)營成本。式中，A 表示污水處理總成本；Qi表示各凈化站處理的污水量；Ai表示各凈化站的單方處理成本，i 表示站點(diǎn)。

優(yōu)化目標(biāo)可以是成本和水質(zhì)的單目標(biāo)，也可以提供二者權(quán)重組合下的組合單目標(biāo)，權(quán)重設(shè)置靈活，可盡量滿足后期運(yùn)維中綜合考慮成本和水質(zhì)要求。

（2）約束條件

旱時(shí)調(diào)度模型約束條件包括污水量平衡、 凈化站污水處理上下限、上洋水質(zhì)斷面達(dá)標(biāo)。 污水量平衡約束即碧嶺凈化站、南布凈化站、上洋污水處理廠在相同時(shí)段內(nèi)處理的污水總量應(yīng)等于區(qū)域生活污水總量。 凈化站污水處理上下限約束，即污水處理下限是保障各凈化站正常運(yùn)行的最低水量，污水處理上限是各凈化站的設(shè)計(jì)處理能力乘以設(shè)計(jì)變化系數(shù)的結(jié)果。 上洋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)約束，即模擬方案的上洋斷面水質(zhì)類別應(yīng)滿足上洋斷面水質(zhì)考核目標(biāo)（IV 類）。

（3）模型求解

由于旱時(shí)調(diào)度的目標(biāo)和約束都是決策變量的線性函數(shù)，所以采用線性規(guī)劃。 最流行的單純形法計(jì)算過程為：①轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)型。 ②迭代：先找出一個(gè)基可行解， 判斷其是否為最優(yōu)解。 如為否則轉(zhuǎn)換到相鄰的基可行解，并使目標(biāo)函數(shù)值不斷增大，直到最優(yōu)解為止。

三、雨后調(diào)度模型

1.雨后調(diào)度流程

雨后工程系統(tǒng)內(nèi)既有生活污水，也有7 個(gè)調(diào)蓄池存儲(chǔ)的初雨。 7 個(gè)調(diào)蓄池設(shè)計(jì)初衷是有效收集降雨前1h的初雨，從而有效控制面源污染，因此雨后要面對如何盡快處理掉7 個(gè)調(diào)蓄池內(nèi)的初雨，為下一場降雨騰出庫容。凈化系統(tǒng)的處理能力上限為31.4=2.7+2.7+26 （三個(gè)凈化站處理能力上限求和），小于40=18+22（現(xiàn)狀每日生活污水量+調(diào)蓄池內(nèi)初雨量）。 由于凈化站是在處理生活污水的同時(shí)， 接受調(diào)蓄池輸送的初雨， 所以調(diào)蓄池不能同時(shí)放水， 無法實(shí)現(xiàn)理論上的以最短時(shí)間排空。 在決策時(shí)段，哪個(gè)調(diào)蓄池放水、能放多少就成為雨后調(diào)度的關(guān)鍵。

7 個(gè)調(diào)蓄池分布于坪山河干流的上中下游， 類似于并聯(lián)的梯級水庫群。 采用相同思路解決調(diào)蓄池的調(diào)度問題，位于最下游的上洋調(diào)蓄池有效容積最大，無論是上、中、下游出現(xiàn)產(chǎn)匯流情況， 上洋都能起到兜底作用，理論上應(yīng)該首先排空上洋調(diào)蓄池。 從實(shí)際工程的應(yīng)用情況出發(fā)，每次排空調(diào)蓄池時(shí)各調(diào)蓄池的優(yōu)先級需要具體情況具體設(shè)定。

一般情況下，碧嶺調(diào)蓄池、南布調(diào)蓄池以及墩子河調(diào)蓄池可以和附近的碧嶺凈化站、南布凈化站以及墩子河凈化站配套使用，直接將水輸送到附近的凈化站進(jìn)行處理，不需要再通過管網(wǎng)輸送到上洋污水處理廠。 其余四個(gè)調(diào)蓄池閥門的啟閉成為雨后調(diào)度的對象。 若碧玲凈化站、南布凈化站、墩子河凈化站出現(xiàn)故障或者有處理生活污水的任務(wù)，則只需把配套的調(diào)蓄池作為調(diào)度對象添加進(jìn)模型中即可。 湯坑、石井、上洋等調(diào)蓄池采用自流方式出水，錦龍等調(diào)蓄池采用泵出方式出水，復(fù)雜的水利約束增加了模型難度。

2.雨后調(diào)度模型建模

（1）調(diào)度目標(biāo)

在盡快利用凈化系統(tǒng)處理生活污水的剩余能力盡快處理掉7 個(gè)調(diào)蓄池內(nèi)的初雨目標(biāo)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建雨后調(diào)蓄系統(tǒng)排空優(yōu)化調(diào)度模型，確定排空時(shí)間最短為調(diào)度目標(biāo)。 目標(biāo)函數(shù)為minT，即7 個(gè)調(diào)蓄池內(nèi)的初雨經(jīng)過優(yōu)化調(diào)度后， 實(shí)現(xiàn)排空時(shí)間用時(shí)最短，為下一場降雨騰出庫容，T 表示調(diào)蓄系統(tǒng)內(nèi)初雨排空總歷時(shí)。

（2）約束條件

為方便建模以及傳送控制指令，閥門的開關(guān)狀態(tài)設(shè)為二元變量即0 或1。 雨后調(diào)度模型約束條件包括凈化系統(tǒng)處理能力約束、水量平衡約束、自流出水約束、泵機(jī)出水約束，暫且以每小時(shí)為決策時(shí)段，后期根據(jù)系統(tǒng)需求隨時(shí)調(diào)整。凈化系統(tǒng)處理能力約束即凈化系統(tǒng)每小時(shí)處理的生活污水量與調(diào)蓄池內(nèi)初雨量之和小于凈化系統(tǒng)的處理量上限。水量平衡約束，即各調(diào)蓄池每小時(shí)排水量之和等于調(diào)蓄系統(tǒng)儲(chǔ)水總量。

公式（3）為閘孔出水約束，即為湯坑、石井、上洋等自流調(diào)蓄池的流量與水頭關(guān)系。 式中，σs表示淹沒系數(shù)；μ0表示閘孔自由出流的流量系數(shù)；e 表示閘門開啟高度；b 表示每孔凈寬；n 表示閘孔孔數(shù)；表示各調(diào)蓄池每小時(shí)排水量；x 表示調(diào)蓄池閘門啟閉狀態(tài)；μ0表示閘孔自由出流流量系數(shù)；表示行近流速調(diào)蓄池水頭。

式（4）為泵機(jī)出水約束，即錦龍等泵出水調(diào)蓄池流量，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，流量穩(wěn)定，為單閘門開啟或雙閘門開啟。

（3）模型求解

在求解時(shí)效最短模型時(shí)采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法。 動(dòng)態(tài)規(guī)劃常常適用于有重疊子問題和最優(yōu)子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的問題，動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法所耗時(shí)間往往遠(yuǎn)少于樸素解法。 這種算法在重復(fù)子問題的數(shù)目關(guān)于輸入的規(guī)模呈指數(shù)增長時(shí)特別有用。

在調(diào)度模型中，dp(a,b,c,d)是第一個(gè)調(diào)蓄池放a 次水，第二個(gè)調(diào)蓄池放b 次水，第三個(gè)調(diào)蓄池放c 次水，第四個(gè)調(diào)蓄池放d 次水所需要的最短時(shí)間。每個(gè)時(shí)段的決策有42=16 種情況，那么dp(a,b,c,d)就等于它前面的16 種情況對應(yīng)時(shí)間的最小值加1。

即 dp(a,b,c,d)=min{dp(a-1，b,c,d)，....dp(a-1，b-1，c-1，d-1)} +1

四、模型應(yīng)用

以智能調(diào)度模型為基礎(chǔ)開發(fā)的智能調(diào)度系統(tǒng)遵循SOA 的理念，JAVA EE 的體系結(jié)構(gòu)，采用跨平臺(tái)的JAVA 語言開發(fā)， 架構(gòu)上使用 B/S 模式，功能上分為方案創(chuàng)建、方案編輯、方案刪除、方案推薦和方案比選等。

以雨后調(diào)度為例，方案創(chuàng)建功能可以讓工作人員自行設(shè)定方案的開始時(shí)間、運(yùn)行工況、方案類型等條件然后經(jīng)雨后模型生成調(diào)度方案。

如果同時(shí)創(chuàng)建了三個(gè)方案，包括兩個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化的方案，一個(gè)自定義的方案；則對于有經(jīng)驗(yàn)的業(yè)務(wù)人員可以直接使用方案推薦功能選定某個(gè)方案，經(jīng)驗(yàn)不足的業(yè)務(wù)人員可以使用方案比選功能，針對這三個(gè)方案，界面下半部分展示比選的詳細(xì)信息，包括比選指標(biāo)和相應(yīng)權(quán)重，以及三個(gè)方案的總分，并推薦分值最高的方案。