天津水司的水力模型建設與應用
天津水司的水力模型建設與應用
李冠民
(天津市自來水集團有限公司，天津 300040)
摘 要：結合天津市自來水集團有限公司水力模型項目的實踐經驗和工作實際，從水力模型項目的數據準備、技術路線選擇、開發(fā)與實施、在天津水司的應用、后期的維護與管理等各階段，對水力模型的建設與應用進行了較為全面的介紹。
天津市自來水集團有限公司（以下簡稱天津水司）是國家大型一類供水企業(yè)，承擔著天津市區(qū)及周邊區(qū)縣部分地區(qū)的供水任務。2010年，天津水司在地理信息、中心調度、二次供水調度、計量、營業(yè)、客服、管網實時在線監(jiān)測等信息系統(tǒng)成熟應用并積累大量有效數據的基礎上，投資建設了水力模型系統(tǒng)（HM），經過近3年的開發(fā)、實施和試運行，于2013年通過項目驗收。因為HM本身對供水企業(yè)的基礎數據、信息化程度和管理規(guī)范化程度要求較高，僅在國外先進水司的全管網以及國內部分水司的小規(guī)模管網中具有較成熟的應用，在國內供水行業(yè)中尚無同規(guī)模管網的成熟案例可以借鑒。
天津水司在HM的開發(fā)過程中，注重與其他現有應用系統(tǒng)的結合；在系統(tǒng)建設過程中，將HM的建設與提升供水企業(yè)的基礎管理水平以及基于GIS的自來水綜合生產運營管理系統(tǒng)的研究結合起來。目前HM數據更新及時，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在天津水司的日常生產運行管理中發(fā)揮了重要的作用。
1 HM的基本情況
天津水司建立了目前國內規(guī)模最大的水力模型，包含65萬條管線、50萬個節(jié)點、11萬塊考核表的數據，完成了9個營銷公司和西青分公司的分區(qū)水力模型、全市DN300以上管道的全管網水力模型以及全市管網水質模型的建設。
模型精度：97%的測壓點壓力實測值與模擬值之差在±20 kPa以內；79%的測壓點壓力實測值與模擬值之差在±10 kPa以內。對于管道流量占管網總供水量1%以上的管道，管道流量的實測平均值與模擬平均值的誤差在±5%以內；對于管道流量占管網總供水量0.5%以上的管道，管道流量的實測平均值與模擬平均值的誤差在±10%以內。
系統(tǒng)平臺：Microsoft Windows Server 2008/XP；數據庫管理軟件：Microsoft SQL Server 2008；ＨＭ系統(tǒng)開發(fā)平臺：WaterGEMS V8i中文版（無限管道版本），Hammer V8i中文版；系統(tǒng)開發(fā)工具：Net3.5+VB6；硬件系統(tǒng)：2臺HP Server 580。
系統(tǒng)構架：C/S系統(tǒng)、B/S系統(tǒng)，如圖1所示。
圖1 HM系統(tǒng)構架
數據接口：與地理信息系統(tǒng)、調度系統(tǒng)、營業(yè)系統(tǒng)、二次供水調度系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、水質在線系統(tǒng)的接口。
C/S系統(tǒng)的基本功能：水力模型建立，包括數據輸入與檢查、模型簡化器Skelebrator、節(jié)點服務區(qū)域自動劃分、節(jié)點流量分配器LoadBuilder、數字地形高程解析TRex；水力計算分析與操作，包括靜態(tài)與多時段EPS平差計算、動態(tài)運行模擬、管網漏水模擬計算、閥門模型、水泵模擬與運行控制、消防流量分析、管網特征曲線的繪制；供水系統(tǒng)規(guī)劃設計，包括管網優(yōu)化改擴建方案、多設計方案管理、多設計方案比較；水質模型，包括化學藥劑濃度分析、多水源供水量跟蹤分析、水齡分析；模型校核，包括模型錯誤檢查工具、達爾文模型校核工具；水廠優(yōu)化調度，包括多方案比較制定調度預案、達爾文水泵優(yōu)化調度工具；管網漏失分析，包括漏失定位分析、管網更新計劃；報表與結果演示，包括報表、彩色圖形顯示、動態(tài)標注、等值線繪制、動畫顯示、高級統(tǒng)計圖表；水錘分析等。
B/S系統(tǒng)的高級功能：24 h不間斷模擬分析與監(jiān)測、與SCADA數據連接，可無人值守運行、根據自來水公司的具體業(yè)務靈活設置功能。
2 數據的準備
HM對供水企業(yè)的基礎數據要求很高，數據及其質量是HM項目實施的基礎，這就要求在HM項目建設之前必須做好數據準備工作，而且在項目實施過程中也要做好數據的實測和相關試驗工作。收集整理基礎數據和運行數據，包括地理信息、水廠調度、營業(yè)收費、SCADA測壓點、分區(qū)計量等基礎數據以及至少1年內的運營記錄數據；在根據收集的基礎數據建立初步水力模型的基礎上，進行數據錯誤排查；在建立過程中，同時做好實測與試驗工作，如：現場管道流量、管網壓力、用戶用水量、管道阻力、水泵特性曲線測試等，應用現場測試數據對水力模型進行校正。2011年，利用8個月的時間完成了數據的準備，構建了較為完整的天津市供水管網數據，確保了數據的真實性和可靠性。
3 技術路線的選擇
選擇GIS系統(tǒng)的技術路線之前，首先要對水司本身的現狀和整體需求有一個準確的認識，并據此確定基本的技術路線。首先，天津水司具有明確的信息化技術路線，信息系統(tǒng)的數據庫均基于Microsoft SQL Server和Windows平臺建設。其次，天津水司在營銷管理上實施三級區(qū)域計量工作。天津市的供水區(qū)域分為市南、市北兩個計量區(qū)域；市南分為5個營銷分公司，市北分為4個營銷分公司；每個營銷分公司又分為3~7個小的計量區(qū)域；每個計量區(qū)域邊界均裝有在線流量計。在此基礎上，天津水司將水力模型系統(tǒng)應用于15個部門和單位，分別涉及集團公司的生產調度、規(guī)劃設計、管網管理、營銷管理、區(qū)域性水務公司等部門和單位。系統(tǒng)對用戶進行嚴格的權限控制和訪問控制。針對不同類型的用戶需求，量身打造水力模型系統(tǒng)。
從模型的規(guī)模上，要求軟件平臺對天津市內全管網進行計算模擬的時間控制在5 min內，并支持全中文界面，要求軟件具有與其他系統(tǒng)的數據交互能力，要有一定的可擴展性。據此，對國內外知名的HM應用平臺進行了廣泛調研，綜合考慮軟件的先進性、成熟度，并根據公司的實際情況和資金安排，選擇了Bentley WaterGEMS V8i中文版（無限管道版本）及其Hammer V8i中文版平臺。
在硬件的選擇上，兼顧安全和效率的原則，合理配置符合軟件技術要求的硬件設備，配備了1臺數據庫服務器、1臺WEB服務器和1套備份系統(tǒng)。
從模型深度上，要求軟件架構及其數據結構適應天津水司內部多區(qū)域供水的數據和系統(tǒng)劃分要求。天津水司將建設的模型劃分為兩種：第1種為詳至地表（指水表）的管網模型，區(qū)域根據營銷公司區(qū)域計量的范圍設定，用于區(qū)域計量、營銷分析和降低產銷差率等方面；第2種為通過第1種模型合并簡化后，口徑≥300 mm管線的管網模型，用于宏觀規(guī)劃、設計、分析、預測與調度。
從模型應用對象和技術難度上，要求軟件架構及其功能設置適應天津水司內部不同層次技術人員和操作人員的技術水平和需求，以利于項目的推廣和使用。天津水司將建設的模型劃分為兩種：第1種為傳統(tǒng)的通用管網模型，為專業(yè)技術人員提供靈活機動的個性化分析與應用，可針對特定運行工況進行分析，功能豐富，但操作復雜；第2種為定制的管網模型，為一般技術人員和管理者提供定制的管網分析，功能明確，操作簡單，采用B/S的結構自行開發(fā)，可24 h不間斷地進行模擬分析與監(jiān)測。
4 項目的開發(fā)與實施
首先，HM項目作為一項軟件工程，需求分析和系統(tǒng)分析是基礎。天津水司在軟件實施之前，在國內外調研的基礎上，組織相關專業(yè)部門和單位，結合生產實際，對HM的需求分析書進行多輪研究與討論。在軟件實施開發(fā)前，將軟件的需求盡量做實做細，并將最終形成的文檔作為系統(tǒng)的開發(fā)和驗收依據，規(guī)范天津水司和開發(fā)商的行為，確保軟件的質量。通過系統(tǒng)分析確定了HM的整體架構和運維方式。
其次，HM項目作為一項系統(tǒng)工程，技術含量高，與實際工作緊密結合，幾乎涉及供水企業(yè)生產運營的各個環(huán)節(jié)，需要各專業(yè)部門和基層單位的各類數據支持。因此在項目實施過程中，天津水司成立了強有力的領導小組，配備了專職的技術人員。一方面，領導小組統(tǒng)籌協調；另一方面，專職的技術人員全過程跟進，將項目開發(fā)實施過程和培訓過程相結合，進行人員知識儲備，以達到系統(tǒng)建成之日即是系統(tǒng)應用之時的目的。同時建立了一套較為完善的數據維護與管理機制。
5 HM在天津水司的應用
天津水司的HM項目可應用于管網運行模擬與分析，供水管網系統(tǒng)可靠性分析與安全，降低產銷差率及管網漏失分析，供水管網清洗，水廠調度預案制定，壓力、流量及余氯監(jiān)控與報警，供水管網規(guī)劃，管網更新計劃等諸多生產實際。目前，已廣泛應用于管網管理、生產調度等部門，現階段主要的應用包括：發(fā)現未知的關閉閥門、管道安全性評估、爆管事故分析、管網漏失與壓力控制分析、水廠停產限產事故模擬分析、管網改擴建分析、水質事故應急分析等。天津水司通過HM項目的應用，在實現管網可視化、數字化等基本功能的基礎上，動態(tài)地模擬整個供水管網系統(tǒng)的運行狀況，實現了從水廠調度、管網運維到客戶服務的自來水生產管理全過程的可控、可分析，大大提高了工作效率和工作質量，為各基層單位、各部門、各級領導的決策提供了科學依據，為天津水司的供水規(guī)劃、科學調度、管網管理、優(yōu)質服務、降低產銷差率、降低供水能耗、提高事故應急能力、提高供水安全性提供了強有力的工具。
6 后期的維護與管理
天津水司注重HM的后期維護工作，建立了有效的運行管理和實施推動機制。每半年更新模型的基礎數據，確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，保持系統(tǒng)的生命力；在與開發(fā)商簽訂系統(tǒng)維護升級合同的同時，由專職技術人員負責模型的日常維護與管理，為系統(tǒng)在天津水司的應用提供了數據保障和系統(tǒng)保障。
7 結論
通過對天津水司HM項目的研究與分析，對數據準備、技術路線的選擇、項目的開發(fā)與實施、水力模型深層次的應用與拓展、后期的維護與管理等各階段進行經驗總結，提出了一條較為成熟的HM項目在供水企業(yè)中實施、應用的技術管理路線。隨著HM與供水企業(yè)各類生產運營系統(tǒng)的整合，HM在供水行業(yè)中將展現出越來越廣闊的應用前景。
（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第3期“技術總結”欄目）
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