天津水司的水力模型建設(shè)與應(yīng)用

李冠民

(天津市自來(lái)水集團(tuán)有限公司，天津 300040)

摘 要：結(jié)合天津市自來(lái)水集團(tuán)有限公司水力模型項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工作實(shí)際，從水力模型項(xiàng)目的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、技術(shù)路線選擇、開發(fā)與實(shí)施、在天津水司的應(yīng)用、后期的維護(hù)與管理等各階段，對(duì)水力模型的建設(shè)與應(yīng)用進(jìn)行了較為全面的介紹。

天津市自來(lái)水集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱天津水司）是國(guó)家大型一類供水企業(yè)，承擔(dān)著天津市區(qū)及周邊區(qū)縣部分地區(qū)的供水任務(wù)。2010年，天津水司在地理信息、中心調(diào)度、二次供水調(diào)度、計(jì)量、營(yíng)業(yè)、客服、管網(wǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等信息系統(tǒng)成熟應(yīng)用并積累大量有效數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，投資建設(shè)了水力模型系統(tǒng)（HM），經(jīng)過(guò)近3年的開發(fā)、實(shí)施和試運(yùn)行，于2013年通過(guò)項(xiàng)目驗(yàn)收。因?yàn)?/span>HM本身對(duì)供水企業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息化程度和管理規(guī)范化程度要求較高，僅在國(guó)外先進(jìn)水司的全管網(wǎng)以及國(guó)內(nèi)部分水司的小規(guī)模管網(wǎng)中具有較成熟的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)供水行業(yè)中尚無(wú)同規(guī)模管網(wǎng)的成熟案例可以借鑒。

天津水司在HM的開發(fā)過(guò)程中，注重與其他現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)合；在系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，將HM的建設(shè)與提升供水企業(yè)的基礎(chǔ)管理水平以及基于GIS的自來(lái)水綜合生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的研究結(jié)合起來(lái)。目前HM數(shù)據(jù)更新及時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在天津水司的日常生產(chǎn)運(yùn)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(guó)內(nèi)規(guī)模最大的水力模型，包含65萬(wàn)條管線、50萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)、11萬(wàn)塊考核表的數(shù)據(jù)，完成了9個(gè)營(yíng)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(wǎng)水力模型以及全市管網(wǎng)水質(zhì)模型的建設(shè)。

模型精度：97%的測(cè)壓點(diǎn)壓力實(shí)測(cè)值與模擬值之差在±20 kPa以內(nèi)；79%的測(cè)壓點(diǎn)壓力實(shí)測(cè)值與模擬值之差在±10 kPa以內(nèi)。對(duì)于管道流量占管網(wǎng)總供水量1%以上的管道，管道流量的實(shí)測(cè)平均值與模擬平均值的誤差在±5%以內(nèi)；對(duì)于管道流量占管網(wǎng)總供水量0.5%以上的管道，管道流量的實(shí)測(cè)平均值與模擬平均值的誤差在±10%以內(nèi)。

系統(tǒng)平臺(tái)：Microsoft Windows Server 2008/XP；數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件：Microsoft SQL Server 2008；ＨＭ系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)：WaterGEMS V8i中文版（無(wú)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(tái)HP Server 580。

系統(tǒng)構(gòu)架：C/S系統(tǒng)、B/S系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 HM系統(tǒng)構(gòu)架

數(shù)據(jù)接口：與地理信息系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、營(yíng)業(yè)系統(tǒng)、二次供水調(diào)度系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、水質(zhì)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(shù)據(jù)輸入與檢查、模型簡(jiǎn)化器Skelebrator、節(jié)點(diǎn)服務(wù)區(qū)域自動(dòng)劃分、節(jié)點(diǎn)流量分配器LoadBuilder、數(shù)字地形高程解析TRex；水力計(jì)算分析與操作，包括靜態(tài)與多時(shí)段EPS平差計(jì)算、動(dòng)態(tài)運(yùn)行模擬、管網(wǎng)漏水模擬計(jì)算、閥門模型、水泵模擬與運(yùn)行控制、消防流量分析、管網(wǎng)特征曲線的繪制；供水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，包括管網(wǎng)優(yōu)化改擴(kuò)建方案、多設(shè)計(jì)方案管理、多設(shè)計(jì)方案比較；水質(zhì)模型，包括化學(xué)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(cuò)誤檢查工具、達(dá)爾文模型校核工具；水廠優(yōu)化調(diào)度，包括多方案比較制定調(diào)度預(yù)案、達(dá)爾文水泵優(yōu)化調(diào)度工具；管網(wǎng)漏失分析，包括漏失定位分析、管網(wǎng)更新計(jì)劃；報(bào)表與結(jié)果演示，包括報(bào)表、彩色圖形顯示、動(dòng)態(tài)標(biāo)注、等值線繪制、動(dòng)畫顯示、高級(jí)統(tǒng)計(jì)圖表；水錘分析等。

B/S系統(tǒng)的高級(jí)功能：24 h不間斷模擬分析與監(jiān)測(cè)、與SCADA數(shù)據(jù)連接，可無(wú)人值守運(yùn)行、根據(jù)自來(lái)水公司的具體業(yè)務(wù)靈活設(shè)置功能。

2 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

HM對(duì)供水企業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求很高，數(shù)據(jù)及其質(zhì)量是HM項(xiàng)目實(shí)施的基礎(chǔ)，這就要求在HM項(xiàng)目建設(shè)之前必須做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，而且在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中也要做好數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)和相關(guān)試驗(yàn)工作。收集整理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括地理信息、水廠調(diào)度、營(yíng)業(yè)收費(fèi)、SCADA測(cè)壓點(diǎn)、分區(qū)計(jì)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及至少1年內(nèi)的運(yùn)營(yíng)記錄數(shù)據(jù)；在根據(jù)收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立初步水力模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)錯(cuò)誤排查；在建立過(guò)程中，同時(shí)做好實(shí)測(cè)與試驗(yàn)工作，如：現(xiàn)場(chǎng)管道流量、管網(wǎng)壓力、用戶用水量、管道阻力、水泵特性曲線測(cè)試等，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)水力模型進(jìn)行校正。2011年，利用8個(gè)月的時(shí)間完成了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，構(gòu)建了較為完整的天津市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，確保了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

3 技術(shù)路線的選擇

選擇GIS系統(tǒng)的技術(shù)路線之前，首先要對(duì)水司本身的現(xiàn)狀和整體需求有一個(gè)準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，并據(jù)此確定基本的技術(shù)路線。首先，天津水司具有明確的信息化技術(shù)路線，信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)均基于Microsoft SQL Server和Windows平臺(tái)建設(shè)。其次，天津水司在營(yíng)銷管理上實(shí)施三級(jí)區(qū)域計(jì)量工作。天津市的供水區(qū)域分為市南、市北兩個(gè)計(jì)量區(qū)域；市南分為5個(gè)營(yíng)銷分公司，市北分為4個(gè)營(yíng)銷分公司；每個(gè)營(yíng)銷分公司又分為3~7個(gè)小的計(jì)量區(qū)域；每個(gè)計(jì)量區(qū)域邊界均裝有在線流量計(jì)。在此基礎(chǔ)上，天津水司將水力模型系統(tǒng)應(yīng)用于15個(gè)部門和單位，分別涉及集團(tuán)公司的生產(chǎn)調(diào)度、規(guī)劃設(shè)計(jì)、管網(wǎng)管理、營(yíng)銷管理、區(qū)域性水務(wù)公司等部門和單位。系統(tǒng)對(duì)用戶進(jìn)行嚴(yán)格的權(quán)限控制和訪問(wèn)控制。針對(duì)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(tái)對(duì)天津市內(nèi)全管網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算模擬的時(shí)間控制在5 min內(nèi)，并支持全中文界面，要求軟件具有與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互能力，要有一定的可擴(kuò)展性。據(jù)此，對(duì)國(guó)內(nèi)外知名的HM應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行了廣泛調(diào)研，綜合考慮軟件的先進(jìn)性、成熟度，并根據(jù)公司的實(shí)際情況和資金安排，選擇了Bentley WaterGEMS V8i中文版（無(wú)限管道版本）及其Hammer V8i中文版平臺(tái)。

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(shù)要求的硬件設(shè)備，配備了1臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、1臺(tái)WEB服務(wù)器和1套備份系統(tǒng)。

從模型深度上，要求軟件架構(gòu)及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)天津水司內(nèi)部多區(qū)域供水的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)劃分要求。天津水司將建設(shè)的模型劃分為兩種：第1種為詳至地表（指水表）的管網(wǎng)模型，區(qū)域根據(jù)營(yíng)銷公司區(qū)域計(jì)量的范圍設(shè)定，用于區(qū)域計(jì)量、營(yíng)銷分析和降低產(chǎn)銷差率等方面；第2種為通過(guò)第1種模型合并簡(jiǎn)化后，口徑≥300 mm管線的管網(wǎng)模型，用于宏觀規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、預(yù)測(cè)與調(diào)度。

從模型應(yīng)用對(duì)象和技術(shù)難度上，要求軟件架構(gòu)及其功能設(shè)置適應(yīng)天津水司內(nèi)部不同層次技術(shù)人員和操作人員的技術(shù)水平和需求，以利于項(xiàng)目的推廣和使用。天津水司將建設(shè)的模型劃分為兩種：第1種為傳統(tǒng)的通用管網(wǎng)模型，為專業(yè)技術(shù)人員提供靈活機(jī)動(dòng)的個(gè)性化分析與應(yīng)用，可針對(duì)特定運(yùn)行工況進(jìn)行分析，功能豐富，但操作復(fù)雜；第2種為定制的管網(wǎng)模型，為一般技術(shù)人員和管理者提供定制的管網(wǎng)分析，功能明確，操作簡(jiǎn)單，采用B/S的結(jié)構(gòu)自行開發(fā)，可24 h不間斷地進(jìn)行模擬分析與監(jiān)測(cè)。

4 項(xiàng)目的開發(fā)與實(shí)施

首先，HM項(xiàng)目作為一項(xiàng)軟件工程，需求分析和系統(tǒng)分析是基礎(chǔ)。天津水司在軟件實(shí)施之前，在國(guó)內(nèi)外調(diào)研的基礎(chǔ)上，組織相關(guān)專業(yè)部門和單位，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)HM的需求分析書進(jìn)行多輪研究與討論。在軟件實(shí)施開發(fā)前，將軟件的需求盡量做實(shí)做細(xì)，并將最終形成的文檔作為系統(tǒng)的開發(fā)和驗(yàn)收依據(jù)，規(guī)范天津水司和開發(fā)商的行為，確保軟件的質(zhì)量。通過(guò)系統(tǒng)分析確定了HM的整體架構(gòu)和運(yùn)維方式。

其次，HM項(xiàng)目作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，技術(shù)含量高，與實(shí)際工作緊密結(jié)合，幾乎涉及供水企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，需要各專業(yè)部門和基層單位的各類數(shù)據(jù)支持。因此在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，天津水司成立了強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)小組，配備了專職的技術(shù)人員。一方面，領(lǐng)導(dǎo)小組統(tǒng)籌協(xié)調(diào)；另一方面，專職的技術(shù)人員全過(guò)程跟進(jìn)，將項(xiàng)目開發(fā)實(shí)施過(guò)程和培訓(xùn)過(guò)程相結(jié)合，進(jìn)行人員知識(shí)儲(chǔ)備，以達(dá)到系統(tǒng)建成之日即是系統(tǒng)應(yīng)用之時(shí)的目的。同時(shí)建立了一套較為完善的數(shù)據(jù)維護(hù)與管理機(jī)制。

5 HM在天津水司的應(yīng)用

天津水司的HM項(xiàng)目可應(yīng)用于管網(wǎng)運(yùn)行模擬與分析，供水管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性分析與安全，降低產(chǎn)銷差率及管網(wǎng)漏失分析，供水管網(wǎng)清洗，水廠調(diào)度預(yù)案制定，壓力、流量及余氯監(jiān)控與報(bào)警，供水管網(wǎng)規(guī)劃，管網(wǎng)更新計(jì)劃等諸多生產(chǎn)實(shí)際。目前，已廣泛應(yīng)用于管網(wǎng)管理、生產(chǎn)調(diào)度等部門，現(xiàn)階段主要的應(yīng)用包括：發(fā)現(xiàn)未知的關(guān)閉閥門、管道安全性評(píng)估、爆管事故分析、管網(wǎng)漏失與壓力控制分析、水廠停產(chǎn)限產(chǎn)事故模擬分析、管網(wǎng)改擴(kuò)建分析、水質(zhì)事故應(yīng)急分析等。天津水司通過(guò)HM項(xiàng)目的應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)可視化、數(shù)字化等基本功能的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)地模擬整個(gè)供水管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)了從水廠調(diào)度、管網(wǎng)運(yùn)維到客戶服務(wù)的自來(lái)水生產(chǎn)管理全過(guò)程的可控、可分析，大大提高了工作效率和工作質(zhì)量，為各基層單位、各部門、各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的決策提供了科學(xué)依據(jù)，為天津水司的供水規(guī)劃、科學(xué)調(diào)度、管網(wǎng)管理、優(yōu)質(zhì)服務(wù)、降低產(chǎn)銷差率、降低供水能耗、提高事故應(yīng)急能力、提高供水安全性提供了強(qiáng)有力的工具。

6 后期的維護(hù)與管理

天津水司注重HM的后期維護(hù)工作，建立了有效的運(yùn)行管理和實(shí)施推動(dòng)機(jī)制。每半年更新模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，保持系統(tǒng)的生命力；在與開發(fā)商簽訂系統(tǒng)維護(hù)升級(jí)合同的同時(shí)，由專職技術(shù)人員負(fù)責(zé)模型的日常維護(hù)與管理，為系統(tǒng)在天津水司的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)保障和系統(tǒng)保障。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)天津水司HM項(xiàng)目的研究與分析，對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、技術(shù)路線的選擇、項(xiàng)目的開發(fā)與實(shí)施、水力模型深層次的應(yīng)用與拓展、后期的維護(hù)與管理等各階段進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提出了一條較為成熟的HM項(xiàng)目在供水企業(yè)中實(shí)施、應(yīng)用的技術(shù)管理路線。隨著HM與供水企業(yè)各類生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的整合，HM在供水行業(yè)中將展現(xiàn)出越來(lái)越廣闊的應(yīng)用前景。

（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第3期“技術(shù)總結(jié)”欄目）

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