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从流域治理角度构建柔性城市排水系统实时控制策略

行业资讯浏览次数:346发布时间:20-08-25

引言:在雨季水环境和水安全的双重压力下,如何提高城市排水系统的可靠性,灵活性和可持续性对确保城市水系统安全越来越重要.城市排水系统具有动态,多目标,不确定性的特点.从流域治理的角度来看,它处于多个目标的协调之下,例如进一步减少合并的溢流污染和最大化排水系统的"源-过程-末端"能力.,系统的操作控制越来越复杂,控制难度也越来越大.实时控制(RTC)根据实时监视数据动态调整控制策略,并介入排水管网和污水处理厂的辅助设施,以最大程度地发挥潜力,并利用排水设施的存储和处理能力提供排水系统操作提供了智能解决方案.

作者简介

王浩正(1980-),河北Zhu州人,硕士,高级工程师,主要从事城市排水系统数字化智能管理技术的研究与开发,以及城市水环境与治理方案的综合模拟研究.

提高排水和防涝能力,减少管网溢流污染,最大化​​管网的存储容量和终端污水处理能力一直是集中式城市排水系统的追求.尤其是随着全球气候变化和极端降雨事件的增加,传统的排水系统面临着越来越严峻的挑战,城市水系安全已成为城市管理的最基本要素.然而,通过基础设施建设来提高排水系统的处理能力不仅具有高投资成本和较长的回收期,而且还受到土地使用等问题的限制,不能在城市地区广泛使用.为了应对上述复杂情况,如何在现有硬件设施的基础上构建具有灵活性,可靠性和可持续性的现代排水系统架构是传统排水系统面临的课题,必须寻求突破.同时,随着城市水环境治理体系复杂性的提高,排水系统的动态性,多目标性和不确定性逐渐得到认可.但是,排水系统通常是在静态条件下设计的,并在静态规则下运行.当传统的操作方法要适应复杂多变的环境时,设施将无法充分发挥作用并造成资源浪费;设施容量不足会导致综合管网(CSO)溢出和内涝;在同一系统中也有某些情况,尽管某些设施无法充分发挥作用,但其他设施却超载.因此,找到一种动态控制方法,充分利用现有设施,以达到减少CSO和内涝控制的目的,并为城市排水问题提供智能解决方案.排水系统实时控制(RTC)是优化城市排水系统运行的可行方法.

01实时控制和开发过程

1.1实时控制定义

许多文档已经定义了排水系统的实时控制.一般认为,排水系统的实时控制是:在排水系统运行期间,对重过程变量(雨量,液位,流量,水质等)进行在线监控,动态调整控制策略.基于监控数据和在线模型,通过控制设备(阀门,泵和其他执行器)对排水设施和污水处理厂的运行进行实时干预,以实现工厂网,工厂网河功能的最佳匹配,从而改善整个排水系统运行效率的最佳控制方法.实现可靠的实时控制有以下几点:1,以优化点在线监控过程变量; 2.2需要动态制定控制策略并拥有可靠的过程控制系统; 3个调整设施,例如管网加工厂具有可协调的可控制性,硬件具有与设施容量相匹配的程度; 4排水系统的快速实时响应特性和反馈控制机制.该定义阐明了排水系统实时控制的基本结构,施工内容,方法和目标.

实时控制系统由传感器,控制器,执行器和控制中心等硬件元素以及控制模型,控制算法和降雨预测等软件元素组成,如图1所示.

该传感器负责监控排水过程,包括流量,水位,水质和降雨量等,并将数据传输到控制器;控制器主要执行传感器测量数据采集,数据预处理/校正,控制动作计算,与控制中心的数据交换以及控制策略(动作)向执行器的传输;执行器是执行控制动作以调节流量或液位的设备,通常包括:水泵,可调节堰,可调节闸门,充气大坝,阀门和分流设施.一些执行器还可以调节水质,例如化学计量设备和曝气设备.控制中心是用于实时控制的中央处理模块.主机通过协调传感器,控制器和执行器等子模块,完成监控数据的收集和处理,控制指令的计算以及远程设备的数据交换,从而实现监控整个排水系统的作用..控制指令的计算涉及两个核心要素:控制模型和控制算法.控制模型是用于实时控制系统规划,设计和运行优化的数学模型.它是用于实时控制的设计和执行的重新预测工具.控制模型通常使用简化模型(尤其是对于复杂的大型排水系统),以足够快的计算效率满足实时控制的时间要求.控制算法是实现实时控制策略的另一个核心要素,它通过预先设定优化目标,在策略计算过程中实现了从控制目标到执行器控制命令的转换.控制算法也可以称为控制程序.此外,降雨预测也是实时控制系统实施中的关键环节.但是,并非所有的实时控制系统都需要包括降雨预测和模型.

1.2实时控制系统的水平

借鉴国外相关经验,根据系统的实际控制(管理)范围,将实时控制系统分为局部响应控制,全局优化控制和流域联合三级调度.

1本地响应控制:位于单个集水区以实现该区域的工厂网络现场响应控制,仅使用本地或邻近传感器的实时监控数据,并计算通过内置的控制算法Action进行控制,然后通过执行器实现对受控过程的控制.这种控制方法通常适用于小型排水系统,单个"工厂网"设施或单个绿色设施.

2全局优化控制:它位于整个流域或整个城市范围内的排水系统的联合控制和联合控制.在这种情况下,要求实时控制系统更高,并且相关的执行器也有更高的要求.系统的执行效率,或执行器之间的联合操作,需要考虑全局控制策略.与局部响应控制相比,全局优化控制涵盖了更广泛的设施,考虑了更多的过程变量,并且可以对排水系统进行整体优化控制.

3流域联合调度:针对大型流域的管理规模,实现城市排水系统,水资源和洪水灾害的防治.在这种情况下,排水系统的组成横跨多个城市和管理单位,需要不同城市,单位和系统之间的联合调度,并制定流域联合调度策略.分水岭联合调度可以在较大的分水岭上实现整体优化,但是由于技术,管理和区域政策的整合,它给系统建模,集成方法,协调策略和计算效率带来了巨大挑战.

在实际应用级别上,可以在一个系统中同时耦合不同的控制级别.

1.3实时控制的发展历史

结合实时控制系统的级别变化,实时控制的发展历史可以大致分为三个阶段:管网CSO和内涝控制阶段,工厂-网络联合优化控制阶段和水系统集成控制研究阶段.

实时控制研究始于1960年代后期,同时出现了以SWMM(风暴水管理模型)为代表的排水网络模型.到1980年代,欧美发达国家的排水系统日益完善,民间组织成为水污染的主要原因.因此,早期组合排水系统的运行要充分发挥管网系统的在线调节和存储能力,尽可能避免和减少CSO,并考虑到内涝的控制.实时控制算法基于基于规则的控制(RBC).随着欧美国家公民社会组织管理水平的逐步提高,人们发现仅依靠管道网络减少公民社会组织和内涝的能力并不能充分发挥整个排水系统和处理的整体效率.单元.污水处理厂以雨水处理工艺为代表,出现了以储罐为代表的处理工艺,以污水处理厂为代表的末端处理工艺,硬件设施得到进一步完善和完善,排水系统的运行状况变得越来越复杂.厂网联动控制已成为第二阶段实时控制研究和应用的主要内容,控制目标更加多样化.例如,在瑞典的克拉格斯港,实时控制系统不仅充分利用了管道的在线储水能力,获得了额外的4000〜5000m3在线存储空间,而且避免了大笔费用.污水处理厂雨季二次沉淀池中的活性污泥溢出.在这一阶段,已经实现了许多实时控制案例,并且出现了用于排水系统实时控制的多种软件,例如C-Soft,CORAL,Simba等,并且污水处理厂模型已经成熟.,以及基于(模糊)规则的各种优化算法也已开始应用于排水系统的实时控制.随着CSO治理效果的进一步体现,源-过程端系统的完善以及欧美水环境治理的进一步完善,工厂-网络-河流的综合综合控制已逐渐成为一项研究.近年来重点.对哥伦比亚波哥大,丹麦伦德特和比利时莫奈特的几个案例的研究表明,工厂-网络-河流联合调度可以改善CSO问题和城市内涝问题,还有助于提高河流水质达标率.同时,在这个阶段,通信技术变得越来越发达,监控成本降低了,排水系统的实时控制技术也越来越成熟.

这三个阶段之间没有明显的时间界限,内容也有重叠.例如,早在1990年代,研究人员就开始研究城市排水系统的综合控制技术.在第三阶段,还应用了基于规则的控制算法.但是从整个开发过程来看,对实时控制关键技术的研究可以清晰地分为三个方面:过程和策略,控制模型和控制算法,如图2所示.实时控制见表1.研究和应用案例.

02实时控制过程和策略

实时控制过程是指系统中使用的设施与设施之间通过控制之间的联系关系.实现排水系统可靠性和灵活性的过程;控制策略是指系统执行控制以达到预定目标的描述性方法,通过控制策略来提高排水系统的灵活性.控制技术和策略是实时控制的重要基础.