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1．前 言
21世纪的世界经济，已是一个“全球一体化经济”的崭新时代；我国即将加入WTO，这就意味着，我国企业必然置身于全世界这个大市场；为了企业自身的生存和发展，为了企业在国际市场上的竞争力，我们必须千方百计地加速实现企业自动化与信息化。
在现代科学技术飞速发展和进步的今天，计算机已经进入工业生产的各个环节，并取得了巨大的成果；我国以电子信息技术改造传统产业和大力倡导工业自动化，已成为不可逆转的趋势；但与世界发达国家相比，还存在相当大的差距，主要表现在：
（1）我国工业行业单位生产量的能耗大约是先进工业国家的2－－3倍；（2）企业劳动生产率不高；
（3）企业管理水平上不去；因此，若想改变这种被动局面，最有效的办法之一，就是采用现代电子信息技术及综合自动化技术于工业生产各个部门；以达到企业在生产过程中和企业管理过程中，实现产品的高质量、高产量，和生产成本的低能耗，最终达到企业实现高效益的目标。
从企业自动化和信息化的角度来说，我们可以把企业分成“流程工业（以制造业为代表）”和“非流程工业”两大类，如何实现这两大类企业的自动化和信息化建设是有所不同的；下面我们以城市自来水/燃气/热力系统为例，来说明“非流程工业” 实现自动化和信息化建设的全过程。
2.城市供配水系统综合自动化解决方案主体结构
面对城市建设的快速发展，供水行业已充分认识到：对城市供配水管网系统，必须采用现代化的管理手段，对其进行高效地管理，使管理由经验型管理向科学型管理转变，大力节约水资源，改善面向社会的服务水平；我们已经深刻地认识到，加强城市自来水系统综合自动化建设，是达到这一目标的重要措施；这里所说的“城市自来水系统综合自动化解决方案”，通常包括以下四个方面内容：（1）企业生产过程的SCADA系统；（2）企业现代化管理MIS/DSS；（3）城市供配水管网系统数学模型建立、系统仿真与优化设计；（4）网络自动抄表（AMR）收费系统等等四大部分；
利用计算机及信息技术，以上述四大内容为基础，对城市供水行业进行企业现代化改造，是保证企业实现信息化，促进城市信息化建设的重要举措；“城市供配水系统综合自动化解决方案”的主体结构如图1.所示。
图1. 城市供配水系统综合自动化解决方案主体结构
“城市优化供配水系统”的全称应该是：“城市供配水管网系统数学模型、仿真与优化设计”，它以城市供配水管网地理信息系统（GIS）为背景进行开发，其主要任务有：
1．对现行城市供配水管网各功能子系统进行调查研究，并进行系统需求分析，；
2．建立“城市优化供配水系统”的建设目标；进一步对新系统（即“城市优化供配水系统”）的功能进行再分析；
3．以城市供配水管网GIS所提供的基础数据、现场测试数据等为依据，建立城市供配水管网系统数学模型，并针对该系统数学模型，进行系统仿真与优化设计；
4．建立新系统的日常运行机制，颁布新系统的管理与维护法规；
5．向市场提供“城市优化供配水系统”全套商业软件，并开展优质服务活动。
在人类进入21世纪之际，最需要解决的问题就是水资源短缺问题；解决这一问题的方法就是“开源节流”；“城市供配水优化系统”的研究与开发，是从根本上解决城市用水的“节流”问题；城市自来水公司在向城市工业和居民供配水的过程中，一旦建立了“城市供配水优化系统”后，就从供配水的源头控制了水的流失和浪费问题，保证了城市最大限度的“节约用水”；因此，我们说“城市供配水优化系统”研究与的开发，其市场前景是极其广阔的，它所带来的经济与社会效益也巨大的。
3．“城市优化供配水系统”的功能描述
“城市优化供配水系统”的开发，是以城市供配水系统管网GIS为背景，建立起来的一个软件系统，它具有以下功能：
（1）城市供配水系统管网GIS功能，
（2）高度现代化的生产调度指挥系统功能，
（3）完全信息化的在线优化供配水系统功能，
（4）应急事故处理的社会服务功能等；下面我们一一予以介绍。
3．1 城市供配水系统管网GIS功能
城市供配水系统管网GIS功能，是“城市优化供配水系统”的核心功能，具有以下六大功能子系统，它们分别是基础平台的图库管理子系统、管网编辑子系统、管网管理子系统、管网运行调度子系统、事故处理子系统、管网维护管理子系统等；通常每个子系统均可由数个模块组成，下面将分别叙述各个子系统的功能和其模块的功能。
1．地形图库管理子系统
本子系统除提供了分别对点、线、区三种图元的空间数据和图形属性进行输入和编辑的功能，以从图形表格输出的功能之外，最主要的是实现地形图建库、对图库灵活的管理和方便的数据转换。
2．管网输入编辑子系统
管网输入编辑子系统提供丰富有力的网络输入手段，构造网络拓扑关系，建立与管网元素相关的属性数据库和提供供水管网的图形属性编辑工具。
3．管网管理子系统
管网管理子系统用于对管网信息进行全面的了解和详细的分析，提供属性与管线的双向查询工具查询检索各种需要的数据和信息。
4．管网运行调度子系统
管网运行调度子系统实际上就是“供配水优化系统”的具体实施，它是在GIS系统的基础上建立起来的，该子系统同时需要查表收费系统和生产过程SCADA系统的数据支持；
5．事故处理子系统
事故处理子系统包括爆管事故处理和火灾事故处理两个模块，爆管事故是指管网中突发的爆管等漏水事故；用户只需指定漏水处，系统将能够制定出合理的处理方案，以便及时排除故障；当需检修某个或某些阀门时，则需利用扩大关闸搜索寻找需关哪些阀门，以便进行抢修；火灾事故处理，是指在城市中突发火灾时，用户只需指定失火处，并给定搜索条件，系统将能够根据搜索条件，找出可用的消防栓，提供给消防部门进行灭火。
6．管网维护管理子系统
该子系统主要是对管道完工档案、闸门和管网运行状态进行管理日常业务管理。
3．2 高度现代化的生产调度指挥系统功能
任何一个城市自来水企业，为了满足对生产过程的调度指挥，均需设置一个“中央生产调度指挥中心”，以及指挥生产的“生产过程实时监控系统（SCADA）”；该SCADA系统通常由企业生产调度指挥中心、分厂测控站（MCS: Measure & Control System）、管网RTU、有线/无线通信系统等构成；因此，SCADA就构成了“城市供配水综合自动化系统（SAS :Synthetic Automatic System）”的核心系统。
“城市供配水综合自动化系统”之中的SCADA功能，可以概要的描述如下：
1．数据采集功能: 根据公司生产调度中心调度生产指挥的需求，要求系统对自来水管网及各水厂能够数据采集以下信息：合理分布在自来水管网上的测压信号（管网压力），各水厂泵的运行参数、电源供电情况、耗电量、当前功率因素、水厂进/出水量、原水浊度、出厂水浊度、余氯、PH值等。
2．数据传输功能: 将现场采集到的数据，或直接或通过各生产调度分系统，实时地传递到生产调度中心主系统。
3．数据显示及分析功能: 生产调度中心主系统将获得的个类信息及数据，经过分析、加工直观地、动画地显示出来；供生产调度指挥人员使用。
4．报警功能: 系统可对各水厂机泵运行异常，如点压、电流的不足或过载等，管网压力不足或超限进行及时报警。
5．历史数据的存储、检索、查询及分析功能: 根据公司生产调度中心调度生产指挥，和检索、查询及分析历史数据的需求，系统应具备实现历史数据的存储、检索、查询及分析功能。
6．报表显示及打印功能: 系统可自动生成各种生产情况的日月年报表，并可随时打印。
7．遥控功能: 根据公司生产调度中心调度生产指挥的需求，系统操作人员可在生产调度中心实现对有关水泵实现开停遥控。
8．网络功能: 将现场采集到的数据送到网络服务器上，供其他系统使用。
3．3 完全信息化的在线优化供配水系统功能
以供水管网GIS为背景建立起来的城市优化供配水系统数学模型，在城市自来水公司生产调度中心投入使用的时候，通常都具备有“完全信息化的在线优化供配水系统功能”。
3．4 应急事故处理的社会服务功能
城市自来水管网系统在实际运行过程中，有可能发生各种各样的事故（诸如爆管、停水、水压不足等），城市居民、单位均可通过预先设置的电话通知自来水公司，以便即使得到维修，这就是应急事故处理的社会服务功能。
4．“城市优化供配水系统”的开发方法
4．1 城市优化供配水系统数学模型的建立
1. 建立“城市优化供配水系统数学模型”意义
人类进入21世纪，由于全球性水资源的短缺（我国更为严重），极大地威胁着人类的生存；因此，科学合理的利用水资源、节约城市工业与生活用水已迫在眉睫，建立“城市优化供配水系统数学模型”，实施城市管网优化供配水，从而达到城市节约用水的目的。
建立了“城市优化供配水系统数学模型”以后，我们就具备了深刻理解城市供水系统地下管网运行的条件，该模型不仅提供城市供水系统中不同泵的供水范围，而且还可明显的反映出城市供水系统地下管网可能发生的瓶颈现象，模型同时还可提供各种供配水方案的直观模拟演示，这就为系统操作者进行实时在线优化供配水提供了有利条件。
在城市供配水系统管理方面，由于有了“城市优化供配水系统数学模型”，对城市因其发展而需要进行管网扩展，模型提供了有力的数据支持，从而保证了城市供配水系统的优化管理，用户也得到了高质量的服务。
2.“城市优化供配水系统数学模型”建模前的准备
（1）“城市优化供配水系统数学模型”的结构的结构如下：
“城市优化供配水系统数学模型” 的建模过程，如图2所示；通常在建立数学模型前，必须进行前期的各种数据的准备工作，如管网数据的确定、需水量数据的确定、现场测试数据等；这里我们就不一一予以说明了；值得一提的是，用于建模的数据正确性是一定加以测定的。
2. “城市优化供配水系统数学模型”的建模过程>
图2. “城市优化供配水系统数学模型”的建模过程
3．建模与模型计算
供水系统的管网建模，近年来在国内外引起了不少专家学者的注意和研究；归纳起来，城市供水系统管网的数学模型，大致可分为以下几种：
（1）供水系统管网宏观模型
供水系统管网宏观模型的建模思想主要是：利用获取的几类重要的管网参数（如管网测压点压力、泵站出口水压力、泵站出口水流量、水池水位及管网系统用水量等），以统计分析理论为基础，建立系统网络的（结构性）分析模型，其数学表达式为：
qr (t) = fr (x(t),v(t),g(t),h(t))
qp (t) = fp (x(t),v(t),g(t),h(t)) (4.1)
hp (t) = gp (x(t),v(t),g(t),h(t))
hj (t) = gj (x(t),v(t),g(t),h(t))
式（4.1）中：
qr (t)——水库流量向量
qp (t)——泵站出口水流向量
hp (t)——泵站出口压力向量
hj (t)—— 管网测压点压力向量
t —— 调度时段
x(t) ——调节水池蓄水量向量
v(t) ——系统中阀门控制向量
g(t) ——系统节点流量向量
h(t) ——系统节点水头向量
式（4.1）中的右端函数，一般表现为多项式形式，v(t)属于可以选择项，我们通过回归分析方法，可以确定该函数的具体表达形式；该方法的特点是，建模过程中所需数据量少，建模快，计算效率高，但缺点是适用范围有一定限制，当管网系统用水量及其它各已知参数变化幅度较大时，可能产生明显的误差。
（2）供水系统管网微观模型
供水系统管网微观模型的建模思想主要是：从供水管网的拓朴关系出发，依据管道管径、管长、管材及节点用水量等主要参数，构造出拓朴结构模型，该模型的基本数学方程包括质量平衡方程和能量平衡方程两大部分，即：
质量平衡方程： ∑qi,j + Qi = 0 (4.2)
能量平衡方程： ∑hi,j - △Hk = 0 (4.3)
式（4.2），（4.3）中：
i, j——节点编号
qi,j——连接在节点i的各管段流量
Qi ——i节点的流量
hi,j——属于基本环k的管段水头损失
△Hk——基环k的闭合差或减压装置产生的水压差
上述供水管网拓朴结构模型又称为“供水管网系统微观模型”，它的具体求解方法有：节点水头法、环流量法和管段流量法等。
与供水系统管网宏观模型相比，微观模型对系统的变化及节点用水量分布的变化适应性较强；例如当某水池或主干管中断使用时，将管网拓朴关系校正后，仍可使用（4.2）和（4.3）式进行系统工况模拟；而宏观模型就需要重新获取原始数据，进行回归分析，校正回归曲线，建立新的模型形式；但供水系统管网微观模型的缺点也是非常明显的，这就是建模过程中需要大量的数据，模型的校验工作量大，计算耗费打量机时。
（3）供水系统管网集结模型
为了克服供水系统管网微观模型的缺点，近年来提出了“供水系统管网集结模型”，该模型是建立在“微观模型”基础之上的；所谓“管网集结”，其实就是一种简化网络结构的近似方法，它把整个配水系统管网划分成P个区域，使管网中每个节点必须且仅属于一个区域；通常划分区域的原则是：同区域内的各节点压力大致相等，用水规律相仿；我们将每个区域内的所有节点“集结”在一起，形成一个“虚拟”节点，区域（即用“虚拟”节点组成的）之间的关联用一条“虚拟”管道表示；这样原来的管网模型（微观模型），就简化成一个新的管网模型，我们称之为“集结模型”； 集结模型在计算上，大大节约了机时，在建模上更科学合理。
4. 城市优化供配水系统数学模型的维护
通过对模型周期性的不断更新，以保证模型应用的准确性；对于管网不同程度的变化情况，模型可作如下处理：
# 当局部点变化时，应及时调整模型数据
# 当管网的变化加大到一定程度时, 应对模型进行更新
# 当管网中的变化程度无法在原有基础上更新时, 应对模型进行重建
对于模型具体维护工作包括：加入新的需水量 / 删除旧的需水量，加入新的管线 / 删除旧的管线，加入新的管网设备 / 删除旧的管网设备，更新管线模型，更新需水量数据，根据局部现场测试数据对模型做相应改动。
4．2 城市优化供配水系统的模型数据库的建立
城市优化供配水系统模型数据库的作用，是将GIS系统数据、网络收费系统数据及管网现场测试数据进行存储和转换，为模型的建立提供数据支持；具体的流程如图3所示。
3. 城市优化供配水系统的模型数据库、仿真和优化软件包的开发过程>
图3. 城市优化供配水系统的模型数据库、仿真和优化软件包的开发过程
4．3 城市优化供配水系统的数学模型建立标准及质量分析
1．“城市优化供配水系统数学模型”的建立标准
“城市优化供配水系统数学模型”的建立标准，主要是指模型构造标准、现场测试标准和校核标准等。
模型构造标准：主要包括，所有供水管道信息必须由GIS转换或输入；可以保证对模型进行充分的维护管理；该模型可作为优化供配水的决策工具。
现场测试标准：在数据现场测试过程中，保证有足够的15分钟测试间隔和满7天的数据。
数学模型校核标准：正确设置误差范围，并使模型在校核过程中，控制在允许误差限以内。
2．“城市优化供配水系统数学模型”的质量分析标准
“城市优化供配水系统数学模型”的质量分析标准是：所有数据测试准确、经过验收；系统数学模型结构设计合理。
4．4 城市优化供配水系统的运行的基本结构
“城市优化供配水系统”建成以后，在正式投入运行时，是将该系统并入“城市供配水管网管理信息系统”之中，对于一个城市自来水公司来说，“城市供配水管网管理信息系统”的基本结构可如下图4所示。
空间数据库TU
4. 城市供配水管网管理信息系统基本结构>
图4. 城市供配水管网管理信息系统基本结构
最后我们说，进行“城市优化供配水系统”的研究与开发，对国计民生有着极其重要的意义，尤其对我国北方缺水和严重缺水的干旱地区更是如此；世界上发达国家的城市自来水公司，无一例外的都装备有该系统；这也从另一个角度说明了，“城市优化供配水系统”确实是建设节水型城市的必备工具。
参考文献：
(1) Paul M Emery, Metropolitan Toronto central Pumping Contr.JAWWA,1973,65
(2) Gyergrck L, Computer Application in Distribution System Operation.JAWWA,1973,65(2)
(3) B Coulbeck，Computer applications in water supply. Research Studies Press. John and Sons. New York NY,1988
(4)赵洪宾，等 城市供水管网系统工况分析。中国给水排水，1992，8（6）
(5)Elaine C. Sodowski，Computer-generated Optimal Pumping Schedule. JAWWA, 1995(7)
(6)吕谋、张士乔、赵洪宾，等 城市供水管网系统工况分析; 中国给水排水, vol.25, No.12，1999年
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