一种基于SWMM模型进行泵组优化调度和预警处置的智慧排水泵站的制作方法

本发明涉及一种智慧排水泵站，具体涉及一种将天气预报预测的降雨数据作为输入条件，通过计算模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水量，以及每个管道和河道中水的流量、水深等情况，通过计算出的洪峰过程线结合最优化算法寻求最佳的排水泵组组合，提供智慧化的决策调度方案的基于swmm模型进行泵组优化调度和预警处置的智慧排水泵站。

背景技术：

随着计算机技术的发展、观测手段的进步，以及对大气物理过程认识的深入，数值天气预报已取得很大进步。然而由强降雨造成的城市内涝问题仍然在各个城市上演，其中排水泵站在内涝处置中起着最至关重要的一环。目前的智慧泵站主要体现在数据监测和远程控制等方面，距真正的智慧优化决策和预警处置仍有一定差距。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种将天气预报预测的降雨数据作为输入条件，通过计算模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水量，以及每个管道和河道中水的流量、水深等情况，通过计算出的洪峰过程线结合最优化算法寻求最佳的排水泵组组合，提供智慧化的决策调度方案的基于swmm模型进行泵组优化调度和预警处置的智慧排水泵站。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于swmm进行泵组优化调度和预警处置的智慧排水泵站，基于swmm进行泵组优化调度和预警处置的智慧排水泵站的建立包括以下步骤：

步骤一：在swmm中进行对管网、节点、汇水区、调蓄设施、泵站建立模型，并通过监测实际数据对模型校准；

步骤二：在swmm中导入天气预报气象降雨数据，进行产汇流计算，将泵站前管道或调蓄池的流量时序数据的计算结果作为所需排水量；

步骤三：根据swmm中的调度预案库进行选择相应排水量的调度预案，并在swmm中设置该调度预案，调度预案包括水泵开启台数、转速、开停时间、启停次数，再次进行模型计算；

步骤四：在管网中每个节点安装压力传感器，根据前后节点压力差值，来判断管网中节点是否产生积水(洪流)，如若该预案在所有节点中不产生洪流(管网不积水)则导出该预案供决策人员参考，如该预案不满足要求则进行步骤五；

步骤五：建立数学模型制定新的最优化调度预案，以泵组能耗最少为目标函数，以swmm计算所需排水量为约束条件，利用matlab进行寻求最优的各个时段的泵组组合，生成调度预案；

步骤六：将步骤五中生成的调度预案的结果设置到swmm模型中，在模拟结果中判断各个节点是否产生洪流；不积水则说将该调度方案发布给调度人员并收录至调度库；若仍然有节点积水，则发出警报需人工干预。

在本发明的具体实施例子中，步骤一中，调用swmm水文水力计算模块进行管网洪峰流量过程线的计算。

步骤一中管网所需的数据有管径、管上下游管底标高；节点检查井录入数据为地面标高、井底标高；汇水区录入数据为下垫面类型、不透水占百分比；调蓄设施主要为调蓄容量；泵站的水泵的特性曲线；将上述数据补充完整在swmm中进行计算；将计算结果同时与实际监测结果进行比对调整校核模型参数，直至满足误差要求。

在本发明的具体实施例子中，步骤二中，在swmm中导入天气预报气象中精确到分钟级别的降雨数据，进行产汇流计算，将泵站前管道或调蓄池的流量时序数据的计算结果进行导出。

在本发明的具体实施例子中，步骤五中，建立数学模型过程中对各水泵流量-扬程和流量-效率分别采用二次和三次项式进行拟合，以泵站的功率消耗为目标函数，利用matlab进行最优化实现。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的基于swmm模型进行泵组优化调度和预警处置的智慧排水泵站，基于成熟的气象预报数据和利用swmm水力模型计算出量化的泵站排水量。依据降雨曲线和洪峰过程线结合最优化算法实现泵站的科学调度，为制定经济合理的处置方案提供决策支持。通过预报数据为强降雨和极端暴雨情况下，将事件处置前置，达到提前进行涝情研判和预警的目的，减小涝情发生的风险。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

本发明基于swmm(stormwatermanagementmodel，暴雨洪水管理模型)动态的降水-径流模拟模型，将天气预报预测降雨数据作为输入条件，通过计算模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水质和水量，以及每个管道和河道中水的流量、水深等情况，结合最优化算法寻求最佳的排水泵组组合，提供智慧化的决策调度方案，在确保城市降雨及时排除的同时实现经济效益最优。

图1为本发明的整体结构示意图，如图1所示，本发明提供的一种基于swmm进行泵组优化调度和预警处置的智慧排水泵站，基于swmm进行泵组优化调度和预警处置的智慧排水泵站的建立包括以下步骤：

步骤一：在swmm中进行对管网、节点、汇水区、调蓄设施、泵站建立模型，并通过监测实际数据对模型校准；

在步骤一中，从智能数据库中调用swmm水文水力计算模块进行管网洪峰流量过程线的计算；

步骤一中管网所需的数据有管径、管上下游管底标高；节点检查井录入数据为地面标高、井底标高；汇水区录入数据为下垫面类型、不透水占百分比；调蓄设施主要为调蓄容量；泵站的水泵的特性曲线；将上述数据补充完整在swmm中进行计算；将计算结果同时与实际监测结果进行比对调整校核模型参数，直至满足误差要求。

步骤二：在swmm中导入天气预报气象降雨数据，进行产汇流计算，将泵站前管道或调蓄池的流量时序数据的计算结果作为所需排水量；

在步骤二中，在swmm中导入天气预报气象中精确到分钟级别的降雨数据，进行产汇流计算，将泵站前管道或调蓄池的流量时序数据的计算结果进行导出。

步骤三：根据swmm中的调度预案库进行选择相应排水量的调度预案，并在swmm中设置该调度预案，调度预案包括水泵开启台数、转速、开停时间、启停次数，再次进行模型计算；

步骤四：在管网中每个节点安装压力传感器，根据前后节点压力差值，来判断管网中节点是否产生积水(洪流)，如若该预案在所有节点中不产生洪流(管网不积水)则导出该预案供决策人员参考，如该预案不满足要求则进行步骤五；

步骤五：建立数学模型制定新的最优化调度预案，以泵组能耗最少为目标函数，以swmm计算所需排水量为约束条件，利用matlab进行寻求最优的各个时段的泵组组合，生成调度预案；

步骤五中，建立数学模型过程中对各水泵流量-扬程和流量-效率分别采用二次和三次项式进行拟合，以泵站的功率消耗为目标函数，利用matlab进行最优化实现，体现智慧化的过程。

进一步地步骤五，建立数学模型制定新的最优化调度预案，主要工作如下，对各水泵流量-扬程和流量-效率分别采用二次和三次多项式拟合，通过曲线拟合可得某特定转速下，泵的扬程和效率方程如下：

h＝a0+a1q+a2q²(1)

η＝b0+b1q+b2q²+b3q³(2)

其中，a0,a1,a2和b0,b1,b2,b3均为常数，对于需要调速的水泵，假设水泵在转速调节范围内符合相似定律，调速后相似工况点效率不变。由此可以描述调速过程中不同转速下的性能方程为：

n0为实验基准转速，hn,qn分别为转速为n时的扬程和流量。

水泵工作点的确定需要水泵装置管路的特性曲线，即水泵装置所需的扬程h与流量q的关系，即：

h＝h0+sq²(5)

h0为泵站上下游水位差，s为系统管路的阻力因素，对于具体的水泵装置s已知。

由于h是q的函数，h0和q的关系可表示为：

h0-f(·q)

并可描述为反函数，即

q＝g(h0)

实际计算时，给出h0可由式(2)-式(5)所给出的约束关系计算得到水泵的工作点，即此时的流量、扬程、功率和水泵效率。

以泵站的功率消耗最小为目标，在满足各时段要求流量和扬程的前提条件下，要求泵的能耗较少，所对应的目标函数可描述为：

ηij——第i时段第j台机组的效率；n——时段数；m——机组数

约束条件包含流量约束和功率约束，分别描述为：

此外，考虑到水泵效率和工作稳定性，其转速调节需控制在额定转速以下的一定范围，可描述为

smin≤si≤smax

s为运行转速与额定转速的比值，通常可取smin和smax分别为0.5和1。

最后通过matlab求最优组合解。

步骤六：将步骤五中生成的调度预案的结果设置到swmm模型中，在模拟结果中判断各个节点是否产生洪流；不积水则说将该调度方案发布给调度人员并收录至调度库；若仍然有节点积水，则发出警报需人工干预。将步骤五生成的方案再次在swmm模型中进行验证，满足条件则将方案收录至调度预案库供再次相同降雨时直接调用该方案。

下面是一个具体的实施例子：某排水泵站由3台水泵组成，其中1号和2号两台泵的转速不可调，3号泵转速可调，其额定转速为980r/min。其中，转速不可调的水泵运行时的性能曲线由式(1)和式(2)描述，并由0和1分别对应水泵的关闭和开启。转速可调的水泵其转速在一定范围内调节，性能的描述可用式(3)和式(4)描述，关闭时对应变量0，开启时对应的不同转速从高到低离散为从1～4等4个转速段。假设泵站运行参数在一个排水周期内分为3个阶段，其对应的扬程变化取值分别为10m、15m和6m；保证在排水总流量达模型根据计算出的所需排水量，要求泵站的能耗最小，且同时满足流量约束和功率约束条件。

根据所求解问题的任务和约束，计算结果给出各时段泵站的工况组合为：

[013，010，111]

分别表示：第1阶段，由1台恒速泵运行加1台变速泵以730r/min的转速运行；第2阶段，由1台恒速泵运行；第3阶段，3台泵均以最高转速运行。结果表明，所需水泵扬程低或电价低的时候运行机组台数多，扬程要求高或电价高时运行台数少。优化后流量取值满足调水计划的前提下可明显减少泵站的能耗。同时在运算过程中，适应度的平均值随代数的增多而增大。)

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。