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准備、技術路線選擇、開發與實施、在天津水司的應用、後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爲全面的介紹。
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，承擔著天津市區及周邊區縣部分地區的供水任務。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、客服、管網實時在線監測等信息系統成熟應用並積累大量有效數據的基礎上，投資建設了水力模型系統（HM），經過近3年的開發、實施和試運行，于2013年通過項目驗收。因爲HM本身對供水企業的基礎數據、信息化程度和管理規範化程度要求較高，僅在國外先進水司的全管網以及國內部分水司的小規模管網中具有較成熟的應用，在國內供水行業中尚無同規模管網的成熟案例可以借鑒。
天津水司在HM的開發過程中，注重與其他現有應用系統的結合；在系統建設過程中，將HM的建設與提升供水企業的基礎管理水平以及基于GIS的自來水綜合生産運營管理系統的研究結合起來。目前HM數據更新及時，系統運行穩定，在天津水司的日常生産運行管理中發揮了重要的作用。
1 HM的基本情況
天津水司建立了目前國內規模最大的水力模型，包含65萬條管線、50萬個節點、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；对于管道流量占管网总供水量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。
系統平台：Microsoft Windows Server 2008/XP；數據庫管理軟件：Microsoft SQL Server 2008；ＨＭ系統開發平台：WaterGEMS V8i中文版（無限管道版本），Hammer V8i中文版；系統開發工具：Net3.5+VB6；硬件系統：2台HP Server 580。
系統構架：C/S系統、B/S系統，如圖1所示。
圖1 HM系統構架
数据接口：与地理信息系統、调度系統、营业系統、二次供水调度系統、计量系統、水质在线系统的接口。
C/S系统的基本功能：水力模型建立，包括数据输入与检查、模袌D蚧�Skelebrator、節點服務區域自動劃分、節點流量分配器LoadBuilder、數字地形高程解析TRex；水力計算分析與操作，包括靜態與多時段EPS平差计算、动态运行模拟、管网漏水模拟计算、阀门模型、水泵模拟与运行控制、消防流量分析、管网特征曲线的绘制；供水系统规划设计，包括管网优化改扩建方案、多设计方案管理、多设计方案比较；水质模型，包括化学药剂浓度分析、多水源供水量跟踪分析、水龄分析；模型校核，包括模型错误检查工具、达尔文模型校核工具；水厂优化调度，包括多方案比较制定调度预案、达尔文水泵优化调度工具；管网漏失分析，包括漏失定位分析、管网更新计划；报表与结果演示，包括报表、彩色圖形显示、动态标注、等值线绘制、动画显示、高级统计圖表；水锤分析等。
B/S系統的高級功能：24 h不間斷模擬分析與監測、與SCADA數據連接，可無人值守運行、根據自來水公司的具體業務靈活設置功能。
2 數據的准備
HM對供水企業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准備工作，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、營業收費、SCADA測壓點、分區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个月的时间完成了數據的准備，构建了较为完整的天津市供水管网数据，确保了数据的真实性和可靠性。
3 技術路線的選擇
選擇GIS系統的技術路線之前，首先要對水司本身的現狀和整體需求有一個准確的認識，並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，信息系統的數據庫均基于Microsoft SQL Server和Windows平台建設。其次，天津水司在營銷管理上實施三級區域計量工作。天津市的供水區域分爲市南、市北兩個計量區域；市南分爲5個營銷分公司，市北分爲4個營銷分公司；每個營銷分公司又分爲3~7個小的計量區域；每個計量區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應用于15個部門和單位，分別涉及集團公司的生産調度、規劃設計、管網管理、營銷管理、區域性水務公司等部門和單位。系統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。
從模型的規模上，要求軟件平台對天津市內全管網進行計算模擬的時間控制在5 min內，並支持全中文界面，要求軟件具有與其他系統的數據交互能力，要有一定的可擴展性。據此，對國內外知名的HM应用平台进行了广泛调研，综合考虑软件的先进性、成熟度，并根据公司的实际情况和资金安排，選擇了Bentley WaterGEMS V8i中文版（無限管道版本）及其Hammer V8i中文版平台。
在硬件的選擇上，兼顾安全和效率的原则，合理配置符合软件技术要求的硬件设备，配备了1台數據庫服務器、1台WEB服務器和1套備份系統。
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域供水的數據和系統劃分要求。天津水司將建設的模型劃分爲兩種：第1種爲詳至地表（指水表）的管網模型，區域根據營銷公司區域計量的範圍設定，用于區域計量、營銷分析和降低産銷差率等方面；第2種爲通過第1種模型合並簡化後，口徑≥300 mm管線的管網模型，用于宏觀規劃、設計、分析、預測與調度。
从模型应用对象簣D际跄讯壬希笕砑芄辜捌涔δ苌柚檬视μ旖蛩灸诓坎煌愦渭际跞嗽焙筒僮魅嗽钡募际跛胶托枨螅岳谙钅康耐乒愫褪褂谩Ｌ旖蛩窘ㄉ璧哪Ｐ突治街郑旱�1種爲傳統的通用管網模型，爲專業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，但操作複雜；第2種爲定制的管網模型，爲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，可24 h不間斷地進行模擬分析與監測。
4 項目的開發與實施
首先，HM項目作爲一項軟件工程，需求分析和系統分析是基礎。天津水司在軟件實施之前，在國內外調研的基礎上，組織相關專業部門和單位，結合生産實際，對HM的需求分析書進行多輪研究與討論。在軟件實施開發前，將軟件的需求盡量做實做細，並將最終形成的文檔作爲系統的開發和驗收依據，規範天津水司和開發商的行爲，確保軟件的質量。通過系統分析確定了HM的整體架構和運維方式。
其次，HM項目作爲一項系統工程，技術含量高，與實際工作緊密結合，幾乎涉及供水企業生産運營的各個環節，需要各專業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，領導小組統籌協調；另一方面，專職的技術人員全過程跟進，將項目開發實施過程和培訓過程相結合，進行人員知識儲備，以達到系統建成之日即是系統應用之時的目的。同時建立了一套較爲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，供水管網系統可靠性分析與安全，降低産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、流量及余氯監控與報警，供水管網規劃，管網更新計劃等諸多生産實際。目前，已廣泛應用于管網管理、生産調度等部門，現階段主要的應用包括：發現未知的關閉閥門、管道安全性評估、爆管事故分析、管網漏失與壓力控制分析、水廠停産限産事故模擬分析、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，動態地模擬整個供水管網系統的運行狀況，實現了從水廠調度、管網運維到客戶服務的自來水生産管理全過程的可控、可分析，大大提高了工作效率和工作質量，爲各基層單位、各部門、各級領導的決策提供了科學依據，爲天津水司的供水規劃、科學調度、管網管理、優質服務、降低産銷差率、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 後期的維護與管理
天津水司注重HM的后期维护工作，建立了有效的运行管理和实施推动机制。每半年更新模型的基础数据，确保系统长期稳定运行，保持系统的生命力；在与开发商签订系统维护升级合同的同时，由专职技术人员负责模型的日常维护与管理，为系统在天津水司的應用提供了数据保障和系统保障。
7 結論
通過對天津水司HM项目的研究与分析，对数据准备、技術路線的選擇、項目的開發與實施、水力模型深层次的应用与拓展、後期的維護與管理等各阶段进行经验总结，提出了一条较为成熟的HM項目在供水企業中實施、應用的技術管理路線。隨著HM與供水企業各類生産運營系統的整合，HM在供水行業中將展現出越來越廣闊的應用前景。
（本文发表于《中國給水排水》杂志2015年第3期“技術總結”欄目）
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