給水管網仿真系統的開發

趙靚芳， 陳 兵， 朱世泰， 張 夢

(1. 華南理工大學 環境與能源學院， 廣東 廣州 510006； 2. 工業聚集區污染控制與生態修復教育部重點實驗室，廣東 廣州 510006； 3. 廣東省環境風險防控與應急處置工程技術研究中心， 廣東 廣州 510006)

給水管網仿真系統的開發

趙靚芳1,2， 陳 兵1,3， 朱世泰1,3， 張 夢1,2

(1. 華南理工大學 環境與能源學院， 廣東 廣州 510006； 2. 工業聚集區污染控制與生態修復教育部重點實驗室，廣東 廣州 510006； 3. 廣東省環境風險防控與應急處置工程技術研究中心， 廣東 廣州 510006)

為解決缺乏給水管網仿真裝置的問題，自主設計開發了給水管網仿真系統。該系統由給水管網物理實驗模型與在線監控云服務系統兩部分構成。物理實驗模型設置32個測控點、4條支路、14個出水口、6個壓力傳感器及26個流量傳感器；云服務系統包括設備層、調度層、控制層和信息層，采用異網通信。系統可實現實時在線監測、調度控制、數據分析和信息服務等功能，已用于給水排水工程專業本科實驗教學。

給水管網實驗； 仿真模型； 在線監控； 云服務系統

給水排水管網是城市的大型基礎設施，在整個給水排水工程中的投資約占70%。給水排水管網的合理設計和良好運行管理對于城市的環境和發展具有重要作用，也是給水排水工程專業長期研究的課題[1-4]。

實踐教學在給水排水工程專業的教學中占有重要地位[5-7]，其中“給水排水管網系統”是專業課程體系中理論與實踐相結合的主干課程。但是，由于缺乏管網仿真系統，無法開展相應的實驗教學[8-11]。為此，在課題組自主開發排水管網(內澇)實驗室仿真系統的基礎上[12]，開發了給水管網實驗室仿真系統。該仿真系統主要由給水管網物理實驗模型與在線監控云服務系統兩部分構成。該仿真模型可以動態仿真單水源管網與多水源管網的不同運行狀態；在線監控云服務系統包含用戶遠程抄表智能終端，將管網運行的實時監測數據傳回管理中心并實時顯示，同時存儲在數據庫中供數據查詢、統計和分析。

給水管網仿真實驗的目的在于讓學生通過對環狀給水管網運行狀況的觀察，加深對管網平差流程和方法的了解；了解水源數量的增加對供水分布及路徑的影響；通過給水管網在線監測系統，了解給水管網的運行管理方法和現代化信息技術；通過數據分析和建模，優化管網運行；通過設計性和探索性實驗的創新環節，引導學生加深對理論知識的理解，并在實驗過程中鍛煉學生的創新能力。

1 教學模型實驗裝置

1.1 給水管網仿真模型設計

根據實驗室實際占地面積及水力學仿真結果，搭建了給水管網仿真模型(見圖1)。該模型實際占地面積約3 m2，凈高約1.6 m。以回用水箱提供水源，水箱設計容積為0.15 m3，尺寸為0.8 m×0.5 m×0.5 m。為了節約用水，采用2臺水泵供水，利用回水管收集各節點的出水，重新注入回用水箱。

仿真模型由室外供水模型和室內供水模型組成，共設置32個測控點、4條支路、14個出水口、6個壓力傳感器及26個流量傳感器。為了全面了解管網的運行狀態，在水泵出水處設置渦輪流量計及數字遠傳壓力表。室外供水模型采用包括6個小環的環狀管網形式，在每個出水點設置霍爾流量傳感器，并且在6個小環的管段處分別設置數字遠傳壓力表和霍爾流量傳感器。室內供水模型仿真低層建筑由市政給水管網直接供水的情況。在其最不利管段處設置1個壓力傳感器，并在每層出水處設置3個遠傳水表，組成遠傳抄表系統。

圖1 給水管網仿真模型簡圖

1.2 在線監控云服務系統的開發設計

系統采用異網通信(Internet、GSM、ZigBee網絡、GPRS網絡、LAN)架構，如圖2所示。在大尺度空間的設備群和人群之間實現信息的泛在互聯、深切感知和云計算的大數據智慧融合。

圖2 異網通信網絡架構

設備層包括傳感器、控制執行設備、通信網關、測控模塊、GPRS通信模塊以及后備不間斷電源等，主要完成監控點實時數據的采集、傳輸以及執行調度層發出的控制指令。

調度層主要由管理中心服務器、交換機、打印機、信息服務終端等系統軟硬件組成，完成采集數據的顯示、接收、分析處理和計算的功能，并通過通信網絡進行相應的操作。

控制層包括通信網關、GPRS通信模塊等，主要負責各個層之間的通信，其中測控模塊和通信網關之間采用ZigBee無線通信或RS-485接口的有線通信[13]；GPRS通信模塊與調度層采用TCP/IP為數據通信協議的GPRS網絡進行雙向通信[14]。

信息層主要包括服務器、筆記本等終端，具有提供信息查詢、信息發布等功能。

2 系統主要功能

給水管網仿真系統的中心軟件采用IIS+ASP語言編寫，以Windows 2003/2008/2010作為服務器的操作系統，以SQL Server 2008作為數據庫系統軟件。系統的主要功能是實時監測、調度控制、數據分析和信息服務。

2.1 實時監測

(1) 實時地圖。可以在計算機上顯示給水管網模型及各個監測設備的位置，并顯示出設備的實時數據，如壓力、流量、累加流量、設備工況等數據。

(2) 實時數據。終端通過中心服務器發出的最后一次數據作為實時數據，以圖表形式顯示當前監測點的壓力、流量、水泵及閘閥等設備工況數據和底端設備的工作狀況(電流、電壓、是否在線等)。

(3) 視頻監控。在各個監測點布設網絡攝像機，可選用有線和無線兩種接入方式。監控的視頻通過網絡發送到調度中心并顯示在界面上，完成監控點的可視化管理。

(4) 實時報警。設定報警的上下限，若測得數據超過警戒值時會向中心自動報警，中心將報警信息轉發給管理調度人員并記錄相關信息，可查詢有關報警信息。

2.2 調度控制

包括遠程控制、定時控制和情景控制等。調度員根據監測設備采集的流量、用水量、壓力等實時數據，通過自主遠程控制或提前設定現場執行設備的開啟或關閉時間，完成定時控制設備的指令。

2.3 數據分析

系統主界面如圖3所示。

(1) 實測曲線。可以通過選擇地點、設備類型和時間段查詢監測設備的實時曲線、歷史趨勢曲線。

(2) 數據對比。可以通過選擇不同時間段、不同監測點的任意兩個測控終端顯示出流量、用水量、壓力等不同類型數據的對比柱狀圖。

(3) 峰均值表。系統通過不同時間段(以每月為單位)統計流量、用水量、壓力等數據，顯示出各個數據的峰值、均值的柱狀圖，直觀顯示出任意時間內的趨勢。

(4) 用水量匯總。具有遠傳抄表功能，進行用水量的匯總，自動生成監測數據的統計報表，并提供導出和打印功能。

(5) 用水量變化。系統通過歷史用水量匯總報表自動生成相對應的曲線，選擇不同時間段可以顯示其用水量變化。

圖3 系統數據分析主界面

2.4 信息服務

系統具有事務通知功能，可在信息發布框編輯信息和發布調度管理信息；并可查詢發布信息的歷史記錄。

3 實驗教學的開展

課題組自主開發的實驗室給水管網仿真系統實物如圖4所示。

圖4 給水管網仿真系統實物照片

目前，該系統已用于給水排水工程專業本科實驗教學，實驗內容如下：

(1)登錄系統，通過觀察系統主界面左下方的“ID-主控器-IP”選單確定各個網關在線情況，待網關全部在線后開始測試；

(2) 打開1號水泵，觀察系統讀數變化，待讀數穩定后記錄當前值，記錄內容包括網關、終端、控制器/傳感器、設備類型(流量設備或壓力設備)和測量值；

(3) 打開2號水泵，2臺水泵同時運行，觀察系統讀數變化，待讀數開始變化時記錄當前值，同時觀察此時各個流量傳感器的數據與單臺水泵運行時的差異，根據讀數的差別，理解不同供水形式對給水管網運行的影響；

(4) 通過各傳感器采集節點和管段上的流量、壓力數據，推算管道內部水流的各種變化過程；

(5) 通過對水泵工況的調整和控制閥門的開啟，實現管網中水流、壓力的適當調整，獲取管網不同的運行工況；

(6) 仿真管道內水量、水壓隨時間和位置的變化，繪制管網的等水量線、等水壓線。

4 結語

課題組自主開發設計的實驗室給水管網仿真系統，仿真模型結構緊湊、直觀、明了，在線監控云服務系統功能強大、操作簡單，不僅用于給水排水工程專業本科實驗教學，還可滿足學生進行探索性實驗的需要。給水管網仿真系統不僅能幫助學生系統掌握給水管網功能、系統結構，了解給水管網的運行管理方法和現代化信息技術，而且有助于培養學生分析問題、解決問題和進行探索性實驗設計的能力，激發他們開拓創新的思維能力。

References)

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[4] 孫柏,供水管網水力水質模型及其校核研究[D].長沙:湖南大學,2012.

[5] 王晶,陳昌平,朱永英,等.給排水科學與工程專業實驗教學改革探究[J].實驗科學與技術,2016,14(2):130-132,144.

[6] 王志勇,邱戰洪,胡夢嬌,等.給水排水工程專業創新實驗教學的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2012,29(5):195-197.

[7] 崔福義,張曉健,高乃云,等.給排水科學與工程(給水排水工程)專業的建設與發展[J].給水排水,2013,39(4):1-3.

[8] 何嘉莉,陳兵,姜濤,等.城市內澇在線監控與信息服務數字化系統設計[J].中國給水排水,2014(1):94-98.

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[13] 陳莉.基于ZigBee協議的環境監測無線傳感器網絡測量節點的設計[D].上海:上海交通大學,2008.

[14] 趙印,姜濤,陳兵.智慧城市排水管網云服務系統設計與實現[J].中國給水排水,2017(5):99-103.

Development of simulation system for water distribution network

Zhao Liangfang1,2, Chen Bing1,3, Zhu Shitai1,3, Zhang Meng1,2

(1. School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. Key Laboratory of Ministry of Educationfor Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industrial Clusters, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China; 3. Guangdong Provincial Engineering and Technology Research Center for Environmental Risk Prevention and Emergency Response, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

To solve the problem that there is a shortage of the water distribution network simulation device, the simulation system of the water distribution network is independently designed and developed. The system consists of the two sections including the physical experimental model of the water distribution network and the online-monitoring cloud service system. The simulation model sets up thirty-two measuring and controlling points, four branches, fourteen outlets, six pressure sensors and twenty-six flow sensors. The cloud service system includes the equipment layer, the scheduling layer, the control layer and the information layer, and adopts the different network communications. The system can realize the functions such as the online monitoring in real time, scheduling control, data analysis, information service, etc., which has been used for undergraduate experimental teaching for the Water Supply and Drainage Engineering major.

water distribution network experiment; simulation model; online monitoring; cloud service system

TU991.3; TP391.9

A

1002-4956(2017)10-0121-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.030

2017-04-13

廣東省科技計劃項目(2014A020216006)；廣州市科技項目(201604020010)；華南理工大學2015年本科探索性實驗項目(Y1150660)

趙靚芳(1994—)，女，江西南昌，碩士研究生，主要研究方向為給排水管網云服務監控系統

E-mail：1019770580@qq.com

陳兵(1968—)，女，吉林長春，博士，研究員，系副主任，研究方向為給排水管網云服務監控系統、給排水管網系統優化運行、城市內澇預測預警.

E-mail：chenbing@scut.edu.cn