基于Matlab算法的單站系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)?

黃麗莎 陳 峰

（1.武漢郵電科學(xué)研究院 武漢 430074）（2.武漢虹信技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 武漢 430205）

1 引言

過去，泵站工程建設(shè)受限于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要與工程投資，很少考慮到泵站能耗和運(yùn)行費(fèi)用，導(dǎo)致不少泵站長期在效率偏低的工況下運(yùn)行。不僅浪費(fèi)了能源，而且增加不必要的運(yùn)行費(fèi)用。據(jù)統(tǒng)計，我國大中型機(jī)電灌排泵站平均效率僅30%～50%，甚至有的效率僅有20%～30%。可見，我國泵站效率普遍偏低。當(dāng)前，隨著泵站［5～7］投入的增加，我國泵站自動化水平有所提高，對提高泵站工程技術(shù)水平發(fā)揮了重要作用，也對泵站運(yùn)行管理水平提出了新的需求。為解決當(dāng)前泵站系統(tǒng)中，決策水平導(dǎo)致的泵站運(yùn)行效率低，運(yùn)行能耗大，運(yùn)行費(fèi)用高的問題，本文提出了一種基于Matlab優(yōu)化算法的單級泵站系統(tǒng)，由于多級泵站也可拆分為單級泵站，故該系統(tǒng)針對單級泵站設(shè)計。本文主要介紹B/S模式下基于Matlab 優(yōu)化算法的單級泵站系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)與主流程

系統(tǒng)整體框架如圖1所示，其框架采用Spring+Spring MVC+Mybatis［12～13］。 其 邏 輯 架 構(gòu) 可 分 成 三層：表現(xiàn)層位于最外層（最上層），最接近用戶，用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，為用戶提供一種交互式操作的界面［11］；業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)架構(gòu)中體現(xiàn)核心價值的部分，其關(guān)注點(diǎn)主要集中在業(yè)務(wù)規(guī)則的制定、業(yè)務(wù)流程的實(shí)現(xiàn)等與業(yè)務(wù)需求有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計；持久層主要是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的訪問，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)表的基本操作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用MySQL［10，14～15］。系統(tǒng)主流程圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

圖2 系統(tǒng)主流程圖

2.2 功能結(jié)構(gòu)

如圖3 所示，系統(tǒng)共有六大功能模塊：數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊主要是管理傳感器、基礎(chǔ)設(shè)施、監(jiān)測數(shù)據(jù)等；異常告警模塊主要是管理告警信息；優(yōu)化調(diào)度模塊主要是進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，計算最佳運(yùn)行方案，即能耗最小方案，為泵站調(diào)度提供決策支持；方案管理模塊主要是進(jìn)行運(yùn)行方案管理，包括實(shí)際運(yùn)行方案與優(yōu)化運(yùn)行方案；統(tǒng)計報表模塊主要是已產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如提水量，能耗等進(jìn)行統(tǒng)計。

圖3 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)圖

3 優(yōu)化算法

優(yōu)化算法是系統(tǒng)核心，包括基于可調(diào)角機(jī)組和基于不可調(diào)角機(jī)組兩種優(yōu)化算法，其中實(shí)現(xiàn)涉及大量復(fù)雜的計算，若使用java語言實(shí)現(xiàn)這部分計算的編程，則實(shí)現(xiàn)難度大，且計算結(jié)果亦不準(zhǔn)確，相比較而言，使用Matlab［8～9］編程，計算效率更高，實(shí)現(xiàn)更為簡單，且Matlab 可支持將m 文件編譯成jar 文件，供Java 使用。故本系統(tǒng)利用Matlab 進(jìn)行優(yōu)算法部分的編程，開發(fā)效率更高，計算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3.1 基于可調(diào)角機(jī)組優(yōu)化算法

該算法是建立在水泵性能曲線基礎(chǔ)之上的［12］。以1600ZLB（）Q8.5-7.5 型水泵為例，其性能參數(shù)如圖4 所示。根據(jù)水泵的性能曲線可得水泵揚(yáng)程和水泵流量的關(guān)系H=（fQ）（葉片角度一定），水泵功率和水泵流量的關(guān)系N=（fQ）（葉片角度一定）。

圖4 水泵性能曲線

在可調(diào)角水泵中，水泵效率不僅與葉片角度有關(guān)，同時也與水泵揚(yáng)程有關(guān)，因此優(yōu)化不僅要考慮水泵葉片角度也要考慮水泵揚(yáng)程。在揚(yáng)程H 固定時，可根據(jù)H=（fQ）得到不同角度時水泵的流量，從而根據(jù)N=（fQ）得到不同角度時水泵的功率。利用拉格朗日插值法，得到θ=f(Q)和N=g(θ)，即葉片角度與水泵流量及葉片角度與水泵功率的關(guān)系，從而得到水泵功率與水泵流量的關(guān)系N=F(Q)。優(yōu)化以運(yùn)行能耗最小為模型，其目標(biāo)函數(shù)如下：

其中Ni(Q，H)為水泵的軸功率，與通過水泵的流量和揚(yáng)程有關(guān)，即前述的N=F(Q)。約束條件如下：

機(jī)組流量約束：minQi≤Qi≤maxQi

機(jī)組功率約束：minNi≤Ni≤maxNi

機(jī)組揚(yáng)程約束：minHi≤Hi≤maxHi

機(jī)組角度約束：minθi≤θi≤maxθi

3.2 基于不可調(diào)角機(jī)組優(yōu)化算法

針對不可調(diào)角機(jī)組，以泵站能耗最低為準(zhǔn)則，根據(jù)泵站內(nèi)機(jī)組的類型，臺數(shù)，設(shè)計流量，設(shè)計功率等，在滿足所需流量的情況下，對泵站內(nèi)機(jī)組進(jìn)行組合，取能耗最小時的機(jī)組開機(jī)組合為優(yōu)化運(yùn)行方案，避免不必要的能量浪費(fèi)與造成經(jīng)濟(jì)損失。

其目標(biāo)函數(shù)為

其中n 表示泵站機(jī)組類型總是，Ni表示各類型機(jī)組開機(jī)臺數(shù)，Pi表示各類型機(jī)組的設(shè)計功率。

求解此目標(biāo)函數(shù)最小值是一個線性規(guī)劃的問題，而在Matlab 中求解線性規(guī)劃問題的函數(shù)是linprog，該函數(shù)集中了幾種求線性規(guī)劃的算法，如內(nèi)點(diǎn)法和單純形法。利用linprog函數(shù)解出目標(biāo)函數(shù)，需要將目標(biāo)函數(shù)以及約束條件轉(zhuǎn)化成矩陣表達(dá)式。當(dāng)有n=2時，可轉(zhuǎn)化為如下表達(dá)式：

其中l(wèi)b=zeros（n，1），NTi表示第i種機(jī)組的總數(shù)，F(xiàn)i表示第i 種機(jī)組的設(shè)計流量，needFlow 表示泵站所需流量，將參數(shù)代入［w，fv，ex］=linprog（f，a，b，［］，［］，lb）中，運(yùn)行即可得到所需結(jié)果。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 Maven

Maven［1～2］是Java 目前比較流行的項(xiàng)目管理工具，基于項(xiàng)目對象模型（Project Object Model，POM）的理念，Maven 管理項(xiàng)目的構(gòu)建、報告等，并提供中央倉庫，可幫助自動下載構(gòu)件，并管理構(gòu)件，具有管理方便、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用了Maven來對項(xiàng)目進(jìn)行管理控制，它能夠有效地在項(xiàng)目開發(fā)時處理繁瑣的代碼清理、編譯、打包、部署等工作。且Maven 是是跨平臺的，最大地消除了構(gòu)建的重復(fù)。POM 的實(shí)現(xiàn)形式是項(xiàng)目根目錄下的pom.xml 文件，pom.xml 是maven 的 項(xiàng) 目 描 述 文 件 。pom.xml 文 件以xml 的形式描述項(xiàng)目的信息，包括項(xiàng)目名稱、版本、項(xiàng)目id、項(xiàng)目的依賴關(guān)系等等。同時POM 還具有繼承性，可以從其他的POM 文件中繼承已有配置［3］。

4.2 MBG（MyBatis Generator）

MyBatis［4］屬于一種半自動的ORM（Object Relational Mapping）框架，采用元數(shù)據(jù)來描述對象關(guān)系映射細(xì)節(jié)，元數(shù)據(jù)一般采用XML 格式，并且存放在專門的對象映射文件中，所以主要的工作將是書寫映射文件，但是由于手寫映射文件很容易出錯。而MBG 即MyBatis 發(fā)生器可以自動生成底層Model模型類、Dao接口類以及Mapping映射文件，提高開發(fā)效率，節(jié)省時間成本，同時減少人工手寫導(dǎo)致的錯誤，而且使用簡單方便。可在官網(wǎng)下載該工具，生成配置文件generatorConfig.xml，在配置文件中設(shè)置數(shù)據(jù)庫驅(qū)動、用戶名、數(shù)據(jù)庫URL、密碼、生成模型的包名和位置、生成映射文件的包名和位置、生成DAO 的包名和位置以及最后需要生成的表名和對應(yīng)的類名等。

5 優(yōu)化算法在系統(tǒng)中的應(yīng)用

該系統(tǒng)重點(diǎn)在于優(yōu)化算法在本系統(tǒng)中的應(yīng)用，由于可調(diào)角算法與不可調(diào)角算法在系統(tǒng)中的展示界面類似，故此處僅以不可調(diào)角算法在系統(tǒng)的應(yīng)用為例。優(yōu)化結(jié)果是以小時為單位進(jìn)行展示，其界面如圖5 所示。在實(shí)際運(yùn)行方案中，從13h 到16h 中第二類型機(jī)組開機(jī)6臺工作，流量為42m3/s，滿足所需最高流量42m3/s，功耗為14400kW，而優(yōu)化方案在滿足所需流量的情況下，功耗為10755kW，比實(shí)際方案能耗更低，且避免水流量的浪費(fèi)，減少運(yùn)行成本，其中界面的優(yōu)化結(jié)果是根據(jù)前述所得，此處機(jī)組類型名無實(shí)際意義。

圖5 優(yōu)化調(diào)度界面展示

6 結(jié)語

綜上所述，該系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁Q策支持，為用戶提供能耗最小的運(yùn)行方案，可避免能源極大的浪費(fèi)，同時一定程度上還可節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，這在當(dāng)今能源緊張，全球倡導(dǎo)環(huán)保節(jié)能的情況，具有極大的意義。