專利名稱：景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水污染控制及環(huán)境修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及水污染控制與治理的方法，具體說涉及景觀水體水質(zhì)保持與凈化控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
景觀水體具有美化城市環(huán)境、吸塵降噪、調(diào)節(jié)小氣候等功能。近年來，景觀水體在城市中大量涌現(xiàn)，對(duì)改善城市生態(tài)環(huán)境起到了重要作用。在景觀水體運(yùn)行過程中，由于曝氣增氧技術(shù)具有設(shè)備占地小、運(yùn)行簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而在水質(zhì)保持與凈化領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。然而，由于理論不夠成熟以及較少使用優(yōu)化控制技術(shù)，容易造成曝氣充氧效果不佳以及能耗浪費(fèi)，在景觀水體的運(yùn)行過程中，缺乏有效的景觀水體曝氣充氧優(yōu)化控制系統(tǒng)，成功用于實(shí)際景觀水體的例子很少。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在不同條件下監(jiān)測(cè)與評(píng)估曝氣過程中景觀水體的溶解氧濃度和曝氣效果，通過對(duì)曝氣充氧過程進(jìn)行優(yōu)化，在保證充氧效果的同時(shí)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)以減小曝氣能耗，達(dá)到景觀水體水質(zhì)保持以及節(jié)能降耗的綜合目的。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制系統(tǒng)予以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案是包括曝氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心和主控計(jì)算機(jī)；所述曝氣系統(tǒng)用于向景觀水體進(jìn)行參數(shù)可控的曝氣充氧，所述曝氣系統(tǒng)包括若干個(gè)曝氣終端裝置和終端控制系統(tǒng)；若干個(gè)曝氣終端裝置均勻布設(shè)在景觀水體中，用于向景觀水體進(jìn)行曝氣以增加水體中溶解氧濃度；終端控制系統(tǒng)用于曝氣終端裝置與主控計(jì)算機(jī)的信息通訊，實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)對(duì)曝氣終端裝置的開閉以及曝氣量、曝氣時(shí)間的調(diào)整與控制；所述數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)景觀水體的溶解氧濃度，并與所述數(shù)據(jù)中心進(jìn)行信息通訊；所述數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括若干個(gè)遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端和通訊系統(tǒng)；所述遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端用于采集景觀水體監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溶解氧濃度數(shù)據(jù)，并按約定的采集時(shí)段以有線或無線通訊方式定時(shí)向數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)；所述通訊系統(tǒng)用于若干個(gè)遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端與數(shù)據(jù)中心的信息通訊；所述數(shù)據(jù)中心用于控制數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)回的溶解氧濃度數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)中心包括服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫；所述服務(wù)器用于監(jiān)控所述數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的景觀水體監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溶解氧濃度數(shù)據(jù)，及與通訊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；所述數(shù)據(jù)庫用來存儲(chǔ)按時(shí)序監(jiān)測(cè)的景觀水體溶解氧濃度在線數(shù)據(jù)；所述主控計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的操作平臺(tái)，存儲(chǔ)有景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制程序，通過對(duì)景觀水體溶解氧濃度數(shù)據(jù)的管理與分析，評(píng)估不同氣象、水質(zhì)條件下對(duì)水體的曝氣充氧效果，根據(jù)優(yōu)化曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)對(duì)曝氣終端裝置的開閉以及曝氣量、曝氣時(shí)間進(jìn)行調(diào)整和控制，與此同時(shí)，隨時(shí)操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明一種景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制方法，在主控計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)有景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制程序，包括景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型和曝氣參數(shù)優(yōu)化模型，從而預(yù)測(cè)在曝氣終端裝置運(yùn)行情況下，整個(gè)景觀水體中溶解氧濃度的分布情況，用以評(píng)估采用不同曝氣運(yùn)行參數(shù)時(shí)的曝氣充氧效果，并尋找最優(yōu)的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)；用于優(yōu)化控制景觀水體曝氣充氧運(yùn)行的數(shù)據(jù)和信息，包括景觀水體的地圖信息及氣象、水文和水質(zhì)數(shù)據(jù)；在線監(jiān)測(cè)到的景觀水體的溶解氧濃度數(shù)據(jù)；所有曝氣終端裝置的布置及運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)；控制方法包括以下步驟步驟一啟動(dòng)主控計(jì)算機(jī)，運(yùn)行景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制程序，通過服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫獲取溶解氧濃度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；步驟二 定時(shí)讀取存儲(chǔ)在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中、由所有遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端獲取的各監(jiān)測(cè)點(diǎn) 溶解氧濃度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；步驟三根據(jù)當(dāng)前溶解氧濃度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷是否開啟曝氣系統(tǒng)；若各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溶解氧濃度平均值高于系統(tǒng)設(shè)定的界限值，則反映水體水質(zhì)處于正常水平，不開啟曝氣系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)返回步驟二 ；若各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溶解氧濃度低于系統(tǒng)設(shè)定的界限值，則開啟曝氣系統(tǒng)；步驟四讀取當(dāng)前景觀水體的氣象、水文和水質(zhì)數(shù)據(jù)，并與上述開啟的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)一起載入景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)在給定水體情況以及曝氣充氧運(yùn)行參數(shù)的條件下對(duì)景觀水體溶解氧濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并評(píng)估曝氣充氧效果；步驟五讀取當(dāng)前景觀水體的氣象、水文和水質(zhì)數(shù)據(jù)及溶解氧濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，載入曝氣參數(shù)優(yōu)化模型；步驟六運(yùn)行曝氣參數(shù)優(yōu)化模型，以上述得出的評(píng)估曝氣充氧效果為約束條件，以曝氣充氧運(yùn)行能耗最低為目標(biāo)函數(shù)，確定曝氣終端裝置的開閉方案和曝氣量、曝氣時(shí)間，從而得到當(dāng)前條件下最優(yōu)的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)；步驟七將上述曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)以指令形式發(fā)送給終端控制系統(tǒng)；步驟八終端控制系統(tǒng)按照指令控制曝氣終端裝置對(duì)景觀水體進(jìn)行曝氣充氧；在上述控制過程中，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)景觀水體溶解氧濃度進(jìn)行循環(huán)采集，按照指定時(shí)間間隔自動(dòng)對(duì)景觀水體中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的所有遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過通訊系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)傳送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，主控計(jì)算機(jī)隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、修改、添加或刪除，通過圖表方式顯示歷史和趨勢(shì)數(shù)據(jù)；步驟九根據(jù)用戶需求判斷是否結(jié)束系統(tǒng)運(yùn)行。進(jìn)一步講，所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型是基于EFDC水動(dòng)力模型與WASP水質(zhì)模型耦合構(gòu)建的水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型，是由一系列能夠代表水體空間分布的單元體組成，該模型能夠預(yù)測(cè)各單元體內(nèi)的水體流速和水質(zhì)，進(jìn)而預(yù)測(cè)整個(gè)水體的流動(dòng)和水質(zhì)變化情況；建立所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型過程中，首先根據(jù)景觀水體地圖和水文信息將其概化為模型單元體網(wǎng)絡(luò)；采用EFDC水動(dòng)力模型建立景觀水體水動(dòng)力模型，輸入景觀水體的水力和氣象條件，模擬水體在給定條件下的流動(dòng)情況；采用WASP模型模擬溶解氧濃度，載入EFDC水動(dòng)力模型生成的水動(dòng)力數(shù)據(jù)，輸入景觀水體初始溶解氧濃度數(shù)據(jù)，依據(jù)給定的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定WASP水質(zhì)模型參數(shù)；通過運(yùn)行所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型得到各單元體的溶解氧濃度，進(jìn)而模擬整個(gè)景觀水體溶解氧分布情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)給定條件下曝氣系統(tǒng)曝氣充氧效果的預(yù)測(cè)和評(píng)估。另外，所述曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型是基于曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)取值范圍以及所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型建立的最優(yōu)化模型；所述曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型中，目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為曝氣充氧運(yùn)行能耗最低，約束條件設(shè)定為曝氣系統(tǒng)達(dá)到用戶設(shè)定的曝氣充氧效果，曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型自變量取值的約束條件即為曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)取值方案；所述曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型采用遺傳算法尋找運(yùn)行參數(shù)最優(yōu)解的步驟是首先，讀取當(dāng)前景觀水體的溶解氧濃度數(shù)據(jù)，并輸入當(dāng)前氣象信息作為初始條件；然后，選取一組曝氣運(yùn)行參數(shù)后，與景觀水體的水力、氣象數(shù)據(jù)以及溶解氧濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等初始條件一起帶入所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)該條件下的系統(tǒng)曝氣充氧效果，判斷是否符合約束條件，并計(jì)算目標(biāo)函數(shù)；最后，得到優(yōu)化的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)結(jié)果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是 本發(fā)明基于景觀水體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及曝氣系統(tǒng)的布置情況，采用動(dòng)力學(xué)方法建立景觀水體的溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型，用于預(yù)測(cè)給定條件下的景觀水體中溶解氧濃度的分布情況并評(píng)估曝氣效果；并基于溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型，以曝氣充氧運(yùn)行能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)，建立曝氣參數(shù)優(yōu)化模型，對(duì)曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；從而實(shí)現(xiàn)景觀水體曝氣充氧優(yōu)化控制。本發(fā)明可以準(zhǔn)確和迅速的在不同條件下優(yōu)化景觀水體的曝氣充氧運(yùn)行參數(shù)并評(píng)估其運(yùn)行效果，在保證水體水質(zhì)凈化效果的同時(shí)減小系統(tǒng)運(yùn)行能耗，提高了景觀水體曝氣充氧系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了曝氣系統(tǒng)運(yùn)行情況相關(guān)數(shù)據(jù)的有效管理。


圖I是本發(fā)明的景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖；圖中1.曝氣系統(tǒng)，2.數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng))，3.數(shù)據(jù)中心，4.主控計(jì)算機(jī)，5.曝氣終端裝置，6.終端控制系統(tǒng)，7.遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端(RTU)，8.通訊系統(tǒng)，9.服務(wù)器，10.數(shù)據(jù)庫。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖I所示，本發(fā)明一種景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括曝氣系統(tǒng)I、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition,即 SCADA 系統(tǒng))2、數(shù)據(jù)中心3和主控計(jì)算機(jī)4 ;用于監(jiān)測(cè)景觀水體的溶解氧濃度，控制充氧效果并優(yōu)化曝氣充氧運(yùn)行參數(shù)。所述曝氣系統(tǒng)I用于向景觀水體進(jìn)行參數(shù)可控的曝氣充氧，所述曝氣系統(tǒng)I包括若干個(gè)曝氣終端裝置5和終端控制系統(tǒng)6 ;若干個(gè)曝氣終端裝置5均勻布設(shè)在景觀水體中，用于向景觀水體進(jìn)行曝氣以增加水體中溶解氧濃度；終端控制系統(tǒng)6用于曝氣終端裝置5與主控計(jì)算機(jī)4的信息通訊，實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)5對(duì)曝氣終端裝置5的開閉以及曝氣量、曝氣時(shí)間的調(diào)整與控制。所述數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2用于監(jiān)測(cè)景觀水體的溶解氧濃度，并與所述數(shù)據(jù)中心3進(jìn)行信息通訊；所述數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2包括若干個(gè)遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端(RemoteTerminalUnit,即RTU)7和通訊系統(tǒng)8 ;所述遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端7用于采集景觀水體監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溶解氧濃度數(shù)據(jù)，并按約定的采集時(shí)段以有線或無線通訊方式定時(shí)向數(shù)據(jù)中心3發(fā)送數(shù)據(jù)；所述通訊系統(tǒng)8用于若干個(gè)遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端7與數(shù)據(jù)中心3的信息通訊。所述數(shù)據(jù)中心3用于控制數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)SCADA系統(tǒng)2，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)SCADA測(cè)系統(tǒng)2發(fā)回的溶解氧濃度數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)中心3包括服務(wù)器9和數(shù)據(jù)庫10 ;所述服務(wù)器9用于監(jiān)控所述數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2采集到的景觀水體監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溶解氧濃度數(shù)據(jù)，及與通訊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；所述數(shù)據(jù)庫10用來存儲(chǔ)按時(shí)序監(jiān)測(cè)的景觀水體溶解氧濃度在線數(shù)據(jù)。
所述主控計(jì)算機(jī)4是系統(tǒng)的操作平臺(tái)，存儲(chǔ)有景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制程序(包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件)，所述景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制程序，包括景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型和曝氣參數(shù)優(yōu)化模型，通過對(duì)景觀水體溶解氧濃度數(shù)據(jù)的管理與分析，從而預(yù)測(cè)在曝氣終端裝置運(yùn)行情況下，整個(gè)景觀水體中溶解氧濃度的分布情況，用以評(píng)估不同氣象、水質(zhì)條件下采用不同曝氣運(yùn)行參數(shù)時(shí)的曝氣充氧效果，并根據(jù)優(yōu)化曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)對(duì)曝氣終端裝置5的開閉以及曝氣量、曝氣時(shí)間進(jìn)行調(diào)整和控制，尋找最優(yōu)的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)；與此同時(shí)，可隨時(shí)操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。具體講，主控計(jì)算機(jī)4中景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)如下功能(I)存儲(chǔ)用于優(yōu)化控制景觀水體曝氣充氧運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，如圖2所示，包括①景觀水體的基礎(chǔ)情況與數(shù)據(jù)包括景觀水體的地圖信息以及水文、水質(zhì)、氣象等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及曝氣終端裝置布置情況等；②景觀水體的溶解氧濃度數(shù)據(jù)景觀水體的溶解氧濃度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；③曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)包括控制水體中各曝氣終端裝置的開閉以及曝氣量等的參數(shù)；④曝氣充氧條件下的景觀水體的溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型基于上述景觀水體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及水體中曝氣終端裝置布置等資料，建立在有曝氣充氧裝置運(yùn)行條件下的水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型，用于預(yù)測(cè)景觀水體溶解氧濃度，評(píng)估曝氣充氧效果；⑤曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型基于上述景觀水體的基礎(chǔ)情況與數(shù)據(jù)、曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)取值范圍、溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型等，建立曝氣充氧運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化模型，在達(dá)到一定的曝氣充氧效果的約束條件下(例如95%以上水體的溶解氧濃度大于4mg/L)，使其運(yùn)行能耗最低；該優(yōu)化模型運(yùn)行過程中需要調(diào)用溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型以計(jì)算模型的約束條件。(2)控制SCADA系統(tǒng)對(duì)景觀水體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溶解氧濃度進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)采集，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)并進(jìn)行操作與分析。( 3)對(duì)給定條件下的景觀水體溶解氧濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)讀取給定的景觀水體水文、水質(zhì)、氣象數(shù)據(jù)，并與選定的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)一起代入溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)在給定水體情況以及曝氣充氧運(yùn)行參數(shù)的條件下對(duì)景觀水體溶解氧濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并評(píng)估曝氣充氧效果。
(4)優(yōu)化曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)在曝氣系統(tǒng)需要開啟時(shí)，軟件讀取當(dāng)前景觀水體的溶解氧濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及水文、氣象數(shù)據(jù)，將其帶入曝氣參數(shù)優(yōu)化模型，以達(dá)到一定的曝氣充氧效果為約束條件(例如95%以上水體的溶解氧濃度大于4mg/L)，以曝氣充氧運(yùn)行能耗最低為目標(biāo)函數(shù)，確定曝氣終端裝置的開閉方案和曝氣量、曝氣時(shí)間等最優(yōu)曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。(5)控制曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行向曝氣系統(tǒng)發(fā)出指令，將優(yōu)化模型求得的優(yōu)化結(jié)果設(shè)定為曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，控制曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行。所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型，是基于Environmental Fluid DynamicsCode (EFDC)水動(dòng)力模型與 Water Quality Analysis Simulation Program (WASP)水質(zhì)模型耦合構(gòu)建的水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型。該模型網(wǎng)絡(luò)由一系列能夠代表水體空間分布的“單元體”組成，該模型能夠預(yù)測(cè)各單元體內(nèi)的水體流速和水質(zhì)，進(jìn)而預(yù)測(cè)整個(gè)水體的流動(dòng)和水質(zhì)變化情況。建立所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型過程中，首先根據(jù)景觀水體地圖和水文信息將其概化為模型單元體網(wǎng)絡(luò)；采用EFDC水動(dòng)力模型建立景觀水體水動(dòng)力模型，輸入景觀水體的水力以及風(fēng)向風(fēng)速等氣象條件，可模擬水體在給定條件下的流動(dòng)情況；采用WASP模 型模擬溶解氧濃度，載入EFDC水動(dòng)力模型生成的水動(dòng)力數(shù)據(jù)，輸入監(jiān)測(cè)得到的景觀水體初始溶解氧濃度數(shù)據(jù)，依據(jù)給定的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定WASP水質(zhì)模型參數(shù)；通過運(yùn)行所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型得到各單元體的溶解氧濃度，進(jìn)而模擬整個(gè)景觀水體溶解氧分布情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)給定條件下曝氣系統(tǒng)曝氣充氧效果的預(yù)測(cè)和評(píng)估。所述曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型，是基于曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)取值范圍以及所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型建立的最優(yōu)化模型；所述曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型中，目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為曝氣充氧運(yùn)行能耗最低，約束條件設(shè)定為曝氣系統(tǒng)達(dá)到用戶設(shè)定的曝氣充氧效果(例如95%以上水體的溶解氧濃度大于4mg/L)，曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型自變量取值的約束條件即為曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)取值方案；所述曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型采用遺傳算法尋找運(yùn)行參數(shù)最優(yōu)解。遺傳算法運(yùn)行時(shí)，首先，讀取當(dāng)前景觀水體的溶解氧濃度數(shù)據(jù)，并輸入當(dāng)前風(fēng)向、風(fēng)速等氣象信息作為初始條件；算法選取一組曝氣運(yùn)行參數(shù)后，即可與景觀水體的水力、氣象數(shù)據(jù)以及溶解氧濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等初始條件一起帶入所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)該條件下的系統(tǒng)曝氣充氧效果，判斷是否符合約束條件，并計(jì)算優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)，即曝氣能耗；模型按照遺傳算法標(biāo)準(zhǔn)方法運(yùn)行，最后得到優(yōu)化的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)結(jié)果。本發(fā)明景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制方法的流程如圖2所示，包括以下步驟(I)啟動(dòng)主控計(jì)算機(jī)，運(yùn)行景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制程序，①系統(tǒng)存有景觀水體的基礎(chǔ)情況與數(shù)據(jù)其中包括景觀水體的水體形狀等地圖信息，水深、水位等水文數(shù)據(jù)，水體水質(zhì)、氣象等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及曝氣裝置的布置情況等，這些數(shù)據(jù)是建立水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)；②系統(tǒng)存有景觀水體溶解氧濃度數(shù)據(jù)該數(shù)據(jù)由SCADA系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并傳回?cái)?shù)據(jù)中心，根據(jù)景觀水體的水質(zhì)保持要求，以實(shí)測(cè)水體溶解氧濃度值判定曝氣充氧系統(tǒng)是否開啟，并作為溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型的模型初始輸入數(shù)據(jù)；③系統(tǒng)存有曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)包括曝氣終端裝置的開閉組合方案以及每個(gè)曝氣終端裝置的曝氣量的取值范圍等參數(shù)，這些數(shù)據(jù)可作為建立曝氣參數(shù)優(yōu)化模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；④曝氣充氧條件下景觀水體的溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)基于景觀水體的地圖信息和氣象、水文、水質(zhì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及曝氣終端裝置布置情況，建立預(yù)測(cè)景觀水體溶解氧濃度的水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型；該模型以水體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、初始溶解氧濃度以及曝氣終端裝置運(yùn)行參數(shù)為模型輸入數(shù)據(jù)，將上述數(shù)據(jù)帶入模型，可以預(yù)測(cè)在曝氣終端裝置運(yùn)行情況下，整個(gè)景觀水體中溶解氧濃度的分布情況，用以評(píng)估采用不同曝氣運(yùn)行參數(shù)時(shí)的曝氣充氧效果；其中，所述的景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型，是基于Environmental FluidDynamicsCode(EFDC)水動(dòng)力模型與 Water Quality Analysis Simulation Program(WASP)水質(zhì)模型耦合構(gòu)建的水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型。該模型網(wǎng)絡(luò)由一系列能夠代表水體空間分布的“單元體”組成，該模型能夠預(yù)測(cè)各單元體內(nèi)的水體流速和水質(zhì)，進(jìn)而預(yù)測(cè)整個(gè)水體的流動(dòng)和水質(zhì)變化情況。
EFDC模型使用下列連續(xù)性方程和動(dòng)量方程作為基本控制方程
權(quán)利要求
1.一種景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括曝氣系統(tǒng)(I)，其特征在于還包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2)、數(shù)據(jù)中心(3)和主控計(jì)算機(jī)(4); 所述曝氣系統(tǒng)(I)用于向景觀水體進(jìn)行參數(shù)可控的曝氣充氧，所述曝氣系統(tǒng)(I)包括若干個(gè)曝氣終端裝置(5)和終端控制系統(tǒng)(6);若干個(gè)曝氣終端裝置(5)均勻布設(shè)在景觀水體中，用于向景觀水體進(jìn)行曝氣以增加水體中溶解氧濃度；終端控制系統(tǒng)(6)用于曝氣終端裝置(5)與主控計(jì)算機(jī)(4)的信息通訊，實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)(5)對(duì)曝氣終端裝置(5)的開閉以及曝氣量、曝氣時(shí)間的調(diào)整與控制； 所述數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2)用于監(jiān)測(cè)景觀水體的溶解氧濃度，并與所述數(shù)據(jù)中心(3)進(jìn)行信息通訊；所述數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2)包括若干個(gè)遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端(7)和通訊系統(tǒng)(8);所述遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端(7)用于采集景觀水體監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溶解氧濃度數(shù)據(jù)，并按約定的采集時(shí)段以有線或無線通訊方式定時(shí)向數(shù)據(jù)中心(3)發(fā)送數(shù)據(jù)；所述通訊系統(tǒng)(8)用于若干個(gè)遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端(7)與數(shù)據(jù)中心(3)的信息通訊； 所述數(shù)據(jù)中心(3 )用于控制數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2 )，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2 )發(fā)回的溶解氧濃度數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)中心(3)包括服務(wù)器(9)和數(shù)據(jù)庫(10);所述服務(wù)器(9)用于監(jiān)控所述數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2)采集到的景觀水體監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溶解氧濃度數(shù)據(jù)，及與通訊系統(tǒng)(8)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；所述數(shù)據(jù)庫(10)用來存儲(chǔ)按時(shí)序監(jiān)測(cè)的景觀水體溶解氧濃度在線數(shù)據(jù)； 所述主控計(jì)算機(jī)(4)是系統(tǒng)的操作平臺(tái)，存儲(chǔ)有景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制程序，通過對(duì)景觀水體溶解氧濃度數(shù)據(jù)的管理與分析，評(píng)估不同氣象、水質(zhì)條件下對(duì)水體的曝氣充氧效果，根據(jù)優(yōu)化曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)對(duì)曝氣終端裝置(5)的開閉以及曝氣量、曝氣時(shí)間進(jìn)行調(diào)整和控制，與此同時(shí)，隨時(shí)操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。
2.一種景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制方法，其特征在于如權(quán)利要求I所述的景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制系統(tǒng)，其中的主控計(jì)算機(jī)(4)中存儲(chǔ)有 景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制程序，包括景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型和曝氣參數(shù)優(yōu)化模型，從而預(yù)測(cè)在曝氣終端裝置運(yùn)行情況下，整個(gè)景觀水體中溶解氧濃度的分布情況，用以評(píng)估采用不同曝氣運(yùn)行參數(shù)時(shí)的曝氣充氧效果，并尋找最優(yōu)的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)； 用于優(yōu)化控制景觀水體曝氣充氧運(yùn)行的數(shù)據(jù)和信息，包括景觀水體的地圖信息及氣象、水文和水質(zhì)數(shù)據(jù)；在線監(jiān)測(cè)到的景觀水體的溶解氧濃度數(shù)據(jù)；所有曝氣終端裝置(5)的布置及運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)； 控制方法包括以下步驟 步驟一啟動(dòng)主控計(jì)算機(jī)，運(yùn)行景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制程序，通過服務(wù)器(9)中的數(shù)據(jù)庫(10)獲取溶解氧濃度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)； 步驟二 定時(shí)讀取存儲(chǔ)在服務(wù)器(9)數(shù)據(jù)庫(10)中、由所有遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端(7)獲取的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溶解氧濃度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)； 步驟三根據(jù)當(dāng)前溶解氧濃度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷是否開啟曝氣系統(tǒng)(I)； 若各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溶解氧濃度平均值高于系統(tǒng)設(shè)定的界限值，則反映水體水質(zhì)處于正常水平，不開啟曝氣系統(tǒng)(1)，系統(tǒng)自動(dòng)返回步驟二 ； 若各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溶解氧濃度低于系統(tǒng)設(shè)定的界限值，則開啟曝氣系統(tǒng)(I)；步驟四讀取當(dāng)前景觀水體的氣象、水文和水質(zhì)數(shù)據(jù)，并與上述開啟的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)一起載入景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)在給定水體情況以及曝氣充氧運(yùn)行參數(shù)的條件下對(duì)景觀水體溶解氧濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并評(píng)估曝氣充氧效果； 步驟五讀取當(dāng)前景觀水體的氣象、水文和水質(zhì)數(shù)據(jù)及溶解氧濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，載入曝氣參數(shù)優(yōu)化模型； 步驟六運(yùn)行曝氣參數(shù)優(yōu)化模型，以上述得出的評(píng)估曝氣充氧效果為約束條件，以曝氣充氧運(yùn)行能耗最低為目標(biāo)函數(shù)，確定曝氣終端裝置的開閉方案和曝氣量、曝氣時(shí)間，從而得到當(dāng)前條件下最優(yōu)的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)； 步驟七將上述曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)以指令形式發(fā)送給終端控制系統(tǒng)； 步驟八終端控制系統(tǒng)按照指令控制曝氣終端裝置對(duì)景觀水體進(jìn)行曝氣充氧； 在上述控制過程中，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2 )對(duì)景觀水體溶解氧濃度進(jìn)行循環(huán)采集，按 照指定時(shí)間間隔自動(dòng)對(duì)景觀水體中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的所有遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端(7)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過通訊系統(tǒng)(8)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)傳送到服務(wù)器(9)的數(shù)據(jù)庫(10)中，數(shù)據(jù)庫(10)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，主控計(jì)算機(jī)(4)隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(10)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、修改、添加或刪除，并通過圖表方式顯示歷史和趨勢(shì)數(shù)據(jù)； 步驟九根據(jù)用戶需求判斷是否結(jié)束系統(tǒng)運(yùn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制方法，其特征在于所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型是基于EFDC水動(dòng)力模型與WASP水質(zhì)模型耦合構(gòu)建的水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型，是由一系列能夠代表水體空間分布的單元體組成，該模型能夠預(yù)測(cè)各單元體內(nèi)的水體流速和水質(zhì)，進(jìn)而預(yù)測(cè)整個(gè)水體的流動(dòng)和水質(zhì)變化情況； 建立所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型過程中，首先根據(jù)景觀水體地圖和水文信息將其概化為模型單元體網(wǎng)絡(luò)；采用EFDC水動(dòng)力模型建立景觀水體水動(dòng)力模型，輸入監(jiān)測(cè)得到的景觀水體的水力和氣象條件，模擬水體在給定條件下的流動(dòng)情況；采用WASP模型模擬溶解氧濃度，載入EFDC水動(dòng)力模型生成的水動(dòng)力數(shù)據(jù)，輸入景觀水體初始溶解氧濃度數(shù)據(jù)，依據(jù)給定的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定WASP水質(zhì)模型參數(shù)；通過運(yùn)行所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型得到各單元體的溶解氧濃度，進(jìn)而模擬整個(gè)景觀水體溶解氧分布情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)給定條件下曝氣系統(tǒng)曝氣充氧效果的預(yù)測(cè)和評(píng)估。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制方法，其特征在于所述曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型是基于曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)取值范圍以及所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型建立的最優(yōu)化模型；所述曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型中，目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為曝氣充氧運(yùn)行能耗最低，約束條件設(shè)定為曝氣系統(tǒng)達(dá)到用戶設(shè)定的曝氣充氧效果，曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型自變量取值的約束條件即為曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)取值方案； 所述曝氣充氧參數(shù)優(yōu)化模型采用遺傳算法尋找運(yùn)行參數(shù)最優(yōu)解的步驟是 首先，讀取當(dāng)前景觀水體的溶解氧濃度數(shù)據(jù)，并輸入當(dāng)前氣象信息作為初始條件； 然后，選取一組曝氣運(yùn)行參數(shù)后，與景觀水體的水力、氣象數(shù)據(jù)以及溶解氧濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等初始條件一起帶入所述景觀水體溶解氧濃度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)該條件下的系統(tǒng)曝氣充氧效果，判斷是否符合約束條件，并計(jì)算目標(biāo)函數(shù)； 最后，得到優(yōu)化的曝氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括曝氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心和主控計(jì)算機(jī)；曝氣系統(tǒng)包括若干個(gè)曝氣終端裝置和終端控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括若干個(gè)遙測(cè)遠(yuǎn)傳終端和通訊系統(tǒng)；數(shù)據(jù)中心包括服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫；主控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)有景觀水體曝氣充氧在線優(yōu)化控制程序，能夠評(píng)估不同氣象、水質(zhì)條件下對(duì)水體的曝氣充氧效果，通過優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)對(duì)曝氣系統(tǒng)的開閉以及曝氣量、曝氣時(shí)間進(jìn)行調(diào)整和控制。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)在不同條件下監(jiān)測(cè)與評(píng)估曝氣過程中景觀水體的溶解氧濃度和曝氣效果，通過對(duì)曝氣充氧過程進(jìn)行優(yōu)化，在保證充氧效果的同時(shí)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)以減小曝氣能耗，達(dá)到景觀水體水質(zhì)保持以及節(jié)能降耗的綜合目的。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102968058SQ20121046086
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者彭森, 劉磊, 孫井梅, 趙新華 申請(qǐng)人:天津大學(xué)