城市厂网河湖一体化智能调度系统及方法与流程

本发明涉及城市水务智能调度，尤其涉及城市厂网河湖一体化智能调度系统及方法。

背景技术：

1、城市水务系统由供水、排水、污水处理、河湖水质管控、防洪排涝多类业务板块共同构成，各设施分工明确、相互关联：供水管网负责城市水量输配与管网压力调控；排水管网承担雨水、生活及工业污水的收集转输工作；污水处理厂依据进水水量、污染物浓度及自身工艺额定负荷调整运行工况；泵站、闸站、调蓄池联动完成管网水位调节、径流流量分配与汛期排涝管控；河道、湖泊承接污水处理尾水、路面雨水径流及生态补水，水体交换、污染物稀释与自净能力直接决定区域水环境质量。

2、伴随智慧城市水务信息化建设落地，在线水质分析仪、电磁流量计、雨量计、液位监测仪、视频监控、遥感巡查及各类物联网感知终端已广泛布设。多数城市分业务搭建独立管理平台，涵盖排水监测平台、污水厂运维管控平台、河湖水质监管平台、城市内涝预警平台、泵闸远程自控系统等。现阶段常规水务调度会综合降雨预报、管网液位、污水厂进水负荷、河湖水位、考核断面水质、机电设备运行数据，调整泵站启停、闸门开度、污水厂处理负荷、调蓄池蓄放节奏、河湖生态补水量；部分平台进一步集成管网水动力模型、水质模拟模型，搭配固定调度规则开展工况推演，为人工管控提供辅助决策支撑。

3、但现有城市水务调度普遍采用分系统、分环节独立管控模式，厂、网、河、湖之间未搭建统一动态协同调度机制。供水、排水、污水厂、泵闸、河湖管控分属不同业务平台，各自依托专属数据生成调控指令，调度对象、约束规则、现场执行反馈数据相互割裂，管网输送工况、污水厂处理负荷、入河污染过程、河湖纳污上限无法纳入同一套调度逻辑统筹计算。一旦遭遇降雨突变、污水进水负荷波动、河湖水位涨落等工况变化，各系统下发的局部调控指令无法匹配城市水务全域整体运行需求，各环节调控响应不同步，易引发管网溢流、污水厂超负荷、入河污染总量超标、排涝与水质管控目标冲突等问题，大幅降低城市水务整体运行效率与水环境治理成效。

4、现有同类一体化调度技术cn119047724b公开的一种适用于厂网河一体化管理的调度决策方法及系统、cn119047742b公开的一种基于城市厂网河一体化优化调度方法及系统、cn118886325b公开的一种城市排水系统联合调控方法及系统，三类现有方案虽初步实现厂网河基础模拟与协同调控，但仍存在显著固有缺陷：

5、cn119047724b公开的一种适用于厂网河一体化管理的调度决策方法及系统，搭建多业务功能模块并划分四类基础调度场景，依托机理模型完成调度预演。但其仅采用宏观场景管控思路，未开展流域、区域、街区、小区四级精细化汇流网格剖分，无法量化各片区对河湖考核断面的污染贡献；调度优化仅兼顾溢流与能耗，未区分国控、省控、市控断面设置差异化水体环境容量硬性约束；采用固定经验调度规则，未将整日拆分为短时离散时段滚动优化；模型模拟与现场调控缺少实时反馈自动修正链路，工况偏差发生后仅依靠人工会商调整，自适应调控能力不足。

6、cn119047742b公开的一种基于城市厂网河一体化优化调度方法及系统，基于管网拓扑校验、泰森多边形网格开展源强估算，构建产污冲刷模型预判溢流风险。该方案仅能静态估算区域排污总量，无法完整还原污染从源头至河湖的全段输送路径、分段负荷与输送时长；水力水质模型仅用于风险预判，未和分时调蓄、错峰优化算法深度结合，难以充分释放管网与调蓄池减排潜力；未针对各级考核断面设置分层纳污权重，统一固定阈值不符合分级环保考核要求；监测、模拟、容量核算、时序优化、指令下发各环节相互独立，无标准化一体化自动调度流程。

7、cn118886325b公开的一种城市排水系统联合调控方法及系统，聚焦管网水力调控实现泵站闸阀联动，核心侧重城市内涝防控，水环境管控维度存在明显缺失。该方案仅模拟管网水力状态，未搭建水量水质一体化耦合仿真体系，无法同步推演污染完整迁移过程；完全未引入水体日环境容量、剩余环境余量作为调度约束，无法管控入河污染总负荷；未设计短时离散分时调度机制，对降雨初期冲刷污染管控效果较差；无法统一生成供水、排涝、污水、河湖补水多类协同指令，多平台调控指令易发生冲突失衡。

8、综合传统分平台调度模式与现有一体化技术方案的共性短板：现有技术缺少四级汇流网格精细化污染溯源手段，无法分区量化污染贡献；管网、污水厂、河湖模型相互独立，不能同步完成全链条水量水质联合推演；未结合环保分级管控要求加权计算差异化水体纳污能力；调度依赖固定经验规则，缺少短时离散时序高频滚动优化机制；多为开环调度，现场实测偏差无法自动更新模型、重排调度方案；多业务系统指令分散，难以同步平衡防涝、治污、生态补水多重目标。

9、因此，亟需研发一套具备四级网格污染溯源、全域水量水质耦合模拟、分级断面环境容量刚性约束、分时离散滚动优化、调度闭环迭代修正、多目标统一协同管控能力的城市厂网河湖一体化智能调度系统及方法，弥补现有技术各类缺陷，提升城市水环境精细化智能管控水平。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种城市厂网河湖一体化智能调度系统及方法，该发明要解决的技术问题是：如何通过污染负荷监测解析、水量-水质耦合建模、城市水体日环境容量约束、有限离散调度时序求解和执行反馈更新，解决城市厂网河湖分散调度、调度规则不统一及局部调度指令难以匹配整体运行状态的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种城市厂网河湖一体化智能调度系统，包括依次数据交互的负荷监测解析模块、多源耦合建模模块、水环境容量估算模块、污染负荷调度模块、协同管控反馈模块；负荷监测解析模块输出污染负荷贡献比例、污染负荷迁移转化结果至多源耦合建模模块，多源耦合建模模块接入污染负荷迁移转化结果并输出全系统运行状态至水环境容量估算模块、污染负荷调度模块，水环境容量估算模块输出城市水体日环境容量至污染负荷调度模块，污染负荷调度模块基于前述数据求解离散调度时序，生成污染负荷优化调度方案并下发至协同管控反馈模块，协同管控反馈模块下发调度指令，且将设备执行反馈回传至多源耦合建模模块实现闭环迭代。

4、负荷监测解析模块用于接入多源水务数据，按流域-区域-街区-小区四级划分汇流网格并解析污染负荷相关参数；污染负荷贡献比例为目标汇流网格汇入对应河湖考核断面的污染负荷量与该断面总接收污染负荷量之比，单网格污染负荷量由排放水量、污染物浓度计算得到；污染负荷迁移转化结果包括污染负荷输送路径、分段到达时间、分段污染负荷量、入河污染负荷量，输送路径依托管网拓扑关系由汇流网格指向对应河湖考核断面确定。

5、多源耦合建模模块用于构建全要素水量-水质耦合非恒定流模型，完成参数校准、边界更新并输出管网、污水厂、溢流、入河负荷、河湖水质响应状态；模块配置四类模型边界条件，分别为降雨分区数据形成的径流入流边界、排水户数据形成的污染负荷输入边界、设施工况数据形成的设施运行边界、河湖水位实测数据形成的水体出流边界；模型校准后管网水位、污水厂进水流量、河湖断面污染物浓度模拟误差均控制在10%以内。

6、水环境容量估算模块用于结合生态流量与断面约束核算水体日环境容量；模块分级定义国控、省控、市控断面等级系数，通过系数占比计算各断面权重构建权重矩阵，加权各断面单日环境容量得到城市水体整体日环境容量。

7、污染负荷调度模块用于以环境容量余量、设施运行边界为约束求解调蓄、错峰调度时序；模块将调度日划分为若干连续等时长调度时段，单调度日均匀划分为96个15min调度时段，调度管控核心污染物指标为cod、氨氮；分时段核算截流、管网调蓄量与错峰输送量，当预测时段入河污染负荷超出断面环境容量余量时，在管网、截流构筑物、污水处理厂负荷运行边界内重新调整离散调度时序。

8、协同管控反馈模块包含供水、厂网联调、内涝防控、河湖水质管控四类子系统，用于下发多维度水务调度指令，并反馈执行数据迭代更新模型边界与调度时序；模块输出四类调度指令，分别为供水压力调控指令、污水处理厂进水负荷管控指令、泵闸流量调控的内涝防控指令、闸站补水调节的河湖水质管控指令；模块比对设备执行反馈数据与模型输出运行状态，单项指标偏差超过预设阈值时，触发多源耦合建模模块更新全部边界条件，同步更新管网水位、溢流流量、污水厂负荷、河湖断面浓度四类模型边界，污染负荷调度模块对未执行调度时段重算调度时序。

9、系统统筹覆盖径流源头设施、管网、泵站、调蓄池、污水处理厂、河道、湖泊及各级水质考核断面，实现厂、网、河、湖统一协同调度，解决多系统分散调度导致的负荷不匹配、雨天溢流超标、水环境管控失衡问题。

10、本发明还提供一种城市厂网河湖一体化智能调度方法，采用上述城市厂网河湖一体化智能调度系统执行，包括以下步骤：

11、步骤1、接入排水户基础数据、管网拓扑数据、水质、水量、水文多源水务监测基础数据，按流域、区域、街区、小区四级划分河道汇流网格，确定网格对应的污染负荷贡献比例与污染负荷迁移转化结果；无实测污染物浓度的排水户，采用同类型排水户历史监测浓度均值替代计算污染负荷量。

12、步骤2、构建覆盖径流源头设施、管网、泵站、调蓄池、污水处理厂、河道、湖泊的水量-水质耦合非恒定流模型，以城市实测数据、设施工况数据、降雨分区数据、排水户数据、污染负荷迁移转化结果为输入完成模型参数校准与边界更新，输出管网输送状态、污水处理厂进水负荷状态、截流溢流状态、污染负荷入河状态、河湖水质响应状态。

13、步骤3、结合河道生态流量、各级河湖考核断面管控约束加权核算城市水体日环境容量，实时计算各河湖断面的环境容量余量。

14、步骤4、结合步骤2输出的全系统运行状态与步骤3得到的环境容量余量，以环境容量余量、管网调蓄能力、截流溢流构筑物运行边界、污水处理厂处理负荷边界为调度约束，求解截流调蓄、管网调蓄、错峰输送对应的有限离散调度时序，生成污染负荷优化调度方案。

15、步骤5、依据污染负荷优化调度方案生成供水调度、污水处理厂网联调、内涝防控、河湖水质管控四类调度指令下发执行，采集设备执行状态反馈数据；当执行反馈数据与模型预测状态偏差超出预设阈值时，同步更新管网水位、溢流流量、污水处理厂进水负荷、河湖断面污染物浓度四类模型边界，重新求解优化调度时序，迭代更新下一调度时段模型输入与边界条件并重算未执行时段调度时序，使全日累计入河污染负荷低于水体日环境容量上限。

16、本发明提供的一种城市厂网河湖一体化智能调度系统及方法，有如下有益效果：

17、1、本发明设置负荷监测解析模块、多源耦合建模模块、水环境容量估算模块、污染负荷调度模块、协同管控反馈模块依次交互形成闭环数据链路，统一整合厂、网、河、湖全环节调度逻辑，解决现有水务分系统分散管控、调度规则割裂、各环节响应不一致的问题：打破供水、排水、污水厂、泵闸、河湖多平台独立调度壁垒，实现全水务要素一体化协同管控。

18、2、本发明通过流域、区域、街区、小区四级河道汇流网格划分，量化各网格污染负荷贡献比例并完整解析污染负荷迁移转化全过程，解决传统技术无法精准溯源片区污染来源、不能量化各片区对考核断面污染贡献的问题：精准定位污染源头片区，完整还原污染输送路径、到达时长、分段负荷量，为分区精准截污提供量化依据。

19、3、本发明基于排水水量与污染物浓度计算网格污染负荷，无实测浓度排水户采用同类排水户历史均值补全参数，解决部分排水户监测缺失导致污染负荷核算失真的问题：保障全域污染负荷计算完整、连续，避免源头负荷数据缺失影响调度决策精度。

20、4、本发明构建覆盖源头径流设施、管网、泵站、调蓄池、污水厂、河湖的水量-水质耦合非恒定流模型，整合多类边界条件同步推演全系统运行状态，解决现有管网、污水、河湖模型相互独立、无法同步耦合推演水量水质的问题：同步输出管网水位、污水厂负荷、溢流流量、入河污染、河湖水质多维工况，实现全链条水动力与污染同步模拟。

21、5、本发明为耦合模型配置降雨入流、污染输入、设施运行、河湖出流四类边界条件并持续参数校准，模型模拟误差控制在10%以内，解决传统模型参数固定、模拟偏差大、预测结果可信度低的问题：大幅提升管网、污水厂、河湖水质工况预测准确度，为调度优化提供可靠数据支撑。

22、6、本发明区分国控、省控、市控河湖考核断面设置等级系数，通过权重矩阵加权计算城市水体日环境容量，解决现有技术未分级考虑断面管控要求、水体纳污能力核算单一粗糙的问题：贴合各级环保考核管控标准，精准核算全域水体允许接纳污染总量。

23、7、本发明实时计算河湖断面环境容量余量并将其作为核心调度约束，解决传统调度未将水体纳污能力纳入硬性约束、易出现入河污染超标、水质不达标的问题：优化调度全过程严控入河污染总量，保障全日累计入河负荷不超过水体承载上限。

24、8、本发明将调度日均分为96个15min精细离散调度时段，以cod、氨氮为核心管控指标同步优化截流、管网调蓄、错峰输送时序，解决传统调度时段划分粗放、调蓄设施错峰减排潜力无法充分挖掘的问题：精细化分时调控，均衡污水厂全日进水负荷，最大限度削减雨天溢流污染。

25、9、本发明在环境容量余量、管网调蓄能力、截流构筑物、污水厂处理负荷多重边界约束下求解最优调度时序，解决传统调度仅依靠固定经验规则、未统筹各类设施运行限值的问题：调度方案完全贴合设施硬件运行上限，兼顾治污效果与设备运行安全。

26、10、本发明协同管控反馈模块集成供水、厂网联调、内涝防控、河湖水质管控四类子系统，一套优化调度方案同步输出四类调度指令，解决多系统需人工分别下发指令、运维流程繁琐的问题：统一指令输出，简化水务运维操作，降低多平台切换管理成本。

27、11、本发明实时比对设备执行反馈数据与模型预测工况，指标偏差超阈值自动更新模型四类边界条件，解决传统调度为开环控制、无法根据现场实际工况动态修正方案的问题：形成调度-执行-反馈-重优化闭环迭代机制，适配降雨、排水负荷实时波动。

28、12、本发明在反馈偏差超标后自动重新求解未执行时段离散调度时序，同步更新管网、溢流、污水厂、河湖浓度模型边界，解决局部工况突变后调度方案滞后、无法动态适配的问题：实时修正剩余周期调度策略，持续维持入河污染负荷达标。

29、13、本发明系统全域覆盖径流源头、管网、泵站、调蓄池、污水厂、河道湖泊及各级水质断面，统筹排涝、污水处置、河湖补水多重目标，解决传统调度内涝防控与水质管控相互冲突、顾此失彼的问题：同步实现雨天防涝、源头减污、河湖长效水质保障多重管控目标。

30、14、本发明配套一体化智能调度方法与系统模块功能一一对应，全流程标准化分步执行，解决传统水务调度无标准化、可落地的全链条操作流程的问题：流程清晰、可程序化部署，便于规模化落地应用于各类城区水务调度场景。

31、15、本发明依托四级河道汇流网格解析污染负荷贡献比例与污染负荷迁移转化结果，结合水量-水质耦合非恒定流模型统一表征管网、污水处理厂、截流溢流设施、河湖断面整体运行状态，解决厂网河湖各环节模型割裂、运行状态无法统一表征的问题：实现厂、网、河、湖全部设施纳入同一套调度逻辑协同运行。

32、16、本发明以城市水体日环境容量、环境容量余量作为硬性调度约束求解截流调蓄、管网调蓄、错峰调度的有限离散调度时序，同时利用设备执行状态反馈更新下一调度时段输入参数，解决传统调度缺少长效负荷管控约束、调度连贯性差、水环境管控精度不足的问题：有效削减入河污染负荷，提升调度时序连续性，全面提高城市水环境精细化管控水平。