流域治理視角下，構建彈性城市排水系統(tǒng)實時控制策略

　　導語：在雨季面對水環(huán)境和水安全雙重壓力下，如何提升城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的可靠性、彈性與可持續(xù)性，對保障城鎮(zhèn)水系統(tǒng)安全日益重要。城市排水系統(tǒng)具有動態(tài)性、多目標性和不確定性特征，從面向流域治理的角度，在進一步削減合流制溢流污染、最大程度發(fā)揮排水系統(tǒng)“源頭-過程-末端”能力等多目標協(xié)同下，系統(tǒng)的運行控制日益復雜且控制難度日益增大。實時控制技術（Real Time Control，簡稱RTC）根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調整控制策略，對排水管網(wǎng)附屬設施及污水處理廠進行干預，以最大程度挖潛和發(fā)揮排水設施的調蓄和處理能力，為排水系統(tǒng)運行提供了智能化的解決方案。

　　提升排水防澇能力、減少管網(wǎng)沿途溢流污染、最大限度發(fā)揮管網(wǎng)調蓄能力和末端污水處理能力一直是集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)追求的方向。尤其是隨著全球氣候變化，極端降雨事件增加，傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)面臨日益嚴峻的挑戰(zhàn)，城鎮(zhèn)水系統(tǒng)安全成為城市管理最基礎性要素。而通過基礎設施建設增加排水系統(tǒng)的處理能力，不僅投資成本高回報期長，并且受土地使用等問題限制，不能廣泛應用于城鎮(zhèn)地區(qū)。為了應對上述復雜情況，如何在現(xiàn)有硬件設施的基礎上，構建具有彈性、可靠性和可持續(xù)性的現(xiàn)代排水系統(tǒng)架構，是傳統(tǒng)排水系統(tǒng)面臨的和必須尋求突破的課題。同時，隨著城市水環(huán)境治理體系的日益復雜，排水系統(tǒng)的動態(tài)性、多目標和不確定性逐漸被認識，但是排水系統(tǒng)通常是在靜態(tài)條件下設計，并在靜態(tài)規(guī)則下運行，這就造成了傳統(tǒng)的運行方式在應對復雜多變的環(huán)境時，要么設施無法充分發(fā)揮作用造成資源浪費；要么設施能力不足導致合流制管網(wǎng)溢流（CSO）和內(nèi)澇；也有些情況是在同一系統(tǒng)內(nèi)，部分設施不能充分發(fā)揮作用的同時其他設施已超出負荷。因此，找到一種動態(tài)的控制方式，充分利用現(xiàn)有設施實現(xiàn)CSO消減和內(nèi)澇控制等目標，為解決城市排水問題提供了智能化方案。排水系統(tǒng)實時控制（Real Time Control,簡稱RTC）是優(yōu)化城市排水系統(tǒng)運行的可行方式。

　　01 實時控制及發(fā)展歷程

　　1.1 實時控制定義

　　很多文獻都對排水系統(tǒng)實時控制進行過定義。通常認為，排水系統(tǒng)的實時控制為：在排水系統(tǒng)運行過程中，在線監(jiān)測重要的過程變量（雨量、液位、流量、水質等），依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、在線模型動態(tài)調整控制策略，通過控制設備（閥門、水泵等執(zhí)行器）對排水設施及污水處理廠運行進行實時干預，實現(xiàn)廠-網(wǎng)、廠-網(wǎng)-河最優(yōu)能力匹配，進而提高整個排水系統(tǒng)運行效率的優(yōu)化控制方式。實現(xiàn)可靠的實時控制有以下要點：①要有優(yōu)化點位的過程變量在線監(jiān)測；②需要動態(tài)制定控制策略以及具有可靠的過程控制系統(tǒng)；③管網(wǎng)-處理廠等調節(jié)設施具有協(xié)同可控性、硬件設施能力有匹配度；④排水系統(tǒng)快速實時的響應特性及反饋控制機制。這一定義明確了排水系統(tǒng)實時控制的基本架構、建設內(nèi)容、方法和目標。

　　實時控制系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行器和控制中心等硬件要素和控制模型、控制算法以及降雨預測等軟件要素組成，具體見圖1。

　　傳感器負責監(jiān)測排水過程，包括流量、水位、水質和降雨量等，并將數(shù)據(jù)傳送給控制器；控制器主要執(zhí)行傳感器測量數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預處理/校正、控制動作計算，與控制中心進行數(shù)據(jù)交換并將控制策略（動作）傳送至執(zhí)行器；執(zhí)行器是執(zhí)行控制動作的設備，用來調節(jié)流量或液位，通常包括：水泵、可調堰、可調閘門、充氣壩、閥門和分流設施等。一些執(zhí)行器也可以對水質進行調節(jié)，如化學加藥設備和曝氣設備?？刂浦行氖菍崟r控制的中央處理模塊。主要通過協(xié)調傳感器、控制器和執(zhí)行器等子模塊完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、處理，控制指令的計算和遠端設備的數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)監(jiān)督和控制整個排水系統(tǒng)的作用。其中控制指令的計算涉及控制模型和控制算法兩個核心元素?？刂颇Ｐ褪怯糜趯崟r控制系統(tǒng)規(guī)劃設計和運行優(yōu)化的數(shù)學模型，是設計和執(zhí)行實時控制的重要預測工具?？刂颇Ｐ统Ｊ褂煤喕Ｐ停ㄓ绕溽槍碗s的大規(guī)模排水系統(tǒng)），以足夠快的計算效率滿足實時控制的時間需求?？刂扑惴ㄊ菆?zhí)行實時控制策略的另一核心元素，通過預先設定優(yōu)化目標在策略計算過程中實現(xiàn)從控制目標到執(zhí)行器控制命令的轉化?？刂扑惴ㄒ部煞Q為控制程序。另外，降雨預測也是實時控制系統(tǒng)執(zhí)行的關鍵環(huán)節(jié)。但是，不是所有的實時控制系統(tǒng)都需要包含降雨預測和模型。

　　1.2 實時控制系統(tǒng)的級別

　　借鑒國外相關經(jīng)驗，按照系統(tǒng)實際控制(管理)的范圍，將實時控制系統(tǒng)分成局部響應控制、全局優(yōu)化控制和流域聯(lián)合調度三種級別。

　?、倬植宽憫刂?定位于單個匯水分區(qū)，實現(xiàn)本區(qū)域廠-網(wǎng)就地響應控制，只利用本地或相鄰傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置的控制算法計算出控制動作，進而通過執(zhí)行器實現(xiàn)對受控過程的控制。這種控制方式一般適用于規(guī)模較小的排水系統(tǒng)、單一“廠-網(wǎng)”設施或單一綠色設施。

　?、谌謨?yōu)化控制：定位于跨排水分區(qū)或者整個城市層面的排水系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)控，這種情況下對實時控制系統(tǒng)要求較高，要求相互關聯(lián)的執(zhí)行器具備更高的執(zhí)行效率，或者執(zhí)行器間必須聯(lián)合運行，此時需考慮采用全局控制策略。相比于局部響應控制，全局優(yōu)化控制覆蓋設施更廣，考慮的過程變量更多，能夠對排水系統(tǒng)進行整體優(yōu)化控制。

　?、哿饔蚵?lián)合調度：針對大流域管理尺度，實現(xiàn)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)、水資源、洪澇災害防控。這種情況下排水系統(tǒng)的組成跨越多個城市、管理單位之間，需要不同城市、單位、系統(tǒng)之間聯(lián)合調度，并制定流域聯(lián)合調度策略。流域聯(lián)合調度能夠實現(xiàn)大流域尺度下的整體最優(yōu)，但因涉及技術、管理、地域政策等方面的融合而給系統(tǒng)建模、集成方法，協(xié)調策略以及計算效率帶來不小的挑戰(zhàn)。

　　實際應用層面，不同的控制級別可以在一個系統(tǒng)當中同時耦合存在。

　　1.3 實時控制發(fā)展歷程

　　協(xié)同于實時控制系統(tǒng)的級別變化，實時控制的發(fā)展歷程大致可以分成三個階段：管網(wǎng)CSO和內(nèi)澇控制階段、廠-網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化控制階段和水系統(tǒng)綜合控制研究階段。

　　實時控制研究從20世紀60年代末開始，以SWMM（Storm Water Management Model）為代表的排水管網(wǎng)模型也同時出現(xiàn)。到20世紀80年代，歐美發(fā)達國家的排水系統(tǒng)日趨完善，CSO成為水污染的主要原因。因此，早期的合流制排水系統(tǒng)的運行以充分發(fā)揮管網(wǎng)系統(tǒng)在線調蓄能力，盡量避免和減少CSO，同時兼顧內(nèi)澇控制，實時控制算法則以規(guī)則控制（Rule Based Control，簡稱RBC）為主。隨著歐美國家對CSO管控標準要求的逐步提高，發(fā)現(xiàn)僅僅依靠發(fā)揮管網(wǎng)能力進行CSO和內(nèi)澇的削減還不能充分發(fā)揮整個排水系統(tǒng)及處理單元的綜合效率，治理工藝出現(xiàn)了以調蓄池為代表的過程調蓄策略，和以污水廠雨天處理工藝為代表的末端處理工藝，硬件設施進一步豐富和完善，排水系統(tǒng)運行工況也日趨復雜。廠網(wǎng)聯(lián)動控制成為第二階段實時控制研究和應用的主要內(nèi)容，控制目標也更加多樣化。如在瑞典克拉格斯港，采用實時控制系統(tǒng)不但充分利用了管道的在線蓄水能力，得到了4000～5000m3的額外在線蓄水空間，還避免了污水廠雨季活性污泥從二沉池的大幅溢出。這一階段有很多實時控制案例實施，出現(xiàn)了多個用于排水系統(tǒng)實時控制的軟件，如C-Soft、CORAL、Simba等，污水處理廠模型也日漸成熟，各種基于（模糊）規(guī)則的優(yōu)化的算法也開始應用于排水系統(tǒng)的實時控制。隨著CSO治理效果的進一步體現(xiàn)，源頭-過程-末端體系的完善，歐美水環(huán)境治理的要求進一步提高，廠-網(wǎng)-河的集成化綜合控制逐漸成為近幾年的研究熱點。對哥倫比亞波哥大、丹麥倫多特和比利時莫斯奈特幾個案例的研究表明，廠-網(wǎng)-河聯(lián)合調度可以改善CSO問題和城市內(nèi)澇問題，也有助于提高河道水質的達標率。同時，在這一階段，通信技術日趨發(fā)達、監(jiān)控成本降低、排水系統(tǒng)實時控制的技術日趨成熟。

　　這三個階段并沒有明顯的時間界限區(qū)分，內(nèi)容也存在交叉。比如，早在20世紀90年代就有研究人員開始研究城市排水系統(tǒng)的綜合控制技術，在第三階段也有基于規(guī)則的控制算法的應用。但從整個發(fā)展歷程，實現(xiàn)實時控制的關鍵技術研究可明顯分為工藝和策略、控制模型以及控制算法三個方面，見圖2。實時控制研究和應用案例見表1。

02 實時控制工藝及策略

　　實時控制工藝指系統(tǒng)采用的設施和設施之間的聯(lián)動關系，通過控制工藝實現(xiàn)排水系統(tǒng)的可靠性和彈性；控制策略指系統(tǒng)執(zhí)行控制達到預定目標的描述性方法，通過控制策略提升排水系統(tǒng)的彈性?？刂乒に嚭筒呗允菆?zhí)行實時控制的重要基礎。

　　2.1 在線控制工藝和策略

　　排水系統(tǒng)中的在線調蓄和處理主要利用具有雨天調蓄能力的常規(guī)管道或深隧等管網(wǎng)設施，雨天快速、持續(xù)存儲設施和超量混合污水處理設施等構成。

　?、俟艿涝诰€調蓄

　　管道在線控制主要是充分利用管網(wǎng)剩余空間進行水量調度，適用于管網(wǎng)存在充分可用空間的情況，尤其是在下游存在瓶頸的情況下，對上游設施進行流量動態(tài)控制，實現(xiàn)削減CSO和城市內(nèi)澇的目標。在實時控制改造項目中，在線控制通常作為優(yōu)先考慮選項。管道在線控制原理示意見圖3。

　　20世紀90年代，哥本哈根在管道關鍵部位安裝閘門和帶有邏輯運算能力的控制器，根據(jù)降雨量和下游管網(wǎng)水位來控制閘門啟閉，盡可能使下游不發(fā)生溢流。第一階段實時控制實施后，CSO削減80%，排空時間由40h減少到2～3h。加拿大魁北克Westerly排水系統(tǒng)對三條截流干管和兩條地下隧道進行在線控制?？刂浦行慕邮諄碜?7個傳感器的數(shù)據(jù)，并將制定好的設定值下發(fā)至5個可控閘門的控制站，系統(tǒng)CSO削減可達70%。

　　目前我國很多城市已建成的排水管網(wǎng)存在大量混錯接、管線淤積、腐蝕破損等情況，由此帶來的高水位運行問題十分嚴重，很多城市管網(wǎng)系統(tǒng)可用剩余空間有限。因此，應優(yōu)先開展排水管網(wǎng)的提質增效工作，清污分流，降低城市河道水系水位，騰出管網(wǎng)容量，在此基礎上逐步實現(xiàn)運行調度的優(yōu)化。另外，也有一些城市的地下箱涵具備較大的調蓄和排水能力，可作為管網(wǎng)在線調蓄空間使用。

　?、谖鬯畯S雨天處理工藝

　　實現(xiàn)“廠-網(wǎng)”能力匹配，使實時控制真正發(fā)揮有效作用，前提條件是下游污水廠要具有承接上游管網(wǎng)流量的能力。因此，對雨季合流制系統(tǒng)，污水廠必須具有雨季超量混合污水的處理能力，而我國絕大多數(shù)污水廠設計時并沒有考慮雨季超量混合流量的處理。流域治理視角下，為建立廠-池（站）-網(wǎng)的聯(lián)調聯(lián)控機制，我國必須補足污水廠雨季處理設施及處理能力。污水廠雨天峰值流量處理策略和工藝主要有：雨天一級強化處理、分點進水工藝（Step-feed）、側流活性污泥工藝、活性污泥快速生物吸附-高效澄清工藝等。

　　雨天物理-化學處理工藝主要是指干季流量全部經(jīng)過生化二級處理工藝，雨季峰值流量則通過與二級生物處理段并行的輔助處理設施進行處理。近些年還出現(xiàn)將高負荷活性污泥法與高效固液分離技術融合的工藝，目前商業(yè)化的工藝包如威立雅的BioActiflo?、BioMagTM等。分點進水工藝通過生物池沿程多點配水方式實現(xiàn)雨季峰值流量的提升，同時避免了峰值流量期間，因采用生物池首端單點進水的傳統(tǒng)工藝，導致隨二沉池固體負荷陡升可能出現(xiàn)的大量活性污泥溢出。俄亥俄州Akron市再生水廠采用的Step-feed工藝、日本的“3W”法本質上也是分點進水工藝，可實現(xiàn)雨天2～3倍旱天流量的處理能力。側流活性污泥工藝集合了吸附-再生工藝、Step-feed及活性污泥發(fā)酵工藝的技術優(yōu)勢，利用存量設施并保持原排放標準情況下在雨季可以進一步提升30%～60%（個別項目處理能力提升達100%）的處理能力。

　?、蹚S-網(wǎng)集成控制

　　實時控制系統(tǒng)將管網(wǎng)的控制和污水廠的控制相結合，使污水廠處理能力與管網(wǎng)系統(tǒng)出水量相匹配，可進一步提升排水系統(tǒng)的效能。例如，瑞典克拉格斯港通過使用實時控制系統(tǒng)有效利用廠前管網(wǎng)在線調蓄空間來實現(xiàn)CSO削減以及調節(jié)污水廠的入流量的目標。污水廠根據(jù)入流量在線監(jiān)測數(shù)據(jù)調整運行狀態(tài)，啟用分點進水工藝，在保證出流水質的前提下，降低運行成本，將污泥損失頻率從平均27次/a下降到4次/a。

　　2.2 離線控制工藝和策略

　　排水系統(tǒng)中應用較多的離線調蓄處理設施主要為調蓄池和具有強化處理功能的設施。

　?、匐x線調蓄設施控制

　　從20世紀80年代末開始，德國混合污水的滯留開始通過合流制排水系統(tǒng)中的調蓄池實現(xiàn)以達到CSO排放要求。調蓄池在管網(wǎng)負荷達到一定條件時開啟，收納合流制污水，在管網(wǎng)恢復輸送能力時將污水排回管網(wǎng)或者用于其他用途。按調蓄池所處管網(wǎng)位置可分為分散處理調蓄池和集中處理調蓄池兩種，主要控制機制見圖4。如20世紀90年代開始，哥本哈根興建了大量的調蓄池和泵站，數(shù)量達到了80個。在這一階段，通過實時控制項目提升了管道和調蓄池的利用率，縮短了調蓄池的排空時間，還降低了泵站在旱天的電耗。又如昆明市曾在主城區(qū)修建多個調蓄池，對城市內(nèi)澇和溢流控制起到了重要作用，同時建立了系統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡，開展了一池一策的控制策略研究，總結了成套的運行規(guī)則，正在開展聯(lián)合調度研究。

②分散式綠色基礎設施控制

　　綠色基礎設施尤其是隨著源頭雨水控制、雨水就地回用技術的推廣，可以大幅度削減雨季上游超量雨水對下游排水管網(wǎng)的流量沖擊，同時綠色基礎設施可以實現(xiàn)對雨水的就地利用。實時控制系統(tǒng)可采用基于降雨預測的主動控制策略來最大程度利用系統(tǒng)的凈化能力和調蓄空間。如Bolivar Park雨水管理項目建設徑流收集、凈化、存儲系統(tǒng)，使用實時控制系統(tǒng)對水質-流量進行控制，控制雨水徑流凈化效果，為灌溉提供干凈水源，同時提升受納水體水質。該項目通過構建水質模型，評估系統(tǒng)對污染物的凈化潛力；通過監(jiān)測蓄水池水質，實時調整入流量，保證水質凈化效果；通過監(jiān)測蓄水池水位，判斷上游預測降雨-徑流量與蓄水池剩余能力的關系。當預測蓄水池能力即將不足時，通過降低分流率，提升灌溉量、地下水補水量，或排回Los Cerritos渠的方式，為預測徑流提供處理空間。該項目的實施每年可以節(jié)約400萬加侖飲用水，提升了超過50%的污染物去除率。Bolivar Park雨水管理項目工藝見圖5。

　　隨著海綿城市的推廣，人工濕地等綠色基礎設施在我國也逐步得到了應用，如鎮(zhèn)江海綿公園多級生物濾池、玉溪出水口濕地等。對這些設施采用實時控制技術可最大限度提高設施利用效率。

　　2.3“廠-網(wǎng)-河”綜合控制

　　廠-網(wǎng)-河系統(tǒng)的聯(lián)合控制，進一步將受納水體水質信息納入監(jiān)測系統(tǒng)。基于對系統(tǒng)內(nèi)澇、CSO、污水廠運行以及河道水質的綜合影響，廠-網(wǎng)-河綜合控制通過模擬預測和過程控制規(guī)則，為各控制單元和模塊、控制機構如閘閥、孔口、堰門、處理單元設施及設備提供輸出指令，為管網(wǎng)-調蓄池-泵站-污水廠的各個組成單元存儲及處理工藝制定最優(yōu)運行控制規(guī)則。

　　早在20世紀90年代后期，Schütze等就開始開展污水系統(tǒng)綜合控制的研究，提出并構建了實時控制基準模型（Baseline Model）。基準模型中的管網(wǎng)部分由來自德國合流制管道設計指南的真實案例概化而來，污水處理廠部分來自于英國諾維奇污水處理廠，并添加45km虛擬河流。該基準模型可實現(xiàn)排水系統(tǒng)水量和水質的優(yōu)化模擬，結構如圖6所示。

　　該基準模型涵蓋了城市排水系統(tǒng)中的基本控制要素、結構和運行模式，為日后的廠-網(wǎng)-河聯(lián)合控制研究提出了一個概化的、綜合的、有代表性的研究框架。多個研究團隊基于基準模型開展了以污水系統(tǒng)綜合管理為目標的實時控制相關策略和算法的研究。例如，Gao等人以基準模型為研究對象，利用Simba軟件分析了3400場降雨下CSO、污水廠尾水與河道水質指標（NH3-N，DO）以及降雨強度的關系，為不同降雨條件下，污水廠處理量控制、CSO控制和河道水質達標控制提供了決策依據(jù)。

　　03 實時控制模型及算法

　　3.1 模型研究

　　模型是進行狀態(tài)預測的重要工具，排水系統(tǒng)實時控制使用到的模型可分為面向過程的模型和面向控制的模型。最常見的面向過程的模型主要是排水管網(wǎng)模型，以EPA-SWMM模型應用最為廣泛。SWMM模型主要使用圣維南方程,模擬管道中水流質量和能量的守恒關系。圣維南方程精確描述了城市排水管網(wǎng)及附屬設施中的水力過程，但是計算的復雜性決定了這類模擬需要消耗較長的運算時間。此外，也有一些案例中用到了污水處理廠模型與管網(wǎng)模型綜合分析。污水處理廠模型可以模擬包括生物反應池、生物膜工藝、厭氧反應工藝、初沉池、二沉池等處理過程。

　　與面向過程的模型不同，面向控制的模型復雜性低，從而減少了計算時間，主要適用于復雜的大規(guī)模排水系統(tǒng)。面向控制的模型主要是簡化模型和概念模型。由于簡化了一部分系統(tǒng)動態(tài)，所以面向控制的模型計算精度降低。

　?、俸喕Ｐ停菏ゾS南方程在穩(wěn)態(tài)條件下可以線性化表示流量和液位的關系，以此為基礎的線性化簡化模型可以模擬出相似的結果。

　?、诟拍钅Ｐ椭饕ㄌ摂M水箱模型、納什模型、馬斯京根模型和積分器-延遲模型等，主要原理是對城市排水系統(tǒng)中主要設施進行概化，可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行參數(shù)調整，以提高模擬結果的可靠性。在實際應用中，模型預測控制（Model Predictive Control,簡稱MPC）常與眾多優(yōu)化算法結合，為系統(tǒng)計算出最佳的控制指令。而MPC特有的有限時域滾動優(yōu)化機制，可以抵消因模型簡化而帶來的不精確。以MPC為控制核心的實時控制系統(tǒng)在歐洲、加拿大、美國等地都有廣泛的研究和應用。

　　3.2 控制算法研究

　　控制算法將預先設定的目標轉換為執(zhí)行器的控制命令。排水系統(tǒng)常用的實時控制算法，可以分為啟發(fā)式算法和基于優(yōu)化的算法兩類。

　　啟發(fā)式算法是基于經(jīng)驗或知識的算法，復雜性程度低，但無法保證得到最優(yōu)解。啟發(fā)算法主要包含規(guī)則控制法RBC和模糊邏輯控制法（Fuzzy Logic Control,簡稱FLC）。RBC是最簡單的實時控制實現(xiàn)方式，但是規(guī)則設計、運行效果和維護都依賴專家經(jīng)驗。與RBC相比，F(xiàn)LC可以為系統(tǒng)的優(yōu)化運行提供更多控制方案。在德國的威廉港，F(xiàn)LC系統(tǒng)根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)實時控制兩座泵站的抽水量，從而充分利用管網(wǎng)調蓄能力，在穩(wěn)定控制污水進水量的同時降低了40%的溢流量。

　　常見的優(yōu)化控制算法主要包括種群動力學控制算法、進化策略（Evolutionary Strategy，簡稱ES）和線性二次型最優(yōu)控制（Linear Quadratic Regulator，簡稱LQR)等。Ramírez-Llanos等應用種群動力學控制算法在調蓄池進水過程中根據(jù)各調蓄池的剩余蓄水能力,分配調蓄池進水量，結合PID控制調節(jié)各調蓄池的水位達到動態(tài)平衡；調蓄池排空時，根據(jù)下游管網(wǎng)最大能力，分配各調蓄池的出水量。丹麥哥本哈根排水系統(tǒng)進行實時控制系統(tǒng)升級改造時，采用了遺傳算法對復雜的目標函數(shù)求解，為系統(tǒng)各受控位置計算設定值。Marinaki等人研究了LQR在排水系統(tǒng)削減CSO和均勻分配水量方面的效果。

　　實時控制的算法有很多種，不存在絕對的適用任何項目實時控制應用的最佳算法，也不是越復雜先進的算法就越是好的。每個實時控制系統(tǒng)的應用都面臨具體的挑戰(zhàn)，算法選擇受污水系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性，污水系統(tǒng)的拓撲特征，在線存儲空間，已有監(jiān)測、控制系統(tǒng)現(xiàn)狀以及管理因素等影響。

　　3.3 降雨預測模型與實時控制的耦合

　　降雨預測也是實時控制系統(tǒng)執(zhí)行的關鍵環(huán)節(jié)之一。通過未來一段時間內(nèi)的降雨強度預測數(shù)據(jù)，可以預測未來各子匯水區(qū)的徑流量，進而預測排水系統(tǒng)各位置的水量和水質狀態(tài)，為優(yōu)化控制提供重要的決策信息。常見的降雨預測可以通過降雨雷達預測或數(shù)學模型預測實現(xiàn)。在哥本哈根的實時控制系統(tǒng)中，利用雷達提供降雨預測數(shù)據(jù)，利用雨量計監(jiān)測數(shù)據(jù)進行動態(tài)校準，從而為實時控制系統(tǒng)提供可靠的雨量輸入信息。基于模型的降雨預測可以使用自回歸滑動平均模型等方式實現(xiàn)。不同項目對降雨預測的精度要求不同，在使用中也可以根據(jù)實際獲取數(shù)據(jù)的條件和要求選擇預測方法。

　　04 建設實時控制系統(tǒng)的效益

　　4.1 提升系統(tǒng)彈性和設施效能

　　實時控制系統(tǒng)最主要目標就是實現(xiàn)排水系統(tǒng)各要素能力的協(xié)同與匹配，發(fā)揮各單元最大效率，進而降低洪澇、削減CSO并改善污水廠運行效率，最終實現(xiàn)最低代價下對受納水體水質的改善，也就是通過硬件設施與軟件控制系統(tǒng)協(xié)同構建高效、穩(wěn)定和可持續(xù)的排水系統(tǒng)。歐美幾十年來已經(jīng)有大量案例證明了實時控制對提升系統(tǒng)彈性和設施效能的效果，如魁北克Westerly排水系統(tǒng)從1999年建成之初就是一個多目標的全局優(yōu)化實時控制系統(tǒng)。通過截污干管、深隧和污水處理廠流量的優(yōu)化，實時控制系統(tǒng)在2000年單場降雨的單體設施溢流量削減率可達40%～100%。又如在丹麥的倫多特，實時控制系統(tǒng)可以削減10%以上的合流制溢流，提升調蓄設施利用率。西班牙的巴達洛納，通過實時控制過程中對系統(tǒng)流量和水質的同時考量，不僅使污水廠的處理能力提高33%，城市內(nèi)澇減少28%，并且使污染負荷減少20%，從而更好保護水體環(huán)境。在奧地利維也納，利用閘門和泵站對合流制系統(tǒng)的調蓄區(qū)域進行全局優(yōu)化控制，不但穩(wěn)定了污水廠廠前泵站流量，也削減了全系統(tǒng)的合流制溢流。在區(qū)域性降雨條件下可實現(xiàn)13.26%溢流量削減，大范圍降雨條件下可實現(xiàn)2.4%溢流量削減。

　　4.2 建設和運維成本削減

　　與傳統(tǒng)的控制方式相比，在相同的系統(tǒng)運行目標下，采用實時控制可以顯著縮減調蓄池、泵站、污水廠等設施的新建規(guī)模，減少管網(wǎng)改造成本。Dirckx等比較了不同升級改造方案下溢流量削減率與投資成本的關系，實時控制的成本效益優(yōu)勢十分明顯。魁北克Westerly排水系統(tǒng)，通過建設實時控制系統(tǒng)，在同一控制目標下，建設投資降低了83.2%。

　　實時控制系統(tǒng)的長期運維成本與傳統(tǒng)控制方案相比也具有優(yōu)勢。一方面，實時控制降低了內(nèi)澇和溢流頻率，從而降低了設施維修成本；另一方面，實時控制長期運行積累的數(shù)據(jù)可以幫助運維人員及時發(fā)現(xiàn)問題，由“事后補救”轉變?yōu)椤笆虑邦A防”，從而提升運維效率和質量。例如，魁北克的實時控制系統(tǒng)的長期運維投資相較傳統(tǒng)方案節(jié)約22%。

　　4.3 改善受納水體水質

　　研究表明，通過廠-網(wǎng)-河的聯(lián)合調度，實時控制系統(tǒng)可以削減合流制溢流量，改善溢流對受納水體的負面影響，實時控制系統(tǒng)耦合污水處理模型和污染物河道擴散模型可以對受納水體水環(huán)境指標和污染物濃度進行提前預測，如DO、NH3-N等，甚至可以建立起不同等級降雨事件對受納水體水質的影響，進而可以進行降雨事件對受納水體的生態(tài)及毒理學評估。實時控制的短期運行可能對水體水質的提升效果有限，但是在長期運行條件下，實時控制系統(tǒng)可以有效提升水環(huán)境質量，有助于實現(xiàn)受納水體水質穩(wěn)定達標。

　　05 討論和展望

　　①實時控制具有明顯的經(jīng)濟和環(huán)境效益。大量實際的工程案例已經(jīng)證明了實時控制系統(tǒng)具有提高單體設施使用效能、減少系統(tǒng)污染水平、降低城市內(nèi)澇風險、提升污水處理廠運行穩(wěn)定性、減少系統(tǒng)建設和運維投資、提升水體水質等綜合效應。

　　②在我國，實時控制應在做好污水系統(tǒng)提質增效的基礎上逐步開展，并同步開展實時控制的評估和設計。盡管選擇實時控制系統(tǒng)會帶來許多優(yōu)勢，但是針對我國的排水系統(tǒng)現(xiàn)狀，尤其是排水管網(wǎng)高水位運行的問題，實時控制的實施仍面臨一些挑戰(zhàn)，因此污水系統(tǒng)的提質增效工作是大部分城市開展實時控制的前提。其次，無論是從系統(tǒng)的運行表現(xiàn)、生態(tài)環(huán)境效益還是投資成本控制方面考慮，實時控制的設計工作都應該盡早啟動，從而避免不合理的排水系統(tǒng)建設方案對日后實時控制的設計和實施造成困難，增加改造成本。然后，對城市排水系統(tǒng)的實時控制改造，應先進行現(xiàn)有排水系統(tǒng)設施的匹配性評估，以分析排水系統(tǒng)的瓶頸和實時控制實施的可行性。整體策略的制定應由單體設施的優(yōu)化控制逐步擴展到全局的聯(lián)合調度。

　?、蹖崟r控制下一步研究重點將以基于水質目標管理的排水系統(tǒng)綜合控制和相關實施技術為主。隨著水環(huán)境治理要求的提高和實時控制技術的成熟，以水質優(yōu)化為目標的實時控制策略逐步得到重視?；谒|目標管理的城市排水系統(tǒng)綜合實時控制相關技術，如策略研究和綜合模型研究將是未來一段時間的研究重點。在基于水質目標管理的實時控制項目實施中，合流制系統(tǒng)中嚴苛環(huán)境下的污染物在線監(jiān)測仍然是巨大的挑戰(zhàn)，傳感器的選擇、安裝和維護，管道沉積物的模擬和管理也需要創(chuàng)新的概念來實現(xiàn)。

　?、軐崟r控制也需要進一步探索數(shù)據(jù)驅動給系統(tǒng)建模和優(yōu)化計算帶來的改進空間。隨著傳感和通信技術的快速發(fā)展，大量數(shù)據(jù)的獲取使系統(tǒng)識別和優(yōu)化計算方面取得突破性進展。排水系統(tǒng)的實時控制可以通過結合先進的數(shù)據(jù)處理和分析方法來探索進一步提高排水系統(tǒng)性能的建模和優(yōu)化方法。

作者簡介

　　王浩正（1980-），河北涿州人，碩士，高級工程師，主要從事城市排水系統(tǒng)數(shù)字化、智能化管理技術研究和開發(fā)，城市水環(huán)境及治理方案綜合模擬研究相關工作。

編輯：王媛媛