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3.1系统框架

针对城市排水管网和污水处理厂的集成控制采用闭环模式(图2)，主要步骤如下 [1]：

首先对排水管网及污水厂建立水流、水质简化模型用以代表水流、水质在排水系统中的主要动态变化;

采用预测降雨量(约半小时之内)，结合水流、水质简化模型，管网优化目标以及物理约束等计算出一段采样时间内的最优控制策略(主要针对水阀水泵)并赋给管网仿真系统或真实管网系统，优化控制软件采用自主研发平台MPCTool;

最后，利用当前真实降雨量，最优控制策略，在排水系统或者虚拟现实仿真器中计算出测量值(主要指蓄水池中水流水质总量)并作为初始值赋给下一次优化计算。仿真软件主要采用SWMM5、MOUSE、InfoWorks等。

图2：闭环优化仿真模型

3.2系统建模

现有的复杂的液压、水文模型可以很好的模拟管网中水流、水质的真实状态，但考虑实时校验优化计算的目标，水流、水质均以可代表主要动态、简单灵活可扩展、可在线校准优化原则等建立简化模型。

排水系统中的水流简化模型以线性模型为主，如降雨径流模型，将每一个支流集水区虚拟成蓄水池，用上下游的水流差与集水区的雨水收集来计算集水区水量变化。

如图3所示，Linear Tank代表集水区，I 为降雨强度，S为集水区表面积，Lup，Ldown为上下游水位值，通过水位水流转换系数，可计算的上游、下游水流量Qup，Qdown，其中Lup，Ldown以及I降雨强度分别由水位传感器和雨量计测量提供，是模型校验的训练数据集 [2]。

图3：降雨径流虚拟蓄水池模型

在排水系统中，涉及到的水质元素有很多种，本文以固体悬浮物密度(Total Suspended Solid-TSS)为例建立水质简化模型。TSS因与可连续测量的污水浊度相关，并可估计其他水质变量，被选为水质的代表性变量。

在TSS简化模型中，管道被表示为网络中两个节点之间一定长度的连接，控制部件被视为没有腐蚀或沉积发生的零长度链接。除此，TSS在管道中是一维的，悬浮沉积物的浓度在导管截面上完全混合。TSS在传输过程中，沉淀、侵蚀等动态变化被整合计算为与TSS输入/输出/延迟之间的线性关系 [3]。TSS水质模型的校验数据集，取自SWMM-TSS [4] 或InfoWorks在系统网络中产生的TSS数据。

3.3关键技术

模型预测控制(Model Preditive Control)是城市排水集成控制系统中用于优化计算的关键算法。MPC的特别之处在于每一次优化计算，不仅考虑当前状态，并能考虑给定时间内系统未来状态。如果把控制算法比作开车(图4)，传统的PID(Proportional-Integral-Derivative)利用历史数据和差别调整控制输入，而MPC则根据当前和未来预测的系统状态计算最优值，从而保证系统能够在当前状态优化的前提下，及时的对未来情况做出反应。具体到排水系统中，MPC控制可对未来30-60分钟预测的降雨强度下排水系统的状态进行优化，从而对不同降雨情况及早反应，及时避免或降低内涝、溢流、超负荷污染的发生。

图4：MPC控制与PID(比例积分微分控制器)控制

因排水系统集成控制对传感器、制动器等原件异常敏感。因此，针对系统控制的故障诊断需要包含在监控模块以确保控制系统不会出现异常结果，当故障发生并被诊断出来时采用容错控制机制(Fault-tolerant control)，进而确保避免影响环境、成本的重大异常的发生。

原标题：【技术聚焦】智慧排水在城市内涝污染减排中的应用

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