[发明专利]基于数据的城市污水泵站系统建模方法

说明书

技术领域

本发明属于自动化技术领域，具体涉及一种基于数据的城市污水泵站系统建模方法。

背景技术

随着城市的飞速发展，城市排水已成为制约城市快速发展的瓶颈之。城市排水主要针对城市现有排水设施，通过排水系统管网泵站模型和实时监测数据，整体优化排水系统运行，提高泵站网络的综合运行效率、节能降耗，提高城市的预洪、防洪能力。

排水管网泵站系统模型是城市排水泵站规划设计、运行控制、维护管理的核心。受天气、居民生活污水排放及管道淤堵、渗漏等复杂因素影响，泵站污水流量具有不确定性、非线性和滞后性。现有排水管网泵站模型(SWMM，STORM和DHI等)多采用基于圣维南方程的水力学建模，建模复杂度高，往往由于缺乏准确的边界条件信息而难以解析求解。同时排水管网系统存在的大量不确定因素，如降雨分布、生活污水排放、管道淤堵、渗漏等，都将增加建模复杂性。

发明内容

本发明的目标是针对现有排水泵站系统建模难题，提供一种基于数据的城市污水泵站系统建模方法，避免传统基于圣维南方程的水力学建模的不足，保证模型精度的同时，也保证模型结构简单并满足实际排水系统运行要求。

本发明首先利用污水泵站系统已知的先验知识，确定系统模型的类型结构和部分参数取值范围；然后根据泵站已有的大量运行数据认知模型参数，获得可行的数据模型。所建模型是实际系统的一个近似，结构简单，建模时间相对较短，适用于城市排水管网泵站实时优化运行和控制。

本发明利用数据采集、数据挖掘、系统辨识、预测机理、数据驱动和数值计算等手段，对难以建立机理模型的情况下，建立基于数据的城市排水管网系统污水泵站模型，以实现对排水运行过程的优化控制和调度。

本发明方法的具体步骤：

步骤(1)建立排水管网泵站预测模型。

现有城市排水系统数据采集与监控系统(SCADA系统)可采集泵站的水位信息，但因测量难题无法获得管道污水流量数据，为预测污水在排水管网系统中各泵站的分布情况，改进Gelormino和Ricker(1994)提出的管网模型，分别建立排水管网泵站污水储量(水位)和污水入流量的预测模型：

x(k)＝x(k-1)+T(z^-1)v(k-1)-s(k-1)+u(k-1)+ε(k-1)

和x′(k-1)＝x(k)-x(k-1)+s(k-1)＝T(z^-1)v(k-1)+u(k-1)+ε(k-1)

其中：k表示采样时刻，x(k)为k时刻该泵站污水储水量，可以通过泵站前池截面积乘以泵站前池水位求得；x′(k-1)为采样周期[k-1 k]内该泵站的污水入流量；s(k-1)为采样周期[k-1 k]内该泵站排出的污水量；u(k-1)和ε(k-1)分别为采样周期[k-1 k]内本地流入该泵站的污水量之和的均值和噪声；v(k-1)为采样周期[k-1 k]内上游泵站排出的污水量；由于上游泵站排出污水量经管网流入下游泵站的过程是非线性和滞后过程，采用T(z^-1)v(k-1)表示上游泵站排出的污水量经管网延迟流入该泵站的污水量，描述为：