本發明涉(she)及城(cheng)市(shi)(shi)污水(shui)(shui)數據處理，具體涉(she)及基于廠網一體的城(cheng)市(shi)(shi)污水(shui)(shui)處理系統水(shui)(shui)量調度方(fang)法、系統。

背景技術：

1、城(cheng)(cheng)市污水(shui)系統主要由地(di)下(xia)（排水(shui)）管網、污水(shui)處理廠以及受(shou)納水(shui)體構(gou)成(cheng)。當前，全(quan)球氣候變化(hua)(hua)導(dao)致極端天(tian)氣事件頻發，對城(cheng)(cheng)市污水(shui)基礎設(she)施(shi)帶來(lai)了前所未有(you)的(de)(de)壓力(li)，進(jin)而影響了城(cheng)(cheng)市地(di)區的(de)(de)用水(shui)安全(quan)與(yu)水(shui)環(huan)境質量。面對城(cheng)(cheng)市內澇(lao)和合(he)流(liu)制(zhi)溢流(liu)（cso）的(de)(de)挑戰(zhan)，傳統的(de)(de)城(cheng)(cheng)市污水(shui)處理運(yun)(yun)行調(diao)控模式已顯不足。因此(ci)，“廠網一(yi)體化(hua)(hua)”的(de)(de)聯合(he)調(diao)控策略應運(yun)(yun)而生，它(ta)被視為(wei)一(yi)種有(you)效的(de)(de)手段，用以預防城(cheng)(cheng)市內澇(lao)和雨季污水(shui)溢流(liu)風險，有(you)效降低(di)運(yun)(yun)營成(cheng)本，并進(jin)一(yi)步保障水(shui)環(huan)境質量。

2、城市污水(shui)處(chu)理系(xi)統的(de)“廠(chang)網(wang)一體(ti)化”調度是指(zhi)對排(pai)水(shui)管網(wang)、污水(shui)處(chu)理廠(chang)以及受納水(shui)體(ti)實(shi)施協(xie)同調度，旨在(zai)(zai)(zai)實(shi)現(xian)最優的(de)整體(ti)環境(jing)效益。調度策略核心(xin)在(zai)(zai)(zai)于實(shi)現(xian)水(shui)量優化配給，目前主(zhu)要(yao)存(cun)在(zai)(zai)(zai)三(san)個主(zhu)要(yao)問題：

3、一是污(wu)水處理廠(chang)與(yu)排(pai)水管網間(jian)水量(liang)協調(diao)性不足，導致(zhi)污(wu)水處理廠(chang)的處理能(neng)(neng)力(li)與(yu)管網收集能(neng)(neng)力(li)不匹配，進而引(yin)起污(wu)水溢(yi)流，對周邊水環境造(zao)成嚴重威脅(xie)；

4、二是(shi)城市各污(wu)水處(chu)理(li)廠(chang)之間(jian)的(de)負荷分配不均，部分處(chu)理(li)廠(chang)超負荷運行而其他廠(chang)則(ze)未(wei)充分利用，影(ying)響了污(wu)水處(chu)理(li)系統(tong)的(de)綜合效益；

5、三是相關研(yan)究普遍聚焦在污水(shui)(shui)(shui)處(chu)理廠尾水(shui)(shui)(shui)排放(fang)對受納水(shui)(shui)(shui)體的影(ying)響，對運(yun)營成本、溢流風險和(he)積水(shui)(shui)(shui)問題的綜合評估和(he)考量不(bu)足。最(zui)終(zhong)，限制(zhi)了城市污水(shui)(shui)(shui)處(chu)理系統在經濟(ji)效益和(he)環境效益方面的最(zui)優表現(xian)。

6、現有技(ji)(ji)術中，也出現了一(yi)些基于(yu)多目標的廠網一(yi)體(ti)的城市污水(shui)處理系(xi)統水(shui)量調度的研究，比如中國專利文(wen)件(jian)cn112950096a公開了廠網河(he)一(yi)體(ti)化(hua)分類智(zhi)能調度方法。其(qi)技(ji)(ji)術主要存(cun)在以下問題：

7、（1）在將費用(yong)作為目標的(de)水安全調度(du)(du)(du)場景(jing)模型和水環境調度(du)(du)(du)場景(jing)模型上，僅單一考慮泵(beng)站運(yun)行費用(yong)，實際(ji)工(gong)程(cheng)商污水廠運(yun)行費用(yong)才是整個系統(tong)的(de)主要運(yun)行成本，單一追求(qiu)泵(beng)站的(de)運(yun)行費用(yong)，可能造成后面污水處理成本大幅度(du)(du)(du)增加。

8、（2）水安全(quan)和(he)水生態調度模式切換對實際工(gong)程支撐有限，因為同(tong)一(yi)片區的尾水不(bu)是(shi)匯入主(zhu)干流就(jiu)是(shi)支流，改變空間有限。

9、（3）只(zhi)考慮廠前溢(yi)流(liu)，實際(ji)工程中是(shi)污水廠不(bu)愿意接納更多的(de)污水，關(guan)閉廠前的(de)閘門，沒有及時執行調(diao)度(du)命令，因(yin)此，不(bu)能單一依(yi)靠他的(de)廠前溢(yi)流(liu)量來判斷(duan)。

10、總之，現有技術中(zhong)選用的參(can)數及(ji)基于參(can)數構建的數學模型對于實際工程來說，難以應用。

技術實現思路

1、本發明的(de)目(mu)的(de)在于提供基于廠網一體的(de)城(cheng)市污(wu)水處理(li)系(xi)統水量調度方(fang)法、系(xi)統，該方(fang)法以降低污(wu)水處理(li)系(xi)統運行(xing)成本與提升(sheng)下游(you)河(he)道水質（受納(na)水體）的(de)雙(shuang)重目(mu)標進行(xing)污(wu)水處理(li)廠之間的(de)調度控制，其能(neng)夠應用于實際工程。

2、為了實(shi)現上述目的，本發明采(cai)用的技術(shu)方案如下所(suo)述：

3、基于廠網一體(ti)的城(cheng)市(shi)污水處理系統水量調度方法，其實現包括以下步驟：

4、步驟s1：采集模(mo)型構建(jian)的基礎(chu)數(shu)據；

5、步驟s2：基于采集(ji)的基礎數據構(gou)建以最小化年度運營成本和(he)最大化目標污(wu)染物(wu)削減(jian)量為目標的優化模型；

6、步驟(zou)s3：輸(shu)入(ru)污水處理量數據，采(cai)用多目(mu)標(biao)算法對優化模(mo)型求解(jie)，輸(shu)出水量調(diao)度方案；

7、上述步(bu)驟s2中構建所述優化模型如下：

8、?（1）

9、??（2）

10、?????（3）

11、????（4）

12、式(shi)(shi)(shi)（1）和式(shi)(shi)(shi)（2）中，x為(wei)決策變量，代(dai)表構成污水(shui)處理系(xi)統(tong)的(de)各污水(shui)廠的(de)水(shui)量配給(gei)比(bi)例；r為(wei)最(zui)小乘數(shu)(shu)；為(wei)原始目標(biao)(biao)函數(shu)(shu)；為(wei)期望達到的(de)目標(biao)(biao)函數(shu)(shu)；為(wei)各目標(biao)(biao)的(de)權(quan)重；與分(fen)別代(dai)表不等式(shi)(shi)(shi)與等式(shi)(shi)(shi)約(yue)束條件(jian)(jian)；約(yue)束決策變量x的(de)取(qu)值(zhi)范圍(wei)；代(dai)表滿足條件(jian)(jian)；為(wei)代(dai)表兩個目標(biao)(biao)的(de)目標(biao)(biao)函數(shu)(shu)之間距離最(zui)小；

13、式（3）和式（4）中，yn為(wei)第(di)n座污(wu)水廠的(de)年度(du)運(yun)營成本；rn為(wei)第(di)n座污(wu)水廠的(de)年度(du)目(mu)標污(wu)染物削減量，n=1，......，m；m為(wei)區域(yu)污(wu)水廠總(zong)個數(shu)；

14、其中目標污染物(wu)為一(yi)種(zhong)單(dan)一(yi)特征(zheng)污染物(wu)或者至少兩種(zhong)綜合污染物(wu)。

15、作為一種優選技術(shu)方案，所述(shu)步驟s3中，采用多目(mu)標(biao)算法對優化(hua)模型求解的(de)實現方法，包(bao)括(kuo)以下過程(cheng)：

16、步(bu)驟(zou)s31：基(ji)于基(ji)礎數(shu)據，設定各污水廠的(de)水量分配閾(yu)值，調用fmincon函數(shu)，分別求得object1和object2的(de)最(zui)優(you)解；并(bing)構建(jian)如下關系：

17、

18、

19、步驟s32：調(diao)用fgoalattain函數，讓r最(zui)小，獲得(de)不同(tong)下，同(tong)時滿足object1和object2雙目標的結果;

20、其(qi)中，為代(dai)表兩(liang)個(ge)目(mu)(mu)標的(de)目(mu)(mu)標函(han)數之間距(ju)離最小；r為最小乘數；為各目(mu)(mu)標的(de)權重。

21、作為一種(zhong)優(you)選技(ji)術方案(an)，基礎數據包括污(wu)水處理系(xi)統的邊界條(tiao)件(jian)；

22、邊界條件包括(kuo)構成(cheng)污(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)理系(xi)統的各污(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)理廠(chang)的水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)限值、泵站水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)負(fu)荷(he)、目(mu)標污(wu)染物(wu)、運行(xing)成(cheng)本(ben)計(ji)價方式；水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)限值包括(kuo)：生(sheng)化反應(ying)(ying)保(bao)證量(liang)(liang)(liang)(liang)、協議(yi)保(bao)底水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)、設(she)計(ji)規(gui)模(mo)水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)、kz折算最(zui)大(da)水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)；其中，生(sheng)化反應(ying)(ying)保(bao)證量(liang)(liang)(liang)(liang)：是(shi)指污(wu)水(shui)(shui)(shui)廠(chang)想要保(bao)障基本(ben)生(sheng)物(wu)處(chu)理能力(li)的基本(ben)水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)。協議(yi)保(bao)底水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)：是(shi)污(wu)水(shui)(shui)(shui)廠(chang)在簽訂特許經營協議(yi)時(shi)候約(yue)定的最(zui)低水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)。設(she)計(ji)規(gui)模(mo)水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)：是(shi)污(wu)水(shui)(shui)(shui)廠(chang)設(she)計(ji)的水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)處(chu)理規(gui)模(mo)。kz折算最(zui)大(da)水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)：代表污(wu)水(shui)(shui)(shui)廠(chang)能夠處(chu)理的最(zui)大(da)水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)負(fu)荷(he)。

23、作為一種優選技術方案，上(shang)述步驟s31中，設定各污(wu)水(shui)廠(chang)的水(shui)量(liang)分配閾(yu)值是基于(yu)污(wu)水(shui)廠(chang)的生化反應保證量(liang)、協(xie)議保底水(shui)量(liang)、設計規(gui)模水(shui)量(liang)、kz折算最大(da)水(shui)量(liang)設定的。

24、污(wu)(wu)水廠(chang)的(de)年度目標污(wu)(wu)染物(wu)(wu)削(xue)(xue)減量(liang)為綜合污(wu)(wu)染物(wu)(wu)時，年度目標污(wu)(wu)染物(wu)(wu)削(xue)(xue)減量(liang)rn的(de)獲(huo)取(qu)方式包括(kuo)以下步(bu)驟：

25、步驟a1:選擇(ze)若干個污染(ran)物(wu)(wu)指標，將對應的污染(ran)物(wu)(wu)削減量作為參(can)數，構建數據矩陣，數據矩陣如下(xia)：

26、

27、其中，a代(dai)表(biao)樣本數；b代(dai)表(biao)指(zhi)標(biao)數；代(dai)表(biao)第j項污(wu)染(ran)物(wu)指(zhi)標(biao)的第i個樣本的值(zhi)，即(ji)單位污(wu)染(ran)物(wu)削減量；x為水質指(zhi)標(biao)原始矩陣(zhen)；

28、步驟a2：歸一化矩陣計(ji)算；計(ji)算公式如下：

29、

30、

31、式(shi)中，為矩陣x中的(de)(de)最小值(zhi)；為矩陣x中的(de)(de)最大值(zhi)；代表歸(gui)一(yi)化(hua)后的(de)(de)第(di)j項污(wu)染物(wu)指標的(de)(de)第(di)i個樣本的(de)(de)值(zhi)；為水質指標歸(gui)一(yi)化(hua)矩陣；

32、步驟a3：計(ji)算熵權：

33、

34、

35、

36、

37、式中，代表(biao)第(di)(di)(di)(di)j項(xiang)指(zhi)(zhi)(zhi)標中第(di)(di)(di)(di)i個樣本的權值；為第(di)(di)(di)(di)j項(xiang)指(zhi)(zhi)(zhi)標的熵值，≥0；λ為玻爾茲曼常(chang)數，λ=1/ln(a)，()；為第(di)(di)(di)(di)?j?項(xiang)指(zhi)(zhi)(zhi)標的變異指(zhi)(zhi)(zhi)數；為第(di)(di)(di)(di)j項(xiang)指(zhi)(zhi)(zhi)標的熵權；

38、步(bu)驟a4：綜合(he)污染物削減量計算(suan)：

39、

40、式中：為第(di)i個樣(yang)本的綜合污染物削減(jian)量；與分別為第(di)j?項指標的第(di)i個樣(yang)本的進(jin)出廠污染物濃度(du)；為污水處理量。

41、作(zuo)為一(yi)種優選方式(shi)，污(wu)水廠的(de)年度目標污(wu)染物為單一(yi)特征(zheng)污(wu)染物時，年度目標污(wu)染物削(xue)減量為特征(zheng)污(wu)染物的(de)年度削(xue)減量。

42、

43、式中(zhong)：a為樣(yang)(yang)本(ben)(ben)數；為第(di)i個(ge)樣(yang)(yang)本(ben)(ben)的(de)特征污染物削減量(liang)；與分別為指標的(de)第(di)i個(ge)樣(yang)(yang)本(ben)(ben)的(de)進出廠污染物濃度；為污水處理(li)量(liang)。

44、作為一種優選技術方(fang)案(an)(an)，還包括步驟(zou)s4，步驟(zou)s4：基于輸出的(de)水量調度方(fang)案(an)(an)執行水量調度，控制各污(wu)水廠(chang)的(de)進(jin)出水

45、作為一種優選方式，基礎數據(ju)包(bao)括污水(shui)處理系(xi)統的邊界條件；

46、作為一種(zhong)優選(xuan)方(fang)式，所述污水(shui)廠(chang)的(de)年度運營成本計算公(gong)(gong)式根據污水(shui)廠(chang)的(de)污水(shui)處理費(fei)(fei)的(de)實際付(fu)費(fei)(fei)方(fang)式及進水(shui)方(fang)式建立公(gong)(gong)式進行計算，付(fu)費(fei)(fei)方(fang)式包(bao)括(kuo)但不限于(yu)按效付(fu)費(fei)(fei)、成本固定、成本加成中任意(yi)一種(zhong)；

47、按效付費是(shi)指污水處理費包括污染物削(xue)減費用與(yu)水費；

48、成本固(gu)定是指(zhi)污水(shui)處理費為固(gu)定單價(jia)；

49、成(cheng)本(ben)加成(cheng)是指污水處理費包括可變成(cheng)本(ben)、固定成(cheng)本(ben)、凈利潤、所得稅；

50、進水方(fang)(fang)式(shi)(shi)包(bao)括重力流(liu)方(fang)(fang)式(shi)(shi)和泵站提升(sheng)(sheng)方(fang)(fang)式(shi)(shi)，其(qi)中(zhong)重力流(liu)方(fang)(fang)式(shi)(shi)不(bu)產生電(dian)費(fei)(fei)，泵站提升(sheng)(sheng)方(fang)(fang)式(shi)(shi)產生電(dian)費(fei)(fei)作為運營成本；

51、基于(yu)此，污水廠(chang)的年度運(yun)營成(cheng)本yn的計算方法(fa)有多種(zhong)，由于(yu)成(cheng)本計算為數學(xue)常(chang)識，因此，本技術對不運(yun)營成(cheng)本yn的計算方法(fa)做出明確限(xian)定；

52、但是值得說明的(de)時，無論何種污水(shui)處(chu)(chu)理(li)費費的(de)付費方式(shi)，皆與(yu)污水(shui)處(chu)(chu)理(li)量掛鉤，即(ji)與(yu)污水(shui)廠(chang)的(de)年(nian)度運營成(cheng)本與(yu)各污水(shui)廠(chang)的(de)水(shui)量配給比例x具有直接關系，可以根據不同(tong)的(de)合同(tong)約(yue)定的(de)費用收取方式(shi)，用公式(shi)表達。

53、基于廠網(wang)一(yi)體的城(cheng)市(shi)污水處理系統水量調(diao)度系統，包括工(gong)程邊(bian)界(jie)界(jie)定模塊、歷(li)史數據收(shou)集分析模塊、優化模型模塊、控制模塊；

54、工程(cheng)邊界(jie)界(jie)定模塊，采(cai)(cai)集(ji)各(ge)(ge)污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)處(chu)理(li)廠(chang)(chang)(chang)的(de)水(shui)量(liang)限值、泵站水(shui)量(liang)負荷；采(cai)(cai)集(ji)目標污(wu)(wu)(wu)(wu)染(ran)物(wu)(wu)(wu)名稱(cheng)、采(cai)(cai)集(ji)計算(suan)污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)廠(chang)(chang)(chang)年度運(yun)行成本(ben)所(suo)需數(shu)(shu)據、采(cai)(cai)集(ji)各(ge)(ge)污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)廠(chang)(chang)(chang)水(shui)量(liang)處(chu)理(li)配給比例數(shu)(shu)據、采(cai)(cai)集(ji)各(ge)(ge)污(wu)(wu)(wu)(wu)染(ran)物(wu)(wu)(wu)的(de)單位削(xue)減(jian)量(liang)；從數(shu)(shu)據庫中調(diao)用(yong)污(wu)(wu)(wu)(wu)染(ran)物(wu)(wu)(wu)處(chu)理(li)公(gong)式(shi)計算(suan)包(bao)括目標污(wu)(wu)(wu)(wu)染(ran)物(wu)(wu)(wu)在(zai)內的(de)各(ge)(ge)污(wu)(wu)(wu)(wu)染(ran)物(wu)(wu)(wu)削(xue)減(jian)量(liang)；調(diao)用(yong)與(yu)合同約(yue)定的(de)費用(yong)計算(suan)方式(shi)匹(pi)配的(de)計算(suan)公(gong)式(shi)計算(suan)各(ge)(ge)污(wu)(wu)(wu)(wu)水(shui)廠(chang)(chang)(chang)年度運(yun)行成本(ben)。

55、歷(li)史(shi)數(shu)據收集(ji)模塊，導入歷(li)史(shi)數(shu)據，并對(dui)歷(li)史(shi)數(shu)據進行分析處(chu)理(li)，得到(dao)歷(li)史(shi)污(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)量(liang)(liang)(liang)(liang)、歷(li)史(shi)降水(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)，歷(li)史(shi)降水(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)與歷(li)史(shi)污(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)關系，歷(li)史(shi)上降水(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)與水(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)分配(pei)比(bi)例(li)(li)的(de)關系，并生成關系圖；歷(li)史(shi)數(shu)據包括歷(li)史(shi)各(ge)年度的(de)降雨量(liang)(liang)(liang)(liang)、各(ge)年度的(de)污(wu)水(shui)(shui)處(chu)理(li)量(liang)(liang)(liang)(liang)、水(shui)(shui)量(liang)(liang)(liang)(liang)分配(pei)比(bi)例(li)(li)、污(wu)染物(wu)削減(jian)量(liang)(liang)(liang)(liang)、運營成本。

56、優(you)化(hua)模(mo)型模(mo)塊，調用優(you)化(hua)模(mo)型，輸入(ru)控制策(ce)略(lve)(lve)和污水(shui)處理量(liang)，輸出優(you)化(hua)結果，輸入(ru)控制策(ce)略(lve)(lve)即輸入(ru)object1與object2的(de)比(bi)例關系；輸出優(you)化(hua)結果即輸出水(shui)量(liang)分配(pei)比(bi)例x。

57、控(kong)制(zhi)模(mo)塊(kuai)(kuai)，基于輸出(chu)的優(you)化(hua)結(jie)果執(zhi)行水量分(fen)配(pei)調度方(fang)案；控(kong)制(zhi)模(mo)塊(kuai)(kuai)包括各污(wu)水處理廠的進水控(kong)制(zhi)系統、出(chu)水控(kong)制(zhi)系統。

58、作為一種優選方式，優化模型模塊(kuai)(kuai)中，污(wu)水處(chu)理量(liang)為從歷史數據(ju)收集模塊(kuai)(kuai)中調用的污(wu)水處(chu)理量(liang)。

59、本發明與現有(you)(you)技術相(xiang)比，具有(you)(you)以(yi)下有(you)(you)益效(xiao)果(guo)：

60、本發明中，優化模型以(yi)污水廠的整(zheng)體(ti)運營(ying)費和污水處(chu)理廠污染物削(xue)減量用(yong)來(lai)作為目標，從而有效(xiao)的應用(yong)于實際工程，降低成本。

61、本發(fa)明(ming)中(zhong)，構建(jian)優化模型的基礎數據包括(kuo)了邊界條件，考(kao)慮(lv)污水廠的設計水量處理能(neng)力(li)，充分發(fa)揮污水廠的雨(yu)季兜底作用，不單一依(yi)靠廠前溢流量來判斷(duan)。

62、基于上述目(mu)標和實際工(gong)程的實用(yong)性考量，本發明搭建了不(bu)同的優(you)化模型框(kuang)架(jia)，以實現污水廠之(zhi)間的水量調度(du)。