南方某市供水管网水质在线监测管理系统的建立.pdf

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1、第2 3卷第 7期 2 0 0 7年 4月 中 国 给 水 排 水 CHI NA W AT E R W AS r E W AT E R Vo 1 2 3 No 7 Ap r 2 0 07 葛 爨 技 术 总 结 l 岱 冬 暑 南方某市供水管网水质在线监测管理系统的建立 郑毅，廖静，周尊隆(1 天津大学 环境科学与工程学院，天津 3 0 0 0 7 2；2 天津天保房地产 开发有限公 司，天津 3 0 0 4 5 6；3 南开大学 环境科学与工程学院，天津 3 0 0 0 7 2)摘 要：以南方某市为例，介绍了其供水管网水质在线监测管理系统的建立过程。首先，对 系统进行总体设计，确定在线监测点

2、的位置、数量和在线监测指标，选定在线监测仪器和在线数据 传输方式。其次，基于管网水质在线监测信息建立了水质在线监测管理 系统，可实现数据库连接、列表、查询、统计报表打印、实时监测数据显示等功能。最后，依据统计分析与人工智能的方法建立 了三种水质预测模型，并将其与水质在线管理系统集成，实现 了对供水管网主要水质指标的在线监 测、管理与预测。对该 系统采用管网实测数据进行考核、验证，结果令人 满意。关键词：供水管网；水质在线监测；水质模型；水质管理 系统 中图分类号：T U 9 9 1 文献标识码：C 文章编号：1 0 0 0 4 6 0 2(2 0 0 7)0 7一 O 0 4 4 0 4 Es

3、 t a b l i s h me nt o f On l i ne M o ni t o r i n g a nd M a n a g e me n t S y s t e m f o r Wa t e r Qu a l i t y i n Wa t e r S u p p l y Ne t wo r k i n a S o u t h e r n C i t y Z HEN G Yi ，L I A0 J i n g ，Z HOU Z u n l o n g (1 S c h o o l o fE n v i r o n m e n t S c i e n c e a n d T e c h

4、 n o l o g y，T i a n j i n U n i v e r s i t y，T i a n fi n 3 0 0 0 7 2，C h i n a；2 T i a n j i n T i a n b a o R e a l E s t a t e D e v e l o p men t C o L t d ，T i a n j i n 3 0 0 4 5 6，C h i na；3 S c h o o l o f E n v i r o n men t a l S c i e nce a nd E n g i n e e r i n g，N a n k a i U n i v e

5、 r s i t y，T i a n fi n 3 0 0 0 7 2，C h i na)Abs t r a c t：Ta k i n g a s o u t h e r n c i t y a s e x a mp l e，t h e e s t a b l i s h me n t pr o c e s s o f t h e o n l i n e mo n i t o rin g a n d ma n a g e me n t s y s t e m f o r wa t e r q u a l i t y i n t h e wa t e r s u pp l y n e t wo

6、r k wa s i n t r o d u c e dF i r s t，t h e g e n e r a l d e s i g n o f t he s y s t e m wa s c a r r i e d o u t，t h e l o c a t i o n a n d q u a n t i t y o f o n l i n e mo n i t o rin g p o i n t s a n d t h e o n l i n e mo n i t o rin g p a r a me t e r s we r e d e t e r mi n e d，a n d t h

7、 e e q u i p me n t a n d d a t a t r a n s mi s s i o n mo d e we r e c h o s e n S e c o n d l y，t h e o n l i n e mo n i t o ri n g a n d ma n a g e me n t s y s t e m f o r wa t e r q u ali t y w a s b u i l t o n t h e b a s i s o f t h e mo n i t o rin g i n f o rm a t i o n，wh i c h c a n p e

8、 r f o rm f u n c t i o ns s u c h a s d a t a b a s e l i n k i n g，l i s t i n g，i n q u i r y，prin t i n g o f s t a t i s t i c r e p o r t i n g form s a n d d i s p l a y o f r e al-t i me mo n i t o rin g d a t a，e t c Fi n all y，b a s e d o n s t a t i s t i c a n aly t-i c a n d a rt i fi c

9、 i al i n t e l l i g e n t me t h o d s，t h r e e f o r e c a s t mo d e l s f o r wa t e r q u ali t y i n t h e w a t e r s u p p l y n e t w o r k w e r e b u i l t a n d w e r e i n t e g r a t e d i n t o t h e o n l i n e mo n i t o ri n g and ma n a g e me n t s y s t e m，w h i c h s u c c e

10、 e d s i n o n-l i n e mo n i t o ri n g，mana g e me n t an d p r e d i c t i n g o f ma i n i n d e x e s for w a t e r qu ali t y i n t h e wa t e r s u p p l y n e t w o r k T h e n，t h e mo d e l s w e r e c h e c k e d w i t h t h e me a s u r e d d a t a and t h e r e s u l t s o f t h e s y s

11、 t e m a r e a c c e p t a b l e Ke y wor ds：wa t e r s u p p l y n e t wo r k；o n l i n e mo n i t o rin g o f wa t e r q uali t y；wa t e r q u ali t y mo d e l；wa t e r q u ali t y ma n a g e me n t s y s t e m 基金项 目：天津市社会发展项 目(0 3 3 1 1 3 1 1 1)44 维普资讯 http:/ w w w w a t e r g a s h e a t c o n 郑

12、毅，等：南方某市供水管网水质在线监测管理系统的建立 第2 3卷第7期 随着人们对 自来水水质要求 的提高 和远程 传 感、计算机技术的发展，越来越多的城市开始建立管 网水质在线 监测管理 系统 J。水质在线监测管 理 系统可以弥补传统人工巡检方式在即时、全局性、连续性、人 为误差等方 面存 在的弊端 J，做 到对 管 网水质的 2 4 h连续监测，为决策者提供早期的报警 信息，使其能够对管网水质变化作出迅速、正确的反 应，这对于提高城市给水管网的安全输配性、自来水 公司的管理和服务水平具有十分重要的意义。笔者 以南方某市的在线监测管理系统为例，介绍 了系统 的建立过程及其功能。1 系统的总体设

13、计 供水管网水质在线监测管理系统包括管网水质 在线监测系统和管网水质在线管理系统两部分，其 中前者主要是指相关的硬件设备，后者主要为与硬 件设备相配套的软件系统以及管网水质模型。具体 而言，供水管网水质在线监测管理系统包括在线监 测点以及相应的监测仪器(负责对水质参数进行在 线测定)、信号传输系统(将测到的数据传送至远程 计算机)、远程控制设备(对接收到的数据进行分析 和管理)，即它是一个 以数据采集和管理为 主要任 务的网络系统，具备一定的分析和管理功能。管 网水质在线监测管理系统的建立流程如图 1 所示 在线监测l l 在线水质监测l l 在线监测数据传 点的选取I l 指标的选取 l l

14、 输方式的选择 在线监测仪器的选择 I 仪器的安装与调 试 在 咎 监 测 管 理 系 统L 一 的 编 制 与 更 新 l 获得水质数据 在线水质模型的建f 立、校核与修正l 完成 在 线 监 测 系 统 图 1 管网水质在线监测管理 系统建立流程图 F i g 1 F l o w c h a r t o f b u i l d i n g o n l i n em o r a t o r m a n a g e m e n t s y s t e m o fwa t e r q l I i 哆 2 在线监测系统的建立 2 1 在线监测点的选取 监测点的选取是建立在线监测系统的核心，所 选取

15、的监测点应能够 比较全面、真实地反映管网水 的水质状况。经综合考虑各种因素后，选择的在线 监测点如图 2所示。点 点 图 2 监测点分布 图 F i g 2 Mo n i t o r i n g p o i n t d i s t r i b u t i o n of mu n i c i p a l n e t wo r k 在该市的行政 区一、二 已建成 5个水质在线监 测点，另有 5 个正在建设 中。为了建立水质模型，在 已建在线监测点处流 向的下游选定两个小 区，布置 了两个人工监测点。2 2 在线水质监测指标的选取 城市供水水质标准 中的6 7 条规定 J：管网 水质检测必须测定浊度

16、、色度、嗅和味、余氯、细菌总 数、总大肠菌群、C O D (管网末梢点)这七项指标。在这七项指标中浊度和余氯是两个重要的监控指 标，对其实施监测对保证用水水质安全具有重要作 用。而且，这两项指标的在线监测技术均已比较成 熟，因此选择浊度和余氯两个参数进行在线监测。2 3 在线监测仪器的选择 依据设计科学、计量准确稳定、日常管理方便、维护简易的原则，选取 H A C H 1 7 2 0 D型浊度仪和 W&T公司生产的 D E P O L O X 3 P lu s 余氯分析仪作为 在线监测仪器。2 4 在线监测数据传输方式的选择 目前，在 S C A D A系统 中管 网监测 点信 号 的传 输方

17、式分有线和无线两种。有线传输方式主要 是租用电信公司的 电话线，通过拨号上 网进行数据 传输，其优点是传输的可靠性较高，缺点是监测点位 置受一定限制，运行费用高，且当监测点较多时轮询 周期较长，因此有线传输方式的应用已越来越少。无线传输方式主要有：超短波传输、电信 C D P D传 输、移动 G P R S(或联通 C D M A 1 X)传输、移动(或联 通)短信传输等。通过对中国移动 G P R S 传输方式、中国移动短信传输方式和超短波传输方式的对比，45 维普资讯 http:/ 第2 3 卷第7 期 中 国 给 水 排 水 w w w w a t e r g a s h e a t c

18、 o rn 并考虑到示范区管网对数据实时性、传输安全性的 要求较高，最终选用了G P R S 传输方式。3 在线水质模型的建立 在线监测系统建立后(现有 5个在线监测点)，每分钟回传一次数据，通过一段时间的运行，积累了 大量的在线数据。在此时间段内，课题组还对水流 下游两个小区末梢点的水质进行了监测，获得了大 量的人工监测数据，为水质模型 的建立奠定了坚实 的基础。3 1 在线监测点水质变化趋势的预报 通过对已有 5 个在线监测点水质数据的分析，发现其 以7 d为一个周期呈规律性 的变化。这个特 点与时间序列法的建模条件相吻合，故采用时间序 列法对水质变化进行模拟。3 2 考虑停留时间的在线一

19、人工耦合模型 根据待建管网水质模型应达到的目标、实际应 用的要求 及管 网在线 监测 系统 的现状，建立 了在 线一人工耦合系统预测模型，以达到用少量的在线 监测点预测管网其他管段特别是管网末梢水质变化 的目的。对选定的两个小区监测点进行连续取样测定，获得了6 0 组水质数据。通过水力分析，得到了各在 线监测点到与其对应的人工监测点的停留时间，从 而可以用在线监测点的水质指标值来预测人工监测 点的水质指标值(采用多元线性回归和人工神经 网 络进行预测)。利用该模型不仅能得到满足工程精度要求的人 工采样点水质数据，还可做到提前预报，以便管理者 及时采取措施。此外，还可利用人工采样点的数据 对模型

20、进行修正(2 次 月)，使之不断得到完善。4 在线管理 系统的建立 4 1 系统的运行环境 4 1 1 软件平台 根据系统总体结构设计，供水管 网水质在线管 理系统采用 C S 结构进行组件方式开发，保存并使 用本地数据库。其中操作系统：Wi n d o w s X P；数据 库：S Q L S e r v e r 2 0 0 0；服务器端平台：Wi n d o w s 2 0 0 0 S e e r+关系型数据库；客户端操作系统：Win d o w s X P；编程语言：D e l p h i 7 0。4 1 2 硬件配置 服务器端采用高性能的专业服务器，客户端采 用 I B M或 HP的

21、P C机。4 1 3 数据库的结构 服务器数据库主要是以 m d作为头缀的表，并 以月份作为分类，例如 m d 2 0 0 5 0 1 表示 2 0 0 5年 1 月 的所有数据。4 2 系统功能 系统设置了 5大主要功能模块，分别具有查询、报表输出、实时监测与水质数据显示、在线预测及系 统维护等功能。4 2 1 查询功能 查询可通过列表和图形两种方式进行。当使用 列表查询时，需首先设定查询时间段、查询时间单位(以分钟为单位称为分查询，以小时为单位称为时 查询)、查询的水质指标及超标和异常标准，当所有 参数都设定好后，点击查询按钮便可以得到所需的 查询结果。当使用 图形查询时，先将需要查询的项

22、 目在界 面右侧 的复选框 内打上钩(可选择 需要查 询 的站 点，也可选择显示超标线或异常线)，并设定查询的 时间段和时间单位，点击查询按钮后便可得到所需 的数据图形。从图中可以清晰地看到某站点的水质 指标值在查询时间段内的变化情况，也可对不同站 点的数据进行 比较。此外，通过点击(拖动)鼠标还 可对图形进行放大或者缩小，便于工作人员查看图 形的变化趋势。4 2 2 报表输出功能 统计报表是为了部门进行数据的月统计而设计 的，在时间参数设置选项框里输人年、月后，点击查 询按钮即可得到所需 的报 表。该 报表依次输 出 日 期、站点编号、每天各站点测量个数、无效个数、无效 率、超标个数、超标率

23、、异常个数、异常率、最大值、最 小值、平均值。4 2 3 实时监测功能 将各实时监测参数(包括超标限、异常限、超标 及异常报警声音等)设定好后点击实时监测按钮，程序便会按照用户设置的时间间隔进行实时的数据 传输显示，再次点击该按钮则实时监测关闭。在实时监测数据传输的过程中，如果出现水质 超标的情况，系统便会根据之前 的设定在管理人员 的计算机上进行报警，管理人员可立刻判断出是哪 个或哪些监测点出现了何种水质异常，并据此迅速 采取相应的应急方案。在实时监测界面最右端的选项框中可以选择要 4 6 维普资讯 http:/ 郑毅，等：南方某市供水管网水质在线监测管理系统的建立 第2 3卷第7期 显示曲

24、线的监测点名称，在曲线旁边的余氯、浊度单 选框中可选择要输出的水质指标。此外，通过点击 监测点按钮可实时输出该点的余氯及浊度值。4 2 4 在线预测功能 包括三个预测模块，即时间序列、线性 回归和人 工神经网络预测模块。时间序列法预测采用 7阶 自回归时 间序列模 型，它用前7 d的水质数据(余氯或浊度)来预测当 天的水质指标(余氯或浊度)值。具体操作如下：点击出现时间序列预测选项框后，选择想要进行 时 间序列分析 的站点和预测指标(预测时间默认为当 天的时间，也可以自行更改)。确定了预测时间 后点击计算参数，系统便 自动将前 7 d的数据写成 时间序列预测矩阵到一张 e x c e l 表格

25、里，关掉表格后 点击显示参数，系统便将参数显示到参数框中(7 个 参数分别为 7阶的每一阶系数)。点击保 存则参数 被自动保存到名为参数的e x c e l 表里(其意义为：时 间序列模型每月更新一次，参数只用在当月的第一 次计算，之后便可用保存好的参数)。准备工作 完成后点击“预测”按钮，系统便 开始计 算，并将结 果显示在“预测值”文字框 中。线性回归预测模块的操作与时间序列法的差不 多，不同之处在于线性回归选择的站点是小区末梢 人工监i 贝 0 点，而时间序列法所 选择 的站点是在线监 测点。人工神经 网络算法采用 Ma d a b编写，并利用 M 文件与在线监测管理系统进行数据中转。使

26、用时点 击预测选项框 中的神经网络按钮即弹出神经网络选 项框，在选择了所要预测的人工监测点和指标后，系 统便自动寻找与该人工监测点相关联的在线监测 点，并将寻找到的在线监测点 的地名写入地名选项 框，同时实时查找该在线监测点当前的余氯和浊度 值，并将其写入左边 的文本框 中。此时点击预测按 钮，系统将在后台自动完成 M文件的生成(M a t l a b 隐式启动)，并将结果显示 在“预测结果”的文本框 中。预测完成之后，点击返回按钮即回到主界面。4 2 5 系统维护功能 系统维护包括实时监测参数设定和超标异常指 标设定。超标参数可以在查询选项框中设定，也可 以在系统维护 中设定。5 结论 建立

27、水质在线监测管理系统是实施安全饮用水 工程的重要保证。在南方某市供水管网在线监测管 理系统的构建 中，首先建立了在线监测系统，通过 5 个在线监测点及 2个人工监测点获得了大量的水质 数据，在此基础上建立了水质模型；然后通过编程建 立了在线监测管理系统，通过调用水质模型，实现了 对水质的实时在线预测。参考文献：1 许阳，祝建平杭州管网水质实时监测系统 J 给水 排水，2 0 0 2，2 8(2)：9 1 9 3 2 H o w a r d B G l a s g o w，J o a n n M B u r k h o l d e r，R o b e E R e e d，e t a 1 Re a

28、 l t i me r e mo t e mo n i t o rin g o f wa t e r q u Mi t y：a r e v i e w o f c u r r e n t a p p l i c a t i o n s，a n d a d v a n c e me n t s i n s e n s o r，t e l e m e t r y，a n d c o m p u t i n g t e c h n o l o g i e s J J E x p e r Ma r Bi o l Ec o l，2 0 0 4，30 0：40 9 44 8 3 C J T 2 0 6-2 0 0 5，城市供水水质标准 s 4 赵胜跃，赵新华，张丽，等供水 S C A D A系统的研究与 建立 J 中国给水排水，2 0 0 2，1 8(1)：5 0 5 3 Ema l l：l i a o j i n g n e w 1 6 3 c o m 通讯地址：3 0 0 4 5 6天津港保税区海滨九路 1 3 1号科技 发展 中心 4 1 3室 收稿日期：2 0 0 61 1 2 0 4 7 维普资讯 http:/