導語(yǔ)：在雨季面對水環(huán)境和水安全雙重壓力下，如何提升城鎮排水系統的可靠性、彈性與可持續性，對保障城鎮水系統安全日益重要。城市排水系統具有動(dòng)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(jìn)一步削減合流制溢流污染、最大程度發(fā)揮排水系統“源頭-過(guò)程-末端”能力等多目標協(xié)同下，系統的運行控制日益復雜且控制難度日益增大。實(shí)時(shí)控制技術(shù)（Real Time Control，簡(jiǎn)稱(chēng)RTC）根據實(shí)時(shí)監測數據動(dòng)態(tài)調整控制策略，對排水管網(wǎng)附屬設施及污水處理廠(chǎng)進(jìn)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排水系統追求的方向。尤其是隨著(zhù)全球氣候變化，極端降雨事件增加，傳統的排水系統面臨日益嚴峻的挑戰，城鎮水系統安全成為城市管理最基礎性要素。而通過(guò)基礎設施建設增加排水系統的處理能力，不僅投資成本高回報期長(cháng)，并且受土地使用等問(wèn)題限制，不能廣泛應用于城鎮地區。為了應對上述復雜情況，如何在現有硬件設施的基礎上，構建具有彈性、可靠性和可持續性的現代排水系統架構，是傳統排水系統面臨的和必須尋求突破的課題。同時(shí)，隨著(zhù)城市水環(huán)境治理體系的日益復雜，排水系統的動(dòng)態(tài)性、多目標和不確定性逐漸被認識，但是排水系統通常是在靜態(tài)條件下設計，并在靜態(tài)規則下運行，這就造成了傳統的運行方式在應對復雜多變的環(huán)境時(shí)，要么設施無(wú)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）和內澇；也有些情況是在同一系統內，部分設施不能充分發(fā)揮作用的同時(shí)其他設施已超出負荷。因此，找到一種動(dòng)態(tài)的控制方式，充分利用現有設施實(shí)現CSO消減和內澇控制等目標，為解決城市排水問(wèn)題提供了智能化方案。排水系統實(shí)時(shí)控制（Real Time Control,簡(jiǎn)稱(chēng)RTC）是優(yōu)化城市排水系統運行的可行方式。

　　01 實(shí)時(shí)控制及發(fā)展歷程

　　1.1 實(shí)時(shí)控制定義

　　很多文獻都對排水系統實(shí)時(shí)控制進(jìn)行過(guò)定義。通常認為，排水系統的實(shí)時(shí)控制為：在排水系統運行過(guò)程中，在線(xiàn)監測重要的過(guò)程變量（雨量、液位、流量、水質(zhì)等），依據監測數據、在線(xiàn)模型動(dòng)態(tài)調整控制策略，通過(guò)控制設備（閥門(mén)、水泵等執行器）對排水設施及污水處理廠(chǎng)運行進(jìn)行實(shí)時(shí)干預，實(shí)現廠(chǎng)-網(wǎng)、廠(chǎng)-網(wǎng)-河最優(yōu)能力匹配，進(jìn)而提高整個(gè)排水系統運行效率的優(yōu)化控制方式。實(shí)現可靠的實(shí)時(shí)控制有以下要點(diǎn)：①要有優(yōu)化點(diǎn)位的過(guò)程變量在線(xiàn)監測；②需要動(dòng)態(tài)制定控制策略以及具有可靠的過(guò)程控制系統；③管網(wǎng)-處理廠(chǎng)等調節設施具有協(xié)同可控性、硬件設施能力有匹配度；④排水系統快速實(shí)時(shí)的響應特性及反饋控制機制。這一定義明確了排水系統實(shí)時(shí)控制的基本架構、建設內容、方法和目標。

　　實(shí)時(shí)控制系統由傳感器、控制器、執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(jiàn)圖1。

　　傳感器負責監測排水過(guò)程，包括流量、水位、水質(zhì)和降雨量等，并將數據傳送給控制器；控制器主要執行傳感器測量數據獲取、數據預處理/校正、控制動(dòng)作計算，與控制中心進(jìn)行數據交換并將控制策略（動(dòng)作）傳送至執行器；執行器是執行控制動(dòng)作的設備，用來(lái)調節流量或液位，通常包括：水泵、可調堰、可調閘門(mén)、充氣壩、閥門(mén)和分流設施等。一些執行器也可以對水質(zhì)進(jìn)行調節，如化學(xué)加藥設備和曝氣設備?？刂浦行氖菍?shí)時(shí)控制的中央處理模塊。主要通過(guò)協(xié)調傳感器、控制器和執行器等子模塊完成監測數據的收集、處理，控制指令的計算和遠端設備的數據交換，從而實(shí)現監督和控制整個(gè)排水系統的作用。其中控制指令的計算涉及控制模型和控制算法兩個(gè)核心元素?？刂颇Ｐ褪怯糜趯?shí)時(shí)控制系統規劃設計和運行優(yōu)化的數學(xué)模型，是設計和執行實(shí)時(shí)控制的重要預測工具?？刂颇Ｐ统Ｊ褂煤?jiǎn)化模型（尤其針對復雜的大規模排水系統），以足夠快的計算效率滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的時(shí)間需求?？刂扑惴ㄊ菆绦袑?shí)時(shí)控制策略的另一核心元素，通過(guò)預先設定優(yōu)化目標在策略計算過(guò)程中實(shí)現從控制目標到執行器控制命令的轉化?？刂扑惴ㄒ部煞Q(chēng)為控制程序。另外，降雨預測也是實(shí)時(shí)控制系統執行的關(guān)鍵環(huán)節。但是，不是所有的實(shí)時(shí)控制系統都需要包含降雨預測和模型。

　　1.2 實(shí)時(shí)控制系統的級別

　　借鑒國外相關(guān)經(jīng)驗，按照系統實(shí)際控制(管理)的范圍，將實(shí)時(shí)控制系統分成局部響應控制、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(gè)匯水分區，實(shí)現本區域廠(chǎng)-網(wǎng)就地響應控制，只利用本地或相鄰傳感器的實(shí)時(shí)監測數據，通過(guò)內置的控制算法計算出控制動(dòng)作，進(jìn)而通過(guò)執行器實(shí)現對受控過(guò)程的控制。這種控制方式一般適用于規模較小的排水系統、單一“廠(chǎng)-網(wǎng)”設施或單一綠色設施。

　?、谌謨?yōu)化控制：定位于跨排水分區或者整個(gè)城市層面的排水系統聯(lián)調聯(lián)控，這種情況下對實(shí)時(shí)控制系統要求較高，要求相互關(guān)聯(lián)的執行器具備更高的執行效率，或者執行器間必須聯(lián)合運行，此時(shí)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(guò)程變量更多，能夠對排水系統進(jìn)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(shí)現城鎮排水系統、水資源、洪澇災害防控。這種情況下排水系統的組成跨越多個(gè)城市、管理單位之間，需要不同城市、單位、系統之間聯(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(shí)現大流域尺度下的整體最優(yōu)，但因涉及技術(shù)、管理、地域政策等方面的融合而給系統建模、集成方法，協(xié)調策略以及計算效率帶來(lái)不小的挑戰。

　　實(shí)際應用層面，不同的控制級別可以在一個(gè)系統當中同時(shí)耦合存在。

　　1.3 實(shí)時(shí)控制發(fā)展歷程

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

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

　　這三個(gè)階段并沒(méi)有明顯的時(shí)間界限區分，內容也存在交叉。比如，早在20世紀90年代就有研究人員開(kāi)始研究城市排水系統的綜合控制技術(shù)，在第三階段也有基于規則的控制算法的應用。但從整個(gè)發(fā)展歷程，實(shí)現實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵技術(shù)研究可明顯分為工藝和策略、控制模型以及控制算法三個(gè)方面，見(jiàn)圖2。實(shí)時(shí)控制研究和應用案例見(jiàn)表1。

02 實(shí)時(shí)控制工藝及策略

　　實(shí)時(shí)控制工藝指系統采用的設施和設施之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，通過(guò)控制工藝實(shí)現排水系統的可靠性和彈性；控制策略指系統執行控制達到預定目標的描述性方法，通過(guò)控制策略提升排水系統的彈性?？刂乒に嚭筒呗允菆绦袑?shí)時(shí)控制的重要基礎。

　　2.1 在線(xiàn)控制工藝和策略

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

　?、俟艿涝诰€(xiàn)調蓄

　　管道在線(xiàn)控制主要是充分利用管網(wǎng)剩余空間進(jìn)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(jìn)行流量動(dòng)態(tài)控制，實(shí)現削減CSO和城市內澇的目標。在實(shí)時(shí)控制改造項目中，在線(xiàn)控制通常作為優(yōu)先考慮選項。管道在線(xiàn)控制原理示意見(jiàn)圖3。

　　20世紀90年代，哥本哈根在管道關(guān)鍵部位安裝閘門(mén)和帶有邏輯運算能力的控制器，根據降雨量和下游管網(wǎng)水位來(lái)控制閘門(mén)啟閉，盡可能使下游不發(fā)生溢流。第一階段實(shí)時(shí)控制實(shí)施后，CSO削減80%，排空時(shí)間由40h減少到2～3h。加拿大魁北克Westerly排水系統對三條截流干管和兩條地下隧道進(jìn)行在線(xiàn)控制?？刂浦行慕邮諄?lái)自17個(gè)傳感器的數據，并將制定好的設定值下發(fā)至5個(gè)可控閘門(mén)的控制站，系統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(xiàn)淤積、腐蝕破損等情況，由此帶來(lái)的高水位運行問(wèn)題十分嚴重，很多城市管網(wǎng)系統可用剩余空間有限。因此，應優(yōu)先開(kāi)展排水管網(wǎng)的提質(zhì)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(shí)現運行調度的優(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(xiàn)調蓄空間使用。

　?、谖鬯畯S(chǎng)雨天處理工藝

　　實(shí)現“廠(chǎng)-網(wǎng)”能力匹配，使實(shí)時(shí)控制真正發(fā)揮有效作用，前提條件是下游污水廠(chǎng)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，污水廠(chǎng)必須具有雨季超量混合污水的處理能力，而我國絕大多數污水廠(chǎng)設計時(shí)并沒(méi)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(chǎng)-池（站）-網(wǎng)的聯(lián)調聯(lián)控機制，我國必須補足污水廠(chǎng)雨季處理設施及處理能力。污水廠(chǎng)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(diǎn)進(jìn)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(xué)處理工藝主要是指干季流量全部經(jīng)過(guò)生化二級處理工藝，雨季峰值流量則通過(guò)與二級生物處理段并行的輔助處理設施進(jìn)行處理。近些年還出現將高負荷活性污泥法與高效固液分離技術(shù)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(diǎn)進(jìn)水工藝通過(guò)生物池沿程多點(diǎn)配水方式實(shí)現雨季峰值流量的提升，同時(shí)避免了峰值流量期間，因采用生物池首端單點(diǎn)進(jìn)水的傳統工藝，導致隨二沉池固體負荷陡升可能出現的大量活性污泥溢出。俄亥俄州Akron市再生水廠(chǎng)采用的Step-feed工藝、日本的“3W”法本質(zhì)上也是分點(diǎn)進(jìn)水工藝，可實(shí)現雨天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(shù)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(jìn)一步提升30%～60%（個(gè)別項目處理能力提升達100%）的處理能力。

　?、蹚S(chǎng)-網(wǎng)集成控制

　　實(shí)時(shí)控制系統將管網(wǎng)的控制和污水廠(chǎng)的控制相結合，使污水廠(chǎng)處理能力與管網(wǎng)系統出水量相匹配，可進(jìn)一步提升排水系統的效能。例如，瑞典克拉格斯港通過(guò)使用實(shí)時(shí)控制系統有效利用廠(chǎng)前管網(wǎng)在線(xiàn)調蓄空間來(lái)實(shí)現CSO削減以及調節污水廠(chǎng)的入流量的目標。污水廠(chǎng)根據入流量在線(xiàn)監測數據調整運行狀態(tài)，啟用分點(diǎn)進(jìn)水工藝，在保證出流水質(zhì)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(xiàn)控制工藝和策略

　　排水系統中應用較多的離線(xiàn)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(xiàn)調蓄設施控制

　　從20世紀80年代末開(kāi)始，德國混合污水的滯留開(kāi)始通過(guò)合流制排水系統中的調蓄池實(shí)現以達到CSO排放要求。調蓄池在管網(wǎng)負荷達到一定條件時(shí)開(kāi)啟，收納合流制污水，在管網(wǎng)恢復輸送能力時(shí)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(jiàn)圖4。如20世紀90年代開(kāi)始，哥本哈根興建了大量的調蓄池和泵站，數量達到了80個(gè)。在這一階段，通過(guò)實(shí)時(shí)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(shí)間，還降低了泵站在旱天的電耗。又如昆明市曾在主城區修建多個(gè)調蓄池，對城市內澇和溢流控制起到了重要作用，同時(shí)建立了系統的監控網(wǎng)絡(luò )，開(kāi)展了一池一策的控制策略研究，總結了成套的運行規則，正在開(kāi)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(zhù)源頭雨水控制、雨水就地回用技術(shù)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(shí)綠色基礎設施可以實(shí)現對雨水的就地利用。實(shí)時(shí)控制系統可采用基于降雨預測的主動(dòng)控制策略來(lái)最大程度利用系統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，使用實(shí)時(shí)控制系統對水質(zhì)-流量進(jìn)行控制，控制雨水徑流凈化效果，為灌溉提供干凈水源，同時(shí)提升受納水體水質(zhì)。該項目通過(guò)構建水質(zhì)模型，評估系統對污染物的凈化潛力；通過(guò)監測蓄水池水質(zhì)，實(shí)時(shí)調整入流量，保證水質(zhì)凈化效果；通過(guò)監測蓄水池水位，判斷上游預測降雨-徑流量與蓄水池剩余能力的關(guān)系。當預測蓄水池能力即將不足時(shí)，通過(guò)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(shí)施每年可以節約400萬(wàn)加侖飲用水，提升了超過(guò)50%的污染物去除率。Bolivar Park雨水管理項目工藝見(jiàn)圖5。

　　隨著(zhù)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(shí)時(shí)控制技術(shù)可最大限度提高設施利用效率。

　　2.3“廠(chǎng)-網(wǎng)-河”綜合控制

　　廠(chǎng)-網(wǎng)-河系統的聯(lián)合控制，進(jìn)一步將受納水體水質(zhì)信息納入監測系統?；趯ο到y內澇、CSO、污水廠(chǎng)運行以及河道水質(zhì)的綜合影響，廠(chǎng)-網(wǎng)-河綜合控制通過(guò)模擬預測和過(guò)程控制規則，為各控制單元和模塊、控制機構如閘閥、孔口、堰門(mén)、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(chǎng)的各個(gè)組成單元存儲及處理工藝制定最優(yōu)運行控制規則。

　　早在20世紀90年代后期，Schütze等就開(kāi)始開(kāi)展污水系統綜合控制的研究，提出并構建了實(shí)時(shí)控制基準模型（Baseline Model）?；鶞誓Ｐ椭械墓芫W(wǎng)部分由來(lái)自德國合流制管道設計指南的真實(shí)案例概化而來(lái)，污水處理廠(chǎng)部分來(lái)自于英國諾維奇污水處理廠(chǎng)，并添加45km虛擬河流。該基準模型可實(shí)現排水系統水量和水質(zhì)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中的基本控制要素、結構和運行模式，為日后的廠(chǎng)-網(wǎng)-河聯(lián)合控制研究提出了一個(gè)概化的、綜合的、有代表性的研究框架。多個(gè)研究團隊基于基準模型開(kāi)展了以污水系統綜合管理為目標的實(shí)時(shí)控制相關(guān)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(chǎng)降雨下CSO、污水廠(chǎng)尾水與河道水質(zhì)指標（NH3-N，DO）以及降雨強度的關(guān)系，為不同降雨條件下，污水廠(chǎng)處理量控制、CSO控制和河道水質(zhì)達標控制提供了決策依據。

　　03 實(shí)時(shí)控制模型及算法

　　3.1 模型研究

　　模型是進(jìn)行狀態(tài)預測的重要工具，排水系統實(shí)時(shí)控制使用到的模型可分為面向過(guò)程的模型和面向控制的模型。最常見(jiàn)的面向過(guò)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(zhì)量和能量的守恒關(guān)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(guò)程，但是計算的復雜性決定了這類(lèi)模擬需要消耗較長(cháng)的運算時(shí)間。此外，也有一些案例中用到了污水處理廠(chǎng)模型與管網(wǎng)模型綜合分析。污水處理廠(chǎng)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(guò)程。

　　與面向過(guò)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(shí)間，主要適用于復雜的大規模排水系統。面向控制的模型主要是簡(jiǎn)化模型和概念模型。由于簡(jiǎn)化了一部分系統動(dòng)態(tài)，所以面向控制的模型計算精度降低。

　?、俸?jiǎn)化模型：圣維南方程在穩態(tài)條件下可以線(xiàn)性化表示流量和液位的關(guān)系，以此為基礎的線(xiàn)性化簡(jiǎn)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中主要設施進(jìn)行概化，可根據監測數據進(jìn)行參數調整，以提高模擬結果的可靠性。在實(shí)際應用中，模型預測控制（Model Predictive Control,簡(jiǎn)稱(chēng)MPC）常與眾多優(yōu)化算法結合，為系統計算出最佳的控制指令。而MPC特有的有限時(shí)域滾動(dòng)優(yōu)化機制，可以抵消因模型簡(jiǎn)化而帶來(lái)的不精確。以MPC為控制核心的實(shí)時(shí)控制系統在歐洲、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行器的控制命令。排水系統常用的實(shí)時(shí)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(lèi)。

　　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(wú)法保證得到最優(yōu)解。啟發(fā)算法主要包含規則控制法RBC和模糊邏輯控制法（Fuzzy Logic Control,簡(jiǎn)稱(chēng)FLC）。RBC是最簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)控制實(shí)現方式，但是規則設計、運行效果和維護都依賴(lài)專(zhuān)家經(jīng)驗。與RBC相比，FLC可以為系統的優(yōu)化運行提供更多控制方案。在德國的威廉港，FLC系統根據在線(xiàn)監測數據實(shí)時(shí)控制兩座泵站的抽水量，從而充分利用管網(wǎng)調蓄能力，在穩定控制污水進(jìn)水量的同時(shí)降低了40%的溢流量。

　　常見(jiàn)的優(yōu)化控制算法主要包括種群動(dòng)力學(xué)控制算法、進(jìn)化策略（Evolutionary Strategy，簡(jiǎn)稱(chēng)ES）和線(xiàn)性二次型最優(yōu)控制（Linear Quadratic Regulator，簡(jiǎn)稱(chēng)LQR)等。Ramírez-Llanos等應用種群動(dòng)力學(xué)控制算法在調蓄池進(jìn)水過(guò)程中根據各調蓄池的剩余蓄水能力,分配調蓄池進(jìn)水量，結合PID控制調節各調蓄池的水位達到動(dòng)態(tài)平衡；調蓄池排空時(shí)，根據下游管網(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進(jìn)行實(shí)時(shí)控制系統升級改造時(shí)，采用了遺傳算法對復雜的目標函數求解，為系統各受控位置計算設定值。Marinaki等人研究了LQR在排水系統削減CSO和均勻分配水量方面的效果。

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

　　3.3 降雨預測模型與實(shí)時(shí)控制的耦合

　　降雨預測也是實(shí)時(shí)控制系統執行的關(guān)鍵環(huán)節之一。通過(guò)未來(lái)一段時(shí)間內的降雨強度預測數據，可以預測未來(lái)各子匯水區的徑流量，進(jìn)而預測排水系統各位置的水量和水質(zhì)狀態(tài)，為優(yōu)化控制提供重要的決策信息。常見(jiàn)的降雨預測可以通過(guò)降雨雷達預測或數學(xué)模型預測實(shí)現。在哥本哈根的實(shí)時(shí)控制系統中，利用雷達提供降雨預測數據，利用雨量計監測數據進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準，從而為實(shí)時(shí)控制系統提供可靠的雨量輸入信息?；谀Ｐ偷慕涤觐A測可以使用自回歸滑動(dòng)平均模型等方式實(shí)現。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實(shí)際獲取數據的條件和要求選擇預測方法。

　　04 建設實(shí)時(shí)控制系統的效益

　　4.1 提升系統彈性和設施效能

　　實(shí)時(shí)控制系統最主要目標就是實(shí)現排水系統各要素能力的協(xié)同與匹配，發(fā)揮各單元最大效率，進(jìn)而降低洪澇、削減CSO并改善污水廠(chǎng)運行效率，最終實(shí)現最低代價(jià)下對受納水體水質(zhì)的改善，也就是通過(guò)硬件設施與軟件控制系統協(xié)同構建高效、穩定和可持續的排水系統。歐美幾十年來(lái)已經(jīng)有大量案例證明了實(shí)時(shí)控制對提升系統彈性和設施效能的效果，如魁北克Westerly排水系統從1999年建成之初就是一個(gè)多目標的全局優(yōu)化實(shí)時(shí)控制系統。通過(guò)截污干管、深隧和污水處理廠(chǎng)流量的優(yōu)化，實(shí)時(shí)控制系統在2000年單場(chǎng)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(shí)時(shí)控制系統可以削減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(guò)實(shí)時(shí)控制過(guò)程中對系統流量和水質(zhì)的同時(shí)考量，不僅使污水廠(chǎng)的處理能力提高33%，城市內澇減少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(mén)和泵站對合流制系統的調蓄區域進(jìn)行全局優(yōu)化控制，不但穩定了污水廠(chǎng)廠(chǎng)前泵站流量，也削減了全系統的合流制溢流。在區域性降雨條件下可實(shí)現13.26%溢流量削減，大范圍降雨條件下可實(shí)現2.4%溢流量削減。

　　4.2 建設和運維成本削減

　　與傳統的控制方式相比，在相同的系統運行目標下，采用實(shí)時(shí)控制可以顯著(zhù)縮減調蓄池、泵站、污水廠(chǎng)等設施的新建規模，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(guān)系，實(shí)時(shí)控制的成本效益優(yōu)勢十分明顯?？笨薟esterly排水系統，通過(guò)建設實(shí)時(shí)控制系統，在同一控制目標下，建設投資降低了83.2%。

　　實(shí)時(shí)控制系統的長(cháng)期運維成本與傳統控制方案相比也具有優(yōu)勢。一方面，實(shí)時(shí)控制降低了內澇和溢流頻率，從而降低了設施維修成本；另一方面，實(shí)時(shí)控制長(cháng)期運行積累的數據可以幫助運維人員及時(shí)發(fā)現問(wèn)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(zhì)量。例如，魁北克的實(shí)時(shí)控制系統的長(cháng)期運維投資相較傳統方案節約22%。

　　4.3 改善受納水體水質(zhì)

　　研究表明，通過(guò)廠(chǎng)-網(wǎng)-河的聯(lián)合調度，實(shí)時(shí)控制系統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(shí)時(shí)控制系統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(jìn)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(zhì)的影響，進(jìn)而可以進(jìn)行降雨事件對受納水體的生態(tài)及毒理學(xué)評估。實(shí)時(shí)控制的短期運行可能對水體水質(zhì)的提升效果有限，但是在長(cháng)期運行條件下，實(shí)時(shí)控制系統可以有效提升水環(huán)境質(zhì)量，有助于實(shí)現受納水體水質(zhì)穩定達標。

　　05 討論和展望

　?、賹?shí)時(shí)控制具有明顯的經(jīng)濟和環(huán)境效益。大量實(shí)際的工程案例已經(jīng)證明了實(shí)時(shí)控制系統具有提高單體設施使用效能、減少系統污染水平、降低城市內澇風(fēng)險、提升污水處理廠(chǎng)運行穩定性、減少系統建設和運維投資、提升水體水質(zhì)等綜合效應。

　?、谠谖覈?，實(shí)時(shí)控制應在做好污水系統提質(zhì)增效的基礎上逐步開(kāi)展，并同步開(kāi)展實(shí)時(shí)控制的評估和設計。盡管選擇實(shí)時(shí)控制系統會(huì )帶來(lái)許多優(yōu)勢，但是針對我國的排水系統現狀，尤其是排水管網(wǎng)高水位運行的問(wèn)題，實(shí)時(shí)控制的實(shí)施仍面臨一些挑戰，因此污水系統的提質(zhì)增效工作是大部分城市開(kāi)展實(shí)時(shí)控制的前提。其次，無(wú)論是從系統的運行表現、生態(tài)環(huán)境效益還是投資成本控制方面考慮，實(shí)時(shí)控制的設計工作都應該盡早啟動(dòng)，從而避免不合理的排水系統建設方案對日后實(shí)時(shí)控制的設計和實(shí)施造成困難，增加改造成本。然后，對城市排水系統的實(shí)時(shí)控制改造，應先進(jìn)行現有排水系統設施的匹配性評估，以分析排水系統的瓶頸和實(shí)時(shí)控制實(shí)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?shí)時(shí)控制下一步研究重點(diǎn)將以基于水質(zhì)目標管理的排水系統綜合控制和相關(guān)實(shí)施技術(shù)為主。隨著(zhù)水環(huán)境治理要求的提高和實(shí)時(shí)控制技術(shù)的成熟，以水質(zhì)優(yōu)化為目標的實(shí)時(shí)控制策略逐步得到重視?；谒|(zhì)目標管理的城市排水系統綜合實(shí)時(shí)控制相關(guān)技術(shù)，如策略研究和綜合模型研究將是未來(lái)一段時(shí)間的研究重點(diǎn)。在基于水質(zhì)目標管理的實(shí)時(shí)控制項目實(shí)施中，合流制系統中嚴苛環(huán)境下的污染物在線(xiàn)監測仍然是巨大的挑戰，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(lái)實(shí)現。

　?、軐?shí)時(shí)控制也需要進(jìn)一步探索數據驅動(dòng)給系統建模和優(yōu)化計算帶來(lái)的改進(jìn)空間。隨著(zhù)傳感和通信技術(shù)的快速發(fā)展，大量數據的獲取使系統識別和優(yōu)化計算方面取得突破性進(jìn)展。排水系統的實(shí)時(shí)控制可以通過(guò)結合先進(jìn)的數據處理和分析方法來(lái)探索進(jìn)一步提高排水系統性能的建模和優(yōu)化方法。

作者簡(jiǎn)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數字化、智能化管理技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)，城市水環(huán)境及治理方案綜合模擬研究相關(guān)工作。

編輯：王媛媛