本發(fā)明涉及城市污水?dāng)?shù)據(jù)處理，具體涉及基于廠網(wǎng)一體的城市污水處理系統(tǒng)水量調(diào)度方法、系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、城市污水系統(tǒng)主要由地下（排水）管網(wǎng)、污水處理廠以及受納水體構(gòu)成。當(dāng)前，全球氣候變化導(dǎo)致極端天氣事件頻發(fā)，對(duì)城市污水基礎(chǔ)設(shè)施帶來了前所未有的壓力，進(jìn)而影響了城市地區(qū)的用水安全與水環(huán)境質(zhì)量。面對(duì)城市內(nèi)澇和合流制溢流（cso）的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的城市污水處理運(yùn)行調(diào)控模式已顯不足。因此，“廠網(wǎng)一體化”的聯(lián)合調(diào)控策略應(yīng)運(yùn)而生，它被視為一種有效的手段，用以預(yù)防城市內(nèi)澇和雨季污水溢流風(fēng)險(xiǎn)，有效降低運(yùn)營(yíng)成本，并進(jìn)一步保障水環(huán)境質(zhì)量。

2、城市污水處理系統(tǒng)的“廠網(wǎng)一體化”調(diào)度是指對(duì)排水管網(wǎng)、污水處理廠以及受納水體實(shí)施協(xié)同調(diào)度，旨在實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的整體環(huán)境效益。調(diào)度策略核心在于實(shí)現(xiàn)水量?jī)?yōu)化配給，目前主要存在三個(gè)主要問題：

3、一是污水處理廠與排水管網(wǎng)間水量協(xié)調(diào)性不足，導(dǎo)致污水處理廠的處理能力與管網(wǎng)收集能力不匹配，進(jìn)而引起污水溢流，對(duì)周邊水環(huán)境造成嚴(yán)重威脅；

4、二是城市各污水處理廠之間的負(fù)荷分配不均，部分處理廠超負(fù)荷運(yùn)行而其他廠則未充分利用，影響了污水處理系統(tǒng)的綜合效益；

5、三是相關(guān)研究普遍聚焦在污水處理廠尾水排放對(duì)受納水體的影響，對(duì)運(yùn)營(yíng)成本、溢流風(fēng)險(xiǎn)和積水問題的綜合評(píng)估和考量不足。最終，限制了城市污水處理系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益方面的最優(yōu)表現(xiàn)。

6、現(xiàn)有技術(shù)中，也出現(xiàn)了一些基于多目標(biāo)的廠網(wǎng)一體的城市污水處理系統(tǒng)水量調(diào)度的研究，比如中國(guó)專利文件cn112950096a公開了廠網(wǎng)河一體化分類智能調(diào)度方法。其技術(shù)主要存在以下問題：

7、（1）在將費(fèi)用作為目標(biāo)的水安全調(diào)度場(chǎng)景模型和水環(huán)境調(diào)度場(chǎng)景模型上，僅單一考慮泵站運(yùn)行費(fèi)用，實(shí)際工程商污水廠運(yùn)行費(fèi)用才是整個(gè)系統(tǒng)的主要運(yùn)行成本，單一追求泵站的運(yùn)行費(fèi)用，可能造成后面污水處理成本大幅度增加。

8、（2）水安全和水生態(tài)調(diào)度模式切換對(duì)實(shí)際工程支撐有限，因?yàn)橥黄瑓^(qū)的尾水不是匯入主干流就是支流，改變空間有限。

9、（3）只考慮廠前溢流，實(shí)際工程中是污水廠不愿意接納更多的污水，關(guān)閉廠前的閘門，沒有及時(shí)執(zhí)行調(diào)度命令，因此，不能單一依靠他的廠前溢流量來判斷。

10、總之，現(xiàn)有技術(shù)中選用的參數(shù)及基于參數(shù)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型對(duì)于實(shí)際工程來說，難以應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供基于廠網(wǎng)一體的城市污水處理系統(tǒng)水量調(diào)度方法、系統(tǒng)，該方法以降低污水處理系統(tǒng)運(yùn)行成本與提升下游河道水質(zhì)（受納水體）的雙重目標(biāo)進(jìn)行污水處理廠之間的調(diào)度控制，其能夠應(yīng)用于實(shí)際工程。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下所述：

3、基于廠網(wǎng)一體的城市污水處理系統(tǒng)水量調(diào)度方法，其實(shí)現(xiàn)包括以下步驟：

4、步驟s1：采集模型構(gòu)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

5、步驟s2：基于采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建以最小化年度運(yùn)營(yíng)成本和最大化目標(biāo)污染物削減量為目標(biāo)的優(yōu)化模型；

6、步驟s3：輸入污水處理量數(shù)據(jù)，采用多目標(biāo)算法對(duì)優(yōu)化模型求解，輸出水量調(diào)度方案；

7、上述步驟s2中構(gòu)建所述優(yōu)化模型如下：

8、?（1）

9、??（2）

10、?????（3）

11、????（4）

12、式（1）和式（2）中，x為決策變量，代表構(gòu)成污水處理系統(tǒng)的各污水廠的水量配給比例；r為最小乘數(shù)；為原始目標(biāo)函數(shù)；為期望達(dá)到的目標(biāo)函數(shù)；為各目標(biāo)的權(quán)重；與分別代表不等式與等式約束條件；約束決策變量x的取值范圍；代表滿足條件；為代表兩個(gè)目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)之間距離最??；

13、式（3）和式（4）中，yn為第n座污水廠的年度運(yùn)營(yíng)成本；rn為第n座污水廠的年度目標(biāo)污染物削減量，n=1，......，m；m為區(qū)域污水廠總個(gè)數(shù)；

14、其中目標(biāo)污染物為一種單一特征污染物或者至少兩種綜合污染物。

15、作為一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟s3中，采用多目標(biāo)算法對(duì)優(yōu)化模型求解的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下過程：

16、步驟s31：基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)定各污水廠的水量分配閾值，調(diào)用fmincon函數(shù)，分別求得object1和object2的最優(yōu)解；并構(gòu)建如下關(guān)系：

17、

18、

19、步驟s32：調(diào)用fgoalattain函數(shù)，讓r最小，獲得不同下，同時(shí)滿足object1和object2雙目標(biāo)的結(jié)果;

20、其中，為代表兩個(gè)目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)之間距離最?。籸為最小乘數(shù)；為各目標(biāo)的權(quán)重。

21、作為一種優(yōu)選技術(shù)方案，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括污水處理系統(tǒng)的邊界條件；

22、邊界條件包括構(gòu)成污水處理系統(tǒng)的各污水處理廠的水量限值、泵站水量負(fù)荷、目標(biāo)污染物、運(yùn)行成本計(jì)價(jià)方式；水量限值包括：生化反應(yīng)保證量、協(xié)議保底水量、設(shè)計(jì)規(guī)模水量、kz折算最大水量；其中，生化反應(yīng)保證量：是指污水廠想要保障基本生物處理能力的基本水量。協(xié)議保底水量：是污水廠在簽訂特許經(jīng)營(yíng)協(xié)議時(shí)候約定的最低水量。設(shè)計(jì)規(guī)模水量：是污水廠設(shè)計(jì)的水量處理規(guī)模。kz折算最大水量：代表污水廠能夠處理的最大水量負(fù)荷。

23、作為一種優(yōu)選技術(shù)方案，上述步驟s31中，設(shè)定各污水廠的水量分配閾值是基于污水廠的生化反應(yīng)保證量、協(xié)議保底水量、設(shè)計(jì)規(guī)模水量、kz折算最大水量設(shè)定的。

24、污水廠的年度目標(biāo)污染物削減量為綜合污染物時(shí)，年度目標(biāo)污染物削減量rn的獲取方式包括以下步驟：

25、步驟a1:選擇若干個(gè)污染物指標(biāo)，將對(duì)應(yīng)的污染物削減量作為參數(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)矩陣，數(shù)據(jù)矩陣如下：

26、

27、其中，a代表樣本數(shù)；b代表指標(biāo)數(shù)；代表第j項(xiàng)污染物指標(biāo)的第i個(gè)樣本的值，即單位污染物削減量；x為水質(zhì)指標(biāo)原始矩陣；

28、步驟a2：歸一化矩陣計(jì)算；計(jì)算公式如下：

29、

30、

31、式中，為矩陣x中的最小值；為矩陣x中的最大值；代表歸一化后的第j項(xiàng)污染物指標(biāo)的第i個(gè)樣本的值；為水質(zhì)指標(biāo)歸一化矩陣；

32、步驟a3：計(jì)算熵權(quán)：

33、

34、

35、

36、

37、式中，代表第j項(xiàng)指標(biāo)中第i個(gè)樣本的權(quán)值；為第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值，≥0；λ為玻爾茲曼常數(shù)，λ=1/ln(a)，()；為第?j?項(xiàng)指標(biāo)的變異指數(shù)；為第j項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)；

38、步驟a4：綜合污染物削減量計(jì)算：

39、

40、式中：為第i個(gè)樣本的綜合污染物削減量；與分別為第j?項(xiàng)指標(biāo)的第i個(gè)樣本的進(jìn)出廠污染物濃度；為污水處理量。

41、作為一種優(yōu)選方式，污水廠的年度目標(biāo)污染物為單一特征污染物時(shí)，年度目標(biāo)污染物削減量為特征污染物的年度削減量。

42、

43、式中：a為樣本數(shù)；為第i個(gè)樣本的特征污染物削減量；與分別為指標(biāo)的第i個(gè)樣本的進(jìn)出廠污染物濃度；為污水處理量。

44、作為一種優(yōu)選技術(shù)方案，還包括步驟s4，步驟s4：基于輸出的水量調(diào)度方案執(zhí)行水量調(diào)度，控制各污水廠的進(jìn)出水

45、作為一種優(yōu)選方式，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括污水處理系統(tǒng)的邊界條件；

46、作為一種優(yōu)選方式，所述污水廠的年度運(yùn)營(yíng)成本計(jì)算公式根據(jù)污水廠的污水處理費(fèi)的實(shí)際付費(fèi)方式及進(jìn)水方式建立公式進(jìn)行計(jì)算，付費(fèi)方式包括但不限于按效付費(fèi)、成本固定、成本加成中任意一種；

47、按效付費(fèi)是指污水處理費(fèi)包括污染物削減費(fèi)用與水費(fèi)；

48、成本固定是指污水處理費(fèi)為固定單價(jià)；

49、成本加成是指污水處理費(fèi)包括可變成本、固定成本、凈利潤(rùn)、所得稅；

50、進(jìn)水方式包括重力流方式和泵站提升方式，其中重力流方式不產(chǎn)生電費(fèi)，泵站提升方式產(chǎn)生電費(fèi)作為運(yùn)營(yíng)成本；

51、基于此，污水廠的年度運(yùn)營(yíng)成本yn的計(jì)算方法有多種，由于成本計(jì)算為數(shù)學(xué)常識(shí)，因此，本技術(shù)對(duì)不運(yùn)營(yíng)成本yn的計(jì)算方法做出明確限定；

52、但是值得說明的時(shí)，無論何種污水處理費(fèi)費(fèi)的付費(fèi)方式，皆與污水處理量掛鉤，即與污水廠的年度運(yùn)營(yíng)成本與各污水廠的水量配給比例x具有直接關(guān)系，可以根據(jù)不同的合同約定的費(fèi)用收取方式，用公式表達(dá)。

53、基于廠網(wǎng)一體的城市污水處理系統(tǒng)水量調(diào)度系統(tǒng)，包括工程邊界界定模塊、歷史數(shù)據(jù)收集分析模塊、優(yōu)化模型模塊、控制模塊；

54、工程邊界界定模塊，采集各污水處理廠的水量限值、泵站水量負(fù)荷；采集目標(biāo)污染物名稱、采集計(jì)算污水廠年度運(yùn)行成本所需數(shù)據(jù)、采集各污水廠水量處理配給比例數(shù)據(jù)、采集各污染物的單位削減量；從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用污染物處理公式計(jì)算包括目標(biāo)污染物在內(nèi)的各污染物削減量；調(diào)用與合同約定的費(fèi)用計(jì)算方式匹配的計(jì)算公式計(jì)算各污水廠年度運(yùn)行成本。

55、歷史數(shù)據(jù)收集模塊，導(dǎo)入歷史數(shù)據(jù)，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到歷史污水處理量、歷史降水量，歷史降水量與歷史污水處理量的關(guān)系，歷史上降水量與水量分配比例的關(guān)系，并生成關(guān)系圖；歷史數(shù)據(jù)包括歷史各年度的降雨量、各年度的污水處理量、水量分配比例、污染物削減量、運(yùn)營(yíng)成本。

56、優(yōu)化模型模塊，調(diào)用優(yōu)化模型，輸入控制策略和污水處理量，輸出優(yōu)化結(jié)果，輸入控制策略即輸入object1與object2的比例關(guān)系；輸出優(yōu)化結(jié)果即輸出水量分配比例x。

57、控制模塊，基于輸出的優(yōu)化結(jié)果執(zhí)行水量分配調(diào)度方案；控制模塊包括各污水處理廠的進(jìn)水控制系統(tǒng)、出水控制系統(tǒng)。

58、作為一種優(yōu)選方式，優(yōu)化模型模塊中，污水處理量為從歷史數(shù)據(jù)收集模塊中調(diào)用的污水處理量。

59、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

60、本發(fā)明中，優(yōu)化模型以污水廠的整體運(yùn)營(yíng)費(fèi)和污水處理廠污染物削減量用來作為目標(biāo)，從而有效的應(yīng)用于實(shí)際工程，降低成本。

61、本發(fā)明中，構(gòu)建優(yōu)化模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括了邊界條件，考慮污水廠的設(shè)計(jì)水量處理能力，充分發(fā)揮污水廠的雨季兜底作用，不單一依靠廠前溢流量來判斷。

62、基于上述目標(biāo)和實(shí)際工程的實(shí)用性考量，本發(fā)明搭建了不同的優(yōu)化模型框架，以實(shí)現(xiàn)污水廠之間的水量調(diào)度。