《城市排水系统实时控制方法研究进展》魔法香蕉nanb

4、4.城市排水系统实时控制方法的应用前景

　　4.1 城市排水系统实时控制的应用情景
　　4.1.1 提升系统弹性和设施效能
　　城市排水系统优化控制的主要目标是协同和匹配城市排水系统各要素的能力，发挥各单元的最大效率，从而降低洪涝和合流制溢流，并提高污水处理厂的运行效率。最终目标是在最低代价下改善受纳水体的水质。通过硬件设施和软件控制系统的协同构建，可以实现高效、稳定和可持续的排水系统。数十年来，欧美已经有很多实例证明了优化控制对于提高系统弹性和设施效能的效果。
　　例如，魁北克Westerly排水系统是一个多目标的全局优化实时控制系统。通过截污干管和污水处理厂流量的优化，该系统在2000年单场降雨的单体设施溢流量削减率可达40%～100%。在丹麦的伦多特，实时控制系统可以削减10%以上的合流制溢流，提高调蓄设施的利用率[[[] Meneses E J，Gaussens M，Jakobsen C，etc． Coordinating rule-based and system-wide model predictive control strategies to reduce storage expansion of combined urban drainage systems: The case study of Lundtofte, Denmark[J].Water, 018．]]。在西班牙的巴达洛纳，通过实时控制系统对系统流量和水质同时进行考量，不仅将污水处理厂的处理能力提高33%，减少城市内涝28%，而且降低污染负荷20%，更好地保护了水体环境[[[] Sun C C，Romero L B，Joseph-Duran B，et al． Integrated pollution-based real-time control of sanitation systems [J]. J Environ Manage, 2020, 269: 110798．]]。在奥地利，全局优化控制的闸门和泵站对合流制系统的调蓄区域进行管理，稳定了污水处理厂厂前泵站流量，削减了全系统的合流制溢流。在区域性降雨条件下，实现13.26%的溢流量削减，在大范围降雨条件下，可实现2.4%的溢流量削减。
　　4.1.2 建设和运维成本削减
　　相较于传统的控制方式，优化控制在相同的系统运行目标下，可以显著缩减调蓄池、泵站、污水处理厂等设施的新建规模，并降低管网改造成本。Dirckx[[[] Dirckx G，Schütze M，Kroll S，et al． RTC versus static solutions to mitigate CSO ’ s impact． The Proceedings of 12th International Conference on Urban Drainage[C]． Brazil: IWA，2011．]]等人比较了不同升级改造方案下溢流量削减率与投资成本之间的关系，发现城市排水系统优化控制的成本效益优势十分明显。例如，魁北克Westerly排水系统通过建设实时控制系统，在相同的控制目标下，建设投资降低了83.2%。
　　此外，优化控制系统在长期运维成本上也具有优势。一方面，降低了内涝和溢流频率，从而降低了设施维修成本；另一方面，长期运行积累的数据可以帮助运维人员及时发现问题，从而由“事后补救”转变为“事前预防”，提高了运维效率和质量。因此，城市排水系统优化控制具有较高的经济效益和长期的运维成本优势。
　　4.2 城市排水系统实时控制的挑战
　　4.2.1 实时控制系统相关的风险
　　尽管优化控制系统有许多优点，但是需要明确考虑相关的风险。主要的风险来源于信息失误、执行机构失效、预报误差、系统行为和恶意攻击。包括故障诊断以应对潜在的故障可以提高系统稳定性。Puig[[[] Puig, V. Fault diagnosis and fault tolerant control using set-membership approaches: application to real case studies[J]. International Journal of Applied Mathematics and Computer Science ,2020,20 (4), 619–635.]]等展示了一种集合成员方法，重新定义约束条件集合的优化函数，从而减少执行机构失效所带来的额外损害。由于模型和传感器输出存在固有的大量不确定性，因此故障诊断仍然存在问题。对于流量限制设备，应确保在故障模式下没有完全关闭执行机构的失败机制。这些故障可能会导致溢流和洪水增加，虽然还没有这种形式的故障报告，但它们仍然是潜在的威胁。
　　持续监测实时控制系统的性能有助于减轻风险，通过早期检测恶意行为者和传感器故障。在监测网络中增加冗余（在同一位置添加多个传感器）可以缓解一些传感器故障，但同时也会增加总体实时控制系统成本。然而，确保风险缓解的方法仅限于传感器和执行机构性能的容错，单靠这一点还不足以确保实时控制系统长期的优化性能。
　　4.2.2 优化算法相关的风险
　　城市排水系统的优化控制是一个多维度、多阶段的决策优化问题。虽然增加可控设施（例如闸门）的数量可以提高系统的调蓄能力，但同时也会使得控制策略的优化空间呈指数级扩大，进而增加了优化问题的复杂性和不确定性，容易导致优化计算陷入局部最优解[[[] MAIER H R, RAZAVI S, KAPELAN Z, etc . Introductory overview: Optimization using evolutionary algorithms and other metaheuristics[J]. Environmental Modelling & Software, 2019, 114: 195-213.]]。因此，要想在城市排水系统中实现MPC方法的应用效果，就必须寻求稳定高效的优化算法，或者平衡可控设施设置数量与优化控制效率和效果之间的关系，这是提高MPC方法应用效果的重要途径。