智慧环保前沿技术丛书--城市供水系统智能优化与控制

本书详细介绍了智能优化和控制方法在城市供水系统中的重要作用和巨大潜力，主要包括智能优化和运行控制两大部分，涵盖了从管网设计到供水过程系统控制的主要理论、设计方法和应用实例。在介绍成果的同时，也加入了城市供水系统的研究背景和现状、供水系统模型、常见优化和控制方法等基础内容，以方便读者阅读。
本书适合从事自动控制理论与技术、城市供水系统智能优化领域的专业研究人员和工程技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业研究生及高年级本科生的教材和参考书。

乔俊飞，北京工业大学教授、博士生导师，环保自动化领域专家。国家自然科学基金创新群体项目负责人，教育部"长江学者奖励计划"特聘教授，国家杰出青年基金获得者，国家级百千万人才工程入选者，享受国务院特殊津贴专家。现任智慧环保北京实验室主任、智能感知与自主控制教育部工程中心主任，兼任中国人工智能学会常务理事，中国自动化学会理事。
长期从事计算智能与智能优化控制领域研究工作，在污染防治过程智能特征检测、自组织控制和多目标动态优化方面取得开创性成果，多项成果已广泛应用于环保企业生产实践，取得了显著的经济、社会和生态效益。

傅安琪，北京工业大学副教授、硕士生导师。2018年毕业于荷兰代尔夫特理工大学，后赴英国帝国理工大学做博士后。主要研究复杂动态系统智能建模与优化控制、城市智能供水系统等。主持国家自然科学基金青年项目、共同牵头北京市自然科学基金丰台轨道交通前沿研究联合基金重点研究专题项目等。发表论文20余篇，授权/申请中国发明专利5件，荣获中国自动化学会科技进步奖一等奖等。

潘广源，临沂大学副教授，山东省海外科技人才、临沂大学"沂蒙学者"，中国自动化学会环境感知与保护自动化专业委员会委员，中国人工智能学会工业人工智能专业委员会委员。2016年毕业于北京工业大学，加拿大维多利亚大学博士联合培养、加拿大滑铁卢大学博士后、香港中文大学助理研究员、南方科技大学访问学者。主要从事人工智能与机器学习、智能系统的优化与控制研究，主持国家自然科学基金青年项目，参与国内外自然科学基金，发表学术论文40余篇，授权/申请发明专利6件。

李云峰，北京市自来水集团智慧供水专业委员会主任、计划生产部经理，高级经济师。曾任集团网信部经理，多年从事供水行业数字化转型和信息化建设的规划和实施工作。获北京水务科技进步一等奖2项，北京市企业管理现代化创新成果一等奖3项、二等奖4项。发表论文10余篇，授权软件著作权10余项。

1.深入剖析了城市供水系统的结构、存在的问题和研究现状，为城市供水系统智能优化与运行控制的研究提供了研究背景；
2.详细讨论了城市供水系统的模型，包括供水网络模型、水箱系统模型和运河系统模型，为城市供水系统的研究奠定了基础；
3.详细综述了适用于城市供水系统的智能优化方法和智能控制方法，为城市供水系统智能优化与运行控制提供了理论依据；
4.详细阐释了针对城市供水管网单目标优化和多目标优化目的而改进的智能优化方法，并结合典型供水管网模型，演示了改进的优化算法的可行性；
5.详细阐释了针对城市供水系统的分布式智能控制方法，给出了控制器和传输协议结合设计的方法，并展示了设计方法在实验室级别智能水分布系统测试平台上的实验结果；阐释了针对城市供水系统的远程分布式供水系统优化控制方法，给出了适用于远程分布式控制的控制器、通信协议和通信技术结合的设计方法，并展示了设计方法在半物理仿真平台上的运行结果；
6.设计了针对城市供水管网的智能管理系统，为实现供水系统智能管理提供了平台。

随着人类社会文明的进步和公众环保意识的增强，科学合理地利用自然资源，全面系统地保护生态环境，已经成为世界各国可持续发展的必然选择。环境保护是指人类科学合理地保护并利用自然资源，防止自然环境受到污染和破坏的一切活动。环境保护的本质是协调人类与自然的关系，维持人类社会发展和自然环境延续的动态平衡。由于生态环境是一个复杂的动态大系统，实现人类与自然和谐共生是一项具有系统性、复杂性、长期性和艰巨性的任务，必须依靠科学理论和先进技术的支撑才能完成。
面向国家生态文明建设，聚焦污染防治国家重大需求，北京工业大学“环保自动化”研究团队瞄准人工智能与自动化学科前沿，围绕空气质量监控、水污染治理、城市固废处理等社会共性难题，从信息学科的视角研究环境污染防治自动化、智能化技术，助力国家打好“蓝天碧水净土”保卫战。作为国内环保自动化领域的拓荒者，研究团队经过二十多年的潜心钻研，在水环境智能感知与智慧管控，城市污水处理过程智能优化控制，城市供水系统智能优化与控制，城市固废焚烧过程智能优化控制以及空气质量智能感知、识别与监控等方面取得了重要进展，形成了具有自主知识产权的环境质量感知、自主优化决策、智慧监控管理等环境保护新技术。为了促进人工智能与自动化理论发展和环保自动化技术进步，更好地服务国家生态文明建设，团队在前期研究的基础上，总结凝练成“智慧环保前沿技术丛书”，希望为我国环保智能化发展贡献一份力量。
本书的主要内容包括城市供水现状分析、供水管网分析与建模方法、供水系统组成与动力学模型、不同类型城市管网优化设计、供水管网健康监测及智能管理、城市供水系统智能控制和优化调度等，为城市供水系统智能优化和运行控制提供了理论方法和技术基础。本书致力于科学供水、高效供水，涵盖了从管网设计到供水过程控制的主要理论、设计方法和应用实例，旨在解决城市供水系统设计与运行中的优化与控制方面的问题，为提升城市供水水平、降低供水过程资源消耗，实现社会可持续发展和经济可持续增长做出应有的贡献。
本书的研究工作得到国家自然科学基金项目(62021003、61890930) 和科技创新2030“新一代人工智能”重大项目(2021ZD0112301、2021ZD0112302) 的资助。感谢国家自然科学基金委员会、科技部长期以来的支持，使我们团队能够心无旁骛地潜心研究。感谢团队研究生杨少布道、魏新宇、张岩、范飞、戴永吉等同学，他们在资料整理、图形绘制、文字校对等方面做了大量的工作，为本书出版进程的加快和出版质量的提高做出了贡献。感谢城市供水系统领域的国内外专家学者，你们的思想启迪了我们的智慧，你们的成功激励了我们继续前行的勇气，你们的研究工作无疑使本书的内容得到了进一步升华。
由于自动控制、人工智能、给水工程等领域知识体系不断丰富和发展，而作者的知识积累有限，书中难免有不妥之处，敬请广大读者批评指正。

第1章 概述 001
1.1 城市供水系统 002
1.2 城市供水管网的优化 003
1.2.1 传统优化设计方法 004
1.2.2 智能优化设计方法 005
1.3 城市供水系统的控制 008
1.3.1 传统控制方法 009
1.3.2 现代控制方法 010
1.4 城市供水系统优化与调度 012
1.5 本书组织结构 013
参考文献 014

第2章 城市供水管网分析与建模 017
2.1 城市供水管网图论基础 018
2.2 供水管网图形的简化 019
2.3 供水管网水力特性分析 021
2.4 供水管网水力计算方法 023
2.5 供水管网优化设计目标 025
2.5.1 经济性目标函数 026
2.5.2 可靠性目标函数 027
参考文献 030

第3章 城市分布式供水系统模型 033
3.1 概述 034
3.2 常用设备与设备控制 036
3.3 水箱系统模型 041
3.3.1 水箱系统概述 042
3.3.2 系统建模与参数辨识 045
3.3.3 控制器设计 046
3.4 反馈通路网络化的影响与理论 049
3.4.1 无线网络化控制方法 049
3.4.2 混杂系统理论 051
3.4.3 事件触发控制方法 054
3.4.4 无线网络传输技术与协议选取 055
本章附录：水箱系统建模过程 061
参考文献 068

第4章 树状城市管网优化设计 071
4.1 树状管网模型 072
4.1.1 模型介绍及特点 072
4.1.2 优化目标设计与分析 072
4.1.3 优化方法 072
4.2 粒子群优化算法 074
4.2.1 算法介绍 074
4.2.2 优化设计分析 075
4.2.3 改进1：提高后期种群多样性 081
4.2.4 改进2：提高搜索效率 084
4.2.5 改进3：解决初期无目的性问题 087
4.2.6 改进4：全局与局部搜索的平衡 091
4.3 优化结果分析 093
4.3.1 树状管网优化案例1 093
4.3.2 树状管网优化案例2 095
参考文献 097

第5章 环状城市管网优化设计 101
5.1 双环状管网模型 102
5.1.1 模型介绍及特点 102
5.1.2 约束条件设计与分析 102
5.1.3 优化方法 104
5.2 蚁群算法 104
5.2.1 算法介绍 104
5.2.2 标准蚁群算法 106
5.2.3 改进1：提高信息素更新效率 108
5.2.4 改进2：一种高效的搜索机制 109
5.2.5 改进3：信息素更新过程的优化 110
5.2.6 综合改进算法的流程 111
5.2.7 改进算法的性能测试 112
5.3 优化结果分析 114
5.4 多环状管网模型 117
5.4.1 汉诺塔模型介绍及特点 117
5.4.2 可靠性分析 119
5.4.3 基于经济性与可靠性的供水管网模型 122
5.4.4 约束条件设计与分析 123
5.4.5 优化方法 124
5.5 遗传算法 124
5.5.1 算法简介 124
5.5.2 NSGA2 算法 125
5.5.3 两种改进型NSGA2 算法 129
5.5.4 函数测试及评价指标 132
5.5.5 改进型NSGA2 性能测试 133
5.6 优化结果分析 136
参考文献 137

第6章 典型城市管网优化设计 141
6.1 典型城市管网 142
6.1.1 城市管网概述 142
6.1.2 纽约城市管网 142
6.1.3 约束条件设计与分析 145
6.1.4 优化方法 147
6.2 强度Pareto 进化算法 147
6.2.1 强度Pareto 进化算法简介 147
6.2.2 基于参考向量的强度Pareto 进化算法 152
6.2.3 函数测试及评价指标 155
6.2.4 改进型SPEA2 性能测试 157
6.3 优化结果分析 171
6.3.1 模型优化结果 171
6.3.2 工程实例 172
参考文献 174

第7章 城市供水管网健康监测与智能预警 177
7.1 供水管网健康监测需求分析 178
7.2 我国供水管网运行与管理现状 178
7.3 供水管网漏损检测技术 180
7.4 供水管网漏损智能预警与控制 181
7.5 管网健康监测技术发展趋势 182
参考文献 182

第8章 城市供水管网智能管理系统 185
8.1 智能管理系统概述 186
8.2 供水信息管理系统的需求分析与设计 187
8.2.1 系统需求分析 187
8.2.2 系统功能设计 188
8.2.3 语言方法及工具 190
8.3 管网管理系统软件基本功能的实现 191
8.3.1 登录及用户信息管理 191
8.3.2 管线信息管理 192
8.3.3 实时监控信息管理 193
8.3.4 爆管信息查询及分析 195
8.3.5 预警信息查询 196
8.3.6 后台管理 198
8.4 地理信息模块的设计 198
8.4.1 GIS 模块的研究 198
8.4.2 ArcGIS 软件介绍 198
8.4.3 ArcEngine 与Visual Studio 的联合开发 200
8.4.4 GIS 模块的设计与实现 201
8.4.5 国产GIS 系统的发展 210
8.5 智能决策模块的设计 211
8.5.1 智能决策模块 211
8.5.2 关键技术 211
8.5.3 MATLAB 与VS 混合编程 213
8.5.4 界面设计 214
8.5.5 操作方法及结果显示 215
8.5.6 预留界面与用户自定义 216
参考文献 218

第9章 分布式供水系统智能控制 221
9.1 智能分布式供水系统概述 222
9.2 控制方法 224
9.2.1 周期性时间触发控制方法（TTC） 224
9.2.2 周期性集中式事件触发控制方法（PETC） 225
9.2.3 周期性分布式异步更新事件触发控制方法（ADPETC） 226
9.2.4 周期性分布式同步更新事件触发控制方法（SDPETC） 235
9.3 传输协议设计 239
9.3.1 简单TDMA 传输协议 240
9.3.2 C-TDMA 传输协议 241
9.3.3 SDC-TDMA 传输协议 243
9.3.4 ADC-TDMA 传输协议 244
9.4 运行结果与分析 245
9.4.1 参数选取 245
9.4.2 评价指标 247
9.4.3 运行结果与分析 248
9.5 结论 254
本章附录：证明 254
参考文献 260

第10章 远程分布式供水系统智能控制 263
10.1 动态事件触发控制方法 264
10.1.1 系统概述 264
10.1.2 稳定性分析 270
10.1.3 实验结果和分析 272
10.1.4 结论 274
10.2 异步采样事件触发控制方法 275
10.2.1 系统概述 275
10.2.2 稳定性分析 279
10.2.3 实验结果和分析 282
10.2.4 结论 282
10.3 基于LoRa 的远程分布式供水系统 283
10.3.1 系统概述 283
10.3.2 系统描述 285
10.3.3 Ctrl-MAC 通信协议 288
10.3.4 Ctrl-MAC 与LoRaWAN 对比 294
10.3.5 Ctrl-MAC 在远程分布式供水系统中的应用 297
10.3.6 运行结果和分析 301
10.4 结论 309
本章附录：证明 309
参考文献 312

第11章 城市供水系统优化与调度 315
11.1 供水系统调度的作用与挑战 316
11.2 供水系统调度的内容与发展现状 317
11.3 供水系统调度的发展趋势 320
参考文献 321

中英文对照表 323