景观水体曝气充氧在线优化控制系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种景观水体曝气充氧在线优化控制系统，包括曝气系统、数据采集与监测系统、数据中心和主控计算机；曝气系统包括若干个曝气终端装置和终端控制系统；数据采集与监测系统包括若干个遥测远传终端和通讯系统；数据中心包括服务器和数据库；主控计算机存储有景观水体曝气充氧在线优化控制程序，能够评估不同气象、水质条件下对水体的曝气充氧效果，通过优化运行参数对曝气系统的开闭以及曝气量、曝气时间进行调整和控制。本发明可以实现在不同条件下监测与评估曝气过程中景观水体的溶解氧浓度和曝气效果，通过对曝气充氧过程进行优化，在保证充氧效果的同时优化运行参数以减小曝气能耗，达到景观水体水质保持以及节能降耗的综合目的。

主权项

一种景观水体曝气充氧在线优化控制方法，其中，景观水体曝气充氧在线优化控制系统，包括曝气系统(1)、数据采集与监测系统(2)、数据中心(3)和主控计算机(4)；所述曝气系统(1)用于向景观水体进行参数可控的曝气充氧，所述曝气系统(1)包括：若干个曝气终端装置(5)和终端控制系统(6)；若干个曝气终端装置(5)均匀布设在景观水体中，用于向景观水体进行曝气以增加水体中溶解氧浓度；终端控制系统(6)用于曝气终端装置(5)与主控计算机(4)的信息通讯，实现主控计算机(5)对曝气终端装置(5)的开闭以及曝气量、曝气时间的调整与控制；所述数据采集与监测系统(2)用于监测景观水体的溶解氧浓度，并与所述数据中心(3)进行信息通讯；所述数据采集与监测系统(2)包括：若干个遥测远传终端(7)和通讯系统(8)；所述遥测远传终端(7)用于采集景观水体监测点处溶解氧浓度数据，并按约定的采集时段以有线或无线通讯方式定时向数据中心(3)发送数据；所述通讯系统(8)用于若干个遥测远传终端(7)与数据中心(3)的信息通讯；所述数据中心(3)用于控制数据采集与监测系统(2)，并存储数据采集与监测系统(2)发回的溶解氧浓度数据；所述数据中心(3)包括服务器(9)和数据库(10)；所述服务器(9)用于监控所述数据采集与监测系统(2)采集到的景观水体监测点处溶解氧浓度数据，及与通讯系统(8)进行数据通讯；所述数据库(10)用来存储按时序监测的景观水体溶解氧浓度在线数据；所述主控计算机(4)是系统的操作平台，存储有景观水体曝气充氧在线优化控制程序，通过对景观水体溶解氧浓度数据的管理与分析，评估不同气象、水质条件下对水体的曝气充氧效果，根据优化曝气系统的运行参数对曝气终端装置(5)的开闭以及曝气量、曝气时间进行调整和控制，与此同时，随时操作数据库中的数据；其特征在于：其中的主控计算机(4)中存储有：景观水体曝气充氧在线优化控制程序，包括：景观水体溶解氧浓度预测模型和曝气参数优化模型，从而预测在曝气终端装置运行情况下，整个景观水体中溶解氧浓度的分布情况，用以评估采用不同曝气运行参数时的曝气充氧效果，并寻找最优的曝气系统运行参数；所述景观水体溶解氧浓度预测模型是基于EFDC水动力模型与WASP水质模型耦合构建的水质动力学模型，是由一系列能够代表水体空间分布的单元体组成，该模型能够预测各单元体内的水体流速和水质，进而预测整个水体的流动和水质变化情况；建立所述景观水体溶解氧浓度预测模型过程中，首先根据景观水体地图和水文信息将其概化为模型单元体网络；采用EFDC水动力模型建立景观水体水动力模型，输入监测得到的景观水体的水力和气象条件，模拟水体在给定条件下的流动情况；采用WASP模型模拟溶解氧浓度，载入EFDC水动力模型生成的水动力数据，输入景观水体初始溶解氧浓度数据，依据给定的曝气系统运行参数设定WASP水质模型参数；通过运行所述景观水体溶解氧浓度预测模型得到各单元体的溶解氧浓度，进而模拟整个景观水体溶解氧分布情况，实现对给定条件下曝气系统曝气充氧效果的预测和评估；所述曝气充氧参数优化模型是基于曝气系统运行参数取值范围以及所述景观水体溶解氧浓度预测模型建立的最优化模型；所述曝气充氧参数优化模型中，目标函数设定为曝气充氧运行能耗最低，约束条件设定为曝气系统达到用户设定的曝气充氧效果，曝气充氧参数优化模型自变量取值的约束条件即为曝气系统运行参数取值方案；所述曝气充氧参数优化模型采用遗传算法寻找运行参数最优解的步骤是：首先，读取当前景观水体的溶解氧浓度数据，并输入当前气象信息作为初始条件；然后，选取一组曝气运行参数后，与景观水体的水力、气象数据以及溶解氧浓度监测数据这些初始条件一起带入所述景观水体溶解氧浓度预测模型，预测该条件下的系统曝气充氧效果，判断是否符合约束条件，并计算目标函数；最后，得到优化的曝气系统运行参数结果；用于优化控制景观水体曝气充氧运行的数据和信息，包括：景观水体的地图信息及气象、水文和水质数据；在线监测到的景观水体的溶解氧浓度数据；所有曝气终端装置(5)的布置及运行参数数据；控制方法包括以下步骤：步骤一：启动主控计算机，运行景观水体曝气充氧在线优化控制程序，通过服务器(9)中的数据库(10)获取溶解氧浓度在线监测数据；步骤二：定时读取存储在服务器(9)数据库(10)中、由所有遥测远传终端(7)获取的各监测点溶解氧浓度在线监测数据；步骤三：根据当前溶解氧浓度在线监测数据判断是否开启曝气系统(1)；若各监测点溶解氧浓度平均值高于系统设定的界限值，则反映水体水质处于正常水平，不开启曝气系统(1)，系统自动返回步骤二；若各监测点溶解氧浓度低于系统设定的界限值，则开启曝气系统(1)；步骤四：读取当前景观水体的气象、水文和水质数据，并与上述开启的曝气系统运行参数一起载入景观水体溶解氧浓度预测模型，实现在给定水体情况以及曝气充氧运行参数的条件下对景观水体溶解氧浓度进行预测，并评估曝气充氧效果；步骤五：读取当前景观水体的气象、水文和水质数据及溶解氧浓度监测数据，载入曝气参数优化模型；步骤六：运行曝气参数优化模型，以上述得出的评估曝气充氧效果为约束条件，以曝气充氧运行能耗最低为目标函数，确定曝气终端装置的开闭方案和曝气量、曝气时间，从而得到当前条件下最优的曝气系统运行参数；步骤七：将上述曝气系统运行参数以指令形式发送给终端控制系统；步骤八：终端控制系统按照指令控制曝气终端装置对景观水体进行曝气充氧；在上述控制过程中，数据采集与监测系统(2)对景观水体溶解氧浓度进行循环采集，按照指定时间间隔自动对景观水体中各监测点的所有遥测远传终端(7)进行数据采集，并通过通讯系统(8)将监测数据随时传送到服务器(9)的数据库(10)中，数据库(10)存储实时数据和历史数据，主控计算机(4)随时对数据库(10)中的数据进行查看、修改、添加或删除，并通过图表方式显示历史和趋势数据；步骤九：根据用户需求判断是否结束系统运行。