一种基于动态控制的社区用水优化调度方法

摘要

本发明公开了一种基于动态控制的社区用水优化调度方法，在原有优先级算法的基础上，对一个调度周期内再生水和净水设备进行最满意度和可容忍度优先级排序，在保证用户舒适度的基础上，进行再生水设备和净水设备的调度。在不超过再生水池最大供水量的情况下，按设备最满意开启时间优先级排序依次开启；如果再生水产出不足，对有开启请求的设备按可容忍开启时间优先级的排序，提前开启，从而提高再生水产出量；如果再生水产出过剩，延迟开启有请求的设备，可以降低再生水产出量，最终实现再生水的最大化使用。

权利要求

1.一种基于动态控制的社区用水优化调度方法，搭建社区水网传感平台，在基础设施层的各个环节安置无线收发器，实现对社区水网各供水管路水量信息、排水管路水量信息、再生水水池水位信息、设备用水信息的采集，其特征在于对社区用水设备进行控制，为每个用水设备定义设备优先级，依据每个设备都有用户可容忍度开启时间范围和最满意度开启时间范围，以最满意度开启时间范围对再生水设备和净水设备进行当前时刻的优先级排序，将每个用水设备划分为最满意开启区间[t1,t2,t3]，t1是最满意度最早开启时间点，t2是最满意度中间点，t3是最满意度最晚开启时间点，[t1,t2]之间是低等优先级，[t2,t3]之间是高等优先级，对于处于同等优先级的设备，根据当前时刻到最晚开启时间点的时长判断，时长越短，优先级越靠前；采用同样的办法进行可容忍度优先级排序，将每个用水设备划分为可容忍度开启区间[t4，t5，t6]，t4是可容忍度最早开启时间点，t5是可容忍度中间点，t6是可容忍度最晚开启时间点，t4t3，根据设备优先级进行提前用水和延迟用水，以控制再生水池水位保持在稳态。

2.根据权利要求1所述的方法，所述提前用水和延迟用水是指在设备可容忍开启时间范围内，针对设备最满意开启时间范围的提前和延迟。

3.根据权利要求2所述的方法，所述控制再生水池水位保持在稳态具体为在溢流量比较小可以忽略不计的情况下，使

其中，常量T为再生水设备和净水设备的排水转化成再生水的周期，作为调度周期；A为再生水池池底面积，为转化率，r(t)表示上个调度周期再生水设备单位时间的排水量，s(t)表示上个调度周期净水设备单位时间的排水量； 表示按优先级依次开启本调度周期内有开启请求的设备的再生水用水量。

4.根据权利要求3所述的方法，包括如下步骤：

(1)对一个调度周期内再生水和净水设备进行最满意度和可容忍度优先级排序，以T为调度周期，1min为间隔进行实时调度；

(2)在当前时刻t0，依据排水管路监测得到的排水数据形成再生水和净水排水量曲线，计算t0时刻转化后的再生水产出量为a，与t0+T时刻的再生水用水量b比较；

(3)如果a＞b，需要对当前时刻有开启请求的再生水和净水设备延迟开启，到达可容忍度最晚开启时间点的直接开启，对没有开启请求的再生水和净水设备依据最满意度优先级排序等待开启；

(4)如果a＜b，在不超过再生水池最大可供水量的情况下，对延迟的再生水设备和净水设备依据最满意度优先级排序依次开启；对有开启请求的再生水和净水设备依据最满意度优先级排序依次开启，对没有开启请求的再生水和净水设备依据可容忍度优先级排序依次提前开启，到达或超过可容忍度最早开启时间点的，在不超过再生水池最大可供水量的情况下，依次开启；

(5)如果a＝b，在不超过再生水池最大可供水量的情况下，对延迟的再生水设备和净水设备依据最满意度优先级排序依次开启，对没有开启请求的再生水和净水设备依据最满意度排序等待开启。

5.根据权利要求4所述的方法，依据改进的小波神经网络实时预测结果形成再生水用水量曲线，得到t0+T时刻的再生水用水量b。

6.根据权利要求5所述的方法，对实时性要求低的设备以及具有储水功能的设备，采用延迟或超前用水的方式。

7.根据权利要求6所述的方法，社区水网传感平台采用物联网技术监测和传送数据信息。

说明书

一种基于动态控制的社区用水优化调度方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于动态控制的社区用水优化调度方法，属于水资源管理和宽带通信网络技术领域。

背景技术

[0002] 目前物联网调度节水方面，城市供水研究很多，主要包括针对城市给水管网建模调度，实现管网供需平衡，应急调度或者降低泵站的成本之类；还有水电站通过梯级优化调度，有效地开展水库优化节能调度、科学调度，提高水能利用率；以及采用动态规划方式解决节水灌区的配水调度问题，优化配水调度技术，节约水资源，包括利用物联网相关技术，对多传感节点的参数进行远程采集和控制，实现对灌溉系统的监测和控制，有效减少天气灾害对灌区生产的影响。但是在智慧社区中应用很少，没有相关净水再生水一体化水网调度的研究，而且节水调度的精确度并不高，随着智能家居，智能设备的发展，社区内很多净水设备和再生水设备可以实现一体化控制，通过一种动态调度方法，使再生水最大化利用，减少社区内净水的消耗，从而实现社区内用水费用的降低以及再生水池水位波动的稳定性。

[0003] 现有技术主要涉及的是物联网传感技术，通过传感器得到的数据，实现社区用水智能化控制的目的，现在的智能农业灌溉技术就是利用这种技术，不需要人的控制，系统能自动感测到什么时候需要灌溉，灌溉多长时间；智能农业灌溉系统可以自动开启灌溉，也可以自动关闭灌溉；可以实现土壤太干时增大喷灌量，太湿时减少喷灌量。

[0004] 其工作原理是：灌溉系统工作时，湿度传感器采集土壤里的干湿度信号，检测到的湿度信号通过A/D模块转换，将标准的电流模拟信号转换为湿度数字信号，输入到可编程控制器。可编程控制器内预先设定50％-60％RH为标准湿度值，实际测得的湿度信号与50％-60％RH比较，可以分为：在这个范围内，超出这个范围，小于这个范围三种情况。可编程控制器将控制信号传给变频器，变频器根据湿度值，相应地调节电动机的转速，电动机带动水泵从水源抽水，需要灌溉时，电磁阀就自动开启，通过主管道和支管道为喷头输水，喷头以各自的旋转角度自动旋转。灌溉结束时电磁阀自动关闭。整个系统协调工作，实现对草坪灌溉的智能控制。

[0005] 整个装置，要实现智能灌溉，系统需要有可编程控制器、传感器、A/D模块、变频器、电动机、水泵、电磁阀、管网和喷头等设备。

[0006] ①编程控制器：负责发出和接收各种运行程序指令，是整个控制系统的中枢部分。

[0007] ②传感器：通过传感器采集土壤里的湿度，温度等信号，判断是否需要灌溉。

[0008] ③A/D模块：因为可编程控制器不能接收模拟信号，所以需将传感器的电压或电流信号转换成数字信号。

[0009] ④变频器：通过改变电动机的转速调节喷灌流量，达到节水的目的。

[0010] ⑤电动机、水泵：由电动机带动水泵从水源抽水，为喷灌系统提供一定的压力。

[0011] ⑥电磁阀：控制喷头的喷灌与否。

[0012] ⑦喷头：实现均匀喷洒，便于充分吸收。

[0013] ⑧管网：灌溉系统输送水的管路。

[0014] 另一个是设备优先级控制，这在智能家电里应用多一些，根据家电设备有一个可调度范围，将某一家居设备的开启范围平均分为3部分，当前时刻处于开启时间范围的前1/3时段时，该设备的开启请求为低优先级，而当前时刻处于该设备开启时间范围的中间时段时，开启请求为中优先级，在当前时刻已到达开启点范围的最后1/3段时，该设备的开启请求为高优先级。图1所示为设备开启请求动态优先级。

[0015] 而对于同等级的开启请求，则继续根据当前时刻到设备最晚开启时间点的时长(以下称限制时长)，设定各个请求的优先顺序，一般设定为限制时长越短，调度优先级顺序越靠前。

[0016] 算法流程是首先更新正在运行的设备列表，设置各个有开启请求的设备优先级。然后，将已到达开启范围终点的未开启设备直接开启，并在不超出总功率上限阈值的前提下，根据优先级由高到低，对各个优先级队列中的设备逐个授权开启。最后，各个家居设备根据授权结果，开启或等待开启，并结束算法。由此实现了保障家居舒适度的同时，将总功率限制在上限阈值附近，避免了电网侧反弹高峰的出现，保障了交叉时段内电网侧的稳定性。

发明内容

[0017] 智能家电的优先级算法控制可以实现峰均比的降低，实现电网稳定运行，但是应用在社区水调度上，节水效果不好，造成净水浪费，再生水不能充分利用，本发明在原有优先级算法的基础上进行改进，对设备进行最满意开启时间范围和可容忍开启时间范围区分，对一个调度周期内再生水和净水设备进行最满意度和可容忍度优先级排序，在保证用户舒适度的基础上，进行再生水设备和净水设备的调度，在不超过再生水池最大供水量的情况下，依次按设备最满意开启时间优先级的排序开启设备。如果再生水产出不足，对下一时刻有开启请求的设备按可容忍开启时间优先级的排序，提前开启，提高再生水产出量，如果再生水产出过剩，延迟开启有请求的设备，降低再生水产出量，这样可以实现再生水在每一时刻最大化使用，也能保证再生水池水位的稳定性，减少溢流。

[0018] 本发明采用下述的技术方案：

[0019] 一种基于动态控制的社区用水优化调度方法，搭建社区水网传感平台，在基础设施层，在每一个用水设备安置无线收发器，实现对社区水网各供水管路水量信息、排水管路水量信息、再生水水池水位信息、设备用水信息等信息的采集，其特征在于对社区用水设备进行控制，使再生水水池水位保持在稳态。

[0020] 特别地，为每个用水设备定义设备优先级，根据设备优先级进行提前用水和延迟用水，以控制再生水池水位保持在稳态。

[0021] 进一步地，依据每个设备都有用户可容忍度开启时间范围和最满意度开启时间范围，以最满意度开启时间范围对再生水设备和净水设备进行当前时刻的优先级排序，将每个用水设备划分为最满意开启区间[t1，t2，t3]，t1是最满意度最早开启时间点，t2是最满意度中间点，t3是最满意度最晚开启时间点，[t1，t2].之间是低等优先级，[t2，t3].之间是高等优先级，对于处于同等优先级的设备，根据当前时刻到最晚开启时间点的时长判断，时长越短，优先级越靠前；采用同样的办法进行可容忍度优先级排序，在时间范围上比最满意度开启时间范围提前或延后一段时间。

[0022] 所述提前用水和延迟用水是指在设备可容忍开启时间范围内，针对设备最满意开启时间范围的提前和延迟。

[0023] 所述控制再生水池水位保持在稳态具体为在溢流量比较小可以忽略不计的情况下，使

[0024]

[0025] 其中，常量T为再生水设备和净水设备的排水转化成再生水的周期，作为调度周期；A为再生水池池底面积，为转化率，r(t)表示上个调度周期再生水设备单位时间的排水量，s(t)表示上个调度周期净水设备单位时间的排水量； 表示按优先级依次开启本调度周期内有开启请求的设备的再生水用水量。

[0026] 具体地，对设备进行调度包括如下步骤：

[0027] (1)对一个调度周期内再生水和净水设备进行最满意度和可容忍度优先级排序，以T为调度周期，1min为间隔进行实时调度；

[0028] (2)在当前时刻t0，依据排水管路监测得到的排水数据形成再生水和净水排水量曲线，计算t0时刻转化后的再生水产出量为a，与t0+T时刻的再生水用水量b比较；

[0029] (3)如果a>b，需要对当前时刻有开启请求的再生水和净水设备延迟开启，到达可容忍度最晚开启时间点的直接开启，对没有开启请求的再生水和净水设备依据最满意度优先级排序等待开启；

[0030] (4)如果a

[0031] (5)如果a＝b，在不超过再生水池最大可供水量的情况下，对延迟的再生水设备和净水设备依据最满意度优先级排序依次开启，对没有开启请求的再生水和净水设备依据最满意度排序等待开启。

[0032] 特别地，依据排水管路监测得到的排水数据形成再生水设备和净水设备的排水量曲线，计算t0时刻转化后的再生水产出量a。依据改进的小波神经网络实时预测结果形成再生水用水量曲线，得到t0+T时刻的再生水用水量b。

[0033] 特别地，对实时性要求低的设备以及具有储水功能的设备，采用延迟或超前用水的方式。社区水网传感平台采用物联网技术监测和传送数据信息。

附图说明

[0034] 图1示出了智能家电设备开启请求优先级；

[0035] 图2是基于物联网的社区水网循环原理图；

[0036] 图3是最满意度优先级等级图；

[0037] 图4是可容忍度优先级等级图；以及

[0038] 图5是动态控制流程图。

具体实施方式

[0039] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0040] 首先利用物联网技术搭建社区水网传感平台，主要在社区水网的各个环节(包括每一个用水设备)安置无线收发器作为传感/控制节点，进而构建物联网基础设施层，实现对社区水网各供水管路水量信息、排水管路水量信息、再生水水池水位信息、设备用水信息等信息的采集以及对社区用水设备的控制。在社区水网监测与控制平面，通过物联网采集的社区水网实时信息数据，通过在线控制的方式，进一步实现水资源的高效利用。再生水循环原理是当前时刻净水设备和再生水设备产生的废水以一定转化率转化成可用的再生水(即再生水产出量)，流入再生水池，转化过程中残流排出到市政排水，多余的废水即溢流也通过排水管网流入市政排水，图2所示为基于物联网的社区水网循环原理图。

[0041] 各供水管路和排水管路分别安装具有无线数据传送功能的水流量计。再生水处理由再生水水池(水槽)及相应的水位传感器组成。社区水网监测与控制由具有无线收发功能的服务器实现，该服务器将完成社区水网信息采集、社区用水动态控制以及指令下发等功能。

[0042] 其次是设备优先级定义。图3所示为最满意度优先级等级图，图4为可容忍度优先级等级图。依据每个设备都有用户可容忍度开启时间范围和最满意度开启时间范围，以最满意度开启时间范围对再生水设备和净水设备进行当前时刻的优先级排序，将每个用水设备划分为最满意开启区间[t1，t2，t3]，t1是最满意度最早开启时间点，t2是最满意度中间点，t3是最满意度最晚开启时间点，[t1，t2].之间是低等优先级，[t2，t3].之间是高等优先级，对于处于同等优先级的设备，根据当前时刻到最晚开启时间点的时长(时限)判断，时长越短，优先级越靠前。可容忍度优先级排序是一样的，只不过在时间范围上比着最满意度可以提前延后一段时间，在附图3、4中，表现为t4t3。调度中的提前延后也是这两个范围的相对提前和延后，最满意度范围内用户舒适度最高，超出设备可容忍度时间范围，就不能保证用户设备舒适度。当到达设备最满意度最早开启时间点t1，设备发出开启请求。

[0043] 最后是动态控制。根据设备的优先级进行提前用水和延迟用水，这里的提前和延迟是针对设备最满意开启时间范围来说，但是在设备可容忍开启时间范围内，以再生水池水位保持在稳态为条件，实现再生水最大化使用，达到优化调度的目的。

[0044] 基于优先级的动态控制原理及流程如下：

[0045] 考虑到再生水设备和净水设备的排水转化成再生水是有一定时间的，设为常量T，以T作为调度周期，在每次调度初转化后的再生水进入再生水池，而每次调度初转化的再生水是由上个调度初的排水量转化而来。所以本次调度周期内即将进入再生水池的进水量是上个调度周期内再生水和净水排水量和与转化率的乘积。在溢流量比较小可以忽略不计的情况下，期末水位为：

[0046]

[0047] 式中，h0表示本次调度初时刻水位，A为再生水池池底面积， 为转化率，r(t)表示上个调度周期再生水设备单位时间排水量，s(t)表示上个调度周期净水设备单位时间排水量。

[0048] 表示按优先级依次开启本次调度周期内有开启请求的设备的再生水用水量。

[0049] 需要保证每次调度期末的水位是稳态，即hmin＜h1＜hmax。h0表示本次调度初时刻水位，即是上一个调度期末的水位，hmin＜h0＜hmax，所以要求

[0050]

[0051] 在e比较小的时候，即再生水水池水位浮动很小，要求

[0052]

[0053] 即上一个周期的再生水产出量和本次调度周期的再生水用水量基本相等。表示为：

[0054]

[0055] 控制流程：依据改进的小波神经网络实时预测结果形成再生水用水量曲线h，对一个调度周期内再生水和净水设备进行最满意度和可容忍度优先级排序，以T为调度周期，1min为间隔进行实时调度：在当前时刻t0，依据排水管路监测得到的排水数据形成再生水设备和净水设备的排水量曲线，计算t0时刻转化后的再生水产出量为a，与t0+T时刻的再生水用水量b比较，如果a>b，需要对当前时刻有开启请求的再生水和净水设备延迟开启，到达可容忍度最晚开启时间点的直接开启，对没有开启请求的再生水和净水设备依据最满意度排序等待开启，如果a

[0056] 随着智能家居、智慧小区、智慧城市等领域的发展，家庭用水设备和小区用水设备必然向着网络化、智能化的方向发展。本申请中物联网技术能够实时监测并反馈社区水网的水资源状况，同时，能够将控制平面的相关指令有效传达到各个用水设备，实现对社区水网的有效监测和控制，进行统一的用水调度。

[0057] 由于各用水设备对用水的实时性要求不同，部分设备可以采用延迟或超前用水的方式，如绿化灌溉、洗衣机、洗碗机等实时性要求低的设备以及其他具有储水功能的设备。通过动态控制算法可以有效平滑水资源的使用，降低用水峰值并提高用水谷值，进而提高再生水的产出率和使用率，避免清洁水和再生水的浪费，稳定再生水池的水位波动，避免清洁水和再生水的浪费，达到节水减排的目的。

[0058] 本申请中的社区用水监测，包括各供排水管路的水流量，再生水池水位信息，净水和再生水设备用水情况，不管使用什么监测和传送数据信息装置，都属于本发明范围之内。

[0059] 本申请中的动态控制算法，通过对设备进行最满意和可容忍开启时间范围优先级排序，对设备进行提前和延迟开启，保证再生水的产出能得到最大化使用，这个提前和延迟是最满意范围和可容忍范围的相对提前和延迟，对这个提前延迟时间范围的定义，只要是在设备可容忍开启时间范围内，都属于本发明的内容。

[0060] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。