专利摘要

本发明提供通过计算机控制的流体网络(100)将流体输送至至少一个客户(114)的方法。所述流体网络(100)具有多个调节器，用于控制沿着所述流体网络(100)的流体流以将预定量的流体输送至至少一个客户(114)。所述网络(100)包括用于在计算机控制下打开和关闭所述调节器的第一控制系统(102)。所述第一控制系统(102)基于对各调节器上游和下游液位及各调节器开放位置的定时测量来收集数据，使用数据分析来提供用于预测在调节器之间各液位的各模型。作为监控层的第二控制系统(104)与所述第一控制系统(102)交互，以基于限制条件和未来流负载对由所述第一控制系统(102)对所述调节器的控制提供调整。第三控制系统与所述第一(102)和第二(104)控制系统交互。所述第三控制系统(106)处理来自所述至少一个客户(114)的流体输送需求，以基于所述流体网络的水力容量来提供流负载输送日程表(118)。

权利要求

1.一种通过计算机控制的流体网络将流体输送至至少一个客户的方法，所述流体网络具有多个调节器，用于控制沿着所述流体网络的流体流以将预定量的流体输送至所述至少一个客户，所述网络包括用于在计算机控制下打开和关闭所述调节器的第一控制系统、作为监控层的第二控制系统，和与所述第一和第二控制系统交互的第三控制系统，该方法包括以下步骤：

所述第一控制系统基于对各调节器上游和下游的液位及各调节器开放位置的定时测量来收集数据，使用数据分析来提供用于预测在调节器之间的各液位的各模型；

所述第二控制系统与所述第一控制系统交互，以基于限制条件和未来流需求对由所述第一控制系统对所述调节器的控制提供调整；和

所述第三控制系统处理来自所述至少一个客户的流体输送需求，以基于所述流体网络的水力容量来提供流需求输送日程表。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二控制系统使用模型预测控制来提供抢先控制。

3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一控制系统包括监控和数据采集SCADA接口，它收集所述数据，用于通过使用基于系统识别技术的管道网络模型来校准和持续微调计算机控制的流体网络。

4.一种用于通过计算机控制的流体网络将流体输送至至少一个客户的输送系统，所述流体网络具有多个调节器，用于控制沿着所述流体网络的流体流以将预定量的流体输送至所述至少一个客户，所述网络包括用于在计算机控制下打开和关闭所述调节器的第一控制系统、作为监控层的第二控制系统，和与所述第一和第二控制系统交互的第三控制系统，其中所述第一控制系统基于对各调节器上游和下游的液位及各调节器开放位置的定时测量来收集数据，所述第一控制系统适配为使用数据分析来提供用于预测在调节器之间的各液位的各模型，所述第二控制系统与所述第一控制系统交互，以基于限制条件和未来流需求对由所述第一控制系统对所述调节器的控制提供调整，所述第三控制系统处理来自所述至少一个客户的流体输送需求，以基于所述流体网络的水力容量来提供流需求输送日程表。

5.如权利要求4所述的输送系统，其中，所述第二控制系统使用模型预测控制来提供抢先控制。

6.如权利要求4或5所述的输送系统，其中，所述第一控制系统包括监控和数据采集SCADA接口，它收集所述数据，用于通过使用基于系统识别技术的管道网络模型来校准和持续微调计算机控制的流体网络。

7.一种通过计算机控制的流体网络将流体输送至至少一个客户的方法，所述流体网络具有多个调节器，用于控制沿着所述流体网络的流体流以将预定量的流体输送至所述至少一个客户，所述网络包括用于在计算机控制下打开和关闭所述调节器的第一控制系统和作为监控层的第二控制系统，该方法包括以下步骤：

所述第一控制系统基于对各调节器上游和下游的液位及各调节器开放位置的定时测量来收集数据，使用数据分析来提供用于预测在调节器之间的各液位的各模型；和

所述第二控制系统与所述第一控制系统交互，以基于限制条件和未来流需求对由所述第一控制系统对所述调节器的控制提供调整，所述第二控制系统凭借所测量的流体水位和流信息，而获得第一控制系统的状态估值。

8.如权利要求7所述的方法，还包括与所述第一和第二控制系统交互的第三控制系统，所述第三控制系统处理来自所述至少一个客户的流体输送需求，以基于所述流体网络的水力容量来提供流需求输送日程表。

9.一种用于通过计算机控制的流体网络将流体输送至至少一个客户的输送系统，所述流体网络具有多个调节器，用于控制沿着所述流体网络的流体流以将预定量的流体输送至所述至少一个客户，所述网络包括用于在计算机控制下打开和关闭所述调节器的第一控制系统和作为监控层的第二控制系统，其中所述第一控制系统基于对各调节器上游和下游的液位及各调节器开放位置的定时测量来收集数据，所述第一控制系统适配为使用数据分析来提供用于预测在调节器之间的各液位的各模型，所述第二控制系统与所述第一控制系统交互，以基于限制条件和未来流需求对由所述第一控制系统对所述调节器的控制提供调整，所述第二控制系统凭借所测量的流体水位和流信息，而获得第一控制系统的状态估值。

10.如权利要求9所述的输送系统，还包括与第一和第二控制系统交互的第三控制系统，所述第三控制系统处理来自所述至少一个客户的流体输送需求，以基于所述流体网络的水力容量来提供流需求输送日程表。

说明书

技术领域

本发明涉及用于流体网络的监控系统和监控方法，具体而非排他地涉及用于开放水道(水渠网络)和封闭水道(水管)。

背景技术

在其整体被包含于此的美国专利号7152001中，揭示了一个用于预测流体流网络中流体液位的基于计算机的系统。所述系统非常成功，因为它能使用过去和现在的参数测量值来预测并控制流体液位和流。所述系统从定时的流体液位和调节器或阀门的开放位置中收集数据以提供模型，从所述流体模型中能够实时确定液位和流。灌溉水渠是开放的水力系统，其用于将水从供应源头传输至终端用户。沿着水渠，凭借位于分散点的控制闸门来调节流和水位。美国专利号7152001的图1示出通过上射式闸门来调节的典型水渠的侧面视图。闸门16和18之间的一段水渠标示为水池。在重力作用下，水从水源沿着水渠流到农场。鉴于此，沿着水渠的水位对应于可用于产生沿着水渠自身流进横向分配系统和要灌溉土地的水流的势能。因而将水位维持在满足流需求的水位以上很重要。

使灌溉水渠自动化的目标是，关于取自水源和输送至终端用户的水，改善分配效率。这通过利用美国专利号7152001中所示类型的先进设备和控制系统来获得，当沿着水渠系统的水位维持在由服务质量和安全考虑所规定的操作限制内时，其提供了在农户预订水量和沿水渠流动或流进水渠系统的水量之间更为接近的匹配。

美国专利号7152001包括传感器24、26、28、29和通过监控和数据采集(SCADA)通信网络44连接的执行器，以及先进的控制实施，它们相互协同工作以获得高的分配效率，减少传送损耗，并为客户/农户提供高水平的服务，从而从有限的水资源得到高的生产率。当水渠完全自动化时，水渠控制闸门16、18操作为使得它们满足控制闸门16、18下游的需求并维持每个水池中的闸门或调节器的上游水位。在每个水池中，必须超过某个水位以提供将水进一步向下游推动进入第二级水渠和相邻农场所需的势能。流入水渠系统的水量在上游或顶端被控制。当在指定水池中检测到水位下降时，流入水渠的水量增加，或者当水位上升以确保维持不变的水位时流入水渠的水量减少。

利用回应控制策略将水池中的水位维持在它们的设定点，即仅在受控变量(水池中的水位)偏离其设定点时才采取控制行动。这通常被称作反馈控制。在水池中的下游调节器18和侧面排水渠以及农场排水口(如果有)处所测量的流信息可被利用来增强反馈控制器并使得控制系统的响应性更好。上游闸门16立即发送所测量流出量的百分比，而不是等待流影响到水池中的水位和反馈控制器采取行动，这通常被称作前馈控制。

上述回应控制架构限制了流负载的变化(即开始或停止流出)向上游的瞬时传播。关于驱使水从上游源头被释放的对应要求，优点是，仅当存在因下游排水而产生的流出且该流出在排水停止时被切断时，水才从顶端被释放。然而，具体就响应于流负载增加而控制闸门流指令和水位偏离的瞬时峰值以及当流负载减少时的类似不期望的效果而言，可获得的瞬时性能基本受内在的传输延迟限制。

图1示出沿着使用美国专利号7152001操作的水渠的流峰值幅度图表，其中来自水渠中底端控制闸门的流以55兆升/天为步长20增加。图1所述控制策略的第一个而且是主要的限制是受限的瞬时流特性。随着负载变化的效果向上游传播，用于控制闸门16的瞬时流指令中的峰值被增大。如图1所述的瞬时行为可导致执行器(即控制闸门)饱和，从而触发不期望的行为。这是在美国专利号7152001中使用的现有策略的第二个限制。在控制行业中通常被称作抗饱和的抵消饱和机制被设计为美国专利号7152001的补充，这可能不是很有效。在具有有限存储容量的长水池(例如大于5公里)的情况下，流瞬时特性可能导致不可接受的水位偏移，其可能影响对客户/农户的服务或违反安全操作限制。这是现有策略的第三个限制。这第三个限制意味着现有控制策略不适用于其超高是非常有限的开放灌溉水渠。这是第四个限制。“超高”是指预期最高水位以上的渠岸高度。

发明目的

本发明的目的是提供通过灌溉网络准确地将水输送至客户的方法和系统。

本发明进一步的目的是提供减少通过灌溉网络送水的管理费用的方法或系统。

发明内容

一方面，本发明提供通过计算机控制的流体网络将流体输送至至少一个客户的方法，所述流体网络具有多个调节器来控制沿着所述流体网络的流体流以将预定量的流体输送至所述至少一个客户，所述网络包括用于在计算机控制下打开和关闭所述调节器的第一控制系统，所述第一控制系统基于对各调节器上游和下游液位及各调节器开放位置的定时测量来收集数据，使用数据分析来提供用于预测在调节器之间各液位的各模型，作为监控层的第二控制系统与所述第一控制系统交互以基于限制条件和未来流负载对由所述第一控制系统对所述调节器的控制提供调整，第三控制系统与所述第一和第二控制系统交互，所述第三控制系统处理来自所述至少一个客户的流体输送需求，以基于所述流体网络的水力容量来提供流负载输送日程表。

本发明还提供用于通过计算机控制的流体网络将流体输送至至少一个客户的输送系统，所述流体网络具有多个调节器来控制沿着所述流体网络的流体流以将预定量的流体输送至所述至少一个客户，所述网络包括用于在计算机控制下打开和关闭所述调节器的第一控制系统，所述第一控制系统基于对各调节器上游和下游液位及各调节器开放位置的定时测量来收集数据，所述第一控制系统适配为使用数据分析来提供用于预测在调节器之间各液位的各模型，作为监控层的第二控制系统与所述第一控制系统交互以基于限制条件和未来流负载对由所述第一控制系统对所述调节器的控制提供调整，第三控制系统与所述第一和第二控制系统交互，所述第三控制系统处理来自所述至少一个客户的流体输送需求，以基于所述流体网络的水力容量来提供流负载输送日程表。

优选实施例中，所述第二控制系统使用模型预测控制来提供抢先控制。

优选的，来自SCADA接口的数据用于通过使用基于系统识别技术的管道网络模型来校准并持续微调计算机控制的流体网络。

本发明还提供通过计算机控制的流体网络将流体输送至至少一个客户的方法，所述流体网络具有多个调节器来控制沿着所述流体网络的流体流以将预定量的流体输送至所述至少一个客户，所述网络包括用于在计算机控制下打开和关闭所述调节器的第一控制系统，所述第一控制系统基于对各调节器上游和下游液位及各调节器开放位置的定时测量来收集数据，使用数据分析来提供用于预测在调节器之间各液位的各模型，作为监控层的第二控制系统与所述第一控制系统交互以基于限制条件和未来流负载对由所述第一控制系统对所述调节器的控制提供调整。

附图说明

本发明优选实施例的结构和功能特性在结合附图的下列详细描述中将表现得更加明显，其中：

图1示出沿着使用在美国专利号7152001中所述的系统操作的水渠的流峰值幅度的图表，其中来自最底端调节器的流以每天55兆升的步长增加；

图2是符合本发明概念的计算机控制的流体网络的简略流程图；

图3是与美国专利号7152001的图3相类似的视图，其包括符合本发明概念的特性。

具体实施方式

优选实施例是在美国专利号7152001和澳大利亚专利申请号2011903084、现在的国际专利申请号PCT/AU2012/000907和基于国际专利申请号PCT/AU2012/000907的任何专利申请中所揭示的发明的改进。为了减少重复描述，美国专利号7152001和国际专利申请号PCT/AU2012/000907的完整内容在这里合并入本说明书。

图2是用于特别是用于灌溉的开放水道(即水渠网络)的计算机控制的流体网络系统100的简略流程图。所述系统具有3个子系统，即第一控制系统102，第二控制系统104和第三控制系统106。第一控制系统102是优选为美国专利号7152001中所揭示类型的流体调节器系统，在美国专利号7152001中它有更加完整的揭示并合并入本描述。第三控制系统106是优选为国际专利申请号PCT/AU2012/000907中所揭示类型的需求管理系统，在国际专利申请号PCT/AU2012/000907中它有更加完整的揭示并合并入本描述。第二控制系统104是马上将会讨论的监控系统。第一控制系统102提供控制方案，并在观察到以水位偏移或测量到的水池排水为形式的扰动之后允许多个控制闸门(未显示)的移动以设置本地流。第一控制系统102具有用于打开控制闸门(未显示)的控制闸门流指令108。减少此类回应控制架构限制的途径是利用关于未来流需求的可用信息。允许第二控制系统104对由第一控制系统102产生的控制闸门流指令108和在确定这些指令时使用的水位标记109进行调节，这为系统地利用排水渠流测量和这些流的未来日程表提供了空间。相应地，第二控制系统104对控制闸门流指令108和/或水位标记109进行调节107以基于测量信息和自动化水渠模型通过确保限制条件的满足来改善瞬时性能，包括对未来流负载的表示，比如日程表。第二控制系统104是3层层次结构的中间层，水渠在最底层的第一控制系统102和在最高层的第三控制系统106(即需求管理系统)下操作。第三控制系统106处理来自客户或农户114的订单112以创建流负载日程表116。

可获得上述目标的监控方案的优选实施例包含对第三控制系统106使用通常在文献记载中被称作模型预测控制(MPC)的滚动时域优化控制技术。它尤其适用于上面所提及类型的监控问题。具体地，MPC技术可直接合并在未来时域上对流负载(需求)的预测或日程表，以及对水位和标记将如何随时间变化的限制。这些特性很好地适用于提供供应点服务质量保障，防洪操作以及避免可能导致非常不期望的动力学行为。也就是说，所述特性很好地适用于减少现有第一控制系统102(即美国专利号7152001中所揭示的流体调节系统)的4个限制。

如在图2中可看到的，第二控制系统104掌握未来流负载日程表116的信息，其凭借所测量的水位和流信息110来获取第一控制系统102的状态估值。在凭借满足水位和流的限制的服务质量保障下，这为在预测到未来负载(需求)时采取抢先控制行动以获得改善的瞬时性能提供了空间。

凭借基于反馈的控制行动，第一控制系统102的控制方案提供一定程度的稳健性以对抗不确定性，比如模型和设备不准确，传输损耗和客户/农户不遵守议定的流负载日程表。第二控制系统104还凭借测量的水位和流信息110来在决策中利用反馈。

3个控制系统102、104、106的层次架构为同时利用两个层面的优点提供了空间，凭借第二控制系统104的抢先控制，第二控制系统104是监控层，它通过使用凭借MPC执行的优选控制，例如凭借第一控制系统102的回应控制，来利用未来流需求日程表的信息。这是本解决方案的第一独特方面。通过调节水位标记109和改变第一控制系统102的流指令108，层次结构中第二控制系统104的附加监控层将使得能够通过在预测到未来负载变化时使用可用存储空间以使网络过载来进一步充分利用流体网络系统的容量。

按照利用关于在客户114和第三控制系统106中的需求管理系统之间议定的负载日程表的信息来改善瞬时性能的观点，对第一控制系统的较低位的回应水位调节控制器使用MPC技术来实现第二控制系统104中的监控层是本解决方案的第二独特方面。

如先前所讨论的，MPC是滚动时域最佳控制技术。在图2的环境中，这意味着在每个更新时刻之前，对流指令或水位标记107的调节通过求解受限的最优化问题来确定。这在流指令和参考水位107每次将要被更新的时刻发生。在每个时间步长所解的最优化问题包含在第一控制系统102下操作的水渠模型，其包括在未来预测时域上的计划负载的影响。所述模型使用基于观察者的状态估值来初始化，状态估值提取自沿着水渠的水位和流的测量值。对于每个更新时刻所解的最优化问题包含成本函数以将解决方案导向理想的瞬时特性和水位及流限制，其避免执行器饱和的性能降低影响并形成服务质量和安全操作保障。产生这些保障的能力是本解决方案的第三独特方面。

MPC的组成部分是水渠模型和控制器模型，它们支撑了如美国专利号7152001中所描述的第一控制系统的设计。水渠模型是具备良好预测能力的灰箱(一半基于物理一半基于数据)模型。灰箱模型的使用是本解决方案的第四独特方面。自动化行业的惯例是使用基于步骤反应的黑箱模型。美国专利号7152001第8、9栏所讨论的发明的所有功能也可应用于MPC，因为MPC是使用美国专利号7152001中描述的模型和控制器来构建的。

第二控制系统104的优选模型预测控制器将与美国专利号7152001第6栏所讨论的SCADA和计算机环境无缝连接。本申请的图3示出美国专利号7152001“图3”的拷贝，它被扩充，以便包括第二控制系统104的监控层的MPC实现。如图3所示将MPC配置为监控层的架构是本解决方案的第五独特方面。图3使用与美国专利号7152001中图3相同的附图标记，对于附图标记42至54的讨论在美国专利号7152001中有完整的描述，不再需要重述。可以看到，第二控制系统104连接到水池建设模块54、LQR控制器软件模块、SCADA模块44、主数据库46和第三控制系统106。类似地，第三控制系统106连接到网络拓扑软件52、第二控制系统102、主数据库46和用户接口48。相对于美国专利号7152001的流体调节系统，第二和第三控制系统的集成提供了完整的灌溉控制系统。

术语表

“黑箱模型”——基于系统单纯的输入和输出行为而没有任何实际物理知识的模型。

“需求”——流体网络系统上的流负载。

“灰箱模型”——基于系统的物理和实验数据的模型。

“排水渠”——排水水渠。排水渠可以是农户排水口或将水从主灌溉水渠中排走的二级灌溉水渠。

“瞬时响应”——控制系统针对其负载或设定点的变化的行为。

“设定点”——想要的位置/范围，在其上/中受控变量将保持不变。

“步骤响应”——步骤响应是当系统输入在非常短的时间内从0变化至非零值时系统输出的时间行为。

本发明将被理解为包含许多进一步的修改，其对于本领域技术人员是显而易见的，且被认为是属于本发明的广泛范围和环境内，这里仅阐述本发明的广泛性质，并举例说明某些具体实施例。

自动化灌溉水渠的监控专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。