A3：科技智慧
●武汉市水务集团有限公司 王汝科
纵观国际国内，尖端的人工智能科学理论与技术飞速发展，在各个领域都得到了有效应用，取得了丰硕成果，并在不断发展与完善，谁拥有了这种先进技术，谁就有了话语权与权威性。在20世纪末，国外在城市供水领域就有了动态管网方面的研究与技术应用，直到现在还没有发展到全面应用人工智能，理论与技术体系也不完整。关键是对人工智能的理论与技术认识不足。
一、国内外城市供水动态管网研究现状
无论国内外城市供水领域，虽在理论技术层面应用了部分先进技术，但从科技先进性来看，整体仍处于高度自动化发展阶段，关键在于未系统应用人工智能共轭对偶与人机耦合理论和技术。
2023年国内已有相关人工智能理论与技术成果发表，但因多种原因未获广泛认可与应用。2024年深圳建成市级水务集约式管控平台，系统架构与调度技术复杂，采用局部智能算法，依托智慧水务物联网与5G实现子系统端到端传输，开展机器人巡检、管网及泵组调度、水量预测与大屏人工辅助决策，并将水务运行、行政智能评价与用户服务一体化应用。
国内外城市供水不能跨入人工智能时代，原因是对城市供水动态管网系统等与人工智能相关的关键理论与技术认知不足，概念不清，仍处于局部计算机技术工具应用、传统自动化主导的阶段。因此，这也是本文研究的必要性与出发点。
然而，国内外城市供水理论与技术明显落后于时代要求。为此，有必要对先进的人工智能技术有一个正确的认识，紧跟前沿尖端科技发展的步伐。当前国内外城市供水动态管网与智能调度的相关研究与技术持续开展，但理论技术进步不够明显。
20世纪80年代我国开始水利水电动态研究，21世纪初引进国外动态管网技术，但城市供水行业至今仍停留在智慧水务阶段。动态管网系统在传统《给水工程》教材中无明确定义。
随着技术发展与城市供水需求提升，动态管网系统研究逐步推进，但术语缺乏科学定义或规范解释，未形成统一的科学方法与技术体系，研究路径不一，尚无统一结论。
现有城市供水管网水力计算多采用计算机管网平差方法，仅是点对点的无线通信管网工况分析与人工辅助调度，未与移动通信和现代人工智能技术相结合。
美国环境保护署（EPA）于1990年前后提出动态水力、水质模拟相关概念，以研究报告与试验模型形式呈现。1993年发布EPANET软件，采用无线蜂窝网络子系统间数据传输和延时技术，形成工业化动态管网数学模型，应用牛顿-拉夫逊迭代法求解水力方程组，实现长时段水力与水质延时模拟，适用于中、大规模城市供水管网，可用于水泵启停、阀门调节、水池调度及水质趋势分析。
该软件为国际主流开源供水模拟工具。据不完全统计，已在全球100余个国家广泛应用，国内亦有数十个大中城市在规划、设计与运行分析中采用，是当前应用最普遍的供水管网模拟平台。
英国帝国理工学院的罗伯特·B·赖特博士及其团队，于2015年正式提出半动态管网概念。该研究以静态DMA分区管理模式为基础，通过调整阀门状态与优化分区边界，实现供水管网局部拓扑优化，提出了快速可靠的阀门控制优化算法，主要适用于小规模城市供水管网。
相关雏形概念源于上世纪中后期的实时响应与自动化技术方法，至2014年的会议论文。而英国赖特博士在2016年的博士论文中，进一步系统阐述了动态DMA拓扑的完整理论体系与工程实现方法。美、英相关技术均未建立与人工智能相适应的技术体系，仍属高度自动化阶段。
基于上述现状，本文运用文字学与物理学理论，结合专业技术方法，对动态管网系统给出科学定义与规范表述。仅作为动态管网系统在《城市供水智能调度系统模型》（已发表）中论述不足的技术补充，使其具有实际应用价值。
（一）国外相关概念提出与适用范围
英国帝国理工学院Dr.Wright（赖特博士）等人于2015年提出半动态管网概念，该技术依托静态DMA分区管理模式，通过调整阀门运行状态与优化分区边界，实现供水管网局部拓扑优化。主要适用于小规模城市供水管网的精细化管控，是对传统静态分区管理的针对性优化补充。
美国环境保护署（EPA）则早在1993年就发布了EPANET软件，这款专业工具具备完善的管网建模与动态模拟功能，可全面定义节点、管道、水泵、阀门、水池、水源等核心管网要素，能够完成时变用水需求、时变水质变化、多时段调度方案的精准计算。以及同步求解管网压力、流速、流量、水头损失以及水泵、水池的实时运行状态，还支持水力与水质的长时段延时模拟，凭借全面的模拟与调度分析能力，广泛适用于中、大型城市供水管网系统的模拟测算与运行管控。
（二）国外城市供水管网系统现状
国外城市供水管网以信息化、自动化为主要技术特征，普遍采用SCADA自动化系统实现压力、流量、水质等参数在线监测与远程自动化控制。
在水力计算数学模型方面，主流技术仍为静态或准静态计算体系，EPANET、MIKEURBAN等软件均属于延时模拟模型，仅能反映特定时刻管网状态，不具备全时段动态响应能力。
（三）国内动态管网研究与应用现状
国内城市供水智能调度系统研究起步于20世纪80年代，逐步形成理论与应用相结合的技术体系，整体研究具备自身特点与发展深度。
在城市供水行业，仍旧停留在智慧水务的理论与技术发展层面，没有进入当代人工智能理论与技术的研究与应用领域，缺乏国家科技战略思维。
城市供水关乎国家科技战略落实与社会生命安全保障，当前智慧水务建设在先进人工智能理论与技术的认知深度、研究应用广度上，与国家科技战略要求和实际需求尚存差距。
2023年4月国内发布的《城镇智慧水务技术指南》，从行业规范层面为城镇智慧水务建设提出了系统性要求。但该指南侧重于工程建设、自动化系统与服务系统集成，未能充分认识“智慧”与“智能”在科学技术层面的本质区别与代差，也未体现其对科技创新发展与社会价值的引领作用，在应用方向上未提及人工智能在城市供水行业的应用，整体指导思路滞后于时代发展主流。
1985年，哈尔滨建筑工程学院（后并入哈尔滨工业大学）赵洪宾教授开展城市供水管网动态工况分析，研制国内首个管网系统分析软件WNW，奠定动态水力模型与实时调度研究基础。2000至2003年发表《天津市城市供水管网系统建模的研究》与《城市供水管网系统理论与分析》研究论文，构建动态建模、动态工况分析、实时优化调度等理论体系。
80年代中后期，华中科技大学环境工程学院（原武汉城市建设学院）市政工程专业范跃华，开展给水管网计算机水力模拟、管网图绘制研究，1989年发表《微机绘制管网等水压线图方法探讨》，研究方向是供水网络管理与分析、城镇给排水工程规划。其核心是用微型计算机编制程序（PC/XT），实现管网水力计算、自动绘制等水压线图等。
1990年前后，湖南大学土木工程学院给排水专业许仕荣团队，率先引进国外给水管网实时在线数据采集与传输调度原理与技术，即融合水厂自动化SCADA系统与管网遥测、水力建模、数学规划与自动控制，实时采集管网工况数据，动态校准水力模型，优化管网及泵阀调度。
并长期开展多学科交叉先进技术研究，重点围绕管网水力特性辨识与实时优化调度算法展开，于1997年发表《城市供水管网优化调度模型研究》等论文，构建了交叉研究体系，为国内该领域自动化控制发展奠定了重要理论与技术基础。
同济大学长期开展城市供水管网动态模拟技术研究。EPA的EPANET软件发布后，同济大学李树平团队于2007年完成2.0版本汉化，2009年编制用户手册，将离线延时系统动态模拟技术系统引入国内教学与科研，是国内较早开展相关技术推广的高校团队。
本文作者于2017—2023年研究发表的《城市供水智能调度系统模型》中，首次提出动态管网系统与动态结构系统概念，并引入延时模拟技术，提出知识专家库系统与智慧专家库系统架构。动态管网系统水力计算数学模型采用海森-威廉公式与水压法，在理论上突破传统《给水工程》理论，并引入人工智能科学技术，成果在国内外城市供水领域具有前瞻性与技术先进性。
总的来讲，国内动态管网与智能调度的研究与技术体系不够集中，而行业与教育领域的研究方法以引进国外的理论与技术为主，缺乏自主研发与技术创新或建立新的体系，其重点应在指导行业应用与实际技术与管理，以推动科学技术进步，与国外同行相比推广应用的社会价值不足。
（四）国内城市供水管网系统现状
目前国内尚未形成统一的动态管网系统学术定义，工程应用仍以静态模型为基础，通过监测数据与人工分析实现辅助调度，未将动态结构系统融入管网水力计算环节。
国内城市供水管网广泛应用在线监测、GIS地理信息系统与综合管控平台，实现数据可视化与基础调度。管网水力计算仍以静态模型为主，采用固定参数与历史数据进行模拟计算，不具备动态模拟、实时响应与主动调控能力。
（五）现有研究存在的核心问题
现有研究未建立城市供水管网系统实现动态化的科学路径，水力计算数学建模未将动态结构系统作为重要组成部分，未实现与人工智能调度系统技术的深度融合。管网水力计算仍处于静态体系框架内，动态管网系统只有概念，缺乏学术定义，仅有工程技术概念与描述作用，未形成真正意义上的动态管网系统术语。
（六）跨行业技术启示与研究出发点
其他行业通过波的转换、信号处理与人工智能算法，可实现静态信息向动态信息的转化，为城市供水动态管网系统研究提供技术参考。为构建可支撑人工智能调度系统的技术体系，必须明确动态管网系统学术定义，建立动态结构系统，阐明其层级支撑关系，这也是本文研究的出发点。
二、动态管网系统的重要性与意义
动态管网系统是城市供水智能调度系统的核心与基础。将静态管网水力计算模型，升级为动态管网系统水力计算数学模型，是构建城市供水智能调度系统的前提条件。
对动态结构系统概念与技术进行科学论证，可完善理论体系与技术构成，能够形成科学实用的城市供水智能技术，满足工程应用需求。
城市供水行业实现人工智能的应用，必须建立动态管网系统。明确静态向动态转化的原理，能够为工程实施提供理论依据，实现城市供水智能调度系统的应用价值与社会价值。
三、文字学与物理学概念推理
动态管网系统作为学术术语，需从文字学角度进行本源阐释，汉字表意特征与象思维内涵，适宜对动态管网系统进行科学定义，其技术机理可通过物理学规律予以揭示。
（一）动态管网系统的定义本源
动态管网系统的动字是会意字，《说文解字》是作也，起身作事的意思，或在自然力的作用下云的变化。态字本意为姿态，可以引申为状态，物质存在的状态可以是气、液、固和波等状态。因此，动态一词也就寓意了变化、大小、方向、位置和时间，状态也就有了连续、不连续、间断和瞬时等含义。
管网有结构、功能、性质、用途、范围和位置等含义。系统的定义是由相关和互相联系的元素或部分组成的整体。其特征有输入、输出和模型，也包括性质和作用等。
综上所述，管网系统可以由静态到动态的管网可以理解为与波相关联的动态管网系统，也是唯一的。亦可称之为波能动态管网。因此，动态管网系统可以定义为：采用地域及波的属性与转换描摹管网及变化工况。其价值在于能保证管网的功能正常，服务并满足社会和人民的需求。
值得注意的是：物体由静到动，可以利用“波的转换”特性。那么，波的属性和转换特性的利用，有一个条件，必须在一定的空域内才有根本性的作用。在此基础上，可以通过地域通信与计算机技术的实时在线系统与延时系统，来实现管网系统的动态。
从学术理论上讲，动态管网系统必须有科学的定义与动态结构系统，否则作为术语不能成立。
（二）波的关联特性与数据耦合
声波可以由数据转换为电磁波，并以此为载体实现数据的高效承载与传输至终端。正是波与数据之间的这种内在耦合关系，形成了系统动态运行的核心机制——动态管网系统。
其亦可称为波能管网系统，依托波与数据的紧密关联，使其智能监控技术可应用于其他行业或领域，具备较强的实践推广价值与发展潜力。
不可忽视的是波能管网内的振动波（为水锤波）是常态。但若检修或操作不当等，仍会对管网和系统运行安全及数据产生严重影响，尤其会直接扰动压力、流量、流速等关键工况数据，在系统建模时应充分考虑这一因素。
四、动态管网系统的价值
动态管网系统依托地域特性与波的转化规律，采用实时在线系统与延时系统，反映城市供水管网运行工况随时间变化，通过通信、计算机技术实现数据采集、传输、处理与可视化，为城市供水智能调度系统应用提供技术支持。
动态结构系统（原论文已提出过此学术概念）是动态管网系统的核心与基础，无动态结构则无动态管网系统，动态管网系统是城市供水智能调度系统的核心与基础，无动态管网系统则无法实现城市供水智能调度系统。这就是它的价值所在。
五、动态管网系统的现代技术构成
波的转换需在一定空间域内实现。将静态管网平差计算与实时在线系统、延时系统和动态结构系统相结合，在管网水力计算数学建模阶段构建动态运行机制，可实现城市供水管网系统动态化运行。通过采集流量、压力、阀门状态、管道结构等信息，实现地下管网状态数字化表达与可视化。从而完整实现城市供水智能调度系统的应用。
（一）动态结构系统的意义与重要性
动态结构系统决定动态管网系统能否成立，动态管网系统决定城市供水智能调度系统能否成立，也是该领域技术先进性和前瞻性的标志，拥有话语权、权威性和应用的广泛性，以推动科学技术的发展。
本文构建的动态管网系统同时构建了动态结构系统，在结构合理性、实时性、精准性及人工智能支撑能力方面更为完善，技术上具备可行性与先进性。
（二）实时在线系统
实时在线系统是指在动态管网系统运行全周期内，实现数据的即时采集、即时传输、即时处理及指令下达一体闭环模式。通过前端传感设备对管网压力、流量、水位、波能等关键参数进行高频次实时采样，依托通信网络完成低延迟数据回传。由后台计算单元进行毫秒级解析与运算，确保管网运行状态、波形时空分布等核心信息实现连续、无间断同步更新，为系统实现精准动态调控、状态预测与优化决策提供了坚实的数据基础与技术支撑。
（三）延时系统
延时系统以波的频率特性与时序控制理论为核心构建，通过对振动波、电信号、电磁波等各类传输信号进行时序分层、相位调控与延迟分配，实现对信号传播过程的可控性延时处理。
在系统运行中，延时体现为信号从产生、传输至接收端之间的时间滞后属性，本质上是信号传播介质特性、传输协议机制及系统处理流程共同作用的结果，不属于波或信号本身的物理固有属性。
该系统通过精准的延时参数配置，可有效适配不同工况下的信号同步需求，为动态管网系统中多节点数据协同、复杂信号交互提供稳定的时序保障。
六、动态管网系统的外部案例实证
当前传媒、通信等行业已广泛应用波的转换技术实现信息由静到动的转变，充分证明相关技术已趋成熟。近代计算机技术领域的数据术语，可定义为：数据是经数字化编码的，具有特定语义的信息载体。用简单直观的方式表达：数据=数字+文字+信息。只不过存在广义和狭义之分，包括专业技术应用的特性，也是应用人工智能中不可替代的关键技术。
（一）电话传输原理与技术
电话通信系统以振动波为信息载体，首先通过声电转换装置将人声信号转化为连续模拟电信号，随后经模数转换模块将模拟电信号编码为数字信号。
数字信号经有线或无线网络传输至接收端，逆向还原为声音信号，实现语音信息的动态传递。该过程完整覆盖了信号采集—能量转换—传输—还原的全链条动态机制，与动态管网系统中管网数据采集、波形传递、信息反馈的运行逻辑形成有效印证。
（二）视频传输原理与技术
视频传输系统以图像与声音信号为原始信息源，先通过图像传感器将光信号转化为电信号，通过音频采集设备将声信号转化为电信号，再经数字化压缩技术将多路电信号整合为标准化数字视频流。
数字视频流经高速传输后，在接收端解压缩与逆向转换，还原为动态图像与声音输出。同时，系统通过延时系统精准调控信号传输时序，确保图像与声音在接收端实现动态同步。
这一全流程动态转换与传输机制，充分证明了动态信息转换、传输与还原技术的成熟性与可行性，为动态管网系统实现多维度管网状态信息的动态采集、传输与分析提供了坚实的技术依据。
七、国内外动态管网系统技术比较
强调国内外动态结构系统技术比较的重要性，有助于我们进一步认识人工智能与城市供水智能调度系统模型的相互关系，以及二者在性质与技术上的优劣与差异。
美国环境保护署EPANET2.0版是当前国际上最先进的管网软件，应用十分广泛，在国内技术应用与工程实践中也十分普遍。通过动态管网系统的核心动态结构系统比较，可以找到国内外存在的技术问题和代差，推动城市供水领域在人工智能先进科学技术上，实现更高水平发展。
（一）国外动态结构系统技术构成
EPANET2.0软件无动态结构概念，模型内置延时模块，水力计算采用流量法，运用Darcy-Weisbach公式与牛顿-拉夫逊迭代。系统由多个独立子模块构成，运算结果采用人工辅助评价。
该系统无独立的动态结构系统，由于无线通信在线实时动态机制，数据传输滞后，无法实现全时段动态响应，不具备人工智能调度适配能力。
（二）国内动态结构系统技术构成
国内城市供水智能调度系统（主系统的中央控制器CPU）以动态管网系统为子系统，动态结构系统为次系统。其应用区域网（适用于小规模调度系统），管网水力计算数学建模时，同步兼容实时在线系统与延时系统，采用水压法与海森-威廉公式计算。
动态结构系统由系统与辅助系统组成。有远程终端单元系统（RTU）、可编程逻辑控制器系统（PLC）、全球移动通信系统（GSM）、智能数据传输系统（IDP）、数据采集与监视控制系统（SCADA）、地理信息系统（GIS）、数字化管网图系统、管网平差系统。辅助系统包括独立数据库、水质监控系统、水泵控制系统、报警系统等。
该系统支持人工智能自动评价与专业数据工程师复核，可实现模型误差识别与调度参数优化。
水压法计算技术要求：“最不利点”执行《室外给水设计标准》GB50013-2018。水力计算数学建模验收值与实测值之差＜0.3米；应用压力传感器时，仪表值应减去常规值2.2米（各地可异）。二者缺一，不得进行系统运行。
（三）动态结构系统可实现的效能
通过前述国内外城市供水动态管网研究现状对比可见，二者在计算方法模式与智能适配性方面存在明显差距。
美国EPANET2.0系统采用流量法及Darcy-Weisbach公式，以牛顿-拉夫逊迭代求解，理论严谨性较强，但受有线通信运行与静态模型制约，流量与压力计算精度难以实时校准，与实际供水管网运行工况存在一定偏差。
国内研究的动态管网系统不仅采用网络技术、实时在线与延时系统，在水力算法上应用水压法和海森-威廉公式，计算更符合实时管网运行工况，流量精度与压力稳定性更优。且支持人工智能对计算结果进行自动评价，可快速完成方案合理性分析、判断、模型误差识别与调度参数优化。
相较之下，国内动态管网系统在实时性、计算精度与智能决策支撑能力上更具优势，更适应现代城市供水智能调度的发展需求，跟上时代的步伐。
（四）计算结果的先进性与成果比较
1.调度系统属性：EPANET软件与国内系统采用无线通信或物联网通信，二者均为端向收发数据传输，自动化调度系统覆盖本区域；本文系统采用全球移动通信系统数据传输，搭载共轭对偶及收敛系统，智能调度系统覆盖跨地域。
2.结构基础：EPANET软件与国内采用多系统耦合体系，动作迟缓，易出现偏差，系统无动态结构系统，为无线通信实时响应与延时模拟，以历史数据和人工支持供水调度系统；本文为人机耦合系统，以动态结构系统为核心，搭配全球移动通信实时在线与延时系统，构成完整的供水智能调度系统。
3.计算方法与技术应用：EPANET软件与国内采用流量法、迭代法求解管网系统工况人工调度；本文采用水压法求解实时响应管网系统工况，通过动态结构系统传输数据和下达调度指令控制，计算技术先进，流程更符合城市供水实际。
4.动态与安全响应：EPANET软件与国内系统为无线通信传输，在一定的区域内数据传输滞后不连续，也无系统安全响应；本文系统为实时在线，具备连续动态响应能力，构建了系统安全运行机制，可防止管网系统与调度系统崩溃。
5.计算方法与结果差异：EPANET软件与国内采用无线或物联网通信，与实时工况误差悬殊；本文系统基于全球移动通信系统，实时动态连续计算，结果精度与可靠性显著更高。二者精度水平不在同一量级。
6.数据与计算结果精度：EPANET软件与国内依赖无线通信或物联网，依托静态数据，数据精度与时效性，结果完整性不足；本文系统采用移动通信实时采集数据源，同步性强，能真实反映管网运行状态与工况。并结合国家规范的最不利点限制条件，控制管网工况数据精度和限度，还提出了新的差限标准值，成果完整且具有价值。
7.系统完整性：EPANET软件与国内为单一模拟工具，人工或局部智能分析评价；本文系统实时形成集监测、计算、分析、判断、决策与指令控制于一体的科学技术体系。
8.计算成果智能适配：EPANET软件与国内计算成果依赖人工或局部智能评价；本文系统计算成果具备人工智能分析、判断、控制、决策与优化能力。
9.成果评价体系影响：EPANET软件与国内仅依靠人工经验分析与判断，计算成果评价易受主观因素影响，客观性、稳定性与成果价值利用不足；《城市供水智能调度系统模型》提出，系统计算成果评价应由本系统专家团队的专业数据工程师主导，结合智能分析结论审核发布成果。评价成果科学、技术充分可靠、具备实用性并可规范存档，管理程序完整，为整个智能调度系统维护与升级奠定基础。
八、未来展望
本文研究内容与成果若成立，不仅突破了给排水专业水力学的学术观念，解决了城市供水智能调度系统核心技术难题，还可推进数字化推广，并拓展至其他行业应用。结合当前国内外城市供水存在的问题，追赶世界尖端科技水平，践行国家“一带一路”互利共赢共享的新发展理念，为人类社会造福。
随着当前国内外科技水平和人工智能技术的应用，我国制造业已处在世界领先水平，与城市供水智能调度系统相关的元器件、产品、设备等，自2015年以后国内外发布了一系列新标准与规范。网络、软硬件、产品生产及各领域技术已非常成熟，与之相关的技术与应用也取得显著成果。因此，城市供水智能调度系统的工程应用已不存在技术障碍。在政策、资金和技术团队具备条件的情况下即可顺利实施，实现城市供水可持续发展，满足社会与人民的用水需求，具备显著的信息传播、环境保护、公共安全等，以及经济与社会价值。相关技术还可结合“一带一路”倡议向非洲、东南亚等技术相对薄弱的国家推广应用。