喬俊飛，北京工業大學教授、博士生導師，環保自動化領域專家。國家自然科學基金創新群體項目負責人，"長江學者獎勵計劃"特聘教授，國家傑出青年基金獲得者，國家級百千萬人纔工程入選者，享受國務院特殊津貼專家。現任智慧環保北京實驗室主任、智能感知與自主控制工程中心主任，兼任中國人工智能學會常務理事，中國自動化學會理事。長期從事計算智能與智能優化控制領域研究工作，在污染防治過程智能特征檢測、自組織控制和多目標動態優化方面取得開創性成果，多項成果已廣泛應用於環保企業生產實踐，取得了顯著的經濟、社會和生態效益。傅安琪，北京工業大學副教授、碩士生導師。2018年畢業於荷蘭代爾夫特理工大學，後赴英國帝國理工大學做博士後。主要研究復雜動態繫統智能建模與優化控制、城市智能供水繫統等。主持國家自然科學基金青年項目、共同牽頭北京市自然科學基金豐臺軌道交通前沿研究聯合基金重點研究專題項目等。發表論文20餘篇，授權/申請中國發明專利5件，榮獲中國自動化學會科技進步獎一等獎等。 潘廣源，臨沂大學副教授，山東省海外科技人纔、臨沂大學"沂蒙學者"，中國自動化學會環境感知與保護自動化專業委員會委員，中國人工智能學會工業人工智能專業委員會委員。2016年畢業於北京工業大學，加拿大維多利亞大學博士聯合培養、加拿大滑鐵盧大學博士後、香港中文大學助理研究員、南方科技大學訪問學者。主要從事人工智能與機器學習、智能繫統的優化與控制研究，主持國家自然科學基金青年項目，參與國內外自然科學基金，發表學術論文40餘篇，授權/申請發明專利6件。李雲峰，北京市自來水集團智慧供水專業委員會主任、計劃生產部經理，高級經濟師。曾任集團網信部經理，多年從事供水行業數字化轉型和信息化建設的規劃和實施工作。獲北京水務科技進步一等獎2項，北京市企業管理現代化創新成果一等獎3項、二等獎4項。發表論文10餘篇，授權軟件著作權10餘項。

第1章 概述    001
1.1 城市供水繫統    002
1.2 城市供水管網的優化    003
1.2.1 傳統優化設計方法    004
1.2.2 智能優化設計方法    005
1.3 城市供水繫統的控制    008
1.3.1 傳統控制方法    009
1.3.2 現代控制方法    010
1.4 城市供水繫統優化與調度    012
1.5 本書組織結構    013
參考文獻    014

第2章 城市供水管網分析與建模    017
2.1 城市供水管網圖論基礎    018
2.2 供水管網圖形的簡化    019
2.3 供水管網水力特性分析    021
2.4 供水管網水力計算方法    023
2.5 供水管網優化設計目標    025
2.5.1 經濟性目標函數    026
2.5.2 可靠性目標函數    027
參考文獻    030

第3章 城市分布式供水繫統模型    033
3.1 概述    034
3.2 常用設備與設備控制    036
3.3 水箱繫統模型    041
3.3.1 水箱繫統概述    042
3.3.2 繫統建模與參數辨識    045
3.3.3 控制器設計    046
3.4 反饋通路網絡化的影響與理論    049
3.4.1 無線網絡化控制方法    049
3.4.2 混雜繫統理論    051
3.4.3 事件觸發控制方法    054
3.4.4 無線網絡傳輸技術與協議選取    055
本章附錄：水箱繫統建模過程    061
參考文獻    068

第4章 樹狀城市管網優化設計    071
4.1 樹狀管網模型    072
4.1.1 模型介紹及特點    072
4.1.2 優化目標設計與分析    072
4.1.3 優化方法    072
4.2 粒子群優化算法    074
4.2.1 算法介紹    074
4.2.2 優化設計分析    075
4.2.3 改進1：提高後期種群多樣性    081
4.2.4 改進2：提高搜索效率    084
4.2.5 改進3：解決初期無目的性問題    087
4.2.6 改進4：全局與局部搜索的平衡    091
4.3 優化結果分析    093
4.3.1 樹狀管網優化案例1    093
4.3.2 樹狀管網優化案例2    095
參考文獻    097

第5章 環狀城市管網優化設計    101
5.1 雙環狀管網模型    102
5.1.1 模型介紹及特點    102
5.1.2 約束條件設計與分析    102
5.1.3 優化方法    104
5.2 蟻群算法    104
5.2.1 算法介紹    104
5.2.2 標準蟻群算法    106
5.2.3 改進1：提高信息素更新效率    108
5.2.4 改進2：一種高效的搜索機制    109
5.2.5 改進3：信息素更新過程的優化    110
5.2.6 綜合改進算法的流程    111
5.2.7 改進算法的性能測試    112
5.3 優化結果分析    114
5.4 多環狀管網模型    117
5.4.1 漢諾塔模型介紹及特點    117
5.4.2 可靠性分析    119
5.4.3 基於經濟性與可靠性的供水管網模型    122
5.4.4 約束條件設計與分析    123
5.4.5 優化方法    124
5.5 遺傳算法    124
5.5.1 算法簡介    124
5.5.2 NSGA2 算法    125
5.5.3 兩種改進型NSGA2 算法    129
5.5.4 函數測試及評價指標    132
5.5.5 改進型NSGA2 性能測試    133
5.6 優化結果分析    136
參考文獻    137

第6章 典型城市管網優化設計    141
6.1 典型城市管網    142
6.1.1 城市管網概述    142
6.1.2 紐約城市管網    142
6.1.3 約束條件設計與分析    145
6.1.4 優化方法    147
6.2 強度Pareto 進化算法    147
6.2.1 強度Pareto 進化算法簡介    147
6.2.2 基於參考向量的強度Pareto 進化算法    152
6.2.3 函數測試及評價指標    155
6.2.4 改進型SPEA2 性能測試    157
6.3 優化結果分析    171
6.3.1 模型優化結果    171
6.3.2 工程實例    172
參考文獻    174

第7章 城市供水管網健康監測與智能預警    177
7.1 供水管網健康監測需求分析    178
7.2 我國供水管網運行與管理現狀    178
7.3 供水管網漏損檢測技術    180
7.4 供水管網漏損智能預警與控制    181
7.5 管網健康監測技術發展趨勢    182
參考文獻    182

第8章 城市供水管網智能管理繫統    185
8.1 智能管理繫統概述    186
8.2 供水信息管理繫統的需求分析與設計    187
8.2.1 繫統需求分析    187
8.2.2 繫統功能設計    188
8.2.3 語言方法及工具    190
8.3 管網管理繫統軟件基本功能的實現    191
8.3.1 登錄及用戶信息管理    191
8.3.2 管線信息管理    192
8.3.3 實時監控信息管理    193
8.3.4 爆管信息查詢及分析    195
8.3.5 預警信息查詢    196
8.3.6 後臺管理    198
8.4 地理信息模塊的設計    198
8.4.1 GIS 模塊的研究    198
8.4.2 ArcGIS 軟件介紹    198
8.4.3 ArcEngine 與Visual Studio 的聯合開發    200
8.4.4 GIS 模塊的設計與實現    201
8.4.5 國產GIS 繫統的發展    210
8.5 智能決策模塊的設計    211
8.5.1 智能決策模塊    211
8.5.2 關鍵技術    211
8.5.3 MATLAB 與VS 混合編程    213
8.5.4 界面設計    214
8.5.5 操作方法及結果顯示    215
8.5.6 預留界面與用戶自定義    216
參考文獻    218

第9章 分布式供水繫統智能控制    221
9.1 智能分布式供水繫統概述    222
9.2 控制方法    224
9.2.1 周期性時間觸發控制方法（TTC）    224
9.2.2 周期性集中式事件觸發控制方法（PETC）    225
9.2.3 周期性分布式異步更新事件觸發控制方法（ADPETC）    226
9.2.4 周期性分布式同步更新事件觸發控制方法（SDPETC）    235
9.3 傳輸協議設計    239
9.3.1 簡單TDMA 傳輸協議    240
9.3.2 C-TDMA 傳輸協議    241
9.3.3 SDC-TDMA 傳輸協議    243
9.3.4 ADC-TDMA 傳輸協議    244
9.4 運行結果與分析    245
9.4.1 參數選取    245
9.4.2 評價指標    247
9.4.3 運行結果與分析    248
9.5 結論    254
本章附錄：證明    254
參考文獻    260

第10章 遠程分布式供水繫統智能控制    263
10.1 動態事件觸發控制方法    264
10.1.1 繫統概述    264
10.1.2 穩定性分析    270
10.1.3 實驗結果和分析    272
10.1.4 結論    274
10.2 異步采樣事件觸發控制方法    275
10.2.1 繫統概述    275
10.2.2 穩定性分析    279
10.2.3 實驗結果和分析    282
10.2.4 結論    282
10.3 基於LoRa 的遠程分布式供水繫統    283
10.3.1 繫統概述    283
10.3.2 繫統描述    285
10.3.3 Ctrl-MAC 通信協議    288
10.3.4 Ctrl-MAC 與LoRaWAN 對比    294
10.3.5 Ctrl-MAC 在遠程分布式供水繫統中的應用    297
10.3.6 運行結果和分析    301
10.4 結論    309
本章附錄：證明    309
參考文獻    312

第11章 城市供水繫統優化與調度    315
11.1 供水繫統調度的作用與挑戰    316
11.2 供水繫統調度的內容與發展現狀    317
11.3 供水繫統調度的發展趨勢    320
參考文獻    321

中英文對照表    323qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqq

隨著人類社會文明的進步和公眾環保意識的增強，科學合理地利用自然資源，全面繫統地保護生態環境，已經成為世界各國可持續發展的必然選擇。環境保護是指人類科學合理地保護並利用自然資源，防止自然環境受到污染和破壞的一切活動。環境保護的本質是協調人類與自然的關繫，維持人類社會發展和自然環境延續的動態平衡。由於生態環境是一個復雜的動態大繫統，實現人類與自然和諧共生是一項具有繫統性、復雜性、長期性和艱巨性的任務，必須依靠科學理論和先進技術的支撐纔能完成。
面向國家生態文明建設，聚焦污染防治國家重大需求，北京工業大學“環保自動化”研究團隊瞄準人工智能與自動化學科前沿，圍繞空氣質量監控、水污染治理、城市固廢處理等社會共性難題，從信息學科的視角研究環境污染防治自動化、智能化技術，助力國家打好“藍天碧水淨土”保衛戰。作為國內環保自動化領域的拓荒者，研究團隊經過二十多年的潛心鑽研，在水環境智能感知與智慧管控，城市污水處理過程智能優化控制，城市供水繫統智能優化與控制，城市固廢焚燒過程智能優化控制以及空氣質量智能感知、識別與監控等方面取得了重要進展，形成了具有自主知識產權的環境質量感知、自主優化決策、智慧監控管理等環境保護新技術。為了促進人工智能與自動化理論發展和環保自動化技術進步，更好地服務國家生態文明建設，團隊在前期研究的基礎上，總結凝練成“智慧環保前沿技術叢書”，希望為我國環保智能化發展貢獻一份力量。
本書的主要內容包括城市供水現狀分析、供水管網分析與建模方法、供水繫統組成與動力學模型、不同類型城市管網優化設計、供水管網健康監測及智能管理、城市供水繫統智能控制和優化調度等，為城市供水繫統智能優化和運行控制提供了理論方法和技術基礎。本書致力於科學供水、高效供水，涵蓋了從管網設計到供水過程控制的主要理論、設計方法和應用實例，旨在解決城市供水繫統設計與運行中的優化與控制方面的問題，為提升城市供水水平、降低供水過程資源消耗，實現社會可持續發展和經濟可持續增長做出應有的貢獻。
本書的研究工作得到國家自然科學基金項目(62021003、61890930) 和科技創新2030“新一代人工智能”重大項目(2021ZD0112301、2021ZD0112302) 的資助。感謝國家自然科學基金委員會、科技部長期以來的支持，使我們團隊能夠心無旁騖地潛心研究。感謝團隊研究生楊少布道、魏新宇、張岩、範飛、戴永吉等同學，他們在資料整理、圖形繪制、文字校對等方面做了大量的工作，為本書出版進程的加快和出版質量的提高做出了貢獻。感謝城市供水繫統領域的國內外專家學者，你們的思想啟迪了我們的智慧，你們的成功激勵了我們繼續前行的勇氣，你們的研究工作無疑使本書的內容得到了進一步升華。
由於自動控制、人工智能、給水工程等領域知識體繫不斷豐富和發展，而作者的知識積累有限，書中難免有不妥之處，敬請廣大讀者批評指正。