侯召成，翟宜峰

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038）

0 引言

南水北調(diào)中線工程是一項以供水為主，兼顧防洪、發(fā)電和改善生態(tài)環(huán)境的多目標跨流域水資源開發(fā)利用工程，是解決京津華北地區(qū)缺水問題的重大戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施，對于促進該地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善具有十分重要的戰(zhàn)略意義。整個工程分兩期建設(shè)，一期規(guī)劃多年平均調(diào)水約 95 億 m3，供水目標以沿線城市生活、工業(yè)用水為主，兼顧生態(tài)和農(nóng)業(yè)用水。中線一期工程包括 3 部分：水源工程、輸水工程（中線干線工程）和漢江中下游治理工程[1]。

南水北調(diào)中線干線工程是南水北調(diào)中線工程的主體輸水工程，貫通江、淮、黃、海 4 大流域，跨越河南、河北、天津、北京 4 省市，線路總長約1432 km，共布置各類建筑物 1800 余座[2]。干渠沿線有 90 余分水口門，各口門的需水量不斷變化，在實際運行中，需根據(jù)需水量和丹江口水庫當前的可調(diào)水量，合理進行水量分配，然后通過運行控制，將水按時按質(zhì)按量安全送達用戶手中。只有充分掌握實時調(diào)度運行管理信息，利用不斷更新的預(yù)報信息、前期調(diào)度的反饋信息和專家知識，才有可能及時做出科學(xué)合理的調(diào)度決策。調(diào)度運行管理時不僅要考慮水資源本身的自然屬性，還要考慮調(diào)水與人類社會的關(guān)系，包括對社會、經(jīng)濟、環(huán)境、生態(tài)的影響[3～5]。

由以上分析可知，中線干線工程調(diào)度運行管理系統(tǒng)是一個規(guī)模龐大、涉及面廣、影響因素多的復(fù)雜系統(tǒng)，不僅涉及社會、經(jīng)濟、技術(shù)及生態(tài)環(huán)境等因素，還取決于決策者的偏好和認知水平。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，決策支持系統(tǒng)（DSS）在半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化決策中得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)被認為是一種行之有效的輔助決策工具。因此，在科學(xué)技術(shù)突飛猛進的今天，如何利用現(xiàn)代信息技術(shù)，研究為中線干線工程調(diào)度運行管理服務(wù)的決策支持系統(tǒng)，提高中線干線工程調(diào)度運行管理水平，具有重要的理論價值和重大的經(jīng)濟價值。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計思路

在需求分析的基礎(chǔ)上，緊緊圍繞著中線干線水量調(diào)度運行管理特點，分析研究系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵問題，以調(diào)水業(yè)務(wù)為核心，以全線閉環(huán)自動控制為重點，統(tǒng)籌考慮工程運行管理、綜合辦公要求，開發(fā)建設(shè)能夠應(yīng)對各種調(diào)水突發(fā)事件和調(diào)度決策的會商系統(tǒng)，滿足中線干線水量調(diào)度以及相關(guān)業(yè)務(wù)的用戶需求，進行數(shù)據(jù)采集、傳輸、存貯系統(tǒng)建設(shè)，做到采集數(shù)據(jù)全面、傳輸及時、數(shù)據(jù)暢通、信息共享，為調(diào)度決策提供功能強大的支持環(huán)境。本著實用先進、科學(xué)合理、經(jīng)濟可行的原則，充分考慮系統(tǒng)建設(shè)的開放性、可靠性、可維護性，進行系統(tǒng)總體框架設(shè)計。

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 總體需求

南水北調(diào)中線干線工程供水目標主要是干渠沿線城市的生活和工業(yè)用水，同時兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水。圍繞著實現(xiàn)供水目標，系統(tǒng)總體需求歸納為：全線水量統(tǒng)一調(diào)度，全線輸水閉環(huán)自動控制，保障全程調(diào)水安全、保障工程運行安全，快速響應(yīng)突發(fā)事件、進行調(diào)度會商決策。

2.2 工程調(diào)度管理特點

中線干線工程調(diào)度管理具有以下主要特點[6～9]：

（1）全線閉環(huán)自動控制。1432 km 的渠道通過60 座節(jié)制閘，采用節(jié)制閘閘前常水位的控制方式進行運行控制，全線近 300 座控制建筑物需要同步聯(lián)動控制，才能保持水位基本恒定實現(xiàn)自流輸水。因此輸水控制方式要求中線干線工程具有高度自動化的全線閉環(huán)自動控制。

（2）供水方案復(fù)雜。供水水源動態(tài)不確定、受水用戶多、需水不確定、工程運營準市場管理的供水合約制，以及主客水混合配置問題，致使供水分配方案非常復(fù)雜。需要根據(jù)受水區(qū)用水申請計劃，綜合考慮受水區(qū)當?shù)氐牡乇硭?、地下水與中線干渠調(diào)水的聯(lián)合運用及豐枯互補的作用，制定年、月、旬、日調(diào)水計劃。

（3）水質(zhì)安全隱患多。沿途 1800 多座建筑物為水質(zhì)帶來安全隱患，尤其是 737 座跨渠公路橋上可能發(fā)生的交通事故更給安全輸水帶來潛在威脅。

（4）渠道安全隱患多。中線干線工程沿途經(jīng)過煤礦采空區(qū)、膨脹土區(qū)、飽和砂土渠段等特殊地段是工程安全的重大隱患，冰期輸水使得工程安全問題尤為突出，需要全面收集工程運行信息，準確分析判斷、及時預(yù)警，以保障工程的安全運行。

（5）洪水隱患多。中線干線輸水渠沿途流經(jīng)伏牛山、太行山區(qū)，是我國洪水多發(fā)地區(qū)，左岸還存在著泥石流、滑坡的可能，這些都是工程防洪安全的潛在隱患。

（6）特殊情況多。一旦發(fā)生水質(zhì)污染事件如何快速響應(yīng)；一旦發(fā)生安全問題如何快速制定相應(yīng)方案；一旦發(fā)生洪水災(zāi)害如何把損失減小到最小程度等等這些突發(fā)事件的應(yīng)對響應(yīng)，需要有功能完善、指揮有效的綜合會商環(huán)境和強有力的決策支持。

（7）管理復(fù)雜。南水北調(diào)中線干線工程覆蓋范圍大，所以整個運行管理具有管理機構(gòu)地域分布廣、層次多、管理內(nèi)容復(fù)雜的特點，必須要有先進的管理平臺和手段，使上傳下達的管理信息及時、準確，保障整個工程管理的高效有序。

2.3 業(yè)務(wù)流程分析

南水北調(diào)中線干線工程調(diào)度運行管理業(yè)務(wù)流程如圖1 所示。主要涉及自動化調(diào)度監(jiān)控、決策綜合支持、水質(zhì)監(jiān)測、安全檢測及運行維護、工程管理、綜合辦公等環(huán)節(jié)。

制定年內(nèi)水量分配方案之前，首先收集水源區(qū)的可調(diào)水量，各受水區(qū)根據(jù)各自的年內(nèi)水文預(yù)報提交的用水申請，總公司根據(jù)水資源供求形勢和前期供水方案執(zhí)行情況，統(tǒng)籌考慮各方利益并經(jīng)與沿線 4 省市和水源公司會商決策，制定年內(nèi)供水計劃，其中年計劃以月為水量分配的時間步長，以水文年（每年 10 月初到次年 9 月底）為調(diào)度年，月計劃以旬為步長，以每個日歷月為調(diào)度月，旬計劃以日為步長。年內(nèi)供水計劃經(jīng)討論通過后形成實時調(diào)度的執(zhí)行基準方案。每經(jīng)過 1 旬、1 月和 1 年后制定下一時段的方案，逐時段滾動。

根據(jù)旬方案的逐日分水計劃、各受水區(qū)的最新需水變化、昨日供水情況、工程運行情況和其他突發(fā)供水形勢變化，制定當日的各閘（泵）站調(diào)度運行指令，由總調(diào)中心下發(fā)監(jiān)控站執(zhí)行，通過閘站監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行閘門開度等指令及記錄水位流量過程等信息，實時閉環(huán)控制系統(tǒng)運行，當實際調(diào)度參數(shù)與目標參數(shù)不一致時，由閘站監(jiān)控系統(tǒng)反饋水調(diào)業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)，水調(diào)業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)重新調(diào)用模型發(fā)布新的實時或應(yīng)急調(diào)度指令，實現(xiàn)自動調(diào)整各節(jié)制閘、泵站、分水口或退水口的閘門開度及水位流量。

在調(diào)度過程中，及時收集閘站運行、工程運行、工程安全、水質(zhì)污染以及各級管理機構(gòu)接到的轄區(qū)特殊需水等要求，根據(jù)應(yīng)急調(diào)度預(yù)案或會商制定各部門聯(lián)動設(shè)置全社會聯(lián)動的應(yīng)急響應(yīng)方案，迅速采取應(yīng)急響應(yīng)措施，保證工程安全、供水安全，控制險情蔓延，及早恢復(fù)工程正常運行。

按照國家要求，南水北調(diào)工程采用準市場運作機制，計劃合同、工程檔案、財務(wù)資產(chǎn)、綜合辦公信息化管理是整個調(diào)水過程的保障環(huán)節(jié)，以提高工作效率，實現(xiàn)工程管理信息公開。

圖1 南水北調(diào)中線干線工程調(diào)度運行管理業(yè)務(wù)流程

3 系統(tǒng)總體框架

3.1 系統(tǒng)建設(shè)目標

以南水北調(diào)中線干線工程調(diào)水業(yè)務(wù)為核心，以全線閉環(huán)自動控制為重點，運用先進的水利、通信、計算機網(wǎng)絡(luò)、自動控制等技術(shù)，建設(shè)服務(wù)于自動化調(diào)度監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測、工程安全監(jiān)測及運行維護、工程管理等業(yè)務(wù)的信息化作業(yè)平臺和調(diào)度會商決策支撐環(huán)境，實現(xiàn)調(diào)水過程自動化和運行管理信息化，保障全線供水安全。

3.2 總體框架設(shè)計

通過需求分析，根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標，借鑒目前國際國內(nèi)同類系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗，搭建系統(tǒng)總體框架，盡可能地避免未來的重復(fù)建設(shè)，為系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)和運行維護打下堅實的基礎(chǔ)。系統(tǒng)邏輯構(gòu)成包括：應(yīng)用系統(tǒng)、應(yīng)用支撐平臺、基礎(chǔ)設(shè)施、組織管理、技術(shù)保障等 5 部分，系統(tǒng)總體框架如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架

3.2.1 應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)是用戶直接使用的與業(yè)務(wù)有關(guān)的各子系統(tǒng)集合，主要的業(yè)務(wù)應(yīng)用包括：自動化調(diào)度監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測、工程安全監(jiān)測及運行維護、工程管理、綜合辦公、決策綜合支持系統(tǒng)等 6 部分。

（1）自動化調(diào)度與監(jiān)控包括：閘站自動監(jiān)控、水調(diào)業(yè)務(wù)處理、閘站視頻監(jiān)視及閘站安防監(jiān)控等部分。① 閘站自動監(jiān)控：主要建設(shè)任務(wù)是按照節(jié)制閘下游常水位渠道運行控制方式進行全線閉環(huán)自動控制，實現(xiàn)輸水工程的自動化調(diào)度，同時，考慮在特殊需要的情況下，現(xiàn)地閘站可以由人工控制，進行閘站操作。② 水調(diào)業(yè)務(wù)處理：進行水量調(diào)度日常業(yè)務(wù)處理、年內(nèi)水量分配方案編制、實時水量調(diào)度、應(yīng)急水量調(diào)度、水量計量和水費計算、調(diào)度評價等功能的建設(shè)。③ 閘站視頻監(jiān)視及閘站安防監(jiān)控：為了有效地實現(xiàn)輸水工程沿線閘站控制，及時了解工程控制情況，建設(shè)現(xiàn)地閘站視頻監(jiān)視系統(tǒng)，同時，建設(shè)閘站安防監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)閘站現(xiàn)地?zé)o人值守情況下對設(shè)施的有效管理。

（2）水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)包括：水質(zhì)信息采集、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、水質(zhì)站網(wǎng)管理、水質(zhì)分析評價、水質(zhì)監(jiān)測資料整匯編、水質(zhì)預(yù)測預(yù)報、水質(zhì)信息查詢、水質(zhì)會商支持、水質(zhì)信息發(fā)布等 9 部分。

（3）工程安全監(jiān)測及運行維護包括：工程安全監(jiān)測、工程防洪信息管理、工程運行維護管理等。

（4）工程管理包括：計劃合同信息、財務(wù)資產(chǎn)信息、工程檔案等管理系統(tǒng)。

（5）綜合辦公包括：通用辦公系統(tǒng)、人力資源信息管理系統(tǒng)、中線互聯(lián)網(wǎng)站。

（6）決策綜合支持包括：決策會商支持、綜合信息服務(wù)、應(yīng)急響應(yīng)、異地視頻會議、三維仿真等系統(tǒng)。

3.2.2 應(yīng)用支撐平臺

應(yīng)用支撐平臺是連接基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)的橋梁，是以應(yīng)用服務(wù)器、中間件技術(shù)為核心的基礎(chǔ)軟件技術(shù)支撐平臺，其作用是實現(xiàn)資源的有效共享和應(yīng)用系統(tǒng)的互連互通，為應(yīng)用系統(tǒng)的功能實現(xiàn)提供技術(shù)支持、多種服務(wù)及運行環(huán)境，是實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)之間、應(yīng)用系統(tǒng)與其他平臺之間進行信息交換、傳輸、共享的核心。應(yīng)用支撐平臺主要包括：應(yīng)用組件、公共服務(wù)、應(yīng)用交互、基礎(chǔ)支撐等 4 個部分。

3.2.3 基礎(chǔ)設(shè)施

基礎(chǔ)設(shè)施主要是完成各類信息從數(shù)據(jù)采集到傳輸、加工處理、存貯和展示等全過程的軟硬件設(shè)備及軟硬件設(shè)備運行所需要的實體環(huán)境的有機組合，是自動化調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。包括數(shù)據(jù)采集、通信系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存貯與管理系統(tǒng)，以及系統(tǒng)運行實體環(huán)境。

（1）數(shù)據(jù)采集：根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需求和業(yè)務(wù)流程，本系統(tǒng)所涉及到的數(shù)據(jù)主要分為閘（泵）站水調(diào)、工程安全監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、工程防洪、冰期相關(guān)等數(shù)據(jù)。因數(shù)據(jù)采集與各應(yīng)用系統(tǒng)之間聯(lián)系比較密切，不同的應(yīng)用系統(tǒng)需要不同的采集手段提供相關(guān)數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)采集不作為一個獨立的系統(tǒng)存在，而是納入相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)中。

所采集的數(shù)據(jù)信息主要通過計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或通信傳輸系統(tǒng)傳送到應(yīng)用系統(tǒng)或數(shù)據(jù)存貯與管理系統(tǒng)。

（2）計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：由功能獨立的控制專網(wǎng)、業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)這 3 個網(wǎng)絡(luò)組成。① 控制專網(wǎng)主要承載水量調(diào)度中閘站監(jiān)控信息；② 業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)主要承載水量調(diào)度系統(tǒng)、工程安全監(jiān)測與管理系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、防洪系統(tǒng)信息管理系統(tǒng)、綜合決策會商系統(tǒng)、信息服務(wù)系統(tǒng)以及綜合辦公系統(tǒng)等應(yīng)用系統(tǒng)信息； ③ 業(yè)務(wù)外網(wǎng)主要承載南水北調(diào)中線干線工程的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息。

（3）通信系統(tǒng)：主要由程控交換系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、時鐘同步及通信綜合網(wǎng)管系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)、通信管道、通信光電纜等部分組成。① 程控交換系統(tǒng)主要完成各通信站點之間語音通信的任務(wù)，并實現(xiàn)工程各級管理機構(gòu)之間，以及各級管理部門對現(xiàn)地閘站之間的語音調(diào)度任務(wù)；② 通信傳輸系統(tǒng)主要實現(xiàn)總公司、各分公司、各管理處和各現(xiàn)地閘站的通信站點之間語音、數(shù)據(jù)、圖像等各類通信業(yè)務(wù)的傳遞；③ 時鐘同步系統(tǒng)及綜合網(wǎng)管系統(tǒng)是通信系統(tǒng)的支撐，時鐘同步系統(tǒng)為程控交換系統(tǒng)和通信傳輸系統(tǒng)提供同步時鐘信號，保證通信網(wǎng)內(nèi)各通信設(shè)備之間時鐘同步，以提高通信傳輸質(zhì)量。通信綜合網(wǎng)管系統(tǒng)對通信網(wǎng)內(nèi)各類通信設(shè)備及其配套設(shè)備進行實時監(jiān)測和管理，使運行維護人員能準確掌握通信網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備運行狀態(tài)，提高管理維護能力；④ 通信光纜、電纜是通信傳輸系統(tǒng)的傳輸媒介，包括通信光纜、通信電纜和光纜線路自動監(jiān)測系統(tǒng)；⑤ 通信管道是通信光纜、通信電纜長期運行的安全保障；⑥ 通信電源系統(tǒng)為各通信設(shè)備和主要數(shù)據(jù)設(shè)備提供安全可靠的電源保障。

（4）數(shù)據(jù)存貯與管理系統(tǒng)：主要作用是滿足海量數(shù)據(jù)的存貯管理要求；通過數(shù)據(jù)的異地容災(zāi)備份，保證數(shù)據(jù)的安全性；整合系統(tǒng)資源，避免或減少重復(fù)建設(shè)，降低數(shù)據(jù)管理成本；整合數(shù)據(jù)資源，保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。數(shù)據(jù)存貯與管理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及數(shù)據(jù)存貯平臺 2 部分組成。

（5）實體環(huán)境：為保證整個系統(tǒng)正常運行，展現(xiàn)系統(tǒng)運行狀況，滿足業(yè)務(wù)人員的工作需要，進行系統(tǒng)運行實體環(huán)境建設(shè)。系統(tǒng)運行實體環(huán)境是支撐全程業(yè)務(wù)運行，滿足調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、通信、備調(diào)等中心及各自分中心和相關(guān)機房等對環(huán)境需求的集成體，包括系統(tǒng)硬件運行、業(yè)務(wù)人員的工作、綜合決策會商及各級管理機構(gòu)、現(xiàn)地站的相關(guān)機房等環(huán)境。

3.2.4 組織管理

組織管理是一個在組織架構(gòu)和組織功能中施加管控力的過程。有效的組織管控是自動化調(diào)度系統(tǒng)高效運行的根本保障，也是企業(yè)戰(zhàn)略決策能夠在各級管理機構(gòu)得到貫徹執(zhí)行，實現(xiàn)企業(yè)戰(zhàn)略目標根本保證。

南水北調(diào)中線干線工程采用總公司、分公司、管理處 3 級機構(gòu)進行管理，組織架構(gòu)具有集權(quán)程度高的特點，組織管控要將效率作為關(guān)注的焦點，需要有嚴格管理控制制度，保證總部的決策在各級管理機構(gòu)得到貫徹執(zhí)行，因此必須利用先進的計算機技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)對生產(chǎn)控制系統(tǒng)和經(jīng)營管理信息系統(tǒng)進行有效集成，以實現(xiàn)管控一體化。

3.2.5 技術(shù)保障

在項目建設(shè)前要做好工程設(shè)計、技術(shù)標準、操作規(guī)程制定等工作，在項目建設(shè)期要保障所需經(jīng)費投入。同時還應(yīng)對工程建設(shè)的管理從制度上和組織上給予落實，建立嚴密的工程建設(shè)組織管理體系、工程運行維護管理體系和人才培訓(xùn)與引進機制。要按照基本建設(shè)管理的有關(guān)規(guī)定，實施計劃進度管理和過程控制。要建立和采用完善的標準體系，在系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)和運行維護的各個階段，嚴格按照有關(guān)標準進行，保證工程建設(shè)和運行的規(guī)范化和標準化。

4 結(jié)語

在本文所研究確立的系統(tǒng)總體框架的基礎(chǔ)上，已經(jīng)完成了系統(tǒng)初步設(shè)計編制及批復(fù)工作，目前正在開展實施工作，計劃 2014 年系統(tǒng)投入使用。南水北調(diào)中線干線自動化調(diào)度系統(tǒng)總體框架設(shè)計方案既切實指導(dǎo)了系統(tǒng)初步設(shè)計及后續(xù)建設(shè)管理工作，也為類似調(diào)水工程信息系統(tǒng)建設(shè)提供了借鑒經(jīng)驗。

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