冉 毅

(四川省都江堰管理局,四川 都江堰 611830)

1 都江堰信息化建設(shè)的背景

建于公元前 256年的都江堰水利樞紐工程歷經(jīng)兩千多年的歷史滄桑而經(jīng)久不衰,至今仍在發(fā)揮著巨大效益,造福人民,成為古代水利工程中留存至今、永續(xù)利用的光輝典范。建立“都江堰渠首樞紐閘群智能聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)”,實現(xiàn)都江堰渠首樞紐水資源的優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度和防洪調(diào)度的優(yōu)化決策指揮,抓住了都江堰水資源管理的核心和龍頭,對帶動整個都江堰灌區(qū)水資源優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度方法的研究和實現(xiàn)具有重要意義。

2 渠首樞紐現(xiàn)狀

都江堰渠首樞紐工程位于都江堰市城西,距成都市區(qū) 60 km。工程修建在岷江上游出山口與成都平原扇形的頂端,海拔 727 m,為全灌區(qū)的制高點。岷江水經(jīng)渠首樞紐引入灌區(qū),居高臨下,設(shè)計灌溉成都平原及川中丘陵灌區(qū)農(nóng)田 1 186.40萬畝(1 hm2=15畝),終期將達(dá)到 1 500萬畝。

都江堰渠首樞紐工程主要由魚嘴、寶瓶口和飛沙堰三大主體工程和百丈堤、二王廟順?biāo)〉容o助工程組成。1949年以來,隨著都江堰灌區(qū)的不斷發(fā)展,在渠首樞紐原有工程基礎(chǔ)上相繼修建了外江閘、沙黑總河閘、飛沙堰工業(yè)攔水閘以及六大干渠分水節(jié)制閘等配套工程,與都江堰三大工程相互配合運行,更加充分合理地利用岷江水源,滿足都江堰灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和城市生活用水不斷增長的需要。目前灌區(qū)實灌面積已經(jīng)達(dá)到了1 030萬畝。

3 渠首樞紐信息化現(xiàn)狀

1998年至今,根據(jù)都江堰灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃實施項目安排,都江堰渠首先后完成了內(nèi)江走馬河等四大干渠首段(都江堰市城區(qū)段)2.983 km河道整治;內(nèi)江仰天窩閘、蒲柏閘、走江閘、工業(yè)引水渠尾水閘、溝通道進、出口閘和相關(guān)三個干渠水文測站的更新改造。在灌區(qū)水利信息化建設(shè)中,渠首樞紐已完成了:(1)信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè);(2)內(nèi)江閘群自控及渠道樞紐圖像監(jiān)視系統(tǒng);(3)渠首岷江來水、內(nèi)江總干渠水量及六大干渠水位流量情況的實時采集;(4)渠首內(nèi)江總干渠水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)。外江閘群的自動化系統(tǒng)也基本建設(shè)完成。

以上系統(tǒng)的改造和建成,在一定程度上提高了工程安全運行和水資源的優(yōu)化配置,但從當(dāng)前的水資源調(diào)度要求看,整個渠首樞紐信息化系統(tǒng)的建設(shè)起點較低,出現(xiàn)了落后和反應(yīng)慢的趨勢,已不適應(yīng)灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展對水量調(diào)度的要求,急需對其進行技術(shù)更新、改造、完善。

4 系統(tǒng)技術(shù)路線

都江堰渠首樞紐由內(nèi)江片區(qū)閘群和外江片區(qū)閘群組成,經(jīng)過信息化第一階段的建設(shè),光纖網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了整個渠首范圍,所有閘房都完成了自動化改造,依托基于 PLC的閘門自動控制系統(tǒng)和光纖網(wǎng)絡(luò),可以在管理站、渠首管理處調(diào)度分中心和管理局調(diào)度中心實現(xiàn)閘門的本地/集中/遠(yuǎn)程控制;在重點斷面、分水閘房上下游等部位設(shè)置了信息采集裝置,整個岷江上游來水和六大干渠水資源調(diào)配信息能夠充分獲取;建設(shè)了比較完善的視頻監(jiān)控系統(tǒng),渠首外江片區(qū)與內(nèi)江片區(qū)所有閘門啟閉狀況及部分閘房上下游河道堤防和水流的實時圖像通過光纖網(wǎng)絡(luò)可以傳送至各級調(diào)度控制中心;基本實現(xiàn)了渠首樞紐信息數(shù)字化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化和部分調(diào)度自動化,從而為實施“都江堰渠首樞紐閘群智能聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)”、構(gòu)建渠首樞紐水資源優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度與防洪調(diào)度決策指揮系統(tǒng)提供了技術(shù)保障。

然而,水資源優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度是一個具有極高難度的研究課題,更何況都江堰渠首樞紐關(guān)聯(lián)著六大干渠,供水范圍涉及 37個縣(市 /區(qū))、6個地級市和一個特大中心城市,灌溉面積達(dá)上千萬畝,擔(dān)負(fù)著成都平原經(jīng)濟圈的生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和環(huán)保用水。如此復(fù)雜的多任務(wù)、多目標(biāo)、強關(guān)聯(lián)過程的協(xié)調(diào)優(yōu)化,既有大量理論與方法層面的研究課題,又有若干技術(shù)與工程實施層面的問題,需要進行艱苦的理論創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新。

核心的困難是面對如此復(fù)雜的對象建模和問題求解。精確建立描述變量之間關(guān)系的數(shù)字模型幾乎不具有可能性,因此,以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的解析優(yōu)化方法遇到了根本的困難。然而,多少年來都江堰水利調(diào)度管理人員都在有效地進行(盡管不是最優(yōu)化)灌區(qū)水資源的調(diào)配,這就為智能優(yōu)化決策方法的實現(xiàn)提供了可能。

智能優(yōu)化決策建立在人工智能、最優(yōu)化理論、計算機科學(xué)與控制理論的研究成果之上,主要采用智能控制中專家控制的思想,通過充分獲取并深入挖掘渠首水資源調(diào)度過程中“專家”的經(jīng)驗和方法,包括不同用水季節(jié)、不同來水情況下水資源調(diào)配過程的經(jīng)驗,建立知識庫;把經(jīng)驗數(shù)據(jù)與水利學(xué)模型進行擬合和驗證,經(jīng)過反復(fù)分析、比較、論證,確定若干可以真正應(yīng)用的水資源調(diào)配的決策規(guī)則并建立規(guī)則庫;基于知識庫和規(guī)則庫開發(fā)不同情形下的水資源優(yōu)化配置方案進行數(shù)字仿真,使之成為能夠?qū)嵤┑木唧w調(diào)度算法;把各種算法結(jié)果分解為六大干渠各閘門啟閉運行的具體調(diào)度指令,通過通信網(wǎng)絡(luò)下達(dá)實施;隨時監(jiān)控并反饋調(diào)度結(jié)果,經(jīng)驗證認(rèn)可后形成一套完整的調(diào)度規(guī)則和算法,初步建成渠首樞紐水資源優(yōu)化調(diào)度智能決策系統(tǒng)。

5 系統(tǒng)目標(biāo)及必經(jīng)階段

渠首閘群智能聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)是一個很大的工程,不可能一蹴而就,必須分階段逐步實施。我們根據(jù)實地調(diào)查、研究、分析以及與實際操作人員、相關(guān)管理人員進行溝通之后認(rèn)為,可以將都江堰渠首閘群智能聯(lián)合調(diào)度分為兩個階段。

5.1 第一階段

(1)階段內(nèi)容。

①強化安全保障措施:創(chuàng)造內(nèi)江閘群和外江閘群聯(lián)合調(diào)度所需的基本條件。該內(nèi)容主要包括水情基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)及改造,閘門控制設(shè)施改造,閘門控制保障設(shè)施等。

②建設(shè)閘門控制所需的若干基礎(chǔ)模型及算法等:整合現(xiàn)有控制系統(tǒng);建立聯(lián)合調(diào)度所需的水文計算模型;開始模型的模擬運行與參數(shù)率定;建立來水/輸水模型,即建立渠首主要干支渠的來水/輸水模型,根據(jù)該模型,可以大致估算河水在渠道中流動的時間,為閘門調(diào)度提供時間依據(jù);建立流量與閘門開啟的關(guān)系;確定水文模型參數(shù)并優(yōu)化;建立基于流量的調(diào)度模型。

(2)階段目標(biāo)。

該階段的主要目標(biāo)是通過建設(shè)、改造內(nèi)外江閘群的基礎(chǔ)設(shè)施,以及建立相關(guān)水文模型,為實現(xiàn)渠首智能調(diào)度提供穩(wěn)定可靠、完善的基礎(chǔ)平臺,并建立起遠(yuǎn)控、集控、現(xiàn)地控的體系結(jié)構(gòu),實現(xiàn)閘門的自動化控制,同時,通過對相關(guān)水文模型的摸索與研究,建立起基于流量的調(diào)度模型,最終實現(xiàn)根據(jù)用戶給定的流量進行內(nèi)外江閘群水資源的聯(lián)合調(diào)度。

5.2 第二階段

(1)階段內(nèi)容。

建設(shè)各種電子調(diào)度預(yù)案;自動生成調(diào)度方案;進行人工輔助決策。

(2)階段目標(biāo)。

自動形成各種情況下的預(yù)案,并根據(jù)實際情況能夠從預(yù)案中選擇最佳預(yù)案進行調(diào)度,同時,增設(shè)人工輔助決策模塊,實現(xiàn)人工輔助進行決策,以確保調(diào)度的切合實際,最終完全實現(xiàn)渠首閘群的智能聯(lián)合調(diào)度。

6 結(jié) 語

筆者在此僅提出了關(guān)于都江堰渠首閘群智能聯(lián)合調(diào)度的初步想法,若要真正實現(xiàn)閘群系統(tǒng)的智能聯(lián)合調(diào)度還需進行大量的基礎(chǔ)工作和技術(shù)探索。但我們相信,只要將古老的都江堰與現(xiàn)代信息技術(shù)融合,必將會進一步豐富都江堰的水文化內(nèi)涵,創(chuàng)造出新技術(shù)時代“人水和諧”的新境界。