趙 陽

（黃河水利委員會(huì) 信息中心，河南鄭州450004）

1 黃河水量調(diào)度管理信息分析

黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)是國內(nèi)第一個(gè)流域級水量調(diào)度系統(tǒng),首先采用信息分析的方法建立基本的業(yè)務(wù)模型,抽取水量調(diào)度管理要素,在此基礎(chǔ)上分析黃河水量調(diào)度用戶、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù),為系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下穩(wěn)固的基礎(chǔ)。

1.1 黃河水量調(diào)度管理要素

水量調(diào)度的本質(zhì)是根據(jù)調(diào)度目標(biāo)采用管理手段,通過控制水利工程來調(diào)節(jié)來水與用水之間的時(shí)空關(guān)系［1］,其要素如圖 1 所示。

圖1 水量調(diào)度基本要素

對黃河來說,國務(wù)院頒布了《黃河水量調(diào)度條例》（簡稱《條例》),制定了黃河水量分配方案,授權(quán)黃河水利委員會(huì)（黃委)統(tǒng)一調(diào)度,沿黃?。▍^(qū))與水庫樞紐管理單位執(zhí)行調(diào)度方案。根據(jù)當(dāng)時(shí)能夠管理到的范圍,要素中的“調(diào)度”涉及黃委的水量調(diào)度管理工作及其相關(guān)機(jī)構(gòu)；“來水”涉及黃河干流水量水質(zhì)情況及其監(jiān)測機(jī)構(gòu)；“用水”涉及黃河干流地表水取水與需水及其管理機(jī)構(gòu),同時(shí)考慮黃河生態(tài)基流與入海水量需水；“水利工程”涉及黃河干流控制性工程與90%取水量的取水工程和重要排水工程及其管理機(jī)構(gòu)。四個(gè)要素所涉及的管理機(jī)構(gòu)包含黃委、?。▍^(qū))和水利樞紐管理單位。

1.2 黃河水量調(diào)度業(yè)務(wù)分析

四要素中所涉及的管理機(jī)構(gòu)按照在要素中的角色可分為四類：調(diào)度管理者、調(diào)度執(zhí)行者、被調(diào)度者、用水者,在黃河水量調(diào)度管理中,由于?。▍^(qū))既是用水者也是被調(diào)度者,樞紐管理單位既是調(diào)度執(zhí)行者又是被調(diào)度者 ,因此可以簡化為調(diào)度管理者（黃委)與被調(diào)度者（?。▍^(qū))與樞紐)兩類。被調(diào)度者各?。▍^(qū))負(fù)責(zé)用水管理,上報(bào)需水情況、用水情況、執(zhí)行調(diào)度指令；被調(diào)度者各樞紐管理單位負(fù)責(zé)樞紐工程運(yùn)行,上報(bào)下泄情況、發(fā)電需水要求、執(zhí)行調(diào)度指令；調(diào)度者黃委負(fù)責(zé)調(diào)度管理,其中黃河水量調(diào)度管理局（水調(diào)局)依據(jù)《條例》,按照實(shí)際來水、用水和需水情況,制定年、月、旬與實(shí)時(shí)方案開展調(diào)度,黃委水文局和黃河流域水資源保護(hù)局對來水水量、水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測評估預(yù)報(bào),黃委黃河水利科學(xué)研究院與水文局提供計(jì)算模型與調(diào)度方案,黃委信息中心提供信息支持,黃委黃河上中游管理局（上中游局)、河南黃河河務(wù)局（河南局)、山東黃河河務(wù)局（山東局)提供轄地的用水管理及督查,故此又可細(xì)分為調(diào)度管理者（水調(diào)局)、督察者（河南局、山東局、上中游局)和業(yè)務(wù)支持單位（水文局等其他單位)。

黃河水量調(diào)度的業(yè)務(wù)分析按照每個(gè)管理角色在管理流程中的不同職責(zé)逐一進(jìn)行,其中調(diào)度方案編制是水調(diào)局業(yè)務(wù)的核心環(huán)節(jié),其流程見圖2。

圖2 水量調(diào)度方案編制流程

1.3 黃河水量調(diào)度數(shù)據(jù)分析

根據(jù)黃河水量調(diào)度要素與各管理單位的業(yè)務(wù),分析各業(yè)務(wù)流程中數(shù)據(jù)的類型和特性,分析各單位所產(chǎn)生數(shù)據(jù)及所需要的數(shù)據(jù)。

信息類別可以依照不同的方法進(jìn)行劃分,如按照管理要素可分為水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)等,按照信息是否隨時(shí)間變化的特性可分為靜態(tài)信息、可變信息和動(dòng)態(tài)信息,或者先把信息劃分為靜態(tài)、可變、動(dòng)態(tài)信息,再按照專業(yè)加以區(qū)分。黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)采用靜態(tài)、可變、動(dòng)態(tài)信息的劃分方式,見表1。

表1 黃河水量調(diào)度數(shù)據(jù)信息分類

基本（靜態(tài))信息是指一般來說長期不變的信息,一般情況下只增加或取消,主要包含四方面內(nèi)容：黃河基本信息、工程基本信息、用水戶社會(huì)經(jīng)濟(jì)基本信息、法律法規(guī)基本信息等。

特征（可變)信息指相對穩(wěn)定,能夠指示河道、工程、調(diào)度業(yè)務(wù)特性或特征的信息。這些信息往往是需要精心調(diào)試,由研究者進(jìn)行研究,決策者進(jìn)行決策給定的數(shù)據(jù),代表了研究對象的狀態(tài)。這類信息主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：河道特征信息、工程特征信息、水量調(diào)度特征信息。

實(shí)際（動(dòng)態(tài))信息是指實(shí)際發(fā)生和未發(fā)生的,與實(shí)際情況相關(guān)的信息,包括黃河實(shí)際、天氣實(shí)際、用水戶用水（需水)實(shí)際、調(diào)度實(shí)際等。它們都是時(shí)間序列信息,每個(gè)記錄都有明確的時(shí)間標(biāo)記,它們隨著時(shí)間而變化,隨著時(shí)間的流逝,展現(xiàn)黃河的過去、現(xiàn)在和未來,以及黃河調(diào)度的過去和現(xiàn)在。這些信息主要包括：水情信息、雨情信息、來水信息、水質(zhì)信息、水質(zhì)預(yù)報(bào)信息、?。▍^(qū))用水信息、?。▍^(qū))用水計(jì)劃信息、灌區(qū)墑情信息、灌區(qū)需水信息、樞紐運(yùn)行實(shí)況信息、樞紐運(yùn)行計(jì)劃信息、配水調(diào)度信息、突發(fā)事件及其處理信息、引水工程實(shí)況引水及工況信息。

以上這些信息,除了法律法規(guī)中的描述性和規(guī)則性信息以及運(yùn)行工況中的視頻信息,都與空間有關(guān)。由于黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)要求這些數(shù)據(jù)能夠在空間上進(jìn)行展示,因此也需要空間地理信息。

將數(shù)據(jù)按照不同維度進(jìn)行分析的原因是每一個(gè)維度對數(shù)據(jù)的管理要求不同。如從要素的角度分析,主要涉及數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與需求關(guān)系,維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性；從數(shù)據(jù)的產(chǎn)生過程分析,主要是為了細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)生的各個(gè)環(huán)節(jié),加強(qiáng)數(shù)據(jù)流程管理和質(zhì)量管理；從數(shù)據(jù)變化快慢的角度分析,是為了加強(qiáng)數(shù)據(jù)維護(hù)管理,保證數(shù)據(jù)更新。

黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行實(shí)踐證明,按照不同維度分析數(shù)據(jù)對后續(xù)建設(shè)和維護(hù)中數(shù)據(jù)的可靠性和一致性非常重要。

2 黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)涉及從黃河發(fā)源地到入?？? 000多km上黃委各級機(jī)構(gòu)以及沿黃各?。▍^(qū))及樞紐管理機(jī)構(gòu)和水量水質(zhì)等各類監(jiān)測站點(diǎn),包括21個(gè)主要管理單位（不含取水口管理單位和黃委縣市管理單位),沿黃200多座重要引水閘泵站及管理單位,近100個(gè)國控、省控水文站、4個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站、2個(gè)墑情監(jiān)測站,將運(yùn)用從衛(wèi)星及微波通信、廣域網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星遙感技術(shù)到數(shù)據(jù)存儲、工業(yè)控制、應(yīng)用平臺搭建與系統(tǒng)開發(fā)等各種信息化技術(shù)。做好空間跨度如此之大、管理單位如此多而復(fù)雜、監(jiān)測站點(diǎn)類型繁多、現(xiàn)地情況各有特點(diǎn)的信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì),使之能夠符合黃河、黃委、沿黃各?。▍^(qū))的實(shí)際,同時(shí)具備充分的先進(jìn)性和擴(kuò)展性,是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。

黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)遵循實(shí)際、可靠、先進(jìn)、流暢原則,尊重各單位的實(shí)際條件,高度重視系統(tǒng)可靠性和數(shù)據(jù)可靠性,采用適度先進(jìn)技術(shù)搭建系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)與存儲骨架,確保系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)能夠順暢地連接、集成、整合在一起。按照此原則,為黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)出多層分布、相對集中的較為松散的系統(tǒng)框架。相對獨(dú)立的業(yè)務(wù)系統(tǒng)分布在各個(gè)管理單位,有共同需求或上下層有較多交互的系統(tǒng)采用統(tǒng)一平臺集中提供服務(wù),各單位通過黃委微波干線或公網(wǎng)租賃連接成廣域黃河水量調(diào)度網(wǎng),數(shù)據(jù)適度分級存儲并向上集中,在黃委水調(diào)局形成統(tǒng)一的水量調(diào)度信息體系。

黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)共分為采集層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層與應(yīng)用層等5層,涵蓋了徑流預(yù)報(bào)系統(tǒng)、水質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、土壤含水量分析系統(tǒng)、水量調(diào)度業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)、引退水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、水量調(diào)度方案編制系統(tǒng)、水量調(diào)度模擬仿真系統(tǒng)、運(yùn)行實(shí)況綜合監(jiān)視系統(tǒng)及運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)等9大業(yè)務(wù)系統(tǒng),按照業(yè)務(wù)要求,分別部署在黃委水調(diào)中心、信息中心、水文局、水資源保護(hù)局、河南局和山東局各級部門及閘管所、上中游局、上中游6省（區(qū))各級水調(diào)部門及樞紐管理部門,黃委數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目倕R集點(diǎn)。黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng) 的總體架構(gòu)與部署架構(gòu)見圖3和圖4。

圖3 水量調(diào)度管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖4 水量調(diào)度管理系統(tǒng)部署架構(gòu)

3 系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行

3.1 建設(shè)與運(yùn)行的重點(diǎn)

在系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行中,特別注重有采集與通信網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)地施工的單項(xiàng)工程建設(shè)質(zhì)量,特別強(qiáng)調(diào)業(yè)務(wù)應(yīng)用與業(yè)務(wù)人員日常操作的適應(yīng)性,特別突出系統(tǒng)集成,促進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜龐大的系統(tǒng),建設(shè)管理難度很大,特別是在斷面以及各省（區(qū))有水文斷面監(jiān)測、取水口取水監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測以及通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等現(xiàn)地施工的單項(xiàng)工程,這些單項(xiàng)工程的施工質(zhì)量是確保系統(tǒng)建設(shè)總體質(zhì)量的基礎(chǔ)。在建設(shè)過程中要按照設(shè)計(jì)要求,進(jìn)一步細(xì)化并明確單項(xiàng)工程的邊界、接口規(guī)范、建設(shè)質(zhì)量與可靠性指標(biāo),確保單項(xiàng)工程能夠符合系統(tǒng)集成的要求。

由于面向不同單位、不同部門,黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮通過數(shù)據(jù)集成來實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)間的集成,在系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行階段,數(shù)據(jù)是否能夠順暢集成是考核系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行的重要指標(biāo),因此特別制定了考核辦法,對部門間、單位間、上下級間的數(shù)據(jù)上報(bào)、數(shù)據(jù)到報(bào)情況進(jìn)行檢查與考核,確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠。

衡量一個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵是系統(tǒng)是否真正應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,黃河水量調(diào)度各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)在建設(shè)和運(yùn)行中不斷完善,與水量調(diào)度業(yè)務(wù)人員建立協(xié)同工作機(jī)制,保持密切聯(lián)系,確保能夠真正滿足黃河水量調(diào)度要求。

3.2 與國控水資源項(xiàng)目整合

在黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)建設(shè)期間,國家統(tǒng)一部署,建立黃河流域國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目。項(xiàng)目一期完成時(shí),黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)基本上同期完成。在項(xiàng)目二期建設(shè)過程中,將黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)與國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行整合,形成統(tǒng)一的黃河水資源管理與調(diào)度系統(tǒng),整合內(nèi)容包括采集數(shù)據(jù)接收整合、監(jiān)測與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)整合、服務(wù)支撐平臺整合、應(yīng)用及應(yīng)用門戶整合,實(shí)現(xiàn)了對水資源管理與調(diào)度的統(tǒng)一用戶、統(tǒng)一身份認(rèn)證、統(tǒng)一登錄界面、統(tǒng)一功能應(yīng)用、統(tǒng)一數(shù)據(jù)源、統(tǒng)一流量計(jì)算、統(tǒng)一門戶等多項(xiàng)內(nèi)容的整合,系統(tǒng)整體性和可用性都得到提升。

3.3 黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用

黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)是國內(nèi)第一個(gè)流域級水量調(diào)度系統(tǒng),采用黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,陸續(xù)在廣東東江、新疆哈密、新疆塔里木河等流域和地區(qū)進(jìn)行了水資源管理調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)和開發(fā),取得良好的效果,表明了基于水量調(diào)度管理要素模型進(jìn)行信息分析的合理性。

4 發(fā)展方向

自2000年提出建設(shè)黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)至今,黃河水量調(diào)度管理與信息技術(shù)都有了較大發(fā)展,為黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)提出新的課題。

在業(yè)務(wù)方面,調(diào)度范圍從干流全過程調(diào)度及涇河渭河把口控制,擴(kuò)展到干流及六大支流的全過程調(diào)度；不僅要考慮干流主要樞紐工程的運(yùn)用和取退水口的管理,也要考慮支流水庫運(yùn)用與支流取退水口管理；調(diào)度目標(biāo)從主要滿足各?。▍^(qū))生活、生產(chǎn)用水,適當(dāng)考慮基流與入海用水,到滿足上中游水土保持用水、中下游省（區(qū))及外流域生活、生產(chǎn)、濕地用水,達(dá)到生態(tài)文明與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和諧,調(diào)度的復(fù)雜度顯著提高。同時(shí),對調(diào)度管理的精細(xì)化、用水?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、用水監(jiān)管的及時(shí)性要求也越來越高。

當(dāng)前,黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)采用了自動(dòng)監(jiān)控、遙感、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲、移動(dòng)應(yīng)用等信息技術(shù),隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、大數(shù)據(jù)、人工智能、AR/VR等新興技術(shù)的興起與成熟,黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)可以更好地滿足黃河水量調(diào)度更加廣泛、深入、嚴(yán)格的新要求。

信息采集方面,可以考慮采用“一站式”物聯(lián)網(wǎng)綜合采集,按短河段設(shè)站進(jìn)行斷面、流量、水位、泥沙、降雨、水質(zhì)、工程安全、工程工況等多元素混合采集；通信傳輸方面,可以采用現(xiàn)地物聯(lián)網(wǎng)、5G加光纖模式,達(dá)到各級管理機(jī)構(gòu)與現(xiàn)地站點(diǎn)沒有延遲的信息傳輸,支持復(fù)雜的應(yīng)用場景；數(shù)據(jù)管理及分析計(jì)算與應(yīng)用方面,可以采用大數(shù)據(jù)進(jìn)行社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水利數(shù)據(jù)的綜合分析,采用機(jī)器學(xué)習(xí)與水利模型結(jié)合進(jìn)行多目標(biāo)水量配置與調(diào)度,采用視頻、遙感分析進(jìn)行智能預(yù)警,采用AR/VR技術(shù)對調(diào)度模擬與仿真進(jìn)行展示,并為各級業(yè)務(wù)與管理人員提供定制的個(gè)性化信息推送與工作協(xié)同等?？梢灶A(yù)見,在高速發(fā)展的信息技術(shù)支撐下,新的水量調(diào)度管理系統(tǒng)將以“更精確、更智能、更便捷”為特色,更好地服務(wù)于黃河水量調(diào)度管理。