陳曉楠,靳燕國(guó),許新勇,賀 蔚

(1.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司,北京 100038; 2.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院,河南 鄭州 450045;3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

南水北調(diào)工程事關(guān)戰(zhàn)略全局、事關(guān)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展、事關(guān)人民福祉。工程規(guī)劃東、中、西三線,跨長(zhǎng)江流域、淮河流域、黃河流域和海河流域,建成后形成“四橫三縱、南北調(diào)配、東西互濟(jì)”的水資源格局。東、中兩線已分別于2013年和2014年通水運(yùn)行,西線工程前期論證有關(guān)工作正在加快進(jìn)行。南水北調(diào)中線一期主體工程由水源工程、輸水工程和漢江中下游治理工程三大部分組成。中線干線工程作為中線工程的輸水工程部分,自丹江口水庫(kù)引水,向河南、河北、北京、天津自流輸水,規(guī)劃多年平均調(diào)水量95億m3,對(duì)應(yīng)口門供水量85.4億m3。中線總干渠以明渠為主,全長(zhǎng)1432km,陶岔渠首設(shè)計(jì)流量350m3/s,加大流量420m3/s,沿線共布設(shè)64座節(jié)制閘、97座分水口、54座退水閘、61座控制閘等。中線通水以來(lái),截至2022年7月下旬已經(jīng)安全、平穩(wěn)、持續(xù)調(diào)度運(yùn)行7a多,累計(jì)向北方調(diào)水總量超過(guò)500億m3,其中向北方干涸的河流生態(tài)補(bǔ)水近90億m3,發(fā)揮了巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境綜合效益。

中線干線輸水調(diào)度依據(jù)水量計(jì)劃,將水源水保質(zhì)、保量、按時(shí)輸送到沿線各分水處。與其他長(zhǎng)距離輸水工程相比,中線干線輸水調(diào)度的難點(diǎn)和問(wèn)題如下:

a.受水區(qū)依賴程度日益增強(qiáng),輸水調(diào)度要求高,但工程輸水調(diào)度在預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案等方面的研究和應(yīng)用不足。受水區(qū)對(duì)水資源的需求日益迫切,加之中線水質(zhì)優(yōu)良,沿線地方對(duì)引江水依賴程度日益增強(qiáng),當(dāng)前北京城區(qū)超過(guò)70%的生活用水來(lái)自南水,天津市城區(qū)幾乎全部使用中線供水?；诖罅垦芯砍晒?并密切聯(lián)系實(shí)際需求,中線干線輸水調(diào)度在實(shí)踐中探索形成實(shí)用的調(diào)度技術(shù),形成以人工分析水情為主、結(jié)合閘門遠(yuǎn)程操控的模式,圓滿完成了各項(xiàng)供水任務(wù)。但當(dāng)前的研究成果和應(yīng)用系統(tǒng)在快速、準(zhǔn)確地模擬推演各類輸水運(yùn)行工況方面,特別是極端工況下的精準(zhǔn)預(yù)演上,還存在較大差距。主要難點(diǎn):中線總干渠輸水距離長(zhǎng),供水流量發(fā)生較大調(diào)整時(shí)所需調(diào)度時(shí)間長(zhǎng),傳統(tǒng)非恒定流模擬分析計(jì)算工作量大、時(shí)間長(zhǎng),特別是較小計(jì)算步長(zhǎng)條件下對(duì)長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間的模擬,計(jì)算誤差將會(huì)逐步積累,導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果失真等;全年度全天候供水,調(diào)度運(yùn)行工況復(fù)雜,各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)易受外界環(huán)境的干擾,測(cè)量誤差易導(dǎo)致上下游水情數(shù)據(jù)間的邏輯矛盾;渠道綜合糙率、過(guò)閘流量系數(shù)等重要水力參數(shù)隨著運(yùn)行條件動(dòng)態(tài)發(fā)生變化,而自動(dòng)識(shí)別、修正功能欠缺。此外,對(duì)于不同的運(yùn)行工況,模擬計(jì)算的時(shí)效性要求不同。對(duì)于應(yīng)急調(diào)度要求迅速推演出短時(shí)間內(nèi)水情的快速變化,但對(duì)于正常輸水情況下的流量調(diào)整工況,則模擬的時(shí)間可相對(duì)較長(zhǎng)。因此,針對(duì)不同輸水運(yùn)行工況,根據(jù)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境條件,結(jié)合機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)特點(diǎn),研究建立高效、實(shí)用的預(yù)報(bào)和推演技術(shù)方法十分迫切。

b.運(yùn)行工況復(fù)雜,輸水調(diào)度技術(shù)難度大,但輸水調(diào)度智能化、自動(dòng)化調(diào)控程度不足。中線總干渠輸水線路長(zhǎng)、分水口門多、沿線無(wú)調(diào)蓄水庫(kù),且全年全天候供水還需克服汛期、冰期運(yùn)行等不利影響,輸水調(diào)度依靠工程沿線幾百個(gè)閘門的高度協(xié)調(diào)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)按時(shí)、保質(zhì)、保量的供水目標(biāo),調(diào)度技術(shù)難度大。尤其是汛期和冰期,對(duì)輸水調(diào)度提出更大挑戰(zhàn)。汛期需要應(yīng)對(duì)外水入渠引起的渠段水位壅高,以及深挖方渠段高地下水位對(duì)襯砌板頂托破壞風(fēng)險(xiǎn)等;冰期則需密切關(guān)注冰情,嚴(yán)格控制流速和水位、流量的波動(dòng),防止冰害發(fā)生。中線全線通水以來(lái),利用自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水情輔助分析、遠(yuǎn)程操控閘門的目標(biāo),但對(duì)于根據(jù)供水目標(biāo)、邊界條件和實(shí)時(shí)水情等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制還有很大差距。面對(duì)如此復(fù)雜且繁多的實(shí)際運(yùn)行工況,目前尚未形成有效的多渠段、多目標(biāo)、自適應(yīng)的自動(dòng)化調(diào)控模型,需要在模擬推演的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)時(shí)水情進(jìn)行滾動(dòng)修正,構(gòu)建安全、平穩(wěn)、高效的自動(dòng)化實(shí)時(shí)調(diào)控技術(shù)。

c.輸水調(diào)度面臨新形勢(shì)和更高要求。中線全線通水近8a,向北方受水區(qū)供水量逐年攀升,連續(xù)2a供水總量超過(guò)規(guī)劃多年平均供水量,隨著目標(biāo)達(dá)效由“慢”變“快”、用水需求由“弱”變“強(qiáng)”,供水形勢(shì)正在發(fā)生深刻變化。南水北調(diào)是國(guó)之重器,是保障群眾飲水安全的生命線,新形勢(shì)下給予中線供水提出更多、更高的要求,要按照“增源挖潛擴(kuò)能”思路,實(shí)現(xiàn)多供水、供好水目標(biāo),還肩負(fù)擇機(jī)向河流生態(tài)補(bǔ)水助力地方生態(tài)文明建設(shè)等重任。自2017年以來(lái),中線踐行生態(tài)文明建設(shè)的精神,主要利用水庫(kù)汛期的洪水資源,通過(guò)原設(shè)計(jì)功能為應(yīng)急退水的退水閘進(jìn)行河流生態(tài)補(bǔ)水,相當(dāng)于原設(shè)計(jì)分水口門數(shù)量增多近50%,大大增加了調(diào)度的復(fù)雜性;引江補(bǔ)漢工程建成后,將提高中線供水保證率,但伴隨輸水流量的增大,大部分渠段在加大水位、加大流量下運(yùn)行可能成為常態(tài),此時(shí)沿線節(jié)制閘將會(huì)因高水位而難以起到節(jié)制作用,調(diào)度控制的方式,以及流量變化過(guò)程的銜接等方面都與當(dāng)前運(yùn)行工況發(fā)生根本變化;隨著沿線調(diào)蓄水庫(kù)建設(shè)推進(jìn),后續(xù)中線干線輸水調(diào)度還將成為多輸入、多輸出、多目標(biāo)、多工況的復(fù)雜大系統(tǒng),對(duì)輸水調(diào)控模型要求將更高。傳統(tǒng)的主要依據(jù)人工先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的輸水調(diào)度在充分應(yīng)用現(xiàn)代信息和智能技術(shù)以保障安全、平穩(wěn)、高效輸水方面仍存在不少差距和不足,特別在新形勢(shì)下對(duì)中線干線輸水調(diào)度提出新的任務(wù)和更高要求,難以勝任日益復(fù)雜的運(yùn)行工況。

綜上,雖然中線總干渠輸水調(diào)度已取得了不少成果,但仍存在不足,特別是在新形勢(shì)、新要求下,需要補(bǔ)齊短板,深入推進(jìn)中線干線智慧輸水調(diào)度建設(shè),以有效應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn),實(shí)現(xiàn)工程的高質(zhì)量發(fā)展。本文針對(duì)中線干線輸水調(diào)度存在問(wèn)題和面臨的未來(lái)形勢(shì),以中線干線智慧輸水調(diào)度為論述對(duì)象,嘗試提出中線干線智慧輸水調(diào)度的定義和具體功能需求,在分析智能和智慧關(guān)系基礎(chǔ)上,分別從智能感知、智能認(rèn)知、智能決策等角度分析中線干線輸水調(diào)度的關(guān)鍵問(wèn)題和應(yīng)對(duì)途徑,結(jié)合人工智能技術(shù)和專業(yè)知識(shí)探討中線干線智慧輸水調(diào)度的體系框架和技術(shù)方法,以期為南水北調(diào)中線干線工程高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 中線干線智慧輸水調(diào)度定義和基本功能

1.1 中線干線智慧輸水調(diào)度定義和內(nèi)涵

智慧水利是水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志[1]。目前各界對(duì)智慧水利理念和概念認(rèn)識(shí)不盡相同,總體的架構(gòu)設(shè)計(jì)也有差異[2-4]。但整體來(lái)看,智慧水利是充分應(yīng)用新一代信息技術(shù)于水利業(yè)務(wù)之中,深度結(jié)合水利知識(shí),強(qiáng)化預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能,實(shí)現(xiàn)水問(wèn)題有效解決和治水目標(biāo)。近年來(lái),圍繞智慧水利和智能技術(shù)在水利上應(yīng)用等方面開(kāi)展了大量的工作,也取得了不少成果[5-9]。智慧水利的顯著標(biāo)志是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程[10]。中線干線工程作為數(shù)字孿生水利工程的試點(diǎn)正在積極推進(jìn)相關(guān)工作,而實(shí)施智慧輸水調(diào)度是其中的最為核心業(yè)務(wù)。

通過(guò)對(duì)智慧、智慧水利、數(shù)字孿生、人工智能等理解,結(jié)合南水北調(diào)中線干線輸水調(diào)度實(shí)際和高質(zhì)量發(fā)展的要求,嘗試將中線干線智慧輸水調(diào)度定義如下:以中線干線安全、平穩(wěn)、高效輸水為目標(biāo),根據(jù)業(yè)務(wù)需求,充分運(yùn)用人工智能、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等新一代信息技術(shù),深度結(jié)合專業(yè)知識(shí)和管理標(biāo)準(zhǔn),具有智能監(jiān)測(cè)、仿真模擬、預(yù)報(bào)預(yù)警、自主調(diào)控的能力,以及強(qiáng)大的調(diào)度管理業(yè)務(wù)處理功能,實(shí)時(shí)感知水情、工情、汛情、冰情等信息,實(shí)施快速、精準(zhǔn)的自動(dòng)化調(diào)度,并實(shí)現(xiàn)規(guī)范、精細(xì)的調(diào)度管理。

智慧輸水調(diào)度的概念是動(dòng)態(tài)的,隨著科技發(fā)展和管理水平的提高,對(duì)智慧輸水調(diào)度的理解和認(rèn)識(shí)也會(huì)不斷更新?；诋?dāng)前條件,對(duì)于中線干線智慧輸水調(diào)度內(nèi)涵的理解,從以下幾方面進(jìn)行分析闡述:

a.以安全為前提,提升輸水調(diào)度的高效性。實(shí)施智慧輸水調(diào)度首要目的是保障和增強(qiáng)安全性。通過(guò)現(xiàn)代化的手段,對(duì)未來(lái)輸水運(yùn)行形勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)、預(yù)警,或模擬分析極端工況下的調(diào)度響應(yīng)措施,以便能夠提前做出正確、有效的調(diào)度,提升輸水調(diào)度的安全性。在保障安全前提下,利用自動(dòng)化系統(tǒng)更方便、有效地處理各類輸水調(diào)度日常事務(wù),解放調(diào)度人員勞動(dòng)力,大幅度提升工作效率。因此,自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用務(wù)必堅(jiān)持安全第一,保障系統(tǒng)硬件和軟件的可靠性,及時(shí)維護(hù)、更新,并做好自動(dòng)化系統(tǒng)失效情況下人工調(diào)度的應(yīng)急預(yù)案。

b.遵循以問(wèn)題為導(dǎo)向、需求為牽引原則。明確問(wèn)題是解決問(wèn)題的前提,先進(jìn)的技術(shù)必須對(duì)實(shí)際問(wèn)題針對(duì)性地對(duì)癥下藥。因此,必須緊密結(jié)合輸水調(diào)度實(shí)踐,了解輸水調(diào)度的難點(diǎn),把握輸水調(diào)度的要領(lǐng),發(fā)現(xiàn)輸水調(diào)度的問(wèn)題,對(duì)輸水調(diào)度中重要影響因素和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)梳理,對(duì)輸水調(diào)度的業(yè)務(wù)功能需求進(jìn)行深入分析。在研發(fā)和建模過(guò)程中,要本著“應(yīng)用至上”的原則,不刻意追求復(fù)雜、高深的模型,探索可行、實(shí)用的模型,切實(shí)滿足輸水調(diào)度各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求。

c.深入推進(jìn)輸水調(diào)度管理規(guī)范化建設(shè)和科技研發(fā)。中線智慧輸水調(diào)度建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,調(diào)度人員直接面對(duì)的自動(dòng)化系統(tǒng)以一套標(biāo)準(zhǔn)制度體系和一系列科研技術(shù)成果作為支撐。規(guī)范化建設(shè)是基礎(chǔ),信息化技術(shù)是手段,通過(guò)信息技術(shù)把輸水調(diào)度的各項(xiàng)業(yè)務(wù)流程和要求進(jìn)行電子化。各類調(diào)度模型的研發(fā),需要基于大量相關(guān)研究成果的支持。因此,推進(jìn)輸水調(diào)度智慧調(diào)度建設(shè),應(yīng)統(tǒng)籌推進(jìn)信息化建設(shè)與輸水調(diào)度規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè),并不斷加強(qiáng)輸水調(diào)度科技攻關(guān)。

d.深度融合新一代信息技術(shù)和水利專業(yè)知識(shí)。信息技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧化調(diào)度的重要手段,實(shí)現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)清洗、知識(shí)挖掘、遠(yuǎn)程控制、三維展示等功能,而專業(yè)數(shù)學(xué)模型則是“靈魂”,實(shí)現(xiàn)分析計(jì)算、模擬推演、決策控制。目前人工智能技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)依賴較大,而對(duì)于如此復(fù)雜的輸水調(diào)度系統(tǒng),需將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和機(jī)理分析密切結(jié)合。經(jīng)典水文學(xué)、水力學(xué)等可為輸水調(diào)度提供先驗(yàn)知識(shí),而現(xiàn)代智能技術(shù)有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,通過(guò)兩者深度融合以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)行工況的快速、準(zhǔn)確計(jì)算。

e.有機(jī)結(jié)合模擬推演與實(shí)時(shí)調(diào)控功能。強(qiáng)化預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案措施,根據(jù)設(shè)定的邊界條件對(duì)將來(lái)或設(shè)想的工況進(jìn)行模擬推演。利用模型進(jìn)行“前饋”的模擬計(jì)算時(shí)受水力參數(shù)精度影響較大,需要不斷修正,特別是當(dāng)計(jì)算的時(shí)間和空間較大時(shí),誤差將不斷累計(jì),預(yù)先制定的調(diào)控策略需要在運(yùn)行中據(jù)實(shí)調(diào)整和優(yōu)化。因此,在“預(yù)”的基礎(chǔ)上,應(yīng)充分利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行“反饋”計(jì)算,預(yù)報(bào)模擬和實(shí)時(shí)控制相結(jié)合,不斷滾動(dòng)決策,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。

1.2 智慧輸水調(diào)度系統(tǒng)和智能支撐體系

Rowley[11]提出了“DIKW金字塔”,用于表示數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)和智慧的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系。智慧位于頂層,是基于已有的知識(shí),進(jìn)行判斷、決策、創(chuàng)造的能力。Sternberg[12]認(rèn)為智慧和智能不同,并從兩者與創(chuàng)造力的關(guān)系角度分別進(jìn)行定義。Meystel等[13]認(rèn)為“智能是感知系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境,關(guān)聯(lián)整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)生事件,對(duì)這些事件進(jìn)行決策,執(zhí)行解決問(wèn)題和生成各自的行動(dòng)和控制”。Liew[14]在“DIKW金字塔”模型的基礎(chǔ)上,在知識(shí)和智慧層之間增加了智能層,從而擴(kuò)展形成“DIKIW”模型。當(dāng)前對(duì)智慧和智能的概念理解尚未統(tǒng)一,兩者之間的辨析也不是十分清晰,但整體來(lái)看,智慧比智能高一層次,而智能則是智慧的基礎(chǔ)和支撐。智能化側(cè)重利用現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),并結(jié)合專業(yè)知識(shí),形成針對(duì)某一個(gè)方面的應(yīng)用。智慧化則是升級(jí)版的智能化,在智能的基礎(chǔ)上,強(qiáng)調(diào)通過(guò)人機(jī)交互取長(zhǎng)補(bǔ)短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、創(chuàng)造革新等,除了通信技術(shù)、數(shù)學(xué)算法、專業(yè)知識(shí)外,還應(yīng)融入管理學(xué)、社會(huì)學(xué)、心理學(xué)等知識(shí)。根據(jù)前述中線干線智慧輸水調(diào)度定義和內(nèi)涵,以及對(duì)智慧和智能的辨析,中線干線智慧輸水調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)包括調(diào)度業(yè)務(wù)管理和調(diào)度技術(shù)支持兩大部分,并通過(guò)各類智能體系建設(shè)來(lái)支撐實(shí)現(xiàn)智慧的理念。中線干線智慧輸水調(diào)度系統(tǒng)可由智能調(diào)度業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)和智能調(diào)度決策支持系統(tǒng)來(lái)支撐,其中,智能調(diào)度決策支持系統(tǒng)主要涉及智能感知體系、智能認(rèn)知體系和智能決策體系。

1.3 智慧輸水調(diào)度系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

本著實(shí)用性、可行性原則,分別提出支撐中線干線智慧輸水調(diào)度系統(tǒng)的智能調(diào)度管理系統(tǒng)和智能調(diào)度決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能(圖1)。根據(jù)目前中線干線調(diào)度管理相關(guān)制度和標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合中線8a多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),在智能調(diào)度業(yè)務(wù)管理方面,系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能:①調(diào)度值班管理。值班人員的簽入、簽出統(tǒng)一登錄和注銷管理;值班表輔助編制,調(diào)換班管理,并與相關(guān)人力考勤系統(tǒng)對(duì)接;各值班崗位動(dòng)態(tài)設(shè)置,可根據(jù)實(shí)際情況增減配置;員工值班情況統(tǒng)計(jì)分析,包括時(shí)長(zhǎng)、從事各類值班崗位情況等。②調(diào)度數(shù)據(jù)管理?；菊{(diào)度數(shù)據(jù)的綜合展示和趨勢(shì)分析等數(shù)據(jù)管理,具備強(qiáng)大的查詢、統(tǒng)計(jì)功能,可以查詢?nèi)我鈺r(shí)刻、任意站點(diǎn)的調(diào)度數(shù)據(jù),并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)按指定邏輯要求,進(jìn)行多條件下的時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析。③調(diào)度指令管理。調(diào)度指令的編制、審核、下達(dá)和反饋流程閉環(huán)管理,實(shí)現(xiàn)指令的管理流程、生產(chǎn)操作流程、視頻輔助監(jiān)視復(fù)核流程的多系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)接,確保調(diào)度指令的準(zhǔn)確性以及執(zhí)行的高效性,同時(shí)還應(yīng)具備歷史指令、遠(yuǎn)程操控閘門成功率等查詢統(tǒng)計(jì)功能。④調(diào)度臺(tái)賬管理。調(diào)度運(yùn)行日志、交接班記錄、應(yīng)急值班記錄、防汛值班記錄等有關(guān)調(diào)度生產(chǎn)作業(yè)的電子化臺(tái)賬管理。⑤供水計(jì)劃管理。水量計(jì)劃制定、執(zhí)行,以及供水信息的記錄、統(tǒng)計(jì)、查詢,能夠方便地根據(jù)時(shí)間、空間條件組合統(tǒng)計(jì)查詢各類供水情況。⑥文件及信息報(bào)表管理。日?qǐng)?bào)、水情報(bào)送信息的自動(dòng)生成,以及通過(guò)人機(jī)交互界面靈活的交互設(shè)置格式和相關(guān)內(nèi)容;工程運(yùn)維調(diào)度配合審批單、應(yīng)急突發(fā)事件報(bào)告單等各類調(diào)度相關(guān)業(yè)務(wù)制式報(bào)表,以及收發(fā)文件的管理等。⑦調(diào)度生產(chǎn)場(chǎng)所管理。調(diào)度生產(chǎn)場(chǎng)所各類設(shè)備設(shè)施的資產(chǎn)管理、維修管理;各軟件應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障自動(dòng)報(bào)送;各類人員進(jìn)出調(diào)度大廳的管理等。⑧培訓(xùn)考核管理。輸水調(diào)度相關(guān)制度、標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)流程圖、系統(tǒng)操作手冊(cè)等各類培訓(xùn)教材進(jìn)行電子化;調(diào)度相關(guān)知識(shí)電子題庫(kù)建設(shè)和知識(shí)測(cè)試功能;以調(diào)度仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ),進(jìn)行輸水調(diào)度仿真演練和測(cè)試;調(diào)度人員考核、各級(jí)調(diào)度考核輔助管理,對(duì)日常發(fā)現(xiàn)各級(jí)調(diào)度方面問(wèn)題的臺(tái)賬建立、整改督促、考核等。

圖1 中線干線智慧輸水調(diào)度系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of smart water dispatching system in the middle route

在智能調(diào)度決策支持方面,根據(jù)相關(guān)技術(shù)成果,并結(jié)合通水以來(lái)輸水調(diào)度實(shí)踐,提出系統(tǒng)主要功能:①數(shù)據(jù)清洗和融合。對(duì)采集水情數(shù)據(jù)的正確性與合理性分析判斷。根據(jù)單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)序列,對(duì)明顯異常數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別,自動(dòng)剔除病態(tài)數(shù)據(jù),并通過(guò)上下游數(shù)據(jù)對(duì)比和水力分析處理水位、流量等不合理的倒掛問(wèn)題;能夠?qū)钠渌嚓P(guān)系統(tǒng)獲得的工情、雨情、冰情等數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)融合,為調(diào)度分析決策和調(diào)度模型計(jì)算提供可靠數(shù)據(jù)支撐。②調(diào)度控制條件分析。根據(jù)各口門供水目標(biāo)流量和實(shí)際工情等,自動(dòng)生成可行、合理的調(diào)度控制邊界條件,包括調(diào)度控制的目標(biāo)水位、投入運(yùn)用的閘門等,并能夠?qū)θ藶榻o定的運(yùn)行控制邊界條件進(jìn)行計(jì)算分析,判斷可行性。③監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位、流量、閘門開(kāi)度,以及渠段水體變化情況等信息,并在監(jiān)測(cè)值超限時(shí),及時(shí)發(fā)出預(yù)警;根據(jù)氣溫、水溫等預(yù)測(cè),對(duì)冰情進(jìn)行預(yù)報(bào)、預(yù)警;根據(jù)雨情強(qiáng)度、降水范圍等預(yù)測(cè),結(jié)合當(dāng)前水情、工情,對(duì)未來(lái)水情進(jìn)行預(yù)報(bào),對(duì)調(diào)度進(jìn)行預(yù)警。④系統(tǒng)仿真模擬。根據(jù)給定運(yùn)行邊界條件和控制條件等,能夠快速、準(zhǔn)確模擬輸水調(diào)度狀態(tài),包括水位、流量等時(shí)空變化的情況,并仿真展示。特別是能夠?qū)O端工況進(jìn)行推演模擬;具有自適應(yīng)能力,根據(jù)積累的各類數(shù)據(jù),自動(dòng)修正完善各水力要素,包括糙率、流量系數(shù)等。系統(tǒng)的仿真功能不僅支持輸水調(diào)度決策,還可作為調(diào)度人員培訓(xùn)演練的平臺(tái)。⑤正常輸水工況自動(dòng)化調(diào)度。建立各類知識(shí)庫(kù),根據(jù)供水目標(biāo)、運(yùn)行水位、輸水流量、實(shí)際工情等各類約束條件,對(duì)實(shí)時(shí)獲得的各類經(jīng)過(guò)處理后的信息進(jìn)行智能分析計(jì)算,自動(dòng)生成正確、高效的實(shí)時(shí)閘門操控指令,實(shí)施自動(dòng)化調(diào)度。⑥應(yīng)急調(diào)度快速分析與輔助決策。具有水位驟變、流量驟變、閘門異動(dòng)及時(shí)報(bào)警功能;根據(jù)突發(fā)事件位置、類型、后果等情況,以及沿線實(shí)際水情,快速計(jì)算,及時(shí)提供有效的應(yīng)急調(diào)度方案和策略;建立突發(fā)事件應(yīng)急調(diào)度預(yù)案庫(kù),并不斷補(bǔ)充和完善;能夠分析計(jì)算不同分配原則下,事故段下游利用槽蓄水體維持短時(shí)供水方案等,盡力減少事件造成的供水影響。⑦系統(tǒng)信息管理。建立完善數(shù)據(jù)庫(kù),包括固定的工程參數(shù)和實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù),以及計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的綜合糙率、過(guò)閘流量系數(shù)等水力參數(shù),具有強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)、查詢、分析功能和數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)功能;與其他自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接、數(shù)據(jù)交互。⑧可視化展示。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù),實(shí)現(xiàn)輸水調(diào)度的現(xiàn)實(shí)與數(shù)字世界的動(dòng)態(tài)映射;具有友好的系統(tǒng)用戶界面,以可視化方式直觀進(jìn)行展示各類信息和成果;強(qiáng)大的人機(jī)交互功能,輸入、輸出信息交互順暢,操作方便、高效。

智能調(diào)度決策系統(tǒng)應(yīng)具備以下特性:靈活性、自適應(yīng)性、魯棒性、可拓展性。系統(tǒng)的靈活性主要指可以方便地進(jìn)行人機(jī)交互,動(dòng)態(tài)調(diào)整邊界條件,例如投入運(yùn)行的節(jié)制閘、分水口、退水閘,以及多水源作為輸入等功能;系統(tǒng)的自適應(yīng)性主要指具備自學(xué)習(xí)能力,根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),自動(dòng)更新修正各類計(jì)算參數(shù),并不斷完善知識(shí)庫(kù)等;系統(tǒng)的魯棒性主要指系統(tǒng)的抗干擾能力,對(duì)數(shù)據(jù)因外界干擾產(chǎn)生的波動(dòng),或者個(gè)別的異常甚至錯(cuò)誤可以自主修正,模型能夠正常分析計(jì)算;系統(tǒng)的可拓展性主要指按照一定的規(guī)則實(shí)施模塊化開(kāi)發(fā),明確各類模塊功能及輸入輸出要求,方便后續(xù)的更新、增補(bǔ)等需求。

上述從調(diào)度業(yè)務(wù)實(shí)際需求的角度提出了智能調(diào)度決策系統(tǒng)應(yīng)具備的主要功能,而從中線干線輸水調(diào)度智能化研發(fā)層面上可劃分為智能感知體系、智能認(rèn)知體系和智能決策體系。中線干線輸水調(diào)度的智能感知體系建設(shè)是基礎(chǔ)。通過(guò)自動(dòng)化采集等多種渠道快速、準(zhǔn)確獲取調(diào)度相關(guān)的水情、工情、雨情、冰情等數(shù)據(jù),并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)清洗、融合等處理后,實(shí)現(xiàn)全面、深度感知,為輸水調(diào)度的分析和決策提供信息依據(jù);中線干線輸水調(diào)度的智能認(rèn)知體系建設(shè)是關(guān)鍵。主要圍繞中線干線輸水調(diào)度的預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的措施強(qiáng)化,通過(guò)機(jī)理分析和數(shù)據(jù)挖掘等途徑,對(duì)輸水調(diào)度中各類因素與水力響應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行量化分析,對(duì)水流運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律定量刻畫(huà),以實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)或設(shè)想工況下的推演,為輸水調(diào)度決策提供支撐。本文的調(diào)度決策主要指具體的輸水調(diào)度控制,即在合適的時(shí)機(jī)對(duì)合適的閘門做出合適的調(diào)整。重點(diǎn)是在“預(yù)”的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)時(shí)情況,分析研判后作出科學(xué)、有效的具體閘門操控響應(yīng)的調(diào)度決策。

2 中線干線輸水調(diào)度智能感知體系提升建議

當(dāng)前,中線干線工程初步建設(shè)了包括水情、工情等智能感知體系,進(jìn)行水位、流量、閘門開(kāi)度、工程狀態(tài)、水質(zhì)等方面自動(dòng)監(jiān)測(cè),但覆蓋范圍不充分,監(jiān)測(cè)方式比較單一,而且對(duì)采集數(shù)據(jù)的清洗和融合不足,針對(duì)目前的問(wèn)題,從感知類型和數(shù)量、感知方式、數(shù)據(jù)清洗和融合方面提出改進(jìn)提升建議。

2.1 感知類型和數(shù)量

及時(shí)準(zhǔn)確獲得的各類數(shù)據(jù)是輸水調(diào)度分析計(jì)算的基礎(chǔ)。中線干線輸水調(diào)度智能感知系統(tǒng)涉及的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括各類水情數(shù)據(jù),以及與調(diào)度相關(guān)的工情、雨情、冰情、水質(zhì)數(shù)據(jù)等。水情數(shù)據(jù)包括水位、流量、閘門開(kāi)度數(shù)據(jù),是輸水調(diào)度分析決策中最重要、最直接的依據(jù)。當(dāng)前中線工程在各節(jié)制閘前后、控制閘出口處、退水閘處設(shè)置了水位計(jì),在各節(jié)制閘、分水口處設(shè)置了流量計(jì),各閘門設(shè)置了開(kāi)度儀,自動(dòng)讀取相關(guān)位置的水位、流量以及閘門開(kāi)度。但目前水情采集設(shè)施的數(shù)量還不能滿足全面感知的需求。例如,退水閘由于原設(shè)計(jì)為應(yīng)急退水時(shí)使用,目前未安裝流量監(jiān)測(cè)設(shè)施。沿線各建筑物進(jìn)出口處的水情數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)尚未全覆蓋。此外,兩節(jié)制閘間渠段較長(zhǎng),在各渠段的重點(diǎn)部位需增設(shè)流量、水位采集設(shè)施等;與調(diào)度相關(guān)的其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)目前初步形成了機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工程安全監(jiān)測(cè)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、沿線降雨量監(jiān)測(cè)等系統(tǒng),但自動(dòng)采集數(shù)據(jù)尚不完善,且涉及內(nèi)容不夠全面,后續(xù)還需逐步補(bǔ)充完善諸如渠道沿線地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)、左岸排水及交叉河道水情監(jiān)測(cè)、冰情自動(dòng)監(jiān)測(cè)、氣象因素監(jiān)測(cè)、藻類殼菜以及淤積監(jiān)測(cè)、工程運(yùn)維監(jiān)測(cè)、電站和泵站監(jiān)測(cè),以及總干渠周邊水文信息、上游水庫(kù)信息共享等。

2.2 感知方式

當(dāng)前中線干線工程的監(jiān)測(cè)設(shè)施主要采用傳統(tǒng)的接觸式傳感器,例如采用壓力式水位計(jì)、超聲波流量計(jì)等。近年來(lái)隨著新的監(jiān)測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展,中線在個(gè)別試點(diǎn)也在嘗試運(yùn)用新技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和識(shí)別,例如北斗自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)技術(shù)、InSAR沉降監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)渠坡變形監(jiān)測(cè)、水位的視頻圖像識(shí)別等。為推進(jìn)全面感知系統(tǒng)的建設(shè),中線應(yīng)在現(xiàn)有傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)施和技術(shù)手段基礎(chǔ)上,逐步增加對(duì)現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的運(yùn)用,可先以試點(diǎn)方式充分進(jìn)行檢驗(yàn)后不斷完善推廣,逐步構(gòu)建中線現(xiàn)代化智能感知系統(tǒng)。①接觸式和非接觸式監(jiān)測(cè)相結(jié)合。接觸式的監(jiān)測(cè)主要用于高精度以及現(xiàn)有技術(shù)水平下非接觸式難以替代的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。非接觸式監(jiān)測(cè)主要基于光譜遙感技術(shù),例如可見(jiàn)光、電磁波、聲吶、激光等,搭載地面固定設(shè)備、衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等,具有單位監(jiān)測(cè)成本低、運(yùn)維方便等優(yōu)勢(shì)。在河流流量測(cè)量、大壩和建筑物變形監(jiān)測(cè)等方面,非接觸式監(jiān)測(cè)方法正逐步得到廣泛應(yīng)用。②逐步試驗(yàn)推進(jìn)適用于中線總干渠的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。機(jī)器視覺(jué)是當(dāng)前人工智能領(lǐng)域基礎(chǔ)技術(shù)之一,已取得豐富的成果,例如,人臉識(shí)別技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。中線總干渠可通過(guò)對(duì)水尺的圖像識(shí)別自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位,以及將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于工程巡查、安全保衛(wèi)等方面。③不斷推進(jìn)天地空一體化監(jiān)測(cè)。隨著衛(wèi)星監(jiān)測(cè)精度的提升、無(wú)人機(jī)成本降低等,未來(lái)天地空一體化監(jiān)測(cè)將成為基本監(jiān)測(cè)架構(gòu)。根據(jù)天地空監(jiān)測(cè)手段各自優(yōu)劣,可實(shí)施數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)互相校準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)的主動(dòng)觸發(fā)?？煽紤]以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),動(dòng)態(tài)分析監(jiān)控存在的問(wèn)題和不足,不斷完善水情、工情、天氣信息等監(jiān)測(cè)系統(tǒng),優(yōu)化監(jiān)測(cè)設(shè)備布置,完善監(jiān)測(cè)平臺(tái)。④自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和人工巡查相結(jié)合。盡管自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)迅猛發(fā)展,但目前技術(shù)水平還不能實(shí)現(xiàn)全方位高精度的自動(dòng)化監(jiān)測(cè),很多工作還需要依靠人工巡查,比如工程滲水、裂縫、邊坡塌陷等。此外,必須做好極端工況下自動(dòng)化系統(tǒng)失效時(shí)的應(yīng)急準(zhǔn)備,一旦突發(fā)事件造成自動(dòng)采集失效,需要啟動(dòng)人工方式的信息采集。中線針對(duì)輸水調(diào)度最直接的水情監(jiān)測(cè),除了正常情況下實(shí)施自動(dòng)采集監(jiān)測(cè)以外,還設(shè)置了水尺、弧形閘門開(kāi)度尺等人工監(jiān)測(cè)設(shè)施,必要時(shí)利用水尺獲得水位數(shù)據(jù),通過(guò)閘門開(kāi)度尺獲得節(jié)制閘開(kāi)度,根據(jù)水位開(kāi)度數(shù)據(jù),基于水力學(xué)公式計(jì)算出過(guò)閘流量,確保人工方式能夠獲得輸水調(diào)度所依據(jù)的水位、流量、開(kāi)度數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)清洗和融合

數(shù)據(jù)的清洗和融合是后續(xù)輸水調(diào)度分析計(jì)算的重要基礎(chǔ)。輸水調(diào)度分析決策需要對(duì)水情等數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗,并對(duì)各類工情、雨情、冰情等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,作為計(jì)算的輸入和運(yùn)行邊界條件。對(duì)于最重要的水情數(shù)據(jù),以流量為例,不僅僅要剔除病態(tài)數(shù)據(jù),而且還要考慮各數(shù)據(jù)在空間上的邏輯性,例如當(dāng)上下游流量出現(xiàn)倒掛,則不符合物理機(jī)理,將導(dǎo)致程序運(yùn)行錯(cuò)誤等。數(shù)據(jù)異常的原因較復(fù)雜:①設(shè)備發(fā)生故障,例如流量數(shù)據(jù)無(wú)讀數(shù)或者顯示負(fù)值等;②受外界因素等影響,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)瞬時(shí)出現(xiàn)了大幅度的跳變,產(chǎn)生隨機(jī)誤差;③系統(tǒng)誤差造成。例如上游斷面計(jì)量偏小,而下游斷面偏大,單獨(dú)看每個(gè)斷面精度都滿足要求,但上下游對(duì)比則發(fā)生了流量倒掛。因此,數(shù)據(jù)清洗方法要針對(duì)不同的情況實(shí)施不同方法。對(duì)于發(fā)生故障出現(xiàn)明顯異常的數(shù)據(jù)比較容易自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并剔除。對(duì)于隨機(jī)誤差問(wèn)題一般可以通過(guò)對(duì)單點(diǎn)時(shí)間序列進(jìn)行濾波處理。對(duì)于系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的數(shù)據(jù)倒掛,則可根據(jù)上下游數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行加權(quán)擬合分析,形成合理的數(shù)據(jù)輸入?？傊?對(duì)于水情數(shù)據(jù)清洗,通過(guò)自身“縱向”數(shù)據(jù)序列分析,結(jié)合上下游“橫向”比較,實(shí)現(xiàn)病態(tài)數(shù)據(jù)的剔除、數(shù)據(jù)插補(bǔ)以及數(shù)據(jù)合理化處置。對(duì)于工情等其他數(shù)據(jù),最重要是通過(guò)各自相關(guān)系統(tǒng)對(duì)專業(yè)數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行分析,給輸水調(diào)度提出具體的邊界約束和要求,調(diào)度上進(jìn)行統(tǒng)籌分析。例如,對(duì)于閘門機(jī)電設(shè)備,最重要是提供調(diào)度可控方式,包括遠(yuǎn)程可控、現(xiàn)地可控,以及檢修狀態(tài)不可控制。對(duì)于工程監(jiān)測(cè)分析,最重要是對(duì)輸水調(diào)度提供明確的水位控制目標(biāo)等。因此,對(duì)水情以外的其他調(diào)度相關(guān)信息進(jìn)行提煉、融合,經(jīng)統(tǒng)籌分析,進(jìn)而形成輸水調(diào)度的明確邊界條件。

3 中線干線輸水調(diào)度智能認(rèn)知體系

中線干線輸水調(diào)度在預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能強(qiáng)化方面有待提升。中線干線輸水調(diào)度智能認(rèn)知體系,主要圍繞上述“四預(yù)”功能構(gòu)建相關(guān)專業(yè)模型,以及用于建模的機(jī)理或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法等。針對(duì)目前存在的問(wèn)題和不足,提出中線干線輸水調(diào)度智能認(rèn)知體系建設(shè)相關(guān)建議。

3.1 機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法分析

傳統(tǒng)水力學(xué)中的恒定非均勻流、非恒定流、謝才公式、達(dá)西定律、圣維南方程組等基本概念和方程是輸水調(diào)度模擬計(jì)算的基礎(chǔ),在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中得到廣泛應(yīng)用。但由于機(jī)理的復(fù)雜性和實(shí)際工況與理想條件的差異,傳統(tǒng)水力學(xué)模型一般經(jīng)過(guò)大量的簡(jiǎn)化,并且采取經(jīng)驗(yàn)系數(shù),導(dǎo)致往往精度不足,尤其是隨著時(shí)間和空間尺度的增大,計(jì)算誤差累計(jì)逐步增大,最終導(dǎo)致計(jì)算失真。隨著現(xiàn)代智能技術(shù)發(fā)展,很多學(xué)者嘗試?yán)酶黝悢?shù)據(jù)挖掘方法,例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳程序設(shè)計(jì)、支持向量機(jī)等,建立純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型進(jìn)行各類回歸、模擬研究,并取得了豐富的成果,針對(duì)一些問(wèn)題或在某些條件下甚至取得優(yōu)于機(jī)理模型的精度[15]。但純數(shù)學(xué)驅(qū)動(dòng)完全拋棄了機(jī)理也存在一些問(wèn)題,例如泛化功能弱,一旦預(yù)測(cè)模擬數(shù)據(jù)較大地超出訓(xùn)練樣本范圍,預(yù)測(cè)效果會(huì)較差,甚至出現(xiàn)不符合理論的錯(cuò)誤值。此外,由于過(guò)分依賴數(shù)據(jù),當(dāng)數(shù)據(jù)量較少或者代表性不充分等,擬合效果不佳。純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法是否可以完全取代物理意義理論,在學(xué)術(shù)界目前爭(zhēng)議很大,不少學(xué)者認(rèn)為因果關(guān)系超越相關(guān)性,基于大數(shù)據(jù)的模型應(yīng)該服從已有的基本理論。筆者認(rèn)為至少在目前的技術(shù)條件和理論研究基礎(chǔ)下,應(yīng)將機(jī)理模型和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)相結(jié)合,發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),以取得更好的效果。筆者曾經(jīng)建立基于信息擴(kuò)散技術(shù)的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,結(jié)合信息擴(kuò)散處理小樣本數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)和徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合精度高的優(yōu)點(diǎn),提出數(shù)據(jù)挖掘的新方法。利用此方法與過(guò)閘流量機(jī)理模型相結(jié)合,使用信息擴(kuò)散徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸綜合流量系數(shù),再使用傳統(tǒng)水力學(xué)公式計(jì)算過(guò)閘流量,取得較好效果[16-18]。

3.2 圍繞“四預(yù)”的調(diào)度功能

根據(jù)中線干線輸水調(diào)度的主要業(yè)務(wù),從強(qiáng)化預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案方面分析模型主要功能。

a.預(yù)報(bào)功能。丹江口水庫(kù)來(lái)水預(yù)報(bào)和地方需水預(yù)測(cè)等對(duì)中線水量調(diào)度決策至關(guān)重要,本文主要討論中線所轄的管理范圍。在中線總干渠輸水調(diào)度方面,預(yù)報(bào)功能主要涉及汛期總干渠沿線降雨預(yù)報(bào),包括范圍、時(shí)間、強(qiáng)度,以便預(yù)先做好全線調(diào)度應(yīng)對(duì)。此外,冰期對(duì)氣溫、水溫、冰情等預(yù)報(bào),這是冰期動(dòng)態(tài)調(diào)控的重要依據(jù),以確保冰期運(yùn)行安全前提下實(shí)現(xiàn)多供水的目標(biāo)。

b.預(yù)警功能。與預(yù)報(bào)功能相對(duì)應(yīng)的汛期暴雨、防汛預(yù)警,以及冰期寒潮、流冰等相關(guān)預(yù)警。在輸水調(diào)度過(guò)程中實(shí)時(shí)水情預(yù)警,主要包括調(diào)度過(guò)程中水位超限預(yù)警、流量偏離目標(biāo)流量預(yù)警等。

c.預(yù)演功能。突發(fā)事件應(yīng)急調(diào)度的模擬推演,尤其是針對(duì)極端工況下的應(yīng)急調(diào)度模擬。預(yù)演還包括在正常運(yùn)行條件下,各類調(diào)度工況的模擬和仿真,例如根據(jù)入渠流量調(diào)整情況,分析預(yù)判沿線水位、流量變化過(guò)程等。

d.預(yù)案功能。主要針對(duì)各類應(yīng)急工況,基于預(yù)先建立的應(yīng)急調(diào)度方案庫(kù),關(guān)鍵時(shí)刻能快速提供有效的調(diào)度應(yīng)對(duì)策略。

3.3 輸水調(diào)度重點(diǎn)模型

結(jié)合實(shí)踐對(duì)中線干線輸水調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題總結(jié)分析,認(rèn)為應(yīng)重點(diǎn)研究的模型包括前饋調(diào)控策略模型、水力模擬仿真模型、調(diào)度預(yù)報(bào)預(yù)警模型、參數(shù)自適應(yīng)修正模型。

a.前饋調(diào)控策略模型。中線線路長(zhǎng),長(zhǎng)距離調(diào)控所需時(shí)間長(zhǎng),分水口門多,水位、流量變化調(diào)整需求頻繁,沿線60多個(gè)渠池組成了等效串聯(lián)小水庫(kù)群,其水力聯(lián)系密切,一座閘門的動(dòng)作將“牽一發(fā)而動(dòng)全身”。因此,調(diào)度調(diào)控十分復(fù)雜,很難僅根據(jù)實(shí)時(shí)的水位、流量等控制目標(biāo)就實(shí)現(xiàn)可靠的自適應(yīng)調(diào)控,需要針對(duì)運(yùn)行工況,預(yù)先制定相應(yīng)的調(diào)度策略和調(diào)控思路,即根據(jù)既定的目標(biāo)和邊界條件,進(jìn)行輸水調(diào)控前饋分析。主要包括控制方式優(yōu)化研究(實(shí)際運(yùn)行中已拓展了原閘前常水位概念,將“點(diǎn)控制”拓展為“區(qū)間控制”)、目標(biāo)控制水位動(dòng)態(tài)優(yōu)化研究、多閘門聯(lián)合調(diào)控效果研究,以及各典型工況下(包括各類應(yīng)急工況)調(diào)控策略研究等。利用前饋模型,根據(jù)給定的目標(biāo)和各類約束條件,可預(yù)先形成調(diào)控的方案和策略。

b.水力模擬仿真模型。前饋調(diào)控策略模型重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)調(diào)控策略的建立,而根據(jù)調(diào)控策略實(shí)施效果分析需要借助模擬仿真模型。不論是針對(duì)正常輸水調(diào)度各類工況還是應(yīng)急調(diào)度情況,根據(jù)前饋調(diào)控策略模型建立的調(diào)控策略,利用模擬仿真模型能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確推演過(guò)程中水位、流量等水力要素的時(shí)空變化情況。總干渠非恒流的變化特性研究(恒定流狀態(tài)看作非恒定流的特殊情況,且實(shí)際中恒定是相對(duì)的)可分為渠道輸水模擬和過(guò)閘流量計(jì)算兩大部分,結(jié)合在一起形成整個(gè)工程輸水調(diào)度仿真。模擬仿真計(jì)算量大,耗時(shí)長(zhǎng),可考慮將典型工況事先進(jìn)行模擬,提煉形成知識(shí)庫(kù),以備快速調(diào)用。

c.調(diào)度預(yù)報(bào)預(yù)警模型。預(yù)報(bào)預(yù)警模型主要為前饋調(diào)控模型及時(shí)提供相關(guān)調(diào)度邊界條件和約束條件。汛期調(diào)度運(yùn)行時(shí),利用降水預(yù)報(bào)模型,預(yù)測(cè)未來(lái)降水持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、范圍,分析預(yù)判經(jīng)產(chǎn)匯流后入渠外水量和水位壅高等情況,以便提前提出水位控制要求和入渠流量調(diào)減要求。冰期運(yùn)行,在研究確定各斷面冰期安全輸水流量指標(biāo)基礎(chǔ)上,利用機(jī)理和統(tǒng)計(jì)等方法,根據(jù)氣溫、水溫等對(duì)未來(lái)冰情預(yù)報(bào)預(yù)警,為調(diào)度提供流量調(diào)整的依據(jù)。此外,在調(diào)度過(guò)程中,根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和未來(lái)?xiàng)l件等,對(duì)未來(lái)一段時(shí)期水位、流量變化趨勢(shì)計(jì)算分析并預(yù)報(bào)預(yù)警,以便及時(shí)調(diào)整優(yōu)化調(diào)控策略等。

d.參數(shù)自適應(yīng)修正模型。在模擬推演模型計(jì)算中需要用到各類水力參數(shù),如渠池綜合糙率、過(guò)閘流量綜合流量系數(shù)等。在調(diào)度過(guò)程中,隨著各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累和不斷豐富,應(yīng)建立自適應(yīng)水力參數(shù)率定模型。根據(jù)采集的水位、流量數(shù)據(jù),自動(dòng)選擇輸水整體穩(wěn)定狀態(tài),計(jì)算相關(guān)的必要水力參數(shù),并建立該參數(shù)和運(yùn)行條件相關(guān)關(guān)系,以不斷提高前饋計(jì)算的精度。實(shí)際上,工程一旦建成運(yùn)行后,本身就是1∶1原型,應(yīng)該充分利用不斷積累的運(yùn)行數(shù)據(jù),為每個(gè)建筑物、每個(gè)渠段建立專屬的水力學(xué)模型,根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累,不斷自動(dòng)完善修正,提高模擬精度。

4 中線干線輸水調(diào)度智能決策體系

狹義上講,中線干線輸水調(diào)度決策體現(xiàn)在具體的實(shí)時(shí)閘門控制指令上,即在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)對(duì)沿線各閘門進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮?。根?jù)前饋調(diào)控模型,對(duì)給定目標(biāo)和約束下預(yù)先得到方案,但在實(shí)際運(yùn)行中不可避免存在計(jì)算誤差,且中線運(yùn)行工況和外部環(huán)境復(fù)雜,僅前饋調(diào)控模型難以取得滿意效果,需要充分利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)調(diào)度策略進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,采用前饋結(jié)合反饋方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)度。

4.1 前饋耦合反饋的實(shí)時(shí)調(diào)控

對(duì)于輸水調(diào)度自動(dòng)控制方法國(guó)內(nèi)外研究成果較豐富,例如經(jīng)典的PID(proportion integration differentiation),根據(jù)既定目標(biāo),通過(guò)比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)、微分調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。該算法具有簡(jiǎn)便、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),但是在復(fù)雜的運(yùn)行實(shí)際中面臨著參數(shù)整定的困難,常規(guī)PID參數(shù)往往整定不良、性能欠佳。隨著人工智能算法的發(fā)展,不少學(xué)者將各類數(shù)據(jù)挖掘方法與傳統(tǒng)控制技術(shù)進(jìn)行融合,提出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器、模糊自適應(yīng)PID控制器等,以期提高控制參數(shù)整定效果[19]。大量研究和實(shí)踐表明,對(duì)于單閘控制,這些自動(dòng)化控制方法能夠取得很好效果,但是對(duì)于具有緊密水力聯(lián)系的多渠池自動(dòng)控制,問(wèn)題將十分復(fù)雜,單純以目標(biāo)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),很難取得很好效果,應(yīng)考慮前饋和反饋相結(jié)合的控制思路,由前饋推演模擬模型提出控制目標(biāo)和控制策略,反饋實(shí)時(shí)控制模型根據(jù)實(shí)際情況具體執(zhí)行,并不斷進(jìn)行滾動(dòng)更新和修正。在實(shí)時(shí)調(diào)度過(guò)程中,還可結(jié)合優(yōu)化模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)動(dòng)態(tài)地優(yōu)化執(zhí)行調(diào)度策略。

4.2 實(shí)時(shí)報(bào)警和調(diào)度響應(yīng)

實(shí)時(shí)調(diào)度決策過(guò)程中,還應(yīng)考慮突發(fā)事件時(shí)調(diào)度實(shí)時(shí)報(bào)警并快速響應(yīng)功能。例如水位發(fā)生驟變、流量發(fā)生驟變,以及閘門發(fā)生異動(dòng)等,需要第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)水情異常并實(shí)時(shí)響應(yīng),以便采取及時(shí)有效的應(yīng)對(duì)措施。報(bào)警和預(yù)警不同,預(yù)警是對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的不利情況提前進(jìn)行提醒,而報(bào)警則是已經(jīng)發(fā)生了危險(xiǎn)必須緊急應(yīng)對(duì)。目前,中線干線輸水調(diào)度系統(tǒng)中已初步建立了涉及水位、流量、閘門開(kāi)度異常報(bào)警功能,以1min為計(jì)算單位,自動(dòng)計(jì)算分析是否發(fā)生異常,一旦捕捉到水情有異常,系統(tǒng)將發(fā)出聲音和圖像警報(bào),根據(jù)具體警情,核實(shí)后迅速采用相應(yīng)的調(diào)度調(diào)控措施。

4.3 優(yōu)化調(diào)度決策

輸水調(diào)度系統(tǒng)是一個(gè)多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng),具體實(shí)時(shí)調(diào)度中,還應(yīng)考慮優(yōu)化調(diào)度控制,針對(duì)輸水調(diào)度中眾多期望,對(duì)輸水調(diào)度策略和方案進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)選或者利用優(yōu)化算法自動(dòng)搜尋滿意結(jié)果。這里的優(yōu)化調(diào)度主要指輸水調(diào)度控制方面的優(yōu)化,不涉及工程的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題。對(duì)于調(diào)控方案優(yōu)劣評(píng)判屬于多目標(biāo)綜合評(píng)判問(wèn)題,可考慮響應(yīng)時(shí)間、水位波動(dòng)幅度、閘門操作頻次,以及大流量輸水期間的水位、流量控制和水力銜接效果等因素。調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題建模的關(guān)鍵是建立多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系,在此基礎(chǔ)上可利用現(xiàn)代優(yōu)化算法,例如粒子群、遺傳算法、模擬退火算法等,求解高維非線性模型,得出優(yōu)化調(diào)度策略和方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

南水北調(diào)是跨流域跨區(qū)域配置水資源的骨干工程,是國(guó)家水網(wǎng)的主骨架和大動(dòng)脈。新時(shí)代、新階段的發(fā)展必須貫徹新發(fā)展理念,必須是高質(zhì)量發(fā)展。智慧水利是水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志,南水北調(diào)中線干線智慧輸水調(diào)度是支撐中線工程高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。本文結(jié)合南水北調(diào)中線干線輸水調(diào)度實(shí)際,嘗試提出了南水北調(diào)中線干線智慧輸水調(diào)度的定義,以及功能需求框架,并從感知體系、認(rèn)知體系、決策體系對(duì)中線干線輸水調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)感知、清洗和融合是輸水調(diào)度建模的基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)方式,構(gòu)建輸水調(diào)度全面感知體系,并提出了消除水情數(shù)據(jù)倒掛的清洗方式等;構(gòu)建機(jī)理和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)的建模方法,從預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案方面,研究中線干線輸水調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn),并根據(jù)調(diào)度特點(diǎn)總結(jié)分析了前饋調(diào)控模型、水力模擬仿真模型、調(diào)度預(yù)報(bào)預(yù)警模型和優(yōu)化調(diào)度控制模型等;提出基于前饋結(jié)合反饋的自動(dòng)化調(diào)控模型思路,以模擬推演為前饋,以監(jiān)測(cè)狀態(tài)為反饋,實(shí)施滾動(dòng)決策修正、實(shí)時(shí)響應(yīng)的自動(dòng)化輸水調(diào)控,并基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為各建筑物構(gòu)建專屬的水力模型。