水庫群防洪調度控制系統(tǒng)關鍵技術

高 原 徐利杰 蔡建平 馬君兒 沈陸娟

水庫群防洪調度控制系統(tǒng)關鍵技術

高 原 徐利杰 蔡建平 馬君兒 沈陸娟

水庫群在防洪排澇工作中起著重要的作用，是有效的工程措施。水庫群防洪調度控制系統(tǒng)通過優(yōu)化庫群協(xié)調調度，制定最科學的防洪調度規(guī)則，發(fā)揮庫群在排澇工作中的最大作用。本文從水庫群防洪調度控制系統(tǒng)各模塊所涉及的數學模型構建理論、先進的數學計算理論及現(xiàn)代計算機相關理論知識出發(fā)詳細分析了該系統(tǒng)成功構建的關鍵技術，對系統(tǒng)構建有一定的指導意義。

洪水是我國主要的自然災害之一，據統(tǒng)計我國的幾大主要流域，黃河流域、長江流域、珠江流域等區(qū)域洪水災害頻發(fā)，災害所造成的損失特別巨大。水庫、閘、堰壩等水利工程設施在防洪工作中起著重要的作用，良好的防洪工程措施要配以優(yōu)秀的管理體系，工程措施再好，若缺乏科學的管理不但無法發(fā)揮其最大的效用，而且有可能在防洪工作中起到反作用。

水庫作為流域水利資源開發(fā)治理過程中的工程措施能夠在防洪減災中起著調節(jié)洪峰、儲蓄洪水、在一定程度上能減輕或有效避免洪澇災害所造成的損失。若從流域整體進行考慮，流域河流主干道及支流上可以建設多個水庫，這些水庫的大?。▋λ詈槟芰Γ╇m然不盡相同，但作為流域水利工程系統(tǒng)的一部分，他們之間可相互協(xié)調、共同調節(jié)徑流，發(fā)揮流域在防洪減災、水利灌溉中的最大效應。這樣的一系列水庫稱為水庫群，按照相互位置關系、之間的聯(lián)系可分為串聯(lián)水庫梯級水庫、并聯(lián)水庫和混聯(lián)水庫。水庫群工程的建設成功是發(fā)揮其在防洪排澇工作中作用的基礎，要更大的發(fā)揮水庫群的作用，科學有效的防洪調度決策支持系統(tǒng)是關鍵，也是庫群防洪排澇工作中的大腦。目前關于水庫群防洪調度系統(tǒng)的理論及實際應用研究雖然比較多，但總的來說系統(tǒng)的通用性較差， 且對于大規(guī)模水庫群缺乏有效的、相對簡單的系統(tǒng)開發(fā)。因此有必要從理論及應用角度進行綜合考慮，更好的解決水庫群防洪調度決策支持系統(tǒng)開發(fā)中的關鍵技術難題，使得水庫群在協(xié)調運行中擁有更加聰明的大腦。

水庫群防洪調度系統(tǒng)關鍵技術

核心數學模型的構建

完善的水庫群防洪調度系統(tǒng)的構建涉及洪水的預報、預測模型，洪水的演化、優(yōu)化計算及水庫群優(yōu)化調度模型。根據水庫群類型的不同選擇合適的數學方法，構建恰當的庫群優(yōu)化調度模型是調度系統(tǒng)能否有效工作的關鍵。洪水的預報、預測模型，洪水的演化、優(yōu)化計算是探討洪水生成、發(fā)展、變化的規(guī)律，涉及水文學、水動力學等相關知識，可以通過物理屬性建模，也可以通過數理統(tǒng)計的方法建立模型。無論基于哪種機理建立洪水預報、預測模型，模型優(yōu)化參數的選擇都是一個至關重要的問題。直觀、簡便、快速、適用性強的預測模型及算法可以有效的提高庫群防洪調度系統(tǒng)運行的速度與精度，在庫群防洪調度系統(tǒng)的建設中起著至關重要的作用。

庫群優(yōu)化調度模型是水庫群防洪調度系統(tǒng)中的核心數學模型，面對實時、海量的大數據，同時又要考慮數據的不確定性、不完整性，這都使庫群優(yōu)化調度模型的構建變得難上加難。早期的庫群防洪調度具有半經驗、半理論的特點，通常是利用歷史資料，結合水利、水文學等理論知識，運用經典的數學方法規(guī)劃調度方式與規(guī)則，繪制調度圖表，編寫調度規(guī)則，并應用于實際的調度運行中。由于過分注重經驗，并且數學理論與方法的落后使得這類調度難以獲得最合理的方案，經驗性導致其局限性較強，對復雜的水庫群系統(tǒng)往往難以得到可行的調度法則。優(yōu)化調度強調先進的數學理論在調度模型構建及模型求解中的應用。優(yōu)化模型構建中首先建立防洪調度系統(tǒng)的目標函數，目標函數可根據實際情況進行選取，可考慮經濟效益、社會效益，也可考慮水庫群下游河道下游削峰最大、水庫、大壩安全、水庫防洪保護區(qū)淹沒損失最小或是需調洪庫容最小，亦可針對多種目標進行綜合考慮。單一考慮某一指標作為目標值或是綜合考慮幾種目標作為目標函數所得到的模型為單目標模型。另外若按層次同時考慮多種目標，并不是簡單的把要考慮的多種目標綜合起來，這種模型為多目標模型，單目標、多目標模型均屬于優(yōu)化模型。而后需要確定合理的約束條件，然后選擇求解目標函數的適宜的數學計算方法。自動搜尋最優(yōu)解的方法經常選用線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃等優(yōu)化方法。

優(yōu)化方法的選擇在最優(yōu)解搜尋中起著至關重要的作用。近年來伴隨著計算方法理論的發(fā)展，庫群優(yōu)化調度模型求解中也不斷有研究者嘗試新的方法，包括運籌學中的非線性規(guī)劃的一些先進算法，模糊數學理論、灰色系統(tǒng)、人工神經網絡理論、遺傳算法、層次分析法等多種數學理論方法被引入到優(yōu)化模型的構建與求解中，極大的豐富了庫群防洪調度系統(tǒng)的研究手段。

系統(tǒng)設計與開發(fā)的原則

水庫群防洪調度控制系統(tǒng)主要是通過數據采集，經合理的模型分析及計算，給出庫群防洪調度的最優(yōu)化方法及規(guī)則，為決策者提供參考。應用者并非專業(yè)的科研人員，因此系統(tǒng)開發(fā)設計中應該遵循以下原則。

（1）模塊化原則

模塊化原則是大型系統(tǒng)開發(fā)的基本原則，水庫群防洪調度系統(tǒng)也不例外。模塊形式的系統(tǒng)開發(fā)可以保證當系統(tǒng)的某一部分需要改變時，只需要對其所在模塊進行調整，而對其他模塊沒有影響，使得系統(tǒng)的調整更具有靈活性，系統(tǒng)開發(fā)的效率更高，系統(tǒng)具有良好的可擴展性。模塊劃分要以功能為基礎，可以設置多層子模塊，使得模塊盡可能小。

（2）針對性原則

水庫群防洪調度控制系統(tǒng)的應用人員均為水利系統(tǒng)，特別是水庫管理人員，系統(tǒng)的開發(fā)應該充分的尊重行業(yè)內人員的現(xiàn)行水庫調度決策程序與習慣。在軟件開發(fā)過程中要充分征求他們的意見，重在體現(xiàn)系統(tǒng)的實用性，為決策者進行方案分析提供充分的信息，使得決策更加科學化。

（3）交互式原則

水庫群防洪調度控制系統(tǒng)應該具有友好的界面，操作者并非都是專家，因此應該從普通操作者的角度進行友好開發(fā)。軟件開發(fā)應該為操作者、行業(yè)專家、技術人員提供參與決策的機會。特別是當模型失真、方案欠合理時，應該給技術人員發(fā)揮主觀能動性，通過經驗判斷修改重要參數的權利，分析決策人員應可以通過交互功能，對決策進行合理干預。

系統(tǒng)開發(fā)重點技術

（1）數據庫技術

水庫群防洪調度控制系統(tǒng)由多庫組成，包含數據庫、模型庫、方法庫、知識庫等。其中數據庫包含了實時采集的數據，模型庫包含了系統(tǒng)中涉及的各種模型，方法庫存儲了各種方法，知識庫可以對結果進行修正。數據庫技術的恰當應用可以將各個庫有機的整合到一起。做到能在對象與關系數據庫之間建立條件映射關系，通過建立數據持久層使數據庫訪問更為穩(wěn)定。

（2）集成技術

通過集成技術將水庫群防洪調度控制系統(tǒng)的數據庫、模型庫、方法庫、知識庫等多個庫集成在一個大系統(tǒng)之內，即要保證各個庫之間相對獨立的關系，又要在計算中提高庫與庫之間數據傳遞的效率，做到整體計算。文中提出了基于圖論的水庫群預報調度系統(tǒng)集成的方法，對節(jié)點進行排序，有效協(xié)調上下游關系，按照順序依次進行預報、調度、演進計算，有效地解決了系統(tǒng)的集成。

結語

水庫群防洪調度控制系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)構建中關鍵技術即涉及應用恰當的數學方法構建一系列核心數學模型，利用先進的數學計算方法進行數據的科學計算與分析等眾多數學理論。同時在系統(tǒng)的構建中還涉及計算機科學的相關知識，如數據庫、集成技術等。一個成功的系統(tǒng)必將是理論與實際技術的完美結合。

高 原1徐利杰2蔡建平3馬君兒3沈陸娟3

1.唐山市曹妃甸區(qū)水務局；2.承德市平泉縣水務局；3.浙江水利水電學院

高原（1975-）男，工程師，現(xiàn)主要從事水利工程方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001

浙江省水利廳科技項目（項目編號: RC1304）；浙江省水利廳科技項目（項目編號: RC1405）；浙江省自然科學基金項目（項目編號: LY12F03019）