北京市水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

劉 梅

（北京市水務(wù)信息管理中心，北京 100089）

0 引言

北京是重度缺水特大城市，水資源稟賦先天不足，水資源形勢(shì)最嚴(yán)重時(shí)期，人均水資源量銳減至100 m3左右，不足全國(guó)的 1/20、世界的 1/80[1–2]。近年來(lái)北京市按照“立足自身、爭(zhēng)取外援，深度挖潛、優(yōu)化配置”的思路，以年均 21 億m3的水資源量支撐了年均 36 億m3的用水需求，支撐了首都經(jīng)濟(jì)社會(huì)平穩(wěn)較快發(fā)展，但也付出了巨大的資源和環(huán)境代價(jià)[3–4]。

2014年，南水北調(diào)通水后，北京水資源格局發(fā)生了重大變化，南水與北京地表、地下水源共同成為首都的供水水源，形成地表水、地下水、外調(diào)水、再生水、雨洪水 “五水”聯(lián)調(diào)的供水格局。在新的供水格局下，為實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，要求水資源管理向動(dòng)態(tài)化、精細(xì)化、定量化和科學(xué)化轉(zhuǎn)變，需要借助信息化手段，為北京市資源管理過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、規(guī)劃配置、調(diào)度優(yōu)化和調(diào)度保障系統(tǒng)提供支撐和保障，為水資源科學(xué)調(diào)配奠定基礎(chǔ)，保證首都供水安全。

從信息化的角度闡述北京市水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)，為同類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供參考。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)構(gòu)成、物理邏輯及數(shù)據(jù)關(guān)系，北京市水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)劃分為 6 個(gè)層面，即數(shù)據(jù)采集層、基礎(chǔ)環(huán)境層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)支撐層、應(yīng)用層和交互層。同時(shí)，為保證系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用安全，應(yīng)建立兩大保障體系，即信息安全和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖 1 所示[5]。

1.1 數(shù)據(jù)采集層

主要包括取用水、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、自動(dòng)遙測(cè)站的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)取用水和水源地在線及人工等水資源相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。

1.2 基礎(chǔ)環(huán)境層

主要包括傳輸網(wǎng)絡(luò)、支撐系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)軟硬件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及安全保障環(huán)境。根據(jù)北京水務(wù)信息化已有的條件，此層應(yīng)采用集約、統(tǒng)籌的管理模式。

1.3 數(shù)據(jù)資源層

主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布、數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息匯集的目的地。

1.4 應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層作為一個(gè)載體，是應(yīng)用架構(gòu)的基礎(chǔ)，用戶(hù)可以在該載體上根據(jù)應(yīng)用需求及業(yè)務(wù)發(fā)展的需要形成各種具體的應(yīng)用。

1.5 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層是水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)的核心，建立在應(yīng)用支撐層的基礎(chǔ)之上，依托應(yīng)用支撐平臺(tái)環(huán)境，根據(jù)水資源業(yè)務(wù)需要，開(kāi)發(fā)包括水資源情勢(shì)分析、規(guī)劃配置、優(yōu)化調(diào)度、調(diào)度保障等功能的系統(tǒng)，為北京市“五水”聯(lián)合調(diào)度和水資源精細(xì)化管理提供支撐。

圖 1 北京市水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.6 交互層

交互層提供跨終端的應(yīng)用訪問(wèn)入口，服務(wù)于“宏觀決策、業(yè)務(wù)支撐、保障應(yīng)急、公眾服務(wù)”四大方面工作需要，是水行政管理人員、社會(huì)公眾等參與水資源監(jiān)督管理的交互載體。

2 系統(tǒng)主要功能

根據(jù)北京水務(wù)水資源管理業(yè)務(wù)需求的調(diào)研和分析，北京市水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)設(shè)置情勢(shì)分析、規(guī)劃配置、優(yōu)化調(diào)度、調(diào)度保障等四大主要功能，其具體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

2.1 情勢(shì)分析

圖 2 水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

情勢(shì)分析功能主要基于一張圖，采用時(shí)態(tài)GIS、空間展布、統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分析等技術(shù)手段，分析北京市基本水情市情、開(kāi)發(fā)利用等方面的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，為水資源主管部門(mén)掌握北京市水安全面臨的嚴(yán)峻形勢(shì)提供支撐。

情勢(shì)分析主要包括基本水情、開(kāi)發(fā)利用、日清月結(jié)、節(jié)水成效等模塊。基本水情模塊用于分析評(píng)估北京市水資源狀況；開(kāi)發(fā)利用模塊用于分析評(píng)估北京市水資源開(kāi)發(fā)利用情況；節(jié)水成效模塊用于分析評(píng)估北京市建設(shè)節(jié)水型社會(huì)所取得的工作成效。日清月結(jié)模塊用于保證南水北調(diào)水進(jìn)京后形成的“26213”（2 個(gè)動(dòng)脈、6 個(gè)水廠、2 個(gè)樞紐、1 條環(huán)路、3 個(gè)應(yīng)急水源地）供水新格局的動(dòng)態(tài)管理。

2.2 規(guī)劃配置

規(guī)劃配置功能對(duì)于北京來(lái)講主要指用水分配，即以水量分配和用水總量控制紅線為核心，基于批復(fù)的北京市水量分配方案成果，在北京全市、中心城區(qū)及 11 個(gè)新城，通過(guò)對(duì)不同水源在生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水分配情況等，提供熱力圖、數(shù)據(jù)鉆取、變化趨勢(shì)、統(tǒng)計(jì)匯總等綜合分析，重點(diǎn)展示和輔助分析北京市在不同分配用水條件下對(duì)人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)環(huán)境的影響。水資源規(guī)劃配置主要包括區(qū)域水量、三生用水、取用水戶(hù)用水 3 個(gè)分配功能模塊。

2.3 優(yōu)化調(diào)度

優(yōu)化調(diào)度功能主要提供北京市南水北調(diào)配套工程計(jì)劃調(diào)度和調(diào)度實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況的信息服務(wù)，輔助水行政主管部門(mén)解決南水北調(diào)來(lái)水后的調(diào)蓄問(wèn)題，保障北京市供水安全。優(yōu)化調(diào)度功能結(jié)構(gòu)主要包括計(jì)劃調(diào)度、調(diào)度運(yùn)行和調(diào)配決策 3 個(gè)模塊。

計(jì)劃調(diào)度模塊完成水資源調(diào)度計(jì)劃的管理，根據(jù)天氣形勢(shì)、水雨情、工情、旱情、需用水及社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況等綜合信息分析制定的水資源年，月，旬等調(diào)度方案結(jié)構(gòu)化并存儲(chǔ)入庫(kù)。調(diào)度運(yùn)行模塊完成北京地區(qū)清水和再生水實(shí)時(shí)信息的宏觀整體展現(xiàn)，為會(huì)商演示和決策分析提供有效的保障和支撐。調(diào)配決策模塊根據(jù)來(lái)水預(yù)報(bào)、用水計(jì)劃、區(qū)域用水需求采用總量控制原則制定調(diào)度方案。

2.4 調(diào)度保障

調(diào)度保障功能主要對(duì)全市水資源應(yīng)急事件信息統(tǒng)一管理，通過(guò)“三預(yù)聯(lián)動(dòng)”（預(yù)警、預(yù)測(cè)、預(yù)案）方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急會(huì)商、應(yīng)急響應(yīng)、評(píng)估總結(jié)等全過(guò)程的管理，保障北京市供水安全穩(wěn)定。調(diào)度保障功能主要包括預(yù)警發(fā)布、輿情監(jiān)測(cè)、應(yīng)急模擬、專(zhuān)家?guī)旌椭R(shí)庫(kù)等模塊。

預(yù)警發(fā)布模塊服務(wù)于水主管部門(mén)，包括調(diào)度預(yù)警信息、預(yù)警發(fā)布功能。輿情監(jiān)測(cè)模塊對(duì)互聯(lián)網(wǎng)上有關(guān)北京水資源管理的公眾言論和觀點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視和預(yù)測(cè)，為水務(wù)科學(xué)決策提供正確的輿論引導(dǎo)及分析依據(jù)。應(yīng)急模擬模塊對(duì)各類(lèi)應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行模擬仿真，為各類(lèi)應(yīng)急預(yù)案的啟用提供支撐。專(zhuān)家?guī)炷K對(duì)水資源領(lǐng)域?qū)＜倚畔⑦M(jìn)行管理。知識(shí)庫(kù)模塊主要用于存儲(chǔ)水資源相關(guān)的文獻(xiàn)資料和信息。

3 主要技術(shù)特點(diǎn)

特大型城市水資源管理系統(tǒng)龐大、數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜，耦合性強(qiáng)，業(yè)務(wù)維度大、層次多、變化大[6–7]。各模塊數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、服務(wù)、性能要求差異性大，難以采用統(tǒng)一固定的技術(shù)架構(gòu)，為此水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中借助多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，保證了系統(tǒng)多維度設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3.1 開(kāi)放性設(shè)計(jì)

為了達(dá)到總體設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，保證系統(tǒng)在實(shí)用、實(shí)時(shí)、先進(jìn)、易用、開(kāi)放、穩(wěn)定方面滿足設(shè)計(jì)要求，水資源監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)采取多種開(kāi)放性設(shè)計(jì)策略，保證了系統(tǒng)的靈活性和開(kāi)放性：

1）針對(duì)操作特點(diǎn)，采用 B/S 的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式。

2）針對(duì)其數(shù)據(jù)源多樣性，采用數(shù)據(jù)中間件（構(gòu)件）技術(shù)。

3）針對(duì)多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的交互性，采用基于 ESB 企業(yè)服務(wù)總線為核心的框架結(jié)構(gòu)。

4）針對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，采用多線程和緩沖池?cái)?shù)據(jù)交換技術(shù)。

3.2 可重用的組件庫(kù)

水資源監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)建立了應(yīng)用系統(tǒng)支撐平臺(tái)，各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)基于應(yīng)用支撐平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。支撐平臺(tái)主要內(nèi)容包括：基礎(chǔ)組件庫(kù)、業(yè)務(wù)流程工具、模型工具、算法管理、數(shù)據(jù)交換服務(wù)、用戶(hù)管理、數(shù)據(jù)字典、系統(tǒng)監(jiān)控、平臺(tái)用戶(hù)界面。

借助可重用的組件庫(kù)技術(shù)，充分利用現(xiàn)有資源，加強(qiáng)資源整合、減少重復(fù)開(kāi)發(fā)。

3.3 虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合

系統(tǒng)數(shù)據(jù)既包含北京市水務(wù)局已有核心數(shù)據(jù)資源，又包含水資源監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)產(chǎn)生的過(guò)程和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)對(duì)管理和服務(wù)的要求難以統(tǒng)一，系統(tǒng)采用虛擬與實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合技術(shù)，充分利用核心數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（供排水、水源地、南水北調(diào)、取用水戶(hù)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)），又建設(shè)和管理了完備的實(shí)體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，為各業(yè)務(wù)模塊提供高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)管理與服務(wù)。

系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)總線技術(shù)，以虛擬庫(kù)的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)北京市水務(wù)局綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)提取。應(yīng)用系統(tǒng)不管理核心的全局?jǐn)?shù)據(jù)，只是通過(guò)虛擬庫(kù)數(shù)據(jù)同步。

采用虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)的全局?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)用模式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）在服務(wù)功能（業(yè)務(wù)邏輯）和企業(yè)數(shù)據(jù)支持之間關(guān)注點(diǎn)清晰分離，業(yè)務(wù)功能不會(huì)受到數(shù)據(jù)訪問(wèn)細(xì)節(jié)的影響。

2）所有服務(wù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線訪問(wèn)任何所需數(shù)據(jù)，使得服務(wù)之間的耦合大大降低。

系統(tǒng)針對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)計(jì)了情勢(shì)分析、規(guī)劃配置、統(tǒng)一調(diào)度、調(diào)度保障等 5 個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)模塊產(chǎn)生的業(yè)務(wù)和過(guò)程數(shù)據(jù)通過(guò)本地實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理、分析，降低了系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)設(shè)施的壓力。各業(yè)務(wù)庫(kù)管理的本地?cái)?shù)據(jù)包括：

1）情勢(shì)分析業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。主要存儲(chǔ)水資源公報(bào)、水務(wù)年報(bào)、日清統(tǒng)計(jì)、月結(jié)統(tǒng)計(jì)等，包括降水總量、水資源總量、地表水資源量、供用水量等數(shù)據(jù)。

2）規(guī)劃配置業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。主要存儲(chǔ)區(qū)域用水量、三生用水量、取用水戶(hù)水量等分配數(shù)據(jù)。

3）統(tǒng)一調(diào)度業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。主要存儲(chǔ)水資源公報(bào)及水務(wù)統(tǒng)計(jì)年報(bào)、用水總量、用水效率和各類(lèi)水資源計(jì)劃及方案等數(shù)據(jù)。包括用水計(jì)劃、需水計(jì)劃、水資源配置方案、用水計(jì)劃執(zhí)行情況等。

4）調(diào)度保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。主要存儲(chǔ)調(diào)度預(yù)警的規(guī)則、信息及發(fā)布數(shù)據(jù)等。

4 結(jié)語(yǔ)

北京市水資源監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行，對(duì)南水北調(diào)水進(jìn)京后多水源聯(lián)合調(diào)度和全市水資源精細(xì)化管理提供了有力支撐，實(shí)現(xiàn)了地表水、地下水、外調(diào)水、再生水、雨洪水“五水聯(lián)調(diào)”，為水資源調(diào)度部門(mén)、相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的業(yè)務(wù)工作提供了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)服務(wù)，完善的業(yè)務(wù)支撐和高效的決策支持，極大地提高了水資源調(diào)度管理的工作效率與管理水平。系統(tǒng)建設(shè)還進(jìn)一步完善了北京市水務(wù)信息化的整體技術(shù)架構(gòu)，推動(dòng)了“數(shù)據(jù)全息化、管理可視化、決策科學(xué)化”的技術(shù)進(jìn)程。系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果表明，系統(tǒng)的建設(shè)思路和設(shè)計(jì)方案較好地平衡了開(kāi)放性、安全性、高效性和穩(wěn)定性之間的矛盾， 為特大型城市多水源實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度和管理系統(tǒng)的建設(shè)提供了有益借鑒。

[1] 倪昌良. 水資源可持續(xù)利用與水資源管理[J]. 綠色環(huán)保建材，2017 (3): 237.

[2] 重慶市水利局. 實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理 以水資源可持續(xù)利用支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[J]. 中國(guó)水利，2016 (23):54-56，70.

[3] 張咪，吳禮斌. 北京市水資源稀缺因素的灰色關(guān)聯(lián)分析[J]. 寧德師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016 (2):174-177，186.

[4] 邵惠芳，張彤，申碧峰，等. 北京市水資源狀態(tài)與供需壓力研究[J]. 水利水電技術(shù)，2015 (9): 1-4，122.

[5] 張曉娟，王昊. 北京市水資源統(tǒng)一調(diào)度平臺(tái)項(xiàng)目申報(bào)書(shū)[R]. 北京：北京市水務(wù)局，2015: 112-121.

[6] 張建偉. 北京市水資源人口承載力研究[D]. 北京：首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，2013.

[7] 張士鋒，孟秀敬，廖強(qiáng). 北京市水資源與水量平衡研究[J].地理研究，2012 (11): 1991-1997.

[8] 張曉娟，王昊. 北京市水資源統(tǒng)一調(diào)度平臺(tái)項(xiàng)目申報(bào)書(shū)[R]. 北京：北京市水利自動(dòng)化研究所，2015: 112-121.