“都江堰渠首樞紐閘群智能聯合調度系統”初探

冉 毅

(四川省都江堰管理局,四川 都江堰 611830)

1 都江堰信息化建設的背景

建于公元前 256年的都江堰水利樞紐工程歷經兩千多年的歷史滄桑而經久不衰,至今仍在發揮著巨大效益,造福人民,成為古代水利工程中留存至今、永續利用的光輝典范。建立“都江堰渠首樞紐閘群智能聯合調度系統”,實現都江堰渠首樞紐水資源的優化配置、優化調度和防洪調度的優化決策指揮,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水資源優化配置、優化調度方法的研究和實現具有重要意義。

2 渠首樞紐現狀

都江堰渠首樞紐工程位于都江堰市城西,距成都市區 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,為全灌區的制高點。岷江水經渠首樞紐引入灌區,居高臨下,設計灌溉成都平原及川中丘陵灌區農田 1 186.40萬畝(1 hm2=15畝),終期將達到 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、二王廟順水埂等輔助工程組成。1949年以來,隨著都江堰灌區的不斷發展,在渠首樞紐原有工程基礎上相繼修建了外江閘、沙黑總河閘、飛沙堰工業攔水閘以及六大干渠分水節制閘等配套工程,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,滿足都江堰灌區工農業生產用水和城市生活用水不斷增長的需要。目前灌區實灌面積已經達到了1 030萬畝。

3 渠首樞紐信息化現狀

1998年至今,根據都江堰灌區續建配套與節水改造規劃實施項目安排,都江堰渠首先后完成了內江走馬河等四大干渠首段(都江堰市城區段)2.983 km河道整治;內江仰天窩閘、蒲柏閘、走江閘、工業引水渠尾水閘、溝通道進、出口閘和相關三個干渠水文測站的更新改造。在灌區水利信息化建設中,渠首樞紐已完成了:(1)信息網絡建設;(2)內江閘群自控及渠道樞紐圖像監視系統;(3)渠首岷江來水、內江總干渠水量及六大干渠水位流量情況的實時采集;(4)渠首內江總干渠水質在線監測系統。外江閘群的自動化系統也基本建設完成。

以上系統的改造和建成,在一定程度上提高了工程安全運行和水資源的優化配置,但從當前的水資源調度要求看,整個渠首樞紐信息化系統的建設起點較低,出現了落后和反應慢的趨勢,已不適應灌區工農業生產發展對水量調度的要求,急需對其進行技術更新、改造、完善。

4 系統技術路線

都江堰渠首樞紐由內江片區閘群和外江片區閘群組成,經過信息化第一階段的建設,光纖網絡已經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和光纖網絡,可以在管理站、渠首管理處調度分中心和管理局調度中心實現閘門的本地/集中/遠程控制;在重點斷面、分水閘房上下游等部位設置了信息采集裝置,整個岷江上游來水和六大干渠水資源調配信息能夠充分獲取;建設了比較完善的視頻監控系統,渠首外江片區與內江片區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絡可以傳送至各級調度控制中心;基本實現了渠首樞紐信息數字化、傳輸網絡化和部分調度自動化,從而為實施“都江堰渠首樞紐閘群智能聯合調度系統”、構建渠首樞紐水資源優化配置、優化調度與防洪調度決策指揮系統提供了技術保障。

然而,水資源優化配置、優化調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聯著六大干渠,供水范圍涉及 37個縣(市 /區)、6個地級市和一個特大中心城市,灌溉面積達上千萬畝,擔負著成都平原經濟圈的生活用水、工業用水、農業用水和環保用水。如此復雜的多任務、多目標、強關聯過程的協調優化,既有大量理論與方法層面的研究課題,又有若干技術與工程實施層面的問題,需要進行艱苦的理論創新與技術創新。

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

智能優化決策建立在人工智能、最優化理論、計算機科學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度過程中“專家”的經驗和方法,包括不同用水季節、不同來水情況下水資源調配過程的經驗,建立知識庫;把經驗數據與水利學模型進行擬合和驗證,經過反復分析、比較、論證,確定若干可以真正應用的水資源調配的決策規則并建立規則庫;基于知識庫和規則庫開發不同情形下的水資源優化配置方案進行數字仿真,使之成為能夠實施的具體調度算法;把各種算法結果分解為六大干渠各閘門啟閉運行的具體調度指令,通過通信網絡下達實施;隨時監控并反饋調度結果,經驗證認可后形成一套完整的調度規則和算法,初步建成渠首樞紐水資源優化調度智能決策系統。

5 系統目標及必經階段

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

5.1 第一階段

(1)階段內容。

①強化安全保障措施:創造內江閘群和外江閘群聯合調度所需的基本條件。該內容主要包括水情基礎設施的建設及改造,閘門控制設施改造,閘門控制保障設施等。

②建設閘門控制所需的若干基礎模型及算法等:整合現有控制系統;建立聯合調度所需的水文計算模型;開始模型的模擬運行與參數率定;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,根據該模型,可以大致估算河水在渠道中流動的時間,為閘門調度提供時間依據;建立流量與閘門開啟的關系;確定水文模型參數并優化;建立基于流量的調度模型。

(2)階段目標。

該階段的主要目標是通過建設、改造內外江閘群的基礎設施,以及建立相關水文模型,為實現渠首智能調度提供穩定可靠、完善的基礎平臺,并建立起遠控、集控、現地控的體系結構,實現閘門的自動化控制,同時,通過對相關水文模型的摸索與研究,建立起基于流量的調度模型,最終實現根據用戶給定的流量進行內外江閘群水資源的聯合調度。

5.2 第二階段

(1)階段內容。

建設各種電子調度預案;自動生成調度方案;進行人工輔助決策。

(2)階段目標。

自動形成各種情況下的預案,并根據實際情況能夠從預案中選擇最佳預案進行調度,同時,增設人工輔助決策模塊,實現人工輔助進行決策,以確保調度的切合實際,最終完全實現渠首閘群的智能聯合調度。

6 結 語

筆者在此僅提出了關于都江堰渠首閘群智能聯合調度的初步想法,若要真正實現閘群系統的智能聯合調度還需進行大量的基礎工作和技術探索。但我們相信,只要將古老的都江堰與現代信息技術融合,必將會進一步豐富都江堰的水文化內涵,創造出新技術時代“人水和諧”的新境界。