長距離輸水工程水量調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)及成果

程冀，蒲振旗，朱朋濤

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 建設(shè)目標(biāo)

針對長距離輸水工程調(diào)度業(yè)務(wù)操作層、決策層等不同用戶對象所關(guān)注的業(yè)務(wù)重點，結(jié)合在南水北調(diào)中線干線水量調(diào)度、南水北調(diào)東線干線山東段水量調(diào)度、南水北調(diào)中線河北配套工程水量調(diào)度等相關(guān)系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗，依托北疆供水工程水量調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)，進一步梳理、細(xì)化長距離輸水工程水量調(diào)度業(yè)務(wù)通用性內(nèi)容和流程，從“流程明晰、操作簡化”等設(shè)計理念出發(fā)，完成具備水源可供水量預(yù)測、年內(nèi)水量分配、實時水量調(diào)度、水量統(tǒng)計、水費計算、水量調(diào)度評價等涵蓋長距離輸水工程水量調(diào)度各項業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的需求分析及功能設(shè)計。

研究確定并建立長距離輸水工程水量調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)框架，基于微服務(wù)架構(gòu)及前后端分離的模式，開發(fā)靈活、易用的前端交互界面，以及組件化、可復(fù)用的后端交互接口，實現(xiàn)針對不同引調(diào)水工程調(diào)度需求的靈活組裝和應(yīng)用部署，實現(xiàn)水源可供水量分析、用水需求收集、水量分配方案優(yōu)化編制、實時調(diào)度指令生成和下達、調(diào)度過程監(jiān)視、水量統(tǒng)計和水費計算、水量調(diào)度后評價，以及分段調(diào)度授權(quán)、方案上報審批等功能開發(fā)，為水量調(diào)度業(yè)務(wù)提供決策分析工具，助力工程調(diào)水過程的自動化、決策的科學(xué)化。

2 業(yè)務(wù)流程分析

長距離輸水工程水量調(diào)度業(yè)務(wù)總體上都具備“工程安全運行、興利服務(wù)防洪、局部服從整體、全線統(tǒng)一調(diào)度”的業(yè)務(wù)特點，通過對水資源的聯(lián)合配置、輸水控制工程的優(yōu)化調(diào)度，以實現(xiàn)工程運行安全、供水安全等多目標(biāo)調(diào)度任務(wù)。以北疆供水工程水量調(diào)度業(yè)務(wù)為例，水量調(diào)度業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 長距離輸水工程水量調(diào)度業(yè)務(wù)處理流程圖

2.1 供水形勢收集和分水方案擬定階段

首先調(diào)度中心根據(jù)EH供水區(qū)徑流預(yù)報，計算各水源工程年度、月度、五日可調(diào)水量，同時，收集各時段EH 生態(tài)用水需求、流域內(nèi)用水需求和受水區(qū)各用水戶用水需求，根據(jù)水源可供水量、用水需求以及防洪、發(fā)電等相關(guān)約束條件，綜合前期供水方案執(zhí)行情況，統(tǒng)籌考慮與相關(guān)工程管理部門會商決策，按照一定的分配規(guī)則，制定次年、次月、五日水源供水計劃和各級分水口時段配水計劃，其中，年供水計劃經(jīng)討論通過后形成水量調(diào)度的執(zhí)行基準(zhǔn)方案。每經(jīng)過五日、一月和一年，逐時段滾動制定下一時段的供配水方案。

2.2 實時水量調(diào)度階段

根據(jù)五日方案的逐日分水計劃、EH生態(tài)用水、流域內(nèi)用水和各受水區(qū)用水需求的最新變化、昨日供水情況、工程運行情況和其他突發(fā)供水形勢變化，綜合考慮發(fā)電，制定各控制性工程當(dāng)日時段調(diào)度運行指令，將指令發(fā)送控制性工程現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行。在調(diào)度執(zhí)行過程中，實時監(jiān)測計量供分水量，對可能超出調(diào)令水量或無法完成調(diào)令水量的取水口進行預(yù)警，并及時反饋調(diào)整方案；實時監(jiān)視調(diào)度過程中控制性工程運行狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)控制性工程未能正常運行或出現(xiàn)突發(fā)險情，則進入應(yīng)急響應(yīng)。根據(jù)應(yīng)急調(diào)度提出的調(diào)度要求，進行應(yīng)急調(diào)度方案計算，提出各水量調(diào)度控制工程的應(yīng)急調(diào)度方案和指令，供會商決策。

2.3 水量統(tǒng)計和水費計算階段

根據(jù)對各分水口分水量的實時監(jiān)測信息，進行各分水口、供水區(qū)域、供水類別的水量統(tǒng)計，計算水量損失，統(tǒng)計分時段、分調(diào)水線路的不平衡量，并依據(jù)發(fā)布的水價計算各用水戶的水費。

2.4 調(diào)度評價及總結(jié)階段

通過建立水量調(diào)度評價指標(biāo)體系，將水量分配方案與實際調(diào)度情況進行對比分析（與實況、與同期均值等），得到用水需求滿足程度、輸水穩(wěn)定性等分析成果，通過調(diào)度總結(jié)，為制定下一階段水量分配方案提供支持。

3 數(shù)據(jù)流程分析

根據(jù)長距離輸水工程水量調(diào)度業(yè)務(wù)處理流程分析，水源可供水量管理和分析、年內(nèi)水量分配方案編制、實時水量調(diào)度、水量統(tǒng)計與水費計算以及水量調(diào)度評價等業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流程，以及與外部相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 長距離輸水工程水量調(diào)度數(shù)據(jù)流程圖

4 技術(shù)框架

按照“易復(fù)用、易擴展、易調(diào)整”的開發(fā)原則，長距離輸水工程水量調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)框架以實現(xiàn)和用戶交互的前端應(yīng)用、業(yè)務(wù)處理的后端服務(wù)、科學(xué)計算的模型集成、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)持久化存儲服務(wù)、外部數(shù)據(jù)交換服務(wù)為目標(biāo)。

4.1 前端架構(gòu)

前端架構(gòu)采用了主流框架Vue 3.0，其中Vuex 以及Vue-Router實現(xiàn)了主要的全局狀態(tài)管理與路由管理功能，同時采用了HTML5配合Javascript技術(shù)，以滿足數(shù)據(jù)實時繪制、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃枨螅诮档头?wù)器傳輸壓力的同時，增加數(shù)據(jù)傳輸效率。設(shè)計研發(fā)的水量調(diào)度系統(tǒng)主要面向Web桌面端。

4.2 后端架構(gòu)

后端架構(gòu)采用了SpringCloud 微服務(wù)平臺，搭建基于OAuth2的開放平臺，解決了傳統(tǒng)代碼耦合度高，可擴展性低等問題。SpringCloud 微服務(wù)平臺主要基于SpringBoot 框架，將服務(wù)的依賴轉(zhuǎn)變到對服務(wù)中心的依賴，服務(wù)之間內(nèi)聚高，耦合低。框架核心部件分為注冊中心、服務(wù)網(wǎng)關(guān)、配置中心、負(fù)載均衡和斷路器等。其中網(wǎng)關(guān)為主要部件，可以借助過濾器實現(xiàn)外部信息過濾，從而對基礎(chǔ)信息進行安全維護。

4.3 數(shù)據(jù)存儲服務(wù)

對于和外部業(yè)務(wù)系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過后端的清洗，整理，計算，分析歸納，利用Mybatis 框架來進行持久層的操作。由于水情、工情等監(jiān)測數(shù)據(jù)時間跨度較大，信息儲存量較多，數(shù)據(jù)庫設(shè)計采用了相對輕型的國產(chǎn)達夢數(shù)據(jù)庫，使用成本較低，反應(yīng)速度快，可以滿足目前中大型應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)需求。數(shù)據(jù)庫使用標(biāo)準(zhǔn)化SQL 語言，庫表設(shè)計采用ER（Entity—Relation，實體聯(lián)系）方法。

4.4 數(shù)據(jù)交換服務(wù)

水量調(diào)度系統(tǒng)從綜合門戶系統(tǒng)同步用戶信息、角色信息、基礎(chǔ)工程信息等數(shù)據(jù)。而且調(diào)用綜合門戶系統(tǒng)的統(tǒng)一認(rèn)證接口來進行系統(tǒng)的登錄認(rèn)證，以保證用戶訪問系統(tǒng)的安全性。水量調(diào)度系統(tǒng)從水情監(jiān)測系統(tǒng)中獲取各個水庫、閘站、斷面等工程的水情實測信息，以保證水量調(diào)度系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)支撐。水量調(diào)度系統(tǒng)生成調(diào)度指令后可以將該指令發(fā)送到運管系統(tǒng)，由運管系統(tǒng)來執(zhí)行調(diào)度指令，然后把執(zhí)行結(jié)果反饋給水量調(diào)度系統(tǒng)。

5 建設(shè)成果

長距離輸水工程水量調(diào)度系統(tǒng)按功能類型可劃分為決策支持、業(yè)務(wù)處理、輔助管理三部分內(nèi)容，每類業(yè)務(wù)功能根據(jù)需求共可細(xì)分為九大模塊，其中決策支持包括調(diào)度綜合監(jiān)視、業(yè)務(wù)流程監(jiān)控、個人工作臺三個模塊；業(yè)務(wù)處理包含可供水量預(yù)測、年內(nèi)水量分配、實時水量調(diào)度、水量統(tǒng)計、水費計算、水量調(diào)度評價共六個模塊；輔助管理包括調(diào)度運行報表、調(diào)度文檔管理以及系統(tǒng)配置管理三個模塊。

系統(tǒng)建設(shè)嚴(yán)格遵循“統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一交互接口、模塊化封裝、組件化搭建”的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)合具體輸水工程水量調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用時，可依據(jù)工程特點和業(yè)務(wù)需求，通過功能組件的動態(tài)配置，快速完成系統(tǒng)的搭建和部署。其中，對于涉及水利專業(yè)模型的水源可供水量預(yù)測、年內(nèi)水量分配、實時水量調(diào)度、水量調(diào)度評價模塊，也可通過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口、模型接口，實現(xiàn)不同類型模型的快速對接、替換及裝配。

長距離輸水工程水量調(diào)度系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 長距離輸水工程水量調(diào)度系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

5.1 決策支持

調(diào)度綜合監(jiān)視：包括可交互的長距離輸水工程調(diào)水線路概化節(jié)點圖，動態(tài)展示各水源水庫、引退水閘門、泵站等工程實時運行信息，以及以管理局、管理處、管理站、用水戶為單元的調(diào)水統(tǒng)計信息；以圖表形式直觀展示可供水量分析、調(diào)水量分析、供水量分析、地區(qū)供水統(tǒng)計、水費收繳統(tǒng)計等決策圖表；實時對關(guān)鍵斷面、閘站的累計水量和實時流量進行統(tǒng)計。

業(yè)務(wù)流程監(jiān)控：實現(xiàn)對年內(nèi)水量分配、實時水量調(diào)度兩大核心業(yè)務(wù)的全過程監(jiān)控，以流程圖的形式展示業(yè)務(wù)執(zhí)行進度、當(dāng)前業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)、當(dāng)前業(yè)務(wù)提交或?qū)徟脩?、業(yè)務(wù)總體完成度等信息，方便系統(tǒng)用戶了解和掌握業(yè)務(wù)的進展情況。

個人工作臺：結(jié)合用戶角色、權(quán)限，匯總顯示與用戶相關(guān)的所有業(yè)務(wù)功能，按業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)、辦理狀態(tài)等對工作事項進行分類，相關(guān)待辦事項可以直接在工作臺中進行查詢、編輯、審核等操作。

5.2 業(yè)務(wù)處理

可供水量預(yù)測：面向管理局決策層用戶，通過將徑流預(yù)報數(shù)據(jù)、需水預(yù)測數(shù)據(jù)等外部數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，調(diào)用水源可供水量數(shù)學(xué)模型計算得到水源可供水量預(yù)測方案。水源可供水量模型采用系統(tǒng)模擬的方法進行分析計算，以節(jié)點水量平衡計算為基礎(chǔ)，通過水源區(qū)水庫工程聯(lián)合調(diào)算，從而提供不同時間尺度的水源可供水量。

年內(nèi)水量分配：面向局、處、站三級用戶，包括用水申請上報、用水申請受理、分配規(guī)則、分配方案的編制、分配方案審核、分配方案發(fā)布等功能。年內(nèi)水量分配方案基于用戶需水、分配規(guī)則、工程參數(shù)及實測數(shù)據(jù)，通過調(diào)用年內(nèi)水量分配模型計算得出結(jié)果，從而進行各個分水口的水量分配業(yè)務(wù)。水量分配模型通過反向用水需求上報和正向配水過程，對輸水線路上各用水戶水量需求與供給進行平衡計算，從而完成各用水戶水量分配。

實時水量調(diào)度：面向局、處、站三級用戶，包括調(diào)度授權(quán)、調(diào)度方案編制、調(diào)度方案審核、調(diào)度方案執(zhí)行、調(diào)度方案模擬等功能。實時水量調(diào)度方案基于年內(nèi)分配方案結(jié)果、工程參數(shù)、實測數(shù)據(jù)等信息，通過調(diào)用實時水量調(diào)度模型計算得出結(jié)果，從而進行水量實時調(diào)度業(yè)務(wù)。實時調(diào)度模型采用“前饋+仿真”的控制模式，前饋模型根據(jù)初始及目標(biāo)狀態(tài)的流量、水位、渠道（隧洞）蓄水量等信息初步制定節(jié)制閘閘門流量變化過程，水力仿真模型對閘門調(diào)度情況下渠道（隧洞）的水流運動進行模擬，及時對過閘流量及閘門開度進行檢驗和修正，保證節(jié)制閘流量變化過程與前饋制定的理論過程一致。

水量統(tǒng)計和水費計算：包括水量統(tǒng)計，水量平衡，水量確認(rèn)，水量數(shù)據(jù)管理，水價管理，水費統(tǒng)計，水費催繳提醒和水費數(shù)據(jù)管理等功能。

水量調(diào)度評價：包括評價指標(biāo)管理、評價方案結(jié)果生成等功能。評價方案根據(jù)評價指標(biāo)數(shù)據(jù)、年內(nèi)分配方案數(shù)據(jù)，通過調(diào)用調(diào)度評價模型計算得出結(jié)果，從而進行年內(nèi)分配方案的后評價業(yè)務(wù)。水量調(diào)度評價模型通過提取水量調(diào)度方案評價關(guān)鍵指標(biāo)，構(gòu)建評價指標(biāo)體系，應(yīng)用層次分析法對調(diào)度效果進行評價。

5.3 輔助管理

調(diào)度運行報表：面向管理局、管理處、管理站三級用戶，自動生成各級管理單位水量調(diào)度年、月、日等時段運行報表內(nèi)容。

調(diào)度文檔管理：提供對水量調(diào)度各業(yè)務(wù)階段所上傳的文檔附件進行統(tǒng)一管理的功能，此外還可自定義文檔類型，在功能模塊內(nèi)進行添加、上傳、查詢等操作。

系統(tǒng)配置管理：包括機構(gòu)管理、用戶管理、權(quán)限管理、角色管理、字典管理、菜單配置及系統(tǒng)日志等功能。

6 結(jié)語

在充分總結(jié)、梳理已建各調(diào)水工程水量調(diào)度業(yè)務(wù)流程和系統(tǒng)成果的基礎(chǔ)上，通過對各調(diào)水工程水量調(diào)度業(yè)務(wù)共性的總結(jié)以及特性的梳理，依托北疆供水工程水量調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)項目，完成了具備一定復(fù)用性、通用性的長距離輸水工程水量調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)。系統(tǒng)建設(shè)成果具有友好易用的前端界面及模塊化的后端代碼，具備較高的模塊化組裝和產(chǎn)品性能，在后續(xù)同類型系統(tǒng)建設(shè)中可以作為階段成果進行使用，能夠有效地提高同類系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)水平和開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。同時，在后續(xù)的相關(guān)應(yīng)用實踐中，系統(tǒng)還需結(jié)合應(yīng)用情況及用戶反饋不斷優(yōu)化迭代，最終形成一套通用的適用于各類長距離輸水工程的水量調(diào)度系統(tǒng)軟件產(chǎn)品。