流域調(diào)度模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張復(fù)全

關(guān)鍵詞：調(diào)度；流域；模型；調(diào)節(jié)

1引言

基于流域船閘橡膠壩及鋼壩聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)以流域水資源調(diào)蓄管理需求為導(dǎo)向，以船閘、橡膠壩及鋼壩監(jiān)控為重點(diǎn)，充分利用計(jì)算機(jī)通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)等新一代技術(shù)，形成一套以智慧感知系統(tǒng)為基礎(chǔ)、通信系統(tǒng)為保障、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托的數(shù)據(jù)感知體系，采集流域所有狀態(tài)信息，如水位、流量、視頻數(shù)據(jù)，建立一套反應(yīng)迅速、穩(wěn)妥調(diào)蓄的聯(lián)合調(diào)度模型系統(tǒng)。

2流域洪水調(diào)度技術(shù)

2.1泄水流量來(lái)源

流域的總下泄流量Q由泄洪閘門(mén)流量、城鎮(zhèn)供水流量、生態(tài)流量和發(fā)電流量組成：

發(fā)電流量確定：參閱流域汛期運(yùn)行調(diào)度過(guò)程資料，在水位較低時(shí)水庫(kù)一般開(kāi)1臺(tái)發(fā)電機(jī)組，水位偏高時(shí)開(kāi)3臺(tái)機(jī)組，此處建議水位低于95m時(shí)，開(kāi)1臺(tái)機(jī)組，按照13.5m3/S引水：水位在95～108.9m時(shí)，開(kāi)3臺(tái)發(fā)電機(jī)組，總流量按30m3/s控制：水位高于108.9m時(shí)，按照最大發(fā)電引水流量36.71m3/s控制。

城鎮(zhèn)和生態(tài)流量確定：參閱水庫(kù)2021年汛期運(yùn)行調(diào)度過(guò)程資料，城鎮(zhèn)和生態(tài)流量為間歇式引用，當(dāng)下游生態(tài)流量可以滿(mǎn)足時(shí)，則無(wú)需專(zhuān)門(mén)開(kāi)1.08m3/S生態(tài)流量。參考初設(shè)報(bào)告，流域城鎮(zhèn)灌溉供水量為1.1119/年，折合平均流量3.53m3/S．此處城鎮(zhèn)和生態(tài)流量共計(jì)按照3m3/s控制。

2.2閘門(mén)開(kāi)度計(jì)算

該流域設(shè)置3孔閘門(mén)，當(dāng)下泄水流受閘門(mén)控制從堰頂與閘門(mén)下緣孔口流出時(shí)，水流狀態(tài)為閘孔出流：當(dāng)閘門(mén)下緣脫離水面，閘門(mén)對(duì)水流不起控制作用時(shí)，水流從建筑物頂部自由下泄，此時(shí)水流狀態(tài)為堰流。判斷閘孔出流和堰流的標(biāo)準(zhǔn)是：

在2.1節(jié)由流域調(diào)度規(guī)則可滾動(dòng)計(jì)算得到逐時(shí)段下泄流量，現(xiàn)采用試算法由給定下泄流量推求閘門(mén)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)既定調(diào)度方案。此處需要注意，計(jì)算得到的下泄流量應(yīng)減去發(fā)電、生態(tài)和城鎮(zhèn)供水流量，才是從閘門(mén)下泄的流量。

3調(diào)度模式設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)考慮以下聯(lián)合調(diào)度模式。

現(xiàn)地層控制模式：中控層和遠(yuǎn)控層以監(jiān)視為主，在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)各船閘橡膠壩及鋼壩約束條件進(jìn)行報(bào)警提示。

中控層控制模式：根據(jù)不同的控制目標(biāo)，中控層控制模式分2種情況。第1種情況以流域水位為控制目標(biāo)（或以流域枯水季水位調(diào)度為控制目標(biāo)）；第2種情況以橡膠壩及鋼壩起落坍塌運(yùn)行為控制目標(biāo)。遠(yuǎn)控層下達(dá)調(diào)度指令后，各水工建筑物自動(dòng)控制裝置的“聯(lián)合調(diào)度指令”界面進(jìn)行接收、解析和確認(rèn)。各水工建筑物自動(dòng)控制裝置根據(jù)解析的指令進(jìn)行操作（自動(dòng)或手動(dòng)）。遠(yuǎn)控層以監(jiān)視為主，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算的結(jié)果以指令再發(fā)到中控層。

遠(yuǎn)控層控制模式：根據(jù)不同的控制目標(biāo)，遠(yuǎn)控層控制模式分2種情況。第1種情況以流域水位流量為控制目標(biāo)（或以流域枯水季水位調(diào)度為控制目標(biāo)）；第2種情況以橡膠壩及鋼壩起落坍塌運(yùn)行為控制目標(biāo)。遠(yuǎn)控層下達(dá)調(diào)度指令后，各水工建筑物自動(dòng)控制裝置的“調(diào)度指令”界面進(jìn)行接收、解析和確認(rèn)，各水工建筑物自動(dòng)控制裝置系統(tǒng)會(huì)根據(jù)解析后的控制指令自動(dòng)執(zhí)行。比如，有新的控制指令下達(dá)，各水工建筑物自動(dòng)控制裝置系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行最新指令。

4監(jiān)控調(diào)度平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

4.1數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)

4.1.1數(shù)據(jù)匯集

流域船閘橡膠壩和鋼壩匯集、對(duì)接的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)匯集、對(duì)接主要是將各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理分類(lèi)，形成工程建設(shè)的數(shù)據(jù)資源目錄。數(shù)據(jù)匯集、對(duì)接的方式主要包括庫(kù)表及文件結(jié)構(gòu)接入、數(shù)據(jù)接口形式、協(xié)議傳輸?shù)龋ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)匯集、對(duì)接，為不同系統(tǒng)間、異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)間、不同網(wǎng)絡(luò)間的信息提供整合手段，并與外界系統(tǒng)提供統(tǒng)一、安全、可靠的連接手段。

數(shù)據(jù)接收：接收來(lái)自各監(jiān)測(cè)、監(jiān)控站點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)接收策略實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)源的實(shí)時(shí)和定時(shí)接收。

數(shù)據(jù)處理：按照各類(lèi)數(shù)據(jù)相應(yīng)的檢查標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，對(duì)于異常數(shù)據(jù)，調(diào)用相應(yīng)異常處理程序進(jìn)行處理。對(duì)于符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，按照分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)、存儲(chǔ)；對(duì)于不符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一存儲(chǔ)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再按照分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)、存儲(chǔ)。

4.1.2數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)流程。

在數(shù)據(jù)庫(kù)建模設(shè)計(jì)上，來(lái)源數(shù)據(jù)全部在數(shù)據(jù)匯集系統(tǒng)上經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的檢查、校核、處理后，按照數(shù)據(jù)的類(lèi)別分別存放于對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中需要共享交換的數(shù)據(jù)也提交到數(shù)據(jù)匯集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。來(lái)源數(shù)據(jù)不直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，從而保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量和安全。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)組成。

在流域聯(lián)合調(diào)度建設(shè)過(guò)程中，涉及的數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)等。具體如下。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括渠道、水位、雨量、流量測(cè)站、視頻站相關(guān)基本數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)主要是各類(lèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，包括水位、雨量、流量等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括對(duì)各站點(diǎn)水位、雨量、流量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)日寸展示功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括新建設(shè)相關(guān)的視頻數(shù)據(jù)。

4.2應(yīng)用支撐平臺(tái)

應(yīng)用支撐平臺(tái)是數(shù)據(jù)與應(yīng)用系統(tǒng)之間的橋梁，是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為功能應(yīng)用的基礎(chǔ)，是為各類(lèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供一體化的支撐平臺(tái)。應(yīng)用支撐平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容包括消息中間件、統(tǒng)一用戶(hù)權(quán)限、報(bào)表中間件服務(wù)平臺(tái)等內(nèi)容，本系統(tǒng)利用開(kāi)源組件。GIS平臺(tái)軟件支持高性能、內(nèi)核級(jí)跨平臺(tái)，支持32位和64位的多種操作系統(tǒng)及其自主操作系統(tǒng)，并支持主流和自主的數(shù)據(jù)庫(kù)與中間件技術(shù)。

消息中間件：消息服務(wù)與管理中間件在系統(tǒng)的后臺(tái)與前臺(tái)之間，前臺(tái)應(yīng)用組件間進(jìn)行消息的推送與交互。消息服務(wù)與管理中間件具備基于平臺(tái)的消息發(fā)布機(jī)制，即從平臺(tái)端向用戶(hù)端的消息通信機(jī)制。消息框架支持系統(tǒng)報(bào)警、數(shù)據(jù)更新、應(yīng)用間數(shù)據(jù)交互等多種應(yīng)用需求，同時(shí)消息服務(wù)需考慮傳輸效率、企業(yè)級(jí)擴(kuò)展，以及消息類(lèi)型的通用性，使平臺(tái)在投入運(yùn)行后可便捷地通過(guò)消息總線傳遞各類(lèi)數(shù)據(jù)與事件。消息服務(wù)與管理中間件支持具有不同性能特征的應(yīng)用程序獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，以避免在同一消息中間件集群中出現(xiàn)瓶頸[1]。

報(bào)表中間件：報(bào)表組件分為報(bào)表模板組態(tài)環(huán)境和報(bào)表模板運(yùn)行環(huán)境2部分。其中，報(bào)表模板組態(tài)環(huán)境必須在客戶(hù)端安裝后運(yùn)行。報(bào)表模板運(yùn)行環(huán)境分為Client/Server（客戶(hù)機(jī)／服務(wù)器）瀏覽模式和Browser/Server（瀏覽器／服務(wù)器）瀏覽模式．C/S瀏覽器運(yùn)行在本機(jī)環(huán)境，主要運(yùn)行在生產(chǎn)控制區(qū)，B/S瀏覽器基于Internet瀏覽器進(jìn)行報(bào)表展示，主要運(yùn)行在業(yè)務(wù)管理區(qū)。

4.3應(yīng)用系統(tǒng)

4.3.1信息采集軟件

信息采集軟件主要實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目水位、雨量、流量監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，軟件功能包括數(shù)據(jù)接收、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)入庫(kù)等。

數(shù)據(jù)接收：數(shù)據(jù)接收功能提供數(shù)據(jù)接入端口服務(wù)，負(fù)責(zé)接收前端監(jiān)測(cè)設(shè)備所采集的水位、雨量、流量數(shù)據(jù)及監(jiān)控視頻等，建立數(shù)據(jù)傳輸通道，為數(shù)據(jù)接入指明方向。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)功能主要提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)服務(wù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)值可以顯示在界面中，包括實(shí)時(shí)水位、雨量、流量的采集值，顯示形式包括列表和文本2種形式，列表字段包括序號(hào)、測(cè)站、數(shù)據(jù)時(shí)間、水位、雨量、流量、報(bào)文數(shù)等。

數(shù)據(jù)入庫(kù)：數(shù)據(jù)入庫(kù)包括人工采集數(shù)據(jù)入庫(kù)和自動(dòng)采集數(shù)據(jù)入庫(kù)：人工采集數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)錄入界面錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，人工采集數(shù)據(jù)可隨時(shí)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)；自動(dòng)采集數(shù)據(jù)會(huì)按照預(yù)先設(shè)置的時(shí)間、預(yù)先設(shè)置的頻率定時(shí)入庫(kù)，如果有故障報(bào)警信號(hào)，會(huì)優(yōu)先入庫(kù)。

故障報(bào)警信號(hào)優(yōu)先傳送，并記錄故障發(fā)生的時(shí)間，數(shù)據(jù)采集除周期性進(jìn)行外，在所有日寸間內(nèi)，可由操作員或應(yīng)用程序發(fā)命令采集現(xiàn)地控制單元的過(guò)程信息。

4.3.2監(jiān)控信息服務(wù)

監(jiān)控信息服務(wù)主要包括船閘調(diào)度、橡膠壩監(jiān)控及鋼壩監(jiān)控。

設(shè)計(jì)考慮了以下聯(lián)合調(diào)度模式。

現(xiàn)地層控制模式：中控層和遠(yuǎn)控層以監(jiān)視為主，在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)各船閘橡膠壩及鋼壩約束條件進(jìn)行報(bào)警提示。

中控層控制模式：根據(jù)不同的控制目標(biāo)，中控層控制模式分2種情況。第1種情況以流域水位為控制目標(biāo)（或以流域枯水季水位調(diào)度為控制目標(biāo)）；第2種情況以橡膠壩及鋼壩起落坍塌運(yùn)行為控制目標(biāo)。遠(yuǎn)控層下達(dá)調(diào)度指令后，各水工建筑物自動(dòng)控制裝置的“聯(lián)合調(diào)度指令”界面進(jìn)行接收、解析和確認(rèn)。各水工建筑物自動(dòng)控制裝置根據(jù)解析的指令進(jìn)行操作（自動(dòng)或手動(dòng)）。遠(yuǎn)控層以監(jiān)視為主，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算的結(jié)果以指令再發(fā)到中控層[2-4]。

遠(yuǎn)控層控制模式：根據(jù)不同的控制目標(biāo)，遠(yuǎn)控層控制模式分2種情況。第1種情況以流域水位流量為控制目標(biāo)（或以流域枯水季水位調(diào)度為控制目標(biāo)）；第2種情況以橡膠壩及鋼壩起落坍塌運(yùn)行為控制目標(biāo)。遠(yuǎn)控層下達(dá)調(diào)度指令后，各水工建筑物自動(dòng)控制裝置的“調(diào)度指令”界面進(jìn)行接收、解析和確認(rèn)，各水工建筑物自動(dòng)控制裝置系統(tǒng)會(huì)根據(jù)解析后的控制指令自動(dòng)執(zhí)行。比如，有新的控制指令下達(dá)，各水工建筑物自動(dòng)控制裝置系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行最新指令。

5調(diào)度優(yōu)化模型

目前，在流域船閘橡膠壩及鋼壩調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題研究上，優(yōu)化方案可以參考以往的枚舉法或試算法，但計(jì)算效率低，時(shí)間成本高，精度也有限。因此，本文在船閘橡膠壩及鋼壩泄流特性研究的基礎(chǔ)上，采用粒子群（PSO）算法優(yōu)化算法，分析計(jì)算流域段最優(yōu)調(diào)度方案。

本次項(xiàng)目研發(fā)包括并不限于以下。

船閘橡膠壩鋼壩聯(lián)合調(diào)度泄流過(guò)程，根據(jù)水量平衡原理，采取逐時(shí)段計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)橡膠壩有序塌落及鋼壩的運(yùn)行，以控制整體的調(diào)度過(guò)程。其中，橡膠壩及鋼壩的泄流過(guò)程按寬頂堰進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)閘壩泄流規(guī)律，創(chuàng)建以聯(lián)合閘壩排空蓄水庫(kù)容總時(shí)間TM最短為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以各級(jí)橡膠壩及船閘的泄流開(kāi)始時(shí)間Tb1，Tb2，…，Tb9為控制變量，以流量約束和水位約束為控制條件，求解聯(lián)合最優(yōu)調(diào)度方案。

對(duì)PSO算法進(jìn)行細(xì)致研究和分析，掌握該算法在流域的實(shí)際應(yīng)用及操作原則，定位船閘、橡膠壩、鋼壩空間位置及各自周邊工況（水位、流量等信息）。

以流域工程為計(jì)算實(shí)例，根據(jù)已經(jīng)建成的橡膠壩、船閘、鋼壩等工程自動(dòng)控制裝置。以初始的枚舉法、PSO算法，并根據(jù)所建立的模型，編譯各算法運(yùn)行程序，分別求解閘壩聯(lián)合調(diào)度最優(yōu)方案。

6結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)基于流域調(diào)度的模型，可以對(duì)流域內(nèi)船閘橡膠壩及鋼壩泄流進(jìn)行最優(yōu)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)流域水位的合理調(diào)蓄，既能保障船舶的安全航行，又能保證水資源的合理調(diào)蓄、利用。