水库群防洪调度控制系统关键技术

2015-11-26徐利杰蔡建平马君儿沈陆娟

中国科技信息 2015年22期

高原徐利杰蔡建平马君儿沈陆娟

水库群防洪调度控制系统关键技术

高原徐利杰蔡建平马君儿沈陆娟

水库群在防洪排涝工作中起着重要的作用，是有效的工程措施。水库群防洪调度控制系统通过优化库群协调调度，制定最科学的防洪调度规则，发挥库群在排涝工作中的最大作用。本文从水库群防洪调度控制系统各模块所涉及的数学模型构建理论、先进的数学计算理论及现代计算机相关理论知识出发详细分析了该系统成功构建的关键技术，对系统构建有一定的指导意义。

洪水是我国主要的自然灾害之一，据统计我国的几大主要流域，黄河流域、长江流域、珠江流域等区域洪水灾害频发，灾害所造成的损失特别巨大。水库、闸、堰坝等水利工程设施在防洪工作中起着重要的作用，良好的防洪工程措施要配以优秀的管理体系，工程措施再好，若缺乏科学的管理不但无法发挥其最大的效用，而且有可能在防洪工作中起到反作用。

水库作为流域水利资源开发治理过程中的工程措施能够在防洪减灾中起着调节洪峰、储蓄洪水、在一定程度上能减轻或有效避免洪涝灾害所造成的损失。若从流域整体进行考虑，流域河流主干道及支流上可以建设多个水库，这些水库的大小（储水蓄洪能力）虽然不尽相同，但作为流域水利工程系统的一部分，他们之间可相互协调、共同调节径流，发挥流域在防洪减灾、水利灌溉中的最大效应。这样的一系列水库称为水库群，按照相互位置关系、之间的联系可分为串联水库梯级水库、并联水库和混联水库。水库群工程的建设成功是发挥其在防洪排涝工作中作用的基础，要更大的发挥水库群的作用，科学有效的防洪调度决策支持系统是关键，也是库群防洪排涝工作中的大脑。目前关于水库群防洪调度系统的理论及实际应用研究虽然比较多，但总的来说系统的通用性较差，且对于大规模水库群缺乏有效的、相对简单的系统开发。因此有必要从理论及应用角度进行综合考虑，更好的解决水库群防洪调度决策支持系统开发中的关键技术难题，使得水库群在协调运行中拥有更加聪明的大脑。

水库群防洪调度系统关键技术

核心数学模型的构建

完善的水库群防洪调度系统的构建涉及洪水的预报、预测模型，洪水的演化、优化计算及水库群优化调度模型。根据水库群类型的不同选择合适的数学方法，构建恰当的库群优化调度模型是调度系统能否有效工作的关键。洪水的预报、预测模型，洪水的演化、优化计算是探讨洪水生成、发展、变化的规律，涉及水文学、水动力学等相关知识，可以通过物理属性建模，也可以通过数理统计的方法建立模型。无论基于哪种机理建立洪水预报、预测模型，模型优化参数的选择都是一个至关重要的问题。直观、简便、快速、适用性强的预测模型及算法可以有效的提高库群防洪调度系统运行的速度与精度，在库群防洪调度系统的建设中起着至关重要的作用。

库群优化调度模型是水库群防洪调度系统中的核心数学模型，面对实时、海量的大数据，同时又要考虑数据的不确定性、不完整性，这都使库群优化调度模型的构建变得难上加难。早期的库群防洪调度具有半经验、半理论的特点，通常是利用历史资料，结合水利、水文学等理论知识，运用经典的数学方法规划调度方式与规则，绘制调度图表，编写调度规则，并应用于实际的调度运行中。由于过分注重经验，并且数学理论与方法的落后使得这类调度难以获得最合理的方案，经验性导致其局限性较强，对复杂的水库群系统往往难以得到可行的调度法则。优化调度强调先进的数学理论在调度模型构建及模型求解中的应用。优化模型构建中首先建立防洪调度系统的目标函数，目标函数可根据实际情况进行选取，可考虑经济效益、社会效益，也可考虑水库群下游河道下游削峰最大、水库、大坝安全、水库防洪保护区淹没损失最小或是需调洪库容最小，亦可针对多种目标进行综合考虑。单一考虑某一指标作为目标值或是综合考虑几种目标作为目标函数所得到的模型为单目标模型。另外若按层次同时考虑多种目标，并不是简单的把要考虑的多种目标综合起来，这种模型为多目标模型，单目标、多目标模型均属于优化模型。而后需要确定合理的约束条件，然后选择求解目标函数的适宜的数学计算方法。自动搜寻最优解的方法经常选用线性规划、非线性规划、动态规划等优化方法。

优化方法的选择在最优解搜寻中起着至关重要的作用。近年来伴随着计算方法理论的发展，库群优化调度模型求解中也不断有研究者尝试新的方法，包括运筹学中的非线性规划的一些先进算法，模糊数学理论、灰色系统、人工神经网络理论、遗传算法、层次分析法等多种数学理论方法被引入到优化模型的构建与求解中，极大的丰富了库群防洪调度系统的研究手段。

系统设计与开发的原则

水库群防洪调度控制系统主要是通过数据采集，经合理的模型分析及计算，给出库群防洪调度的最优化方法及规则，为决策者提供参考。应用者并非专业的科研人员，因此系统开发设计中应该遵循以下原则。

（1）模块化原则

模块化原则是大型系统开发的基本原则，水库群防洪调度系统也不例外。模块形式的系统开发可以保证当系统的某一部分需要改变时，只需要对其所在模块进行调整，而对其他模块没有影响，使得系统的调整更具有灵活性，系统开发的效率更高，系统具有良好的可扩展性。模块划分要以功能为基础，可以设置多层子模块，使得模块尽可能小。

（2）针对性原则

水库群防洪调度控制系统的应用人员均为水利系统，特别是水库管理人员，系统的开发应该充分的尊重行业内人员的现行水库调度决策程序与习惯。在软件开发过程中要充分征求他们的意见，重在体现系统的实用性，为决策者进行方案分析提供充分的信息，使得决策更加科学化。

（3）交互式原则

水库群防洪调度控制系统应该具有友好的界面，操作者并非都是专家，因此应该从普通操作者的角度进行友好开发。软件开发应该为操作者、行业专家、技术人员提供参与决策的机会。特别是当模型失真、方案欠合理时，应该给技术人员发挥主观能动性，通过经验判断修改重要参数的权利，分析决策人员应可以通过交互功能，对决策进行合理干预。

系统开发重点技术

（1）数据库技术

水库群防洪调度控制系统由多库组成，包含数据库、模型库、方法库、知识库等。其中数据库包含了实时采集的数据，模型库包含了系统中涉及的各种模型，方法库存储了各种方法，知识库可以对结果进行修正。数据库技术的恰当应用可以将各个库有机的整合到一起。做到能在对象与关系数据库之间建立条件映射关系，通过建立数据持久层使数据库访问更为稳定。

（2）集成技术

通过集成技术将水库群防洪调度控制系统的数据库、模型库、方法库、知识库等多个库集成在一个大系统之内，即要保证各个库之间相对独立的关系，又要在计算中提高库与库之间数据传递的效率，做到整体计算。文中提出了基于图论的水库群预报调度系统集成的方法，对节点进行排序，有效协调上下游关系，按照顺序依次进行预报、调度、演进计算，有效地解决了系统的集成。