北京市水资源监控与调度系统的技术特点

刘 梅

（北京市水务信息管理中心，北京 100089）

0 引言

北京是重度缺水特大城市，水资源禀赋先天不足，水资源形势最严重时期，人均水资源量锐减至100 m3左右，不足全国的 1/20、世界的 1/80[1–2]。近年来北京市按照“立足自身、争取外援，深度挖潜、优化配置”的思路，以年均 21 亿m3的水资源量支撑了年均 36 亿m3的用水需求，支撑了首都经济社会平稳较快发展，但也付出了巨大的资源和环境代价[3–4]。

2014年，南水北调通水后，北京水资源格局发生了重大变化，南水与北京地表、地下水源共同成为首都的供水水源，形成地表水、地下水、外调水、再生水、雨洪水 “五水”联调的供水格局。在新的供水格局下，为实行最严格水资源管理制度，要求水资源管理向动态化、精细化、定量化和科学化转变，需要借助信息化手段，为北京市资源管理过程中的实时监测、规划配置、调度优化和调度保障系统提供支撑和保障，为水资源科学调配奠定基础，保证首都供水安全。

从信息化的角度阐述北京市水资源监控与调度系统的主要技术特点，为同类系统的设计开发提供参考。

1 系统架构

根据系统的业务构成、物理逻辑及数据关系，北京市水资源监控与调度系统划分为 6 个层面，即数据采集层、基础环境层、数据层、服务支撑层、应用层和交互层。同时，为保证系统接口标准、应用安全，应建立两大保障体系，即信息安全和标准规范体系。系统总体框架结构如图 1 所示[5]。

1.1 数据采集层

主要包括取用水、统计报表、自动遥测站的数据，实现取用水和水源地在线及人工等水资源相关监测数据的采集。

1.2 基础环境层

主要包括传输网络、支撑系统运行的基础软硬件、数据存储及安全保障环境。根据北京水务信息化已有的条件，此层应采用集约、统筹的管理模式。

1.3 数据资源层

主要包括数据库、数据服务发布、数据管理等系统，是系统数据信息汇集的目的地。

1.4 应用支撑层

应用支撑层作为一个载体，是应用架构的基础，用户可以在该载体上根据应用需求及业务发展的需要形成各种具体的应用。

1.5 业务应用层

业务应用层是水资源实时监控与调度系统的核心，建立在应用支撑层的基础之上，依托应用支撑平台环境，根据水资源业务需要，开发包括水资源情势分析、规划配置、优化调度、调度保障等功能的系统，为北京市“五水”联合调度和水资源精细化管理提供支撑。

图 1 北京市水资源监控与调度系统总体架构

1.6 交互层

交互层提供跨终端的应用访问入口，服务于“宏观决策、业务支撑、保障应急、公众服务”四大方面工作需要，是水行政管理人员、社会公众等参与水资源监督管理的交互载体。

2 系统主要功能

根据北京水务水资源管理业务需求的调研和分析，北京市水资源监控与调度系统设置情势分析、规划配置、优化调度、调度保障等四大主要功能，其具体结构如图 2 所示。

2.1 情势分析

图 2 水资源监控与调度系统功能结构

情势分析功能主要基于一张图，采用时态GIS、空间展布、统计分析、趋势分析等技术手段，分析北京市基本水情市情、开发利用等方面的现状和发展趋势，为水资源主管部门掌握北京市水安全面临的严峻形势提供支撑。

情势分析主要包括基本水情、开发利用、日清月结、节水成效等模块。基本水情模块用于分析评估北京市水资源状况；开发利用模块用于分析评估北京市水资源开发利用情况；节水成效模块用于分析评估北京市建设节水型社会所取得的工作成效。日清月结模块用于保证南水北调水进京后形成的“26213”（2 个动脉、6 个水厂、2 个枢纽、1 条环路、3 个应急水源地）供水新格局的动态管理。

2.2 规划配置

规划配置功能对于北京来讲主要指用水分配，即以水量分配和用水总量控制红线为核心，基于批复的北京市水量分配方案成果，在北京全市、中心城区及 11 个新城，通过对不同水源在生活、生产和生态用水分配情况等，提供热力图、数据钻取、变化趋势、统计汇总等综合分析，重点展示和辅助分析北京市在不同分配用水条件下对人口增长、经济发展和生态保护环境的影响。水资源规划配置主要包括区域水量、三生用水、取用水户用水 3 个分配功能模块。

2.3 优化调度

优化调度功能主要提供北京市南水北调配套工程计划调度和调度实时运行状况的信息服务，辅助水行政主管部门解决南水北调来水后的调蓄问题，保障北京市供水安全。优化调度功能结构主要包括计划调度、调度运行和调配决策 3 个模块。

计划调度模块完成水资源调度计划的管理，根据天气形势、水雨情、工情、旱情、需用水及社会经济情况等综合信息分析制定的水资源年，月，旬等调度方案结构化并存储入库。调度运行模块完成北京地区清水和再生水实时信息的宏观整体展现，为会商演示和决策分析提供有效的保障和支撑。调配决策模块根据来水预报、用水计划、区域用水需求采用总量控制原则制定调度方案。

2.4 调度保障

调度保障功能主要对全市水资源应急事件信息统一管理，通过“三预联动”（预警、预测、预案）方式实现监测预警、应急会商、应急响应、评估总结等全过程的管理，保障北京市供水安全稳定。调度保障功能主要包括预警发布、舆情监测、应急模拟、专家库和知识库等模块。

预警发布模块服务于水主管部门，包括调度预警信息、预警发布功能。舆情监测模块对互联网上有关北京水资源管理的公众言论和观点进行监视和预测，为水务科学决策提供正确的舆论引导及分析依据。应急模拟模块对各类应急预案进行模拟仿真，为各类应急预案的启用提供支撑。专家库模块对水资源领域专家信息进行管理。知识库模块主要用于存储水资源相关的文献资料和信息。

3 主要技术特点

特大型城市水资源管理系统庞大、数据关系复杂，耦合性强，业务维度大、层次多、变化大[6–7]。各模块数据、业务、服务、性能要求差异性大，难以采用统一固定的技术架构，为此水资源监控与调度系统在系统设计和技术实现过程中借助多个关键技术，保证了系统多维度设计目标的实现。

3.1 开放性设计

为了达到总体设计性能指标，保证系统在实用、实时、先进、易用、开放、稳定方面满足设计要求，水资源监控调度系统采取多种开放性设计策略，保证了系统的灵活性和开放性：

1）针对操作特点，采用 B/S 的三层结构设计模式。

2）针对其数据源多样性，采用数据中间件（构件）技术。

3）针对多业务系统的交互性，采用基于 ESB 企业服务总线为核心的框架结构。

4）针对信息传输的实时性，采用多线程和缓冲池数据交换技术。

3.2 可重用的组件库

水资源监控调度系统建立了应用系统支撑平台，各业务应用系统基于应用支撑平台进行开发。支撑平台主要内容包括：基础组件库、业务流程工具、模型工具、算法管理、数据交换服务、用户管理、数据字典、系统监控、平台用户界面。

借助可重用的组件库技术，充分利用现有资源，加强资源整合、减少重复开发。

3.3 虚拟数据库与实体数据库相结合

系统数据既包含北京市水务局已有核心数据资源，又包含水资源监控调度系统产生的过程和业务数据。不同类型的数据对管理和服务的要求难以统一，系统采用虚拟与实体数据库相结合技术，充分利用核心数据库中已有的实时监测数据（供排水、水源地、南水北调、取用水户等监测数据），又建设和管理了完备的实体业务数据库，为各业务模块提供高效、稳定的数据管理与服务。

系统通过数据总线技术，以虚拟库的形式实现对北京市水务局综合数据库的数据提取。应用系统不管理核心的全局数据，只是通过虚拟库数据同步。

采用虚拟数据库的全局数据调用模式具有以下优点：

1）在服务功能（业务逻辑）和企业数据支持之间关注点清晰分离，业务功能不会受到数据访问细节的影响。

2）所有服务通过数据总线访问任何所需数据，使得服务之间的耦合大大降低。

系统针对业务应用设计了情势分析、规划配置、统一调度、调度保障等 5 个业务数据库。系统模块产生的业务和过程数据通过本地实体数据库进行管理、分析，降低了系统对数据资源基础设施的压力。各业务库管理的本地数据包括：

1）情势分析业务数据库。主要存储水资源公报、水务年报、日清统计、月结统计等，包括降水总量、水资源总量、地表水资源量、供用水量等数据。

2）规划配置业务数据库。主要存储区域用水量、三生用水量、取用水户水量等分配数据。

3）统一调度业务数据库。主要存储水资源公报及水务统计年报、用水总量、用水效率和各类水资源计划及方案等数据。包括用水计划、需水计划、水资源配置方案、用水计划执行情况等。

4）调度保障业务数据库。主要存储调度预警的规则、信息及发布数据等。

4 结语

北京市水资源监控调度系统的开发和运行，对南水北调水进京后多水源联合调度和全市水资源精细化管理提供了有力支撑，实现了地表水、地下水、外调水、再生水、雨洪水“五水联调”，为水资源调度部门、相关领导的业务工作提供了实时的数据服务，完善的业务支撑和高效的决策支持，极大地提高了水资源调度管理的工作效率与管理水平。系统建设还进一步完善了北京市水务信息化的整体技术架构，推动了“数据全息化、管理可视化、决策科学化”的技术进程。系统的实际运行效果表明，系统的建设思路和设计方案较好地平衡了开放性、安全性、高效性和稳定性之间的矛盾， 为特大型城市多水源实时监控、调度和管理系统的建设提供了有益借鉴。

[1] 倪昌良. 水资源可持续利用与水资源管理[J]. 绿色环保建材，2017 (3): 237.

[2] 重庆市水利局. 实施最严格水资源管理 以水资源可持续利用支撑经济社会可持续发展[J]. 中国水利，2016 (23):54-56，70.

[3] 张咪，吴礼斌. 北京市水资源稀缺因素的灰色关联分析[J]. 宁德师范学院学报（自然科学版），2016 (2):174-177，186.

[4] 邵惠芳，张彤，申碧峰，等. 北京市水资源状态与供需压力研究[J]. 水利水电技术，2015 (9): 1-4，122.

[5] 张晓娟，王昊. 北京市水资源统一调度平台项目申报书[R]. 北京：北京市水务局，2015: 112-121.

[6] 张建伟. 北京市水资源人口承载力研究[D]. 北京：首都经济贸易大学，2013.

[7] 张士锋，孟秀敬，廖强. 北京市水资源与水量平衡研究[J].地理研究，2012 (11): 1991-1997.

[8] 张晓娟，王昊. 北京市水资源统一调度平台项目申报书[R]. 北京：北京市水利自动化研究所，2015: 112-121.