基于事件驱动的太湖流域会商与决策系统设计与实现

许 珂，马 媛，王 超，张 健，李谷涵

（1.江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江212013；2.太湖流域管理局水文局信息中心，上海200434；3.中国水利水电科学研究院，北京100038）

0 引 言

太湖流域地处长江三角洲核心区域，河流纵横交织，是全国河道密度最大的地域，自然条件决定流域治理与管理需面对庞杂繁复的江-河-湖关系［1-3］。近年来针对重点河湖水资源调控，水环境污染问题治理，水资源供需保障，开展引江济太调水工程［4-6］。两河一湖是保障流域整体供水安全的骨干性工程［7］，其中太浦河、望虞河是主要引供水河道，而太湖不仅是流域水资源调蓄核心，也是环太湖城市和下游地区重要的饮用水水源［8］。故而太湖流域管理需要综合考虑水质与水量、供水与排水、防洪与抗旱及协调不同地区部门工作等因素［9］。

根据流域水环境综合治理目标和水环境预警系统建设任务［10］，经过多年研发，太湖流域管理局已陆续开发了防汛值班系统、防汛抗旱指挥系统、太湖水资源监控管理信息平台、蓝藻信息采集系统等多个业务应用系统［11］。然而现有各系统具有很强的业务针对性，功能相对单一，在充分利用已建相关业务系统的基础上，开发基于事件驱动的太湖流域会商与决策系统，科学、有效地支持流域内水资源的优化配置、洪水防治及应急水污染事件调度，同时保证流域与区域统筹调度的开展、实施，增强流域水资源精细调度、科学调度能力［12］。

1 太湖流域调度整体情况

太湖流域自然条件优越，水陆交通便利，经济基础雄厚，是我国人口最稠密的地区之一［13］。多年来，流域水利工程的建设及控制运用在流域防洪、供水、水污染防治等方面发挥了重要作用［14，15］。

本世纪前，太湖流域的突出问题是防洪，调度工作主要围绕防洪安全开展，随着流域经济社会持续高速发展，流域水资源、水环境与经济社会发展矛盾日益突出，供水、水环境、生态用水需求不断增加。2005年后，随着引江济太的实施，流域水利工程调度需要统筹流域防洪、供水安全以及改善水环境。太湖流域水资源工程调度开始围绕防洪、供水及水生态“三个安全”开展，调度目标也逐步调整为流域防洪、供水、水环境和水生态的多目标［16］。

依据流域的水情特征和用水状况，将全年太湖控制水位划分为若干个时段，实行分期和分目标控制。汛前加大太浦闸排水量，预降太湖水位，结合资源利用，改善黄浦江上游水源地水质；当太湖水位高于太湖防洪控制线，发挥“两河一湖”蓄泄作用，实行洪水调度，通过望亭立交、太浦闸等环湖枢纽排泄洪水；汛后加强雨洪资源利用，组织实施引江济太，主要通过控制望虞河常熟水利枢纽、望虞河望亭水利枢纽、太浦河太浦闸工程等的运行工况，维持流域内主要水系适宜水位，确保供水安全。

2 基于事件驱动的会商与决策系统设计

2.1 业务系统需求

系统根据当前流域总体水雨情、工情、水环境等信息，结合预报降雨，利用太湖流域水质/水动力等模型对未来一段时间的区域水情、水质等情势进行模拟预测，提供一定预见期内的预警预判，并自动提示告警触发原因。以预警信息为事件触发，自动调用模型计算或进行历史相似性分析等，提出推荐的调度方案或处置措施，主动将相关结果信息推送到交互界面，为调度会商与决策提供全面的支撑信息［17］。业务流程如图1所示，具体流程分析如下。

（1）综合预警：根据气象、水、雨、工、水质等流域实时信息，兼顾降雨预报，利用太湖流域水质/水动力等模型对之后的区域水情、水质情势进行预测模拟，提供一定预见期内的预警预判。以预警信息为条件触发不同预警事件，为实时调度与会商提供技术支撑。预警监视内容包括指标超标报警、水质快速恶化预警、调度执行不当报警、突发水污染报警、纳雨能力预警等。

（2）情势分析：分为当前情势和模拟预测两个模块，结合预警信息进行模拟分析，判断目前事件有无工程调度指令修改执行的必要。①当前情势：展示流域内目前的水情、工程情况，包含两河一湖沿线骨干工程、测站的当前水情及工情信息。依据工程的基础信息和实时的监测数据确定预警指标，判断预警情况及程度；②模拟预测：当前情势的分析、判断结果结合降雨预报和边界条件。利用水质/水动等模型对两河一湖重点断面进行水位变化模拟预测，展示当前调令下流域重点区域的未来情势。

（3）方案编制：结合模拟预测结果，对当前情势进行判断。如果判断目前事件调度指令不甚满足流域调度目标则新建调度事件。提供多种目前事件基本信息的设置条件，以满足不同的调度事件类型。利用基于相似分析的当前事件调度指令智能决策结果，为目前的流域情势提供调度方案推荐和调度指令建议。

（4）会商支持：将防汛调度人员会商决策时需要依据的流域内水情、雨情、水质、气象、工程运行情况、情势分析结果、相似分析调度推荐等信息进行综合全面的展示。

（5）执行监控：关注于当前调度指令的执行情况，对当前调度指令影响的骨干工程水情、工情进行集中可视化展示，结合模拟预测判断调度指令执行偏差。

（6）效果评价：评价历史调度事件调度情况与调度效果。

2.2 事件触发逻辑

事件驱动系统主要由3 种方式触发：①系统自动判断流域当前总体情势及预警信息，触发适合的调度事件；②依据太湖流域实时数据变化，结合降雨预报的模拟预测，自动判断当前情势是否发生变化，根据系统逻辑判断是否触发新的调度事件；③人工触发创建新事件。

2.2.1 洪水调度事件及水资源调度事件触发逻辑

自动监测太湖流域重点测站的实时数据，与预报数据和调度指标做对比：太湖水位高于防洪控制水位时，触发洪水调度事件，水位超过设计洪水位（4.65 m）时提高防洪等级，实行超标准洪水应急方案；太湖水位低于调水限制水位时，触发水资源调度事件，水位低于低水位控制线（2.70 m）时，实行抗旱应急调度方案。当前流域骨干工程调度指示指标如图2。

水位处于防洪控制水位和调水限制水位间时，常规实行水资源调度；但当系统发布洪涝灾害预警时触发洪水调度事件进行预泄。

洪涝灾害预警：当接收到气象局发布的暴雨或台风预警时，根据降水、台风预报等数据信息，通过太湖流域模型滚动计算，对重要湖库、江河控制断面预报结果与重要控制断面预警阈值对比分析，分析得出存在水位迅速提升超防洪控制水位风险，启动三级及以上应急响应时，触发重要控制断面调度事件的生成。

2.2.2 水污染调度事件触发逻辑

在水资源调度事件及洪水调度事件的基础上，系统对太湖及河网重要区域及控制断面水雨情、水质、工程调度情况等进行实时监视。当实测水质指标超过阈值时，或水量水质预警模型预测水质指标将出现快速恶化，即水质实测数据变幅较大时，或流域内相关监测单位反馈突发水污染告警时，经会商审核触发水污染调度事件，如图3所示。

（1）指标超标预警：水资源调度的控制站点水位、控制断面水量、水质等的实测数据、调用预警模型计算出的短期预测数据与预警指标阈值进行比较，超过限定时进行预警。

（2）水质快速恶化预警：重要水质监测站水质出现快速恶化，实测数据变幅较大，虽暂未超出调度指标，但调用预警模型实现通过在相应站点加入定量污染物进行预测模拟后，预测结果预警。

（3）突发水污染告警：当流域内各相关监测单位反馈突发水污染事件时进行告警。

3 太湖流域调度会商与决策系统实现（以水资源调度事件为例）

（1）系统总体框架。调度会商与决策系统在太湖流域模型算法及各类数据资源的基础上建设。系统自身框架如图4所示。

系统涉及的数据主要包括气象、实时水雨情、历史水雨情、基础工程、实时工情等均来源于太湖流域水环境信息共享平台提供的数据接口。建设了一系列能够设置、特制和多次开发实现会商与决策系统全部功能的通用组件作为系统的支撑，具体包括：应用图形组件、JS 脚本组件、REST 服务组件、点对点服务组件和业务规则配置系统，保障会商与决策系统的可靠性、先进性和可拓展性。

（2）水资源调度会商决策系统功能。太湖流域会商与决策系统针对流域调度人员设计开发了日常业务管理、调度预警监视、调度情势分析、调度相似分析、方案模拟与评估、会商支持等功能。以“水资源调度事件”为例，展示太湖流域水资源（引江济太）调度会商决策子系统可视化效果，子系统主要包括形势分析、相似分析、模拟调度与调度评价等功能模块。其中：形势分析包含当前形势、未来模拟两部分；相似分析包含分析结果、调度建议两部分；模拟调度包含方案管理、方案制作、方案比选3个部分。其功能组成如图5所示。

3.1 情势分析

（1）当前情势：查看相应流域当前的调度情势，包括水情、雨情及工情等重要信息，了解流域内的调度情况，以便针对事件作出相应的工程调度。业务功能主要包括：信息展示，即将流域内各控制断面的实时监测数据进行展示，包括水情、雨情和工情；事件分析，即根据流域内的调度情势数据和相应的评价指标，对当前调度情势做出总体分析，判定事件类型。

（2）未来模拟：对事件进行模拟计算分析未来影响情况，为事件判定提供依据。首先，自动获取或设置流域内降雨预报以及边界条件信息；其次，根据预警信息和当前调度情势，参考降雨预报与边界条件情况，并设置调度起始时间，通过模拟计算分析未来影响情况；进而，对事件未来模拟情况作总体分析。

3.2 相似分析

基于太湖、望虞河等水资源调度的形势分析成果，以事件判定为依据，计算出当前事件和历史同类型事件的相似度，根据事件指标的相似度排序提出调度建议，为未来模拟做好准备工作。

依据水资源调度情势分析反馈的流域信息确定目前事件类型，通过相似分析方法结合水情（太湖水位及望虞河、太浦河代表站水位）、降雨预报（太湖流域各区面降雨量）、水质（望虞河、太浦河、太湖湖区代表水质站数据）和工程运行情况（常熟枢纽、望亭立交、太浦闸的日内均流量）等指标的变化曲线，从相同事件类型的历史事件库（2006年8月-当前时间的去年今日）中进行筛选、对比得出若干相似事件，并分析其相似度；对相似度高的若干事件与当前事件进行相似度排序，为模型的调用计算提供多个可选择方案；最后，结合排序后相似度最高的历史事件，为当前事件提出调度建议。相似分析的业务流程如图6所示。

（1）分析结果：通过系统自动识别的所有当前事件的基本信息，系统对事件信息进行分析判定事件类型，从历史事件库中搜索与当前事件为相同类型的历史事件，结合水情、降雨预报、水质和工程运行情况等指标对比分析相似度，同时将综合相似度最大的若干历史事件在列表中的排序展示，用户将列表中的事件和目前事件做指标比对，分析其调度指令对当前流域情势的可借鉴价值。

（2）调度建议：依据用户人工配置的具体事件调度目标、边界条件，对历史上的相似事件进行各项指标相似度和事件总体相似度分析，之后对各项指标相似度和总体相似度排序，将相似度最高的历史事件调度指令，作为对目前流域内水资源调度的调度建议，并为接下来做调度模拟提供依据。

3.3 模拟调度与调度评价

（1）模拟调度：包括方案配置、方案管理和方案比选。配置调度方案的基本信息；进行模型数据的设置以及预报降雨、边界条件和工程调度方案的设置；进行模拟计算分析各重要控制断面水质、水位、水量变化过程，结合GIS 地图进行模拟成果的动画演示；管理所有调度方案，进行对比后选定最优的调度方案。

（2）调度评价：对代表性方案调度过程中的太湖水位、代表站水质、区域水质交换、灾害损失等要素的调度效果进行综合评价，并存为历史调度事件，为之后的相似分析提供依据。界面设计中，分三部分进行展示，上部为选择需要评价的方案，中部为对该方案形成的评价报告，包括方案编号、时间编号、方案名称、事件名称等信息，下部为对方案评价的各项详细信息的展示。

4 结 论

针对太湖流域综合调度管理实际需求，建设了基于事件驱动的太湖流域调度会商与决策支持系统，可服务于太湖流域洪水调度、水资源调度管理和水污染治理的多个场景，为流域水资源配置与管理提供了依据与决策支持。

会商与决策系统已正式上线，系统将统筹流域防洪、供水、水环境等调度目标，通过逐日积累的调度方案数据库不断完善能显示流域防洪、引供水、水环境、水生态安全等诸多事件类型调度合理程度的综合调度指标体系，用来匹配多目标的流域调度需求。其次，针对流域生态文明建设的新要求，在面向流域区域水生态环境改善调度管理模式有待进一步研究与开发。 □