长距离输水工程水量调度系统建设及成果

程冀，蒲振旗，朱朋涛

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 建设目标

针对长距离输水工程调度业务操作层、决策层等不同用户对象所关注的业务重点，结合在南水北调中线干线水量调度、南水北调东线干线山东段水量调度、南水北调中线河北配套工程水量调度等相关系统的建设经验，依托北疆供水工程水量调度系统建设任务，进一步梳理、细化长距离输水工程水量调度业务通用性内容和流程，从“流程明晰、操作简化”等设计理念出发，完成具备水源可供水量预测、年内水量分配、实时水量调度、水量统计、水费计算、水量调度评价等涵盖长距离输水工程水量调度各项业务环节的需求分析及功能设计。

研究确定并建立长距离输水工程水量调度系统技术框架，基于微服务架构及前后端分离的模式，开发灵活、易用的前端交互界面，以及组件化、可复用的后端交互接口，实现针对不同引调水工程调度需求的灵活组装和应用部署，实现水源可供水量分析、用水需求收集、水量分配方案优化编制、实时调度指令生成和下达、调度过程监视、水量统计和水费计算、水量调度后评价，以及分段调度授权、方案上报审批等功能开发，为水量调度业务提供决策分析工具，助力工程调水过程的自动化、决策的科学化。

2 业务流程分析

长距离输水工程水量调度业务总体上都具备“工程安全运行、兴利服务防洪、局部服从整体、全线统一调度”的业务特点，通过对水资源的联合配置、输水控制工程的优化调度，以实现工程运行安全、供水安全等多目标调度任务。以北疆供水工程水量调度业务为例，水量调度业务流程如图1所示。

图1 长距离输水工程水量调度业务处理流程图

2.1 供水形势收集和分水方案拟定阶段

首先调度中心根据EH供水区径流预报，计算各水源工程年度、月度、五日可调水量，同时，收集各时段EH 生态用水需求、流域内用水需求和受水区各用水户用水需求，根据水源可供水量、用水需求以及防洪、发电等相关约束条件，综合前期供水方案执行情况，统筹考虑与相关工程管理部门会商决策，按照一定的分配规则，制定次年、次月、五日水源供水计划和各级分水口时段配水计划，其中，年供水计划经讨论通过后形成水量调度的执行基准方案。每经过五日、一月和一年，逐时段滚动制定下一时段的供配水方案。

2.2 实时水量调度阶段

根据五日方案的逐日分水计划、EH生态用水、流域内用水和各受水区用水需求的最新变化、昨日供水情况、工程运行情况和其他突发供水形势变化，综合考虑发电，制定各控制性工程当日时段调度运行指令，将指令发送控制性工程现地站监控系统执行。在调度执行过程中，实时监测计量供分水量，对可能超出调令水量或无法完成调令水量的取水口进行预警，并及时反馈调整方案；实时监视调度过程中控制性工程运行状态，如发现控制性工程未能正常运行或出现突发险情，则进入应急响应。根据应急调度提出的调度要求，进行应急调度方案计算，提出各水量调度控制工程的应急调度方案和指令，供会商决策。

2.3 水量统计和水费计算阶段

根据对各分水口分水量的实时监测信息，进行各分水口、供水区域、供水类别的水量统计，计算水量损失，统计分时段、分调水线路的不平衡量，并依据发布的水价计算各用水户的水费。

2.4 调度评价及总结阶段

通过建立水量调度评价指标体系，将水量分配方案与实际调度情况进行对比分析（与实况、与同期均值等），得到用水需求满足程度、输水稳定性等分析成果，通过调度总结，为制定下一阶段水量分配方案提供支持。

3 数据流程分析

根据长距离输水工程水量调度业务处理流程分析，水源可供水量管理和分析、年内水量分配方案编制、实时水量调度、水量统计与水费计算以及水量调度评价等业务处理系统间的数据流程，以及与外部相关系统的数据流程如图2所示。

图2 长距离输水工程水量调度数据流程图

4 技术框架

按照“易复用、易扩展、易调整”的开发原则，长距离输水工程水量调度系统技术框架以实现和用户交互的前端应用、业务处理的后端服务、科学计算的模型集成、业务数据持久化存储服务、外部数据交换服务为目标。

4.1 前端架构

前端架构采用了主流框架Vue 3.0，其中Vuex 以及Vue-Router实现了主要的全局状态管理与路由管理功能，同时采用了HTML5配合Javascript技术，以满足数据实时绘制、数据存储及数据传输等需求，在降低服务器传输压力的同时，增加数据传输效率。设计研发的水量调度系统主要面向Web桌面端。

4.2 后端架构

后端架构采用了SpringCloud 微服务平台，搭建基于OAuth2的开放平台，解决了传统代码耦合度高，可扩展性低等问题。SpringCloud 微服务平台主要基于SpringBoot 框架，将服务的依赖转变到对服务中心的依赖，服务之间内聚高，耦合低。框架核心部件分为注册中心、服务网关、配置中心、负载均衡和断路器等。其中网关为主要部件，可以借助过滤器实现外部信息过滤，从而对基础信息进行安全维护。

4.3 数据存储服务

对于和外部业务系统交互的数据信息，经过后端的清洗，整理，计算，分析归纳，利用Mybatis 框架来进行持久层的操作。由于水情、工情等监测数据时间跨度较大，信息储存量较多，数据库设计采用了相对轻型的国产达梦数据库，使用成本较低，反应速度快，可以满足目前中大型应用系统的开发需求。数据库使用标准化SQL 语言，库表设计采用ER（Entity—Relation，实体联系）方法。

4.4 数据交换服务

水量调度系统从综合门户系统同步用户信息、角色信息、基础工程信息等数据。而且调用综合门户系统的统一认证接口来进行系统的登录认证，以保证用户访问系统的安全性。水量调度系统从水情监测系统中获取各个水库、闸站、断面等工程的水情实测信息，以保证水量调度系统中的业务支撑。水量调度系统生成调度指令后可以将该指令发送到运管系统，由运管系统来执行调度指令，然后把执行结果反馈给水量调度系统。

5 建设成果

长距离输水工程水量调度系统按功能类型可划分为决策支持、业务处理、辅助管理三部分内容，每类业务功能根据需求共可细分为九大模块，其中决策支持包括调度综合监视、业务流程监控、个人工作台三个模块；业务处理包含可供水量预测、年内水量分配、实时水量调度、水量统计、水费计算、水量调度评价共六个模块；辅助管理包括调度运行报表、调度文档管理以及系统配置管理三个模块。

系统建设严格遵循“统一数据标准、统一交互接口、模块化封装、组件化搭建”的设计标准，在结合具体输水工程水量调度业务应用时，可依据工程特点和业务需求，通过功能组件的动态配置，快速完成系统的搭建和部署。其中，对于涉及水利专业模型的水源可供水量预测、年内水量分配、实时水量调度、水量调度评价模块，也可通过标准化的数据接口、模型接口，实现不同类型模型的快速对接、替换及装配。

长距离输水工程水量调度系统功能结构如图3所示。

图3 长距离输水工程水量调度系统功能结构图

5.1 决策支持

调度综合监视：包括可交互的长距离输水工程调水线路概化节点图，动态展示各水源水库、引退水闸门、泵站等工程实时运行信息，以及以管理局、管理处、管理站、用水户为单元的调水统计信息；以图表形式直观展示可供水量分析、调水量分析、供水量分析、地区供水统计、水费收缴统计等决策图表；实时对关键断面、闸站的累计水量和实时流量进行统计。

业务流程监控：实现对年内水量分配、实时水量调度两大核心业务的全过程监控，以流程图的形式展示业务执行进度、当前业务环节、当前业务提交或审批用户、业务总体完成度等信息，方便系统用户了解和掌握业务的进展情况。

个人工作台：结合用户角色、权限，汇总显示与用户相关的所有业务功能，按业务环节、办理状态等对工作事项进行分类，相关待办事项可以直接在工作台中进行查询、编辑、审核等操作。

5.2 业务处理

可供水量预测：面向管理局决策层用户，通过将径流预报数据、需水预测数据等外部数据录入系统，调用水源可供水量数学模型计算得到水源可供水量预测方案。水源可供水量模型采用系统模拟的方法进行分析计算，以节点水量平衡计算为基础，通过水源区水库工程联合调算，从而提供不同时间尺度的水源可供水量。

年内水量分配：面向局、处、站三级用户，包括用水申请上报、用水申请受理、分配规则、分配方案的编制、分配方案审核、分配方案发布等功能。年内水量分配方案基于用户需水、分配规则、工程参数及实测数据，通过调用年内水量分配模型计算得出结果，从而进行各个分水口的水量分配业务。水量分配模型通过反向用水需求上报和正向配水过程，对输水线路上各用水户水量需求与供给进行平衡计算，从而完成各用水户水量分配。

实时水量调度：面向局、处、站三级用户，包括调度授权、调度方案编制、调度方案审核、调度方案执行、调度方案模拟等功能。实时水量调度方案基于年内分配方案结果、工程参数、实测数据等信息，通过调用实时水量调度模型计算得出结果，从而进行水量实时调度业务。实时调度模型采用“前馈+仿真”的控制模式，前馈模型根据初始及目标状态的流量、水位、渠道（隧洞）蓄水量等信息初步制定节制闸闸门流量变化过程，水力仿真模型对闸门调度情况下渠道（隧洞）的水流运动进行模拟，及时对过闸流量及闸门开度进行检验和修正，保证节制闸流量变化过程与前馈制定的理论过程一致。

水量统计和水费计算：包括水量统计，水量平衡，水量确认，水量数据管理，水价管理，水费统计，水费催缴提醒和水费数据管理等功能。

水量调度评价：包括评价指标管理、评价方案结果生成等功能。评价方案根据评价指标数据、年内分配方案数据，通过调用调度评价模型计算得出结果，从而进行年内分配方案的后评价业务。水量调度评价模型通过提取水量调度方案评价关键指标，构建评价指标体系，应用层次分析法对调度效果进行评价。

5.3 辅助管理

调度运行报表：面向管理局、管理处、管理站三级用户，自动生成各级管理单位水量调度年、月、日等时段运行报表内容。

调度文档管理：提供对水量调度各业务阶段所上传的文档附件进行统一管理的功能，此外还可自定义文档类型，在功能模块内进行添加、上传、查询等操作。

系统配置管理：包括机构管理、用户管理、权限管理、角色管理、字典管理、菜单配置及系统日志等功能。

6 结语

在充分总结、梳理已建各调水工程水量调度业务流程和系统成果的基础上，通过对各调水工程水量调度业务共性的总结以及特性的梳理，依托北疆供水工程水量调度系统建设项目，完成了具备一定复用性、通用性的长距离输水工程水量调度系统建设任务。系统建设成果具有友好易用的前端界面及模块化的后端代码，具备较高的模块化组装和产品性能，在后续同类型系统建设中可以作为阶段成果进行使用，能够有效地提高同类系统建设的技术水平和开发效率，降低开发成本。同时，在后续的相关应用实践中，系统还需结合应用情况及用户反馈不断优化迭代，最终形成一套通用的适用于各类长距离输水工程的水量调度系统软件产品。