流域调度模型系统设计与实现

张复全

关键词：调度；流域；模型；调节

1引言

基于流域船闸橡胶坝及钢坝联合调度系统以流域水资源调蓄管理需求为导向，以船闸、橡胶坝及钢坝监控为重点，充分利用计算机通信及网络技术、大数据技术、云计算技术、人工智能技术等新一代技术，形成一套以智慧感知系统为基础、通信系统为保障、计算机网络系统为依托的数据感知体系，采集流域所有状态信息，如水位、流量、视频数据，建立一套反应迅速、稳妥调蓄的联合调度模型系统。

2流域洪水调度技术

2.1泄水流量来源

流域的总下泄流量Q由泄洪闸门流量、城镇供水流量、生态流量和发电流量组成：

发电流量确定：参阅流域汛期运行调度过程资料，在水位较低时水库一般开1台发电机组，水位偏高时开3台机组，此处建议水位低于95m时，开1台机组，按照13.5m3/S引水：水位在95～108.9m时，开3台发电机组，总流量按30m3/s控制：水位高于108.9m时，按照最大发电引水流量36.71m3/s控制。

城镇和生态流量确定：参阅水库2021年汛期运行调度过程资料，城镇和生态流量为间歇式引用，当下游生态流量可以满足时，则无需专门开1.08m3/S生态流量。参考初设报告，流域城镇灌溉供水量为1.1119/年，折合平均流量3.53m3/S．此处城镇和生态流量共计按照3m3/s控制。

2.2闸门开度计算

该流域设置3孔闸门，当下泄水流受闸门控制从堰顶与闸门下缘孔口流出时，水流状态为闸孔出流：当闸门下缘脱离水面，闸门对水流不起控制作用时，水流从建筑物顶部自由下泄，此时水流状态为堰流。判断闸孔出流和堰流的标准是：

在2.1节由流域调度规则可滚动计算得到逐时段下泄流量，现采用试算法由给定下泄流量推求闸门开度，实现既定调度方案。此处需要注意，计算得到的下泄流量应减去发电、生态和城镇供水流量，才是从闸门下泄的流量。

3调度模式设计

设计考虑以下联合调度模式。

现地层控制模式：中控层和远控层以监视为主，在运行过程中根据各船闸橡胶坝及钢坝约束条件进行报警提示。

中控层控制模式：根据不同的控制目标，中控层控制模式分2种情况。第1种情况以流域水位为控制目标（或以流域枯水季水位调度为控制目标）；第2种情况以橡胶坝及钢坝起落坍塌运行为控制目标。远控层下达调度指令后，各水工建筑物自动控制装置的“联合调度指令”界面进行接收、解析和确认。各水工建筑物自动控制装置根据解析的指令进行操作（自动或手动）。远控层以监视为主，并对采集到的数据进行计算，将计算的结果以指令再发到中控层。

远控层控制模式：根据不同的控制目标，远控层控制模式分2种情况。第1种情况以流域水位流量为控制目标（或以流域枯水季水位调度为控制目标）；第2种情况以橡胶坝及钢坝起落坍塌运行为控制目标。远控层下达调度指令后，各水工建筑物自动控制装置的“调度指令”界面进行接收、解析和确认，各水工建筑物自动控制装置系统会根据解析后的控制指令自动执行。比如，有新的控制指令下达，各水工建筑物自动控制装置系统自动执行最新指令。

4监控调度平台实现

4.1数据资源管理平台

4.1.1數据汇集

流域船闸橡胶坝和钢坝汇集、对接的数据包括基础数据、监测数据、业务数据、多媒体数据、共享数据。数据汇集、对接主要是将各类数据进行梳理分类，形成工程建设的数据资源目录。数据汇集、对接的方式主要包括库表及文件结构接入、数据接口形式、协议传输等，通过数据汇集、对接，为不同系统间、异构数据库间、不同网络间的信息提供整合手段，并与外界系统提供统一、安全、可靠的连接手段。

数据接收：接收来自各监测、监控站点采集的数据。根据数据接收策略实现不同数据源的实时和定时接收。

数据处理：按照各类数据相应的检查标准，对接收的数据进行检查，对于异常数据，调用相应异常处理程序进行处理。对于符合标准的数据，按照分类标准进行分类、存储；对于不符合标准的数据，按照统一存储的格式进行转换，再按照分类标准进行分类、存储。

4.1.2数据库建库

（1）数据库建库流程。

在数据库建模设计上，来源数据全部在数据汇集系统上经过数据的检查、校核、处理后，按照数据的类别分别存放于对应的系统数据库中。将系统数据库中需要共享交换的数据也提交到数据汇集系统，以实现数据的共享。来源数据不直接进入数据库，从而保证数据的质量和安全。

（2）数据库组成。

在流域联合调度建设过程中，涉及的数据主要包括基础数据库、监测数据库、业务数据库、多媒体数据库等。具体如下。

基础数据库主要包括渠道、水位、雨量、流量测站、视频站相关基本数据。

监测数据库主要是各类实时监测数据等，包括水位、雨量、流量等监测数据。

业务数据库主要包括对各站点水位、雨量、流量数据进行实日寸展示功能、数据统计分析功能等业务数据。

多媒体数据库主要包括新建设相关的视频数据。

4.2应用支撑平台

应用支撑平台是数据与应用系统之间的桥梁，是将数据转化为功能应用的基础，是为各类业务应用提供一体化的支撑平台。应用支撑平台建设内容包括消息中间件、统一用户权限、报表中间件服务平台等内容，本系统利用开源组件。GIS平台软件支持高性能、内核级跨平台，支持32位和64位的多种操作系统及其自主操作系统，并支持主流和自主的数据库与中间件技术。

消息中间件：消息服务与管理中间件在系统的后台与前台之间，前台应用组件间进行消息的推送与交互。消息服务与管理中间件具备基于平台的消息发布机制，即从平台端向用户端的消息通信机制。消息框架支持系统报警、数据更新、应用间数据交互等多种应用需求，同时消息服务需考虑传输效率、企业级扩展，以及消息类型的通用性，使平台在投入运行后可便捷地通过消息总线传递各类数据与事件。消息服务与管理中间件支持具有不同性能特征的应用程序独立运营，以避免在同一消息中间件集群中出现瓶颈[1]。

报表中间件：报表组件分为报表模板组态环境和报表模板运行环境2部分。其中，报表模板组态环境必须在客户端安装后运行。报表模板运行环境分为Client/Server（客户机／服务器）浏览模式和Browser/Server（浏览器／服务器）浏览模式．C/S浏览器运行在本机环境，主要运行在生产控制区，B/S浏览器基于Internet浏览器进行报表展示，主要运行在业务管理区。

4.3应用系统

4.3.1信息采集软件

信息采集软件主要实现本项目水位、雨量、流量监测设备数据的采集，软件功能包括数据接收、实时数据、数据入库等。

数据接收：数据接收功能提供数据接入端口服务，负责接收前端监测设备所采集的水位、雨量、流量数据及监控视频等，建立数据传输通道，为数据接入指明方向。

实时数据：实时数据功能主要提供实时数据监测服务，实时检测值可以显示在界面中，包括实时水位、雨量、流量的采集值，显示形式包括列表和文本2种形式，列表字段包括序号、测站、数据时间、水位、雨量、流量、报文数等。

数据入库：数据入库包括人工采集数据入库和自动采集数据入库：人工采集数据通过数据录入界面录入数据库，人工采集数据可随时录入数据库；自动采集数据会按照预先设置的时间、预先设置的频率定时入库，如果有故障报警信号，会优先入库。

故障报警信号优先传送，并记录故障发生的时间，数据采集除周期性进行外，在所有日寸間内，可由操作员或应用程序发命令采集现地控制单元的过程信息。

4.3.2监控信息服务

监控信息服务主要包括船闸调度、橡胶坝监控及钢坝监控。

设计考虑了以下联合调度模式。

现地层控制模式：中控层和远控层以监视为主，在运行过程中根据各船闸橡胶坝及钢坝约束条件进行报警提示。

中控层控制模式：根据不同的控制目标，中控层控制模式分2种情况。第1种情况以流域水位为控制目标（或以流域枯水季水位调度为控制目标）；第2种情况以橡胶坝及钢坝起落坍塌运行为控制目标。远控层下达调度指令后，各水工建筑物自动控制装置的“联合调度指令”界面进行接收、解析和确认。各水工建筑物自动控制装置根据解析的指令进行操作（自动或手动）。远控层以监视为主，并对采集的数据进行计算，将计算的结果以指令再发到中控层[2-4]。

远控层控制模式：根据不同的控制目标，远控层控制模式分2种情况。第1种情况以流域水位流量为控制目标（或以流域枯水季水位调度为控制目标）；第2种情况以橡胶坝及钢坝起落坍塌运行为控制目标。远控层下达调度指令后，各水工建筑物自动控制装置的“调度指令”界面进行接收、解析和确认，各水工建筑物自动控制装置系统会根据解析后的控制指令自动执行。比如，有新的控制指令下达，各水工建筑物自动控制装置系统自动执行最新指令。

5调度优化模型

目前，在流域船闸橡胶坝及钢坝调度优化问题研究上，优化方案可以参考以往的枚举法或试算法，但计算效率低，时间成本高，精度也有限。因此，本文在船闸橡胶坝及钢坝泄流特性研究的基础上，采用粒子群（PSO）算法优化算法，分析计算流域段最优调度方案。

本次项目研发包括并不限于以下。

船闸橡胶坝钢坝联合调度泄流过程，根据水量平衡原理，采取逐时段计算法，实现橡胶坝有序塌落及钢坝的运行，以控制整体的调度过程。其中，橡胶坝及钢坝的泄流过程按宽顶堰进行计算。

根据闸坝泄流规律，创建以联合闸坝排空蓄水库容总时间TM最短为优化目标函数，以各级橡胶坝及船闸的泄流开始时间Tb1，Tb2，…，Tb9为控制变量，以流量约束和水位约束为控制条件，求解联合最优调度方案。

对PSO算法进行细致研究和分析，掌握该算法在流域的实际应用及操作原则，定位船闸、橡胶坝、钢坝空间位置及各自周边工况（水位、流量等信息）。

以流域工程为计算实例，根据已经建成的橡胶坝、船闸、钢坝等工程自动控制装置。以初始的枚举法、PSO算法，并根据所建立的模型，编译各算法运行程序，分别求解闸坝联合调度最优方案。

6结束语

通过设计基于流域调度的模型，可以对流域内船闸橡胶坝及钢坝泄流进行最优调度，实现对整个流域水位的合理调蓄，既能保障船舶的安全航行，又能保证水资源的合理调蓄、利用。