高 原 徐利杰 蔡建平 馬君兒 沈陸娟

水庫群防洪調(diào)度控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

高 原 徐利杰 蔡建平 馬君兒 沈陸娟

水庫群在防洪排澇工作中起著重要的作用，是有效的工程措施。水庫群防洪調(diào)度控制系統(tǒng)通過優(yōu)化庫群協(xié)調(diào)調(diào)度，制定最科學的防洪調(diào)度規(guī)則，發(fā)揮庫群在排澇工作中的最大作用。本文從水庫群防洪調(diào)度控制系統(tǒng)各模塊所涉及的數(shù)學模型構(gòu)建理論、先進的數(shù)學計算理論及現(xiàn)代計算機相關(guān)理論知識出發(fā)詳細分析了該系統(tǒng)成功構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，對系統(tǒng)構(gòu)建有一定的指導意義。

洪水是我國主要的自然災害之一，據(jù)統(tǒng)計我國的幾大主要流域，黃河流域、長江流域、珠江流域等區(qū)域洪水災害頻發(fā)，災害所造成的損失特別巨大。水庫、閘、堰壩等水利工程設施在防洪工作中起著重要的作用，良好的防洪工程措施要配以優(yōu)秀的管理體系，工程措施再好，若缺乏科學的管理不但無法發(fā)揮其最大的效用，而且有可能在防洪工作中起到反作用。

水庫作為流域水利資源開發(fā)治理過程中的工程措施能夠在防洪減災中起著調(diào)節(jié)洪峰、儲蓄洪水、在一定程度上能減輕或有效避免洪澇災害所造成的損失。若從流域整體進行考慮，流域河流主干道及支流上可以建設多個水庫，這些水庫的大?。▋λ詈槟芰Γ╇m然不盡相同，但作為流域水利工程系統(tǒng)的一部分，他們之間可相互協(xié)調(diào)、共同調(diào)節(jié)徑流，發(fā)揮流域在防洪減災、水利灌溉中的最大效應。這樣的一系列水庫稱為水庫群，按照相互位置關(guān)系、之間的聯(lián)系可分為串聯(lián)水庫梯級水庫、并聯(lián)水庫和混聯(lián)水庫。水庫群工程的建設成功是發(fā)揮其在防洪排澇工作中作用的基礎(chǔ)，要更大的發(fā)揮水庫群的作用，科學有效的防洪調(diào)度決策支持系統(tǒng)是關(guān)鍵，也是庫群防洪排澇工作中的大腦。目前關(guān)于水庫群防洪調(diào)度系統(tǒng)的理論及實際應用研究雖然比較多，但總的來說系統(tǒng)的通用性較差， 且對于大規(guī)模水庫群缺乏有效的、相對簡單的系統(tǒng)開發(fā)。因此有必要從理論及應用角度進行綜合考慮，更好的解決水庫群防洪調(diào)度決策支持系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)難題，使得水庫群在協(xié)調(diào)運行中擁有更加聰明的大腦。

水庫群防洪調(diào)度系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

核心數(shù)學模型的構(gòu)建

完善的水庫群防洪調(diào)度系統(tǒng)的構(gòu)建涉及洪水的預報、預測模型，洪水的演化、優(yōu)化計算及水庫群優(yōu)化調(diào)度模型。根據(jù)水庫群類型的不同選擇合適的數(shù)學方法，構(gòu)建恰當?shù)膸烊簝?yōu)化調(diào)度模型是調(diào)度系統(tǒng)能否有效工作的關(guān)鍵。洪水的預報、預測模型，洪水的演化、優(yōu)化計算是探討洪水生成、發(fā)展、變化的規(guī)律，涉及水文學、水動力學等相關(guān)知識，可以通過物理屬性建模，也可以通過數(shù)理統(tǒng)計的方法建立模型。無論基于哪種機理建立洪水預報、預測模型，模型優(yōu)化參數(shù)的選擇都是一個至關(guān)重要的問題。直觀、簡便、快速、適用性強的預測模型及算法可以有效的提高庫群防洪調(diào)度系統(tǒng)運行的速度與精度，在庫群防洪調(diào)度系統(tǒng)的建設中起著至關(guān)重要的作用。

庫群優(yōu)化調(diào)度模型是水庫群防洪調(diào)度系統(tǒng)中的核心數(shù)學模型，面對實時、海量的大數(shù)據(jù)，同時又要考慮數(shù)據(jù)的不確定性、不完整性，這都使庫群優(yōu)化調(diào)度模型的構(gòu)建變得難上加難。早期的庫群防洪調(diào)度具有半經(jīng)驗、半理論的特點，通常是利用歷史資料，結(jié)合水利、水文學等理論知識，運用經(jīng)典的數(shù)學方法規(guī)劃調(diào)度方式與規(guī)則，繪制調(diào)度圖表，編寫調(diào)度規(guī)則，并應用于實際的調(diào)度運行中。由于過分注重經(jīng)驗，并且數(shù)學理論與方法的落后使得這類調(diào)度難以獲得最合理的方案，經(jīng)驗性導致其局限性較強，對復雜的水庫群系統(tǒng)往往難以得到可行的調(diào)度法則。優(yōu)化調(diào)度強調(diào)先進的數(shù)學理論在調(diào)度模型構(gòu)建及模型求解中的應用。優(yōu)化模型構(gòu)建中首先建立防洪調(diào)度系統(tǒng)的目標函數(shù)，目標函數(shù)可根據(jù)實際情況進行選取，可考慮經(jīng)濟效益、社會效益，也可考慮水庫群下游河道下游削峰最大、水庫、大壩安全、水庫防洪保護區(qū)淹沒損失最小或是需調(diào)洪庫容最小，亦可針對多種目標進行綜合考慮。單一考慮某一指標作為目標值或是綜合考慮幾種目標作為目標函數(shù)所得到的模型為單目標模型。另外若按層次同時考慮多種目標，并不是簡單的把要考慮的多種目標綜合起來，這種模型為多目標模型，單目標、多目標模型均屬于優(yōu)化模型。而后需要確定合理的約束條件，然后選擇求解目標函數(shù)的適宜的數(shù)學計算方法。自動搜尋最優(yōu)解的方法經(jīng)常選用線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃等優(yōu)化方法。

優(yōu)化方法的選擇在最優(yōu)解搜尋中起著至關(guān)重要的作用。近年來伴隨著計算方法理論的發(fā)展，庫群優(yōu)化調(diào)度模型求解中也不斷有研究者嘗試新的方法，包括運籌學中的非線性規(guī)劃的一些先進算法，模糊數(shù)學理論、灰色系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論、遺傳算法、層次分析法等多種數(shù)學理論方法被引入到優(yōu)化模型的構(gòu)建與求解中，極大的豐富了庫群防洪調(diào)度系統(tǒng)的研究手段。

系統(tǒng)設計與開發(fā)的原則

水庫群防洪調(diào)度控制系統(tǒng)主要是通過數(shù)據(jù)采集，經(jīng)合理的模型分析及計算，給出庫群防洪調(diào)度的最優(yōu)化方法及規(guī)則，為決策者提供參考。應用者并非專業(yè)的科研人員，因此系統(tǒng)開發(fā)設計中應該遵循以下原則。

（1）模塊化原則

模塊化原則是大型系統(tǒng)開發(fā)的基本原則，水庫群防洪調(diào)度系統(tǒng)也不例外。模塊形式的系統(tǒng)開發(fā)可以保證當系統(tǒng)的某一部分需要改變時，只需要對其所在模塊進行調(diào)整，而對其他模塊沒有影響，使得系統(tǒng)的調(diào)整更具有靈活性，系統(tǒng)開發(fā)的效率更高，系統(tǒng)具有良好的可擴展性。模塊劃分要以功能為基礎(chǔ)，可以設置多層子模塊，使得模塊盡可能小。

（2）針對性原則

水庫群防洪調(diào)度控制系統(tǒng)的應用人員均為水利系統(tǒng)，特別是水庫管理人員，系統(tǒng)的開發(fā)應該充分的尊重行業(yè)內(nèi)人員的現(xiàn)行水庫調(diào)度決策程序與習慣。在軟件開發(fā)過程中要充分征求他們的意見，重在體現(xiàn)系統(tǒng)的實用性，為決策者進行方案分析提供充分的信息，使得決策更加科學化。

（3）交互式原則

水庫群防洪調(diào)度控制系統(tǒng)應該具有友好的界面，操作者并非都是專家，因此應該從普通操作者的角度進行友好開發(fā)。軟件開發(fā)應該為操作者、行業(yè)專家、技術(shù)人員提供參與決策的機會。特別是當模型失真、方案欠合理時，應該給技術(shù)人員發(fā)揮主觀能動性，通過經(jīng)驗判斷修改重要參數(shù)的權(quán)利，分析決策人員應可以通過交互功能，對決策進行合理干預。

系統(tǒng)開發(fā)重點技術(shù)

（1）數(shù)據(jù)庫技術(shù)

水庫群防洪調(diào)度控制系統(tǒng)由多庫組成，包含數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫、知識庫等。其中數(shù)據(jù)庫包含了實時采集的數(shù)據(jù)，模型庫包含了系統(tǒng)中涉及的各種模型，方法庫存儲了各種方法，知識庫可以對結(jié)果進行修正。數(shù)據(jù)庫技術(shù)的恰當應用可以將各個庫有機的整合到一起。做到能在對象與關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間建立條件映射關(guān)系，通過建立數(shù)據(jù)持久層使數(shù)據(jù)庫訪問更為穩(wěn)定。

（2）集成技術(shù)

通過集成技術(shù)將水庫群防洪調(diào)度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫、知識庫等多個庫集成在一個大系統(tǒng)之內(nèi)，即要保證各個庫之間相對獨立的關(guān)系，又要在計算中提高庫與庫之間數(shù)據(jù)傳遞的效率，做到整體計算。文中提出了基于圖論的水庫群預報調(diào)度系統(tǒng)集成的方法，對節(jié)點進行排序，有效協(xié)調(diào)上下游關(guān)系，按照順序依次進行預報、調(diào)度、演進計算，有效地解決了系統(tǒng)的集成。

結(jié)語

水庫群防洪調(diào)度控制系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)建中關(guān)鍵技術(shù)即涉及應用恰當?shù)臄?shù)學方法構(gòu)建一系列核心數(shù)學模型，利用先進的數(shù)學計算方法進行數(shù)據(jù)的科學計算與分析等眾多數(shù)學理論。同時在系統(tǒng)的構(gòu)建中還涉及計算機科學的相關(guān)知識，如數(shù)據(jù)庫、集成技術(shù)等。一個成功的系統(tǒng)必將是理論與實際技術(shù)的完美結(jié)合。

高 原1徐利杰2蔡建平3馬君兒3沈陸娟3

1.唐山市曹妃甸區(qū)水務局；2.承德市平泉縣水務局；3.浙江水利水電學院

高原（1975-）男，工程師，現(xiàn)主要從事水利工程方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001

浙江省水利廳科技項目（項目編號: RC1304）；浙江省水利廳科技項目（項目編號: RC1405）；浙江省自然科學基金項目（項目編號: LY12F03019）