摘要：當前已建的水工程調度系統(tǒng)大多都依托所面向的流域進行開發(fā)，而對于不同類型流域缺乏兼容性良好的一致性設計。為此，研究了一種采用圖數(shù)據(jù)庫的水工程調度系統(tǒng)拓撲設計方法來對各種類型流域進行一致性描述。該方法通過CQL語言定義了以“節(jié)點-屬性-邊”為核心的拓撲描述，并和基礎樹結構拓撲定義方法進行了對比，闡述了其特點和優(yōu)勢；在該拓撲設計方法的前提下，進一步設計了拓撲驅動引擎，通過數(shù)據(jù)處理、任務調度、并行計算等主要核心技術要點進行了實踐；以此研究為基礎，形成了一套可適應各種類型流域拓撲形式的水利專業(yè)決策平臺，為水工程調度系統(tǒng)的建設提供了新的模式；最后針對不同流域水系水工程調度的不同特點，在長江流域、沂沭泗流域進行了系統(tǒng)應用驗證。驗證結果表明，該方法可以提高水工程調度系統(tǒng)在不同流域中的適應性，進一步支撐數(shù)字孿生流域的建設。

關 鍵 詞：水工程調度； 系統(tǒng)架構； 拓撲結構； 數(shù)字孿生流域； 長江流域； 沂沭泗流域

中圖法分類號： TV213.4

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.11.010

0 引 言

數(shù)字孿生流域的建設在智慧水利發(fā)展中起著重要作用。為實現(xiàn)水資源高效利用的同時保護生態(tài)環(huán)境，中國積極推動了智慧水利建設，并以數(shù)字孿生技術為核心，構建起一套完善的水利信息化管理體系^［1］。數(shù)字孿生流域“2+N”業(yè)務是指在數(shù)字孿生流域建設的基礎上，圍繞“預報、預警、預演、預案”，運用數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化技術，構建起的智慧水利體系。其中，“2”代表防洪和水資源兩大核心業(yè)務，而“N”則代表其他各類水利業(yè)務應用。通過這一業(yè)務體系，可以實現(xiàn)對物理流域的實時監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化調度，最終達到風險提前發(fā)現(xiàn)、預警提前發(fā)布、方案提前制定、措施提前實施的目的，從而讓決策更加精準、安全、有效。

建設防洪和水資源“四預”模塊的核心就是水工程調度。水工程調度通過科學合理地調配水資源，實現(xiàn)防汛抗旱、水資源開發(fā)利用和保護的目的。在預防和應對水旱災害方面，水工程調度具有重要的現(xiàn)實意義。

中國七大流域各具特色。在地形地貌方面，七大流域橫跨多種地貌類型，如高山、高原、盆地、平原等。這使得河流在流動過程中，孕育出豐富的水力資源、濕地生態(tài)系統(tǒng)以及多樣的生態(tài)環(huán)境。這種地貌多樣性對于維持生態(tài)平衡、保障水資源安全以及促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用。氣候條件方面，七大流域所處的地域氣候各有千秋，涵蓋溫帶、亞熱帶、熱帶等。這導致河流徑流量呈現(xiàn)季節(jié)性變化和年際波動，給水資源的合理開發(fā)和利用帶來挑戰(zhàn)。

流域特點各異給建立水工程調度系統(tǒng)的拓撲結構帶來較大的挑戰(zhàn)^［2］。一方面，需針對系統(tǒng)所在區(qū)域的特點定制化編寫關聯(lián)關系；另一方面，為了提高水工程調度系統(tǒng)在不同流域中的適應性^［3］，應為其設計合理的拓撲描述結構，以支撐水文預報^［4］、工程調度、河道演進等模型的計算，更好地實現(xiàn)數(shù)字孿生流域“四預”功能^［5］。當前國內的水工程調度系統(tǒng)主要通過硬編碼的方式來編制水工程拓撲結構，并且和模型強關聯(lián)，大部分系統(tǒng)在編制模型的時候直接將拓撲關系通過數(shù)據(jù)進行耦合，沒有考慮到拓撲對不同類型業(yè)務的支撐，也沒有考慮數(shù)字孿生場景下拓撲結構會隨著時間變化的情況。國外常見軟件系統(tǒng)如MIKE-SHE和MIKE 11等，具有拓撲編制能力，但是拓撲通過專有DFS文件格式管理，直觀性不強，同時考慮到國產(chǎn)化趨勢以及獨立自主可控的要求，亟需符合國內流域特點且高效可控的拓撲設計方法。

本文通過對常見流域拓撲結構的分析，梳理流域拓撲模式，研究通過圖數(shù)據(jù)庫來進行拓撲描述的方案，并針對拓撲的數(shù)據(jù)流運轉進行配套設計，實現(xiàn)可配置的水利專業(yè)決策平臺底層建設，以提高水工程調度系統(tǒng)的建設效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 常見水工程調度系統(tǒng)拓撲關系

根據(jù)流域內河流匯聚特點和水工程類型的不同，有如下3種主要拓撲關系（圖1）。

（1） 支流匯入型。對于山區(qū)河流，或高度落差較大的河流或河段，其河道上的工程，例如水庫、電站、水閘等，都可以按照支流匯入的類型來概化。這也是絕大多數(shù)天然河流所屬的拓撲類型。

（2） 干流分叉型。這種類型的河流擁有引調水工程、蓄滯洪區(qū)等設施。這些工程會導致干流上的流量分散，形成分叉現(xiàn)象。這種拓撲類型也相當常見。

（3） 河網(wǎng)型。這種類型的河流主要分布在地勢平緩的地帶。由于河流關系復雜，多條河流相互交叉，導致交匯節(jié)點處可能出現(xiàn)多條匯入或多條流出的情況。此外，受地形、氣候等因素影響，河網(wǎng)型河流往往伴隨著流量大小和季節(jié)性的變化，從而出現(xiàn)往復流現(xiàn)象。

通過對這3種拓撲關系進行組合，可以形成各種完整復雜的河流拓撲結構。

2 拓撲設計方法

在建設水工程調度系統(tǒng)時，可以通過不同的定義方式，描述各種拓撲關系^［6］，以便系統(tǒng)分析計算時能將水力聯(lián)系、演進關系清晰準確地告知模型算法。水工程調度系統(tǒng)的業(yè)務目標具有多樣性，例如水文預報、防洪調度、發(fā)電調度、供水調度、水資源調配、生態(tài)調度等^［7］，為了適應不同業(yè)務，需要拓撲構建方式具備靈活性和通用性^［8］。

2.1 基礎樹結構拓撲定義

現(xiàn)有系統(tǒng)一般采用樹狀結構來進行拓撲定義^［9］，例如水利專業(yè)決策（WPD）平臺^［10-11］。樹（Tree）是一種常見的數(shù)據(jù)結構，用于表示具有層次關系的數(shù)據(jù)。樹結構由一個根節(jié)點（Root Node）以及若干個子節(jié)點（Node）組成。子節(jié)點下也可以繼續(xù)連接子節(jié)點，稱為子樹（Subtree）。樹結構中的節(jié)點之間存在一種特定的關系，稱為父子關系（Parent）。樹結構的拓撲關系是指樹中各節(jié)點之間的連接關系。在一個簡單的樹結構中，根節(jié)點連接著子節(jié)點，子節(jié)點連接著孫節(jié)點，以此類推。

基礎樹結構拓撲定義如下：

（1） 樹結構中的每個節(jié)點都有一個唯一的標識符，稱為節(jié)點ID。

（2） 根節(jié)點沒有父節(jié)點。

（3） 每個節(jié)點可以有零個或多個子節(jié)點，子節(jié)點的父節(jié)點ID等于該節(jié)點的ID。

（4） 樹結構中的葉子節(jié)點是沒有子節(jié)點的節(jié)點，也稱為終端節(jié)點。

（5） 樹的高度（Height）是指從根節(jié)點到最遠葉子節(jié)點的最長路徑上的節(jié)點數(shù)。最小高度為1，最大高度為節(jié)點數(shù)。

（6） 樹的深度（Depth）是指從根節(jié)點到當前節(jié)點路徑上的節(jié)點數(shù)。根節(jié)點的深度為0。

（7） 樹的節(jié)點數(shù)（Size）是指樹中節(jié)點的總數(shù)。

根據(jù)水工程調度系統(tǒng)的業(yè)務目標，以及河流水系的結構特點，可以按如下定義法：

（1） 拆解河流上具備水力特性的節(jié)點，例如水庫、水文站、水位站、河段、渠道、水閘、蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸等，并將這些節(jié)點定義為Node。

（2） Node有父節(jié)點，根節(jié)點沒有父節(jié)點，其Parent表示為1。父節(jié)點代表該節(jié)點的所屬或者匯入，即Node 1.Paernt=Node 2。例如：三峽.Parent=長江，丹江口.Parent=漢江，漢江.Parent=長江，長江.Parent=1。

（3） 同一個父節(jié)點下的Node，通過Next描述節(jié)點上下游關系，即Node 1.Next=Node 2，對于匯入的支流，支流本身當作干流上的一個節(jié)點來描述，對于一條河流上的最后一個節(jié)點，其下游節(jié)點為1。例如：三峽.Next=葛洲壩，烏東德.Next=白鶴灘，漢江.Next=漢口。

（4） 具體Node、Parent和Next以業(yè)務為導向，通過不斷組合Parent和Next，可以描述一個完整調度系統(tǒng)的河流水系及其主要業(yè)務節(jié)點。

該方案能夠簡單清晰地描述水力聯(lián)系拓撲，便于系統(tǒng)在進行水量平衡和演進過程中準確高效地串接數(shù)據(jù)。但該方案也存在不足，一方面無法方便地描述引水情況，因為樹描述方法基本上是一個從葉子節(jié)點到根節(jié)點不斷匯聚的過程，無法反過來描述子節(jié)點存在多個父節(jié)點；另一方面，無法準確地描述可變方向的河流，在地勢平緩地區(qū)不同時期往復流的情況。

2.2 采用圖數(shù)據(jù)庫的拓撲定義

圖數(shù)據(jù)庫是一種以圖結構存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，能夠高效地處理復雜的關系查詢和數(shù)據(jù)關聯(lián)（圖2）。在水工程調度系統(tǒng)中，可以采用圖數(shù)據(jù)庫以更加完整地描述復雜拓撲^［12-13］。

在構建水力聯(lián)系拓撲之前，需要對目標數(shù)據(jù)進行分析和梳理，確定節(jié)點和關系的類型^［14］。例如，和樹（Tree）描述方法一樣，可以將節(jié)點分為水庫、水文站、水位站、河段、渠道、水閘、蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸等類型，關系分為匯入、引水、指向、下級等。通過這種分類，可以更好地組織數(shù)據(jù)并在后續(xù)的構建過程中更加高效地生成節(jié)點和邊。

以Neo4j為例，數(shù)據(jù)的構建分為節(jié)點（Node）構建、屬性（Property）構建和邊（Relationship）^［15］，具體通過CQL即Cypher查詢語言實現(xiàn)^［16］。它是一種聲明性模式匹配語言，并具有良好的可讀性。

節(jié)點構建和屬性構建通過CREATE語法來實現(xiàn)：

CREATE （

lt;node-namegt;：lt;label-namegt;

{

lt;Property1-namegt;：lt;Property1-valuegt;

........

lt;Propertyn-namegt;：lt;Propertyn-valuegt;

}

）

CREATE是一個Neo4j CQL命令。lt;node-namegt;是要創(chuàng)建的節(jié)點名稱。lt;label-namegt;是一個節(jié)點標簽名稱。lt;Property1-namegt;，…，lt;Propertyn-namegt;屬性是鍵值對，定義將分配給創(chuàng)建節(jié)點的屬性的名稱。lt;Property1-valuegt;，…，lt;Propertyn-valuegt;屬性是鍵值對，定義將分配給創(chuàng)建節(jié)點的屬性的值。

邊構建通過MATCH、CREATE、RETURN語法來實現(xiàn)：

MATCH （lt;node1-label-namegt;：lt;node1-namegt;），

（lt;node2-label-namegt;：lt;node2-namegt;）

CREATE

（lt;node1-label-namegt;）-［lt;relationship-label-namegt;：lt;

relationship-namegt;{lt;define-properties-listgt;}］-gt;（lt;node2-label-namegt;）

RETURN lt;relationship-label-namegt;

MATCH、CREATE、RETURN是CQL命令。lt;node1-namegt;是用于創(chuàng)建關系的“From Node”的名稱。lt;node1-label-namegt;是用于創(chuàng)建關系的“From Node”的標簽名稱。lt;node2-namegt;是用于創(chuàng)建關系的“To Node”的名稱。lt;node2-label-namegt;是用于創(chuàng)建關系的“To Node”的標簽名稱。lt;relationship-namegt;是一個關系的名稱。lt;relationship-label-namegt;是一個關系的標簽名稱。lt;define-properties-listgt;是分配給新創(chuàng)建關系的屬性（名稱-值對）的列表。

通過圖數(shù)據(jù)庫的定義方法，可以對水工程調度拓撲結構采用如下方案進行描述。

（1） 創(chuàng)建節(jié)點，例如CREATE （60106980：Reservoir{id：“60106980”，name：“三峽”}）。

（2） 創(chuàng)建指向關系，例如MATCH （n：Reservoir），（m：River） WHERE n.name=“三峽” and m.name=“長江” CREATE（n）-［r：Parent］-gt; （m） return r。

（3） 創(chuàng)建上下關系，例如MATCH （n：Reservoir），（m：Reservoir） WHERE n.name=“溪洛渡” and m.name=“向家壩” CREATE（n）-［r：Next］-gt; （m） return r。

（4） 對于往復流，可以創(chuàng)建反向關系，并在relationship的properties中，定義流向的變化條件，例如按月份定義流向條件。MATCH （n：Reservoir），（m：Reservoir） WHERE n.name=“r1” and m.name=“r2” CREATE（m）-［r：Next{months：“3，4，5”}］-gt; （n） return r。

（5） 創(chuàng)建匯入關系和引出關系。例如MATCH （n：River），（m：ZQStation） WHERE n.name=“漢江” and m.name=“漢口” CREATE（n）-［r：Next］-gt;（m） return r。MATCH （n：ZQStation），（m：River） WHERE n.name=“蔡甸” and m.name=“漢江” CREATE（n）-［r：Parent］-gt;（m） return r。MATCH （n：River），（m：River） WHERE n.name=“漢江” and m.name=“長江” CREATE（n）-［r：Parent］-gt;（m） return r。

通過以上描述方式，可以創(chuàng)建支持匯入、引水、網(wǎng)狀河流、上下游、往復流的復雜水力聯(lián)系，極大提高了水工程調度系統(tǒng)的支持能力和適應范圍。

3 拓撲驅動引擎設計

在拓撲定義設計基礎上，為了實現(xiàn)水工程調度的數(shù)據(jù)串接，需要通過引擎來驅動拓撲。在該設計方法中，每個節(jié)點（Node）都是通過邊（Relationship）來進行傳遞，驅動引擎主要解決3個問題：數(shù)據(jù)處理、任務調度、并行計算。

3.1 數(shù)據(jù)處理

在驅動引擎執(zhí)行過程中，各個節(jié)點根據(jù)類型不同都有獨特的數(shù)據(jù)容器，這個容器的主要職責是存儲節(jié)點在運行時所需的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的來源可以是外部數(shù)據(jù)源的加載，也可以是從前一個節(jié)點傳遞過來的。這樣的數(shù)據(jù)傳遞和加載機制，使得各個節(jié)點能夠有序地進行數(shù)據(jù)處理。

以水庫的入庫流量為例，這個數(shù)據(jù)是由上游站點演進并且疊加區(qū)間產(chǎn)流得出的。水庫的庫容曲線、特征水位等信息，則在引擎啟動時從基礎信息庫中讀取。水庫在經(jīng)過調度調節(jié)后，出庫流量繼續(xù)向下一個節(jié)點演進。

數(shù)據(jù)源的多樣性也是驅動引擎能夠應對各種復雜情況的關鍵。通過加載不同類型的外部數(shù)據(jù)，引擎可以對各種情況作出適應，提高其運行的靈活性和準確性。而節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳遞，不僅能夠保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，還能夠減少重復勞動，提高整個引擎的運行效率。

綜上所述，驅動引擎在執(zhí)行過程中，通過各個節(jié)點的數(shù)據(jù)容器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和傳遞。這些數(shù)據(jù)既可以來源于外部數(shù)據(jù)源的加載，也可以從上一個節(jié)點傳遞過來。這種方式既保證了數(shù)據(jù)的準確性，又提高了引擎的運行效率。同時，數(shù)據(jù)源的多樣性也為引擎應對各種復雜情況提供了可能。在這樣的機制下，驅動引擎能夠高效、準確地完成各項任務。

3.2 任務調度

在驅動引擎中，節(jié)點不僅負責管理數(shù)據(jù)，同時還承擔著計算任務的執(zhí)行。在這些節(jié)點中，可以根據(jù)實際業(yè)務目標掛接各種計算任務，并通過關聯(lián)關系構建出任務調度流程圖。這樣一來，各個節(jié)點便形成了一個有機的整體，協(xié)同完成各項任務。

以水庫為例，當接到入庫流量信息后，節(jié)點會根據(jù)調度規(guī)程等相關要求，對庫區(qū)水量進行調度調節(jié)。在此過程中，節(jié)點會計算出庫流量，并分析發(fā)電指標，以優(yōu)化廠內經(jīng)濟運行。

再以蓄滯洪區(qū)為例，當面臨洪水威脅時，蓄滯洪區(qū)節(jié)點會調整閘門或開啟扒口，進行分洪計算。在這個過程中，會計算該節(jié)點的淹沒過程，并對河道洪水進行分流。

每一個節(jié)點都有其特定的任務。為了高效執(zhí)行這一系列任務，引擎可以根據(jù)節(jié)點間拓撲關系形成的有向圖，按照順序執(zhí)行每一個任務。這樣一來，整個計算系統(tǒng)就能實現(xiàn)任務的高效協(xié)同，確保各個節(jié)點在正確的時間發(fā)揮出應有的作用。

3.3 并行計算

在多任務調度系統(tǒng)中，并行計算是提高計算效率的核心手段^［17］。為了實現(xiàn)并行計算，需要對拓撲生成的有向圖進行分析。定義每個節(jié)點掛接一個任務Task，節(jié)點數(shù)n，那么完整拓撲任務鏈可以進行如下描述：

（1） 1對1任務，當上一Task執(zhí)行完畢后，繼續(xù)下一Task。

Taski.next=Task_j（i，j∈n）

（2） 1對多任務，當上一Task執(zhí)行完畢后，繼續(xù)啟動下一步多個Task。

Taski.next=［Task_j1，…，Task_jk］（i∈n;j1，…，jk∈n）

（3） 多對1任務，當所有前置Task都執(zhí)行完畢以后，繼續(xù)下一步Task。

［Task_i1，…，Task_ik］.next=Taskj（i1，…，ik∈n;j∈n）

（4） 多對多任務，當所有前置Task都執(zhí)行完畢以后，繼續(xù)啟動下一步多個Task。

［Task_i1，…，Task_ik］.next

=［Task_j1，…，Task_jk］（i1，…，ik∈n;j1，…，jk∈n）

引擎采用Java實現(xiàn)。調用者可以使用Future對象來檢查操作isDone（），或者等待它完成使用get（）。Future模式一個最大的問題是何時調用問題，Google guava庫的ListenableFuture給出了解決方案。

ListenableFuture繼承了Future（jdk），額外新增了一個方法（任務結束后的回調方法），void addListener（Runnable listener，Executor executor），其中executor是回調方法的執(zhí)行器（通常是線程池）^［18］。它提供的功能包括：

① 監(jiān)聽任務執(zhí)行結果并執(zhí)行回調方法;

② 提供方便的任務接口轉換;

③ 多線程并發(fā)執(zhí)行取結果集合。

因此，可以通過該框架對拓撲中的計算任務進行編排，假設task 1為初始節(jié)點，task 1執(zhí)行完畢后，同時執(zhí)行task 2和task 3，然后當task 2和task 3都完成后，再執(zhí)行task 4，偽代碼如下：

ListenableFutureTasklt;Voidgt; task［n］ = ListenableFutureTask.

create（（）-gt; {

∥節(jié)點計算任務n相關代碼

}）；

Tasks.thenRun（executorService，task 1，task 2）；

Tasks.thenRun（executorService，task 1，task 3）；

Tasks.thenRunWhenAll（executorService，

newListenableFutureTask［］{task 2，task 3}，

newListenableFutureTask［］{task 4}）；

Tasks.start（executorService，

newListenableFutureTask［］{task 1}）；

當Tasks.start（）啟動后，將從初始節(jié)點開始并發(fā)計算，直到所有流程執(zhí)行完畢。如果存在多個分支初始節(jié)點（例如流域內有多條支流，每個源頭支流都可以認為是一個初始節(jié)點），則可在start時指定多個初始節(jié)點task。

4 應用驗證

本拓撲設計方法以及驅動引擎已在多個流域得到了廣泛的應用和驗證，其中包括長江流域、沂沭泗流域等。

以長江流域為例，長江發(fā)源于青藏高原，自西而東橫貫中國，最終注入東海。長江干流自西向東流經(jīng)青海、西藏、四川、云南、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海等11個省、自治區(qū)、直轄市。長江支流眾多，主要支流有雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江、漢江、沅江、湘江、贛江。從長江流域總體地勢來看，上游地勢高峻，中游地勢較緩，下游地勢低平，支流匯入干流并向下游演進。

沂沭泗流域地形為西高東低、北高南低，大致由北向西向南逐漸降低，由低山丘陵逐漸過渡為傾斜沖積平原、濱海平原。在中游建設了蓄洪及滯洪工程，開辟了分沂入沭、邳蒼分洪道等水道，修建了駱馬湖洪水控制工程體系，在下游修建了新沂河海口控制工程，人工工程干預較大，河道走向受閘控較多。

本文所提拓撲設計方法以其全面、細致的特性，解決了以往水工程調度系統(tǒng)對水系拓撲描述不全面的問題^［19］。圖3和圖4分別展示了該方法在長江流域和沂沭泗流域的應用系統(tǒng)，圖5用概化圖描述了沂沭泗流域的水系拓撲結構。

在傳統(tǒng)的水工程調度系統(tǒng)中^［20］，對類似沂沭泗流域這樣復雜水系的情況，為了能快速實現(xiàn)功能，大部分模型會將所有站點（斷面）的數(shù)據(jù)作為數(shù)組進行管理，然后通過模型代碼，在計算時將每個站點的數(shù)據(jù)進行同步更新，雖然最終能達到計算結果目標，但是本質上并沒有對模型進行解耦，無法適應數(shù)字孿生流域的復雜要求。

在拓撲設計的過程中，本文所提方法充分考慮了水系的復雜性，以及水工程調度所需的各項因素，從而為水工程調度系統(tǒng)的開發(fā)提供了強有力的底層技術支持。在此基礎上，通過增加并行計算的支持，使得計算效率得到了極大提升。在并行計算的幫助下，根據(jù)拓撲的復雜度以及計算資源的數(shù)量，原本復雜的水系拓撲分析計算任務可以不同程度縮短完成時間，大大提高了水工程調度的效率和準確性。

5 結 語

針對水工程調度系統(tǒng)建設中拓撲結構設計的問題，在分析常見水工程調度系統(tǒng)拓撲關系類型的基礎上，研究了不同的拓撲設計方案，并提出基于圖數(shù)據(jù)庫的模式，設計驅動該拓撲的引擎，最后在多個流域中進行了驗證。本文所提方法通過引入圖數(shù)據(jù)庫，解決了拓撲定義的數(shù)據(jù)管理問題，設計的并行計算引擎提高了基于拓撲圖計算的效率，不僅解決了水工程調度中的關鍵技術問題，也提供了全新的技術手段。

同時，這一成果的應用并不僅僅局限于具體某個流域，所提設計理念在各流域均具有廣泛的應用前景。無論是在其他區(qū)域、還是其他水利業(yè)務領域的復雜系統(tǒng)分析中，這一方法都有著廣泛的應用潛力。后續(xù)，將繼續(xù)對其進行深入研究，以期為水資源管理和調度提供更為先進和全面的技術支持。

參考文獻：

［1］ 蔡陽.以數(shù)字孿生流域建設為核心構建具有\(zhòng)"四預\"功能智慧水利體系［J］.中國水利，2022（20）：2-6，60.

［2］ 劉先龍，楊勤科.流域拓撲關系建立方法研究［J］.水土保持研究，2010，17（3）：82-86.

［3］ 李琪，唐海華，黃瓅瑤，等.基于敏捷搭建技術的水利業(yè)務應用系統(tǒng)架構研究［J］.人民長江，2021，52（6）：218-222.

［4］ 李磊，李家歡，王旭，等.數(shù)字孿生流域水流網(wǎng)絡建設關鍵技術研究［J］.水文，2023，43（5）：6-11.

［5］ 蔡陽，謝文君，程益聯(lián)，等.全國水利一張圖關鍵技術研究綜述［J］.水利學報，2020，51（6）：685-694.

［6］ 余慧，張曙光，劉英，等.空間對象及其拓撲關系［J］.計算機工程與應用，2004，40（6）：77-79.

［7］ 黃艷，王權森，盧程偉，等.水工程聯(lián)合調度知識圖譜構建與應用研究［J］.人民長江，2024，55（9）：2-9.

［8］ 唐海華，黃瓅瑤，張振東，等.面向數(shù)字孿生的水利專業(yè)模型構建關鍵技術［J］.人民長江，2024，55（3）：1-5，20.

［9］ 舒棟才，程根偉.基于多叉樹的遍歷算法在數(shù)字水系拓撲關系計算中的應用［J］.長江流域資源與環(huán)境，2006，15（6）：733-739.

［10］周超，唐海華，李琪，等.水利業(yè)務數(shù)字孿生建模平臺技術與應用［J］.人民長江，2022，53（2）：203-208.

［11］羅斌，唐海華，李琪，等.水利專業(yè)決策（WPD）的\"數(shù)據(jù)-模型-業(yè)務\"組態(tài)式孿生構建技術［J］.水利水電快報，2023，44（12）：6-7.

［12］唐勇，胡和平，田富強.流域洪水計算模型系統(tǒng)的拓撲關系分析［J］.水利學報，2002，33（5）：81-85.

［13］唐勇，胡和平，田富強.流域拓撲關系分析及在洪水預報調度決策支持系統(tǒng)中的應用［J］.中國水利，2003（6）：69-72.

［14］郭聰，游進軍，林鵬飛.圖論在水資源系統(tǒng)建模與配置計算中的應用［J］.中國水利水電科學研究院學報（中英文），2023，21（3）：295-306.

［15］GONZALEZ M M.Practical Neo4j［J］.Computing Reviews，2015，56（10）：592.

［16］ANDREA B，DANIJELA J，PATRIZIA P.Querying data in NoSQL databases［J］.Zbornik Veleucˇilisˇta u Rijeci，2019（7）：257-270.

［17］郭廣軍，胡玉平，戴經(jīng)國.基于Java多線程的并行計算技術研究及應用［J］.華中師范大學學報（自然科學版），2005，39（2）：169-173.

［18］International Business Machines Corporation.Methods for providing data values using asynchronous operations and querying a plurality of servers：US16669644［P］.2021-10-26.

［19］唐海華，羅斌，周超，等.水庫群聯(lián)合調度多模型集成總體技術架構［J］.人民長江，2018，49（13）：95-98.

［20］葉瑞祿，左翔，劉修恒.數(shù)字孿生秦淮河流域防洪四預平臺建設與應用［J］.人民長江，2024，55（3）：13-20.

（編輯：郭甜甜）

Topological design method for water engineering scheduling system

LI Qi^{1，2，3}，HUANG Liyao^{1，2，3}，ZHOU Chao^{1，2，3，4}，LUO Bin^{1，2，3，4}，TANG Haihua^1，2，3

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.Intelligent Changjiang Innovation Team of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 3.Key Laboratory of Internet Intelligent Water Conservancy of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 4.State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract：

Presently，most water engineering scheduling systems are customized for specific watersheds，and are difficult to apply to other watersheds with different characteristics.This article mainly introduced a topological design method for water engineering scheduling systems using graph databases to achieve consistent descriptions for various types of watersheds.In this research，the topological structure of water objects was defined using the \"node-attribute-link\" in CQL language.Compared with traditional tree-based data structure storage，graph databases can significantly improve the analysis procedures for dealing with large and complex datasets.Based on this topology design approach，a topology-driven engine was proposed and verified through core technical processes，including data processing，program task scheduling，and parallel computing.Furthermore，a set of water resources decision-making platforms had been developed to adapt to various types of watershed topology，offering a new model for the construction of water engineering scheduling systems.The successful application of this method in various river basin systems has demonstrated that it significantly improves the adaptability of water engineering dispatching systems across different river basin scenarios and efficiently supports the construction of digital twin watersheds.

Key words：

water engineering scheduling； system architecture； topology structure； digital twin watershed； Changjiang River Basin； Yi-Shu-Si River Basin