喻杉　黃艷　王學敏　李榮波　羅斌

摘要：圍繞流域水工程聯(lián)合調度需求，在《智慧水利總體方案》總體框架下，充分考慮國家防汛指揮系統(tǒng)建設成果延續(xù)性和技術推廣應用的普適性，長江設計集團有限公司于2019年啟動了以長江為示范的流域水工程聯(lián)合調度系統(tǒng)及相應支撐平臺技術研究開發(fā)工作。通過研發(fā)流域水工程調度規(guī)則庫、水文水力等通用計算模型及智能算法、大數(shù)據(jù)分析技術、智慧使能應用支撐等系列平臺技術，建立了基于統(tǒng)一標準、通用化技術體系的流域水工程聯(lián)合調度系統(tǒng)平臺，形成了流域水工程聯(lián)合調度全鏈條平臺技術，并構建了以長江流域為示范的應用系統(tǒng)。結果表明：該平臺實現(xiàn)了流域水工程預報調度一體化、智能化、災情評估實時化和成果展示形象化，在1954洪水演練和2020年汛期防洪調度中得到了較好的應用，發(fā)揮了重要的技術支撐作用。

關鍵詞：水利工程; 智能調度; 平臺建設; 調度規(guī)則庫; 長江流域

中圖法分類號： X524

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.032

0引 言

在習近平總書記關于“共抓大保護、不搞大開發(fā)”和“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的思想指導下，治江工作已由長江治理開發(fā)利用向長江保護與管理轉變。當前中國治水的主要矛盾為人民群眾對水資源水生態(tài)水環(huán)境的需求與水利行業(yè)監(jiān)管能力不足之間的矛盾。下一步水利工作的重心將聚焦保障人民生命財產安全，鍛長板、補短板、固底板，不斷提高水旱災害防御能力和水平。為治理長江水患，開發(fā)利用及調節(jié)水資源，保護長江生態(tài)環(huán)境，長江流域建成了以三峽、溪洛渡、烏東德等骨干核心水庫為主，其他干支流水庫、蓄滯洪區(qū)、河道整治、平垸行洪與防洪非工程措施相配套的綜合防洪減災體系[1]。目前，長江流域管理已進入由工程建設為主向工程調度運行為主轉變的后工程時期，由于大量水利工程的建成投運，流域已從天然河流向水工程運用下的河流轉變，水工程調度已由單獨運行向聯(lián)合運行轉變，調度目標也從單一防洪向防洪、供水、生態(tài)、發(fā)電、航運等多目標轉變，水管理已經由以被動響應的方式向聯(lián)合調度水工程主動防御、流域統(tǒng)一調度和管理的方式轉變[2]。

如何用好各項水工程，為防洪減災、抗旱、供水、生態(tài)環(huán)境保護等提供決策支持，最大限度解決水生態(tài)保護、水資源利用中存在的各項問題，是目前流域管理中所面臨的最為迫切的工作。信息化手段可為流域的工程調度提供技術支撐。但是，隨著水利信息化理念的發(fā)展、需求的不斷深化，現(xiàn)有的流域管理信息化技術手段、建設模式、建設成果等已無法滿足流域大范圍、大尺度、多維、多工程、多目標的聯(lián)合調度運行管理需求[3]，急需提升水利信息化水平以適應新時代要求。在過去十幾年間，長江水利委員會（以下簡稱“長江委”）在水庫群聯(lián)合預報調度等方面已開展了大量的工作，逐步積累了水庫群聯(lián)合預報調度的技術，并運用于實際調度中，取得了較好的工作成績。為調度好長江流域水工程，在水利部的統(tǒng)一部署下實施了兩期國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程建設工作[4]，并于2018年初步建立起集預報、調度于一體的預報調度系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已經驗收正式應用，并已作為日常使用的流域調度預報和會商平臺，具有較強的準確性和實用性，特別是預報模擬方面精度較高、時效性較強，為工程調度管理提供了有力支撐。但是，由于該系統(tǒng)中工程調度部分僅實現(xiàn)了對聯(lián)合調度方案的自動應用，還未能根據(jù)防洪形勢與工程調度之間的關系進行智能判斷并形成調度方案，因此急需進一步完善該系統(tǒng)的智能化水平。此外，該系統(tǒng)對調度效果及風險的評估仍然處于人工分析的階段，在面對復雜水雨情時，對會商的調度決策支持能力還有待進一步提升。

2021年初，《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》頒布，明確提出“構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調度能力”。2021年3月，水利部李國英部長指出，智慧水利是水利高質量發(fā)展的顯著標志，要建立物理水利及其影響區(qū)域的數(shù)字化映射，實現(xiàn)預報、預警、預演、預案“四預”功能，并通過“大系統(tǒng)設計，分系統(tǒng)建設，模塊化鏈接”建設“2+N”結構的智慧水利，做到“數(shù)字化場景，智慧化模擬，精準化決策”。為此，迫切需要著力強化以流域水工程智能調度平臺為重點的長江流域水旱災害防御信息化建設[5]，不斷完善非工程措施，將先進信息技術與調度決策技術融合，全面提升信息分析與處理能力，促進水利業(yè)務間的協(xié)同效用，推動“數(shù)字水利”向“智慧水利”轉變，確保工程體系防洪作用的有效發(fā)揮?；诖耍疚耐ㄟ^研發(fā)流域水工程調度規(guī)則庫、水文水力等通用計算模型及智能算法、大數(shù)據(jù)分析技術、智慧使能應用支撐等系列平臺技術，建立了基于統(tǒng)一標準、通用化技術體系的流域水工程聯(lián)合調度系統(tǒng)平臺，為提升流域防洪調度決策科學水平，保障長江流域安瀾提供強有力的技術支撐與保障。

1總體架構

長江流域水工程智能調度平臺以智慧水利總體框架為藍本，形成由基礎設施、智能中樞、業(yè)務應用3大重點，以及網(wǎng)絡安全體系和綜合保障體系2大保障組成的平臺構架，構建與物理流域仿真運行的數(shù)字映射，通過數(shù)字賦能實現(xiàn)水工程智慧防災。系統(tǒng)邏輯構架如圖1所示。

（1） 基礎設施。為平臺系統(tǒng)提供監(jiān)測、機房、網(wǎng)絡、計算和存儲資源等基礎設施。充分利用國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)、長江流域水利綜合管理信息資源整合和共享項目以及綜合調度大數(shù)據(jù)信息平臺項目等項目建設的長江委骨干網(wǎng)、計算和存儲資源池以及高性能計算集群[6]。同時，考慮該平臺新增機理模型和智能模型運算需求，對高性能計算集群進行適當擴展，為該平臺提供高效穩(wěn)定的運行環(huán)境。

（2） 智能中樞。由防災數(shù)據(jù)底板、模型平臺和知識平臺組成，為長江流域水工程智能調度平臺提供數(shù)據(jù)處理、存儲和服務，科學計算和可視化模型引擎及服務，調度知識抽取處理分析引擎及服務。防災數(shù)據(jù)底板充分利用已建和在建信息平臺項目建設的多源數(shù)據(jù)匯集平臺和綜合調度數(shù)據(jù)庫基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等;模型平臺充分利用在建的大數(shù)據(jù)信息平臺建設項目建設的模型服務平臺，并根據(jù)新的防災需求，以防災數(shù)據(jù)底板為支撐，擴展建設防災調度專業(yè)計算模型，新建可視化模型、AI智能解譯模型，并配套建設防災調度智能引擎和仿真模型引擎和服務等;知識平臺則充分利用在建的大數(shù)據(jù)信息平臺建設項目建設的知識圖譜基礎平臺，為知識圖譜建設提供圖譜數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和分析引擎。

（3） 業(yè)務應用。該平臺充分考慮與現(xiàn)有國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)融合，以統(tǒng)一的數(shù)字孿生流域一張圖為支撐應用，在長江流域水工程智能調度平臺中實現(xiàn)流域洪水模擬、防汛抗旱形勢分析、調度方案生成及評估、方案優(yōu)選及推薦等業(yè)務應用功能，滿足水利工程防災“四預”需求。

（4） 網(wǎng)絡安全體系。為水工程防災聯(lián)合調度系統(tǒng)運行提供安全保障。

（5） 保障體系。充分利用現(xiàn)有管理體制和機制，重點加強項目內部各層次集成，以及該平臺與長江流域控制性水利工程綜合調度大數(shù)據(jù)信息平臺集成的相關技術規(guī)范建設，提升系統(tǒng)管理保障能力。

2關鍵技術

為支撐長江流域水工程調度平臺智慧能力建設和高效應用，針對平臺研發(fā)及應用的技術需求，在水工程調度規(guī)則庫、水工程多目標優(yōu)化調度、數(shù)字孿生仿真模擬、多組合敏捷化平臺構建等方面開展相關關鍵技術研究。

2.1水工程調度規(guī)則庫及驅動引擎技術

長江流域5月至9月為主要防洪時期，9月至10月為上中游各水庫主要蓄水時期，11月至次年汛前為水庫消落期。流域管理涵蓋水旱災害防御、水資源綜合利用（供水、發(fā)電、航運）及水生態(tài)修復與水環(huán)境保護，全年各階段、流域上中下游及干支流，具有不同的管理重點。因此，如何調度運用這些具有巨大調節(jié)能力的水工程以滿足不同時間空間和利益相關方訴求，是長江流域水工程智能調度需要著力解決的問題，而關鍵技術則在于水工程調度規(guī)則庫的構建和驅動引擎技術的研發(fā)。

2.1.1調度規(guī)則庫構建

調度規(guī)則庫是構建水工程智能調控“神經網(wǎng)”的核心工具。流域水工程涉及水庫、蓄滯洪區(qū)、堤防、涵閘泵站等，社會經濟快速發(fā)展可能引起水工程防洪定位的轉變，如蓄滯洪區(qū)建設與區(qū)內經濟發(fā)展不匹配，人口普遍增加，一旦分洪將付出很大代價。為此，實時調度中，需隨時、實時快速梳理新形勢下各工程的防洪角色和貢獻，充分發(fā)揮全流域水工程“一盤棋”的整體防洪作用，實現(xiàn)水工程系統(tǒng)攔、分、行、排能力智能協(xié)調。調度規(guī)則庫構建主要步驟如下：

（1） 調度規(guī)則特征要素提取。針對水工程聯(lián)合調度方案或各工程調度規(guī)程進行抽象化，提取防洪對象、啟動時機、調度方式等特征要素信息，并建立各要素間語義邏輯關系，如不同啟動時機、調度方式的判斷變量、控制閾值等特征值，將調度方案邏輯化和原子化。

（2） 調度規(guī)則庫知識化描述。基于思維導圖，根據(jù)調度規(guī)則要素之間的邏輯關系，進一步細化構建水工程運行規(guī)則的知識化描述構架，形成調度規(guī)則庫的原型，如圖2所示。

（3） 調度規(guī)則庫框架構建及實例化?；谡{度規(guī)則庫原型，采用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換常用的JSON格式，針對水工程與控制對象間的調度影響關系開展調度規(guī)則庫框架設計和構建工作，反映調度規(guī)則的各項特征要素，以保證規(guī)則庫的可讀性和易用性，并支撐調度規(guī)則的解析和應用。在此框架上，將提取的調度規(guī)則特征值進行信息存儲，實現(xiàn)調度規(guī)則庫的實例化。

此外，隨著對調度研究的深入，新成果、新方案不斷涌現(xiàn)，規(guī)則庫需具備迭代升級功能。為此，本研究將規(guī)則庫中關鍵方式數(shù)值化得到調度參數(shù)，并采用成熟進化算法對調度參數(shù)進行遍歷尋優(yōu)，使得計算得到的運行結果與新成果的偏差最小，以此進行規(guī)則庫的更新和維護。

2.1.2水工程聯(lián)合調度規(guī)則庫引擎

調度引擎是驅動水工程調度規(guī)則庫應用的關鍵。針對調度規(guī)則庫和知識庫，提取其中調度對象與調度知識之間的邏輯化、數(shù)字化、結構化、智慧化的關系數(shù)據(jù)，構建調度規(guī)則解析應用引擎，開發(fā)驅動引擎的相關模型集，形成規(guī)則庫調用、轉移、升級、查詢等一系列面向專業(yè)用戶的規(guī)則庫搭建、編譯、維護和應用工具集，實現(xiàn)對各調度對象涉及信息和運用規(guī)則的解析、擴展和應用（見圖3）。

以防洪調度為例，“數(shù)據(jù)-識別-研判”模型的構建是防洪調度引擎的核心。調度引擎的構建步驟如下：① 基于調度規(guī)則的數(shù)字化和模型化，對調度節(jié)點數(shù)據(jù)結構中的映射關系進行數(shù)字化描述;② 采用統(tǒng)計識別、結構識別等方法進行聚類分析，對規(guī)則中的復雜數(shù)據(jù)關系進行特征抽取，得到不同數(shù)據(jù)結構關系與庫群協(xié)作組合方式間的映射模式;③ 分析評價調度效果及工程后續(xù)綜合利用能力等，對映射模式進行反饋修正，完成可持續(xù)改進的“數(shù)據(jù)-識別-研判”閉合模型構建。

基于上述工作，長江流域水工程智能調度平臺建設采用JAVA語言編寫開發(fā)了防洪調度引擎并封裝為服務，實現(xiàn)水工程調度規(guī)則庫的解析和應用兩方面功能。一方面，基于統(tǒng)一框架標準格式解析規(guī)則庫內的調度信息，并存儲于模型計算類中，封裝成相應的服務供應用模型調用;另一方面，根據(jù)水文預報信息實現(xiàn)流域防洪形勢智能研判，在此基礎上進行調度影響關系和效果評估，基于不同主觀偏好驅動調度規(guī)則庫，實現(xiàn)水工程聯(lián)合調度運用模擬。

2.2水工程多目標優(yōu)化調度技術

針對不同調度時期內的目標差異，該平臺研發(fā)了“全周期-自適應-嵌套式”的多目標優(yōu)化調度模型構建技術，以水量調度為主線，根據(jù)水情發(fā)展不同階段，自適應觸發(fā)調度目標轉換條件，實現(xiàn)調度方式轉換和時間、空間、調度目標之間的相互嵌套（見圖4）。

“全周期”體現(xiàn)為水庫群聯(lián)合調度貫穿于水庫運行的全周期調度階段（如汛期、蓄水期、消落期等），不同調度階段有主要目標和若干次要目標，以此突出調度方案對不同階段的針對性?！白赃m應”體現(xiàn)為通過水位、流量、效益等指標，明確水庫調度階段的銜接方式，以此實現(xiàn)調度目標和水庫調度方式的轉換?！扒短资健斌w現(xiàn)在梯級水庫運行和水庫內運行兩個方面：① 對于梯級水庫，可將其作為整體，以“打捆”的方式考慮總體出力、總體攔洪等需求，再通過梯級內部進行分配，以此實現(xiàn)梯級效益在空間上的嵌套;② 水庫同一調度階段內，不同次要目標間的協(xié)同方式，根據(jù)工況明確不同目標間的滿足次序，以及不同目標的滿足程度，以此獲得水庫的運行過程。

針對防洪、水量調度這一因素眾多但總體線性的優(yōu)化調度問題，采用成熟的線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃方法工具進行求解，可使得不同效益的約束需求、人工交互產生的控制條件等因素，對模型搭建工作量的影響為線性關系，從而有效降低模型求解算法的開發(fā)、升級難度，其豐富的計算中間數(shù)據(jù)可用于提升智能調度決策支撐能力，且搭建的求解算法具備較強的通用性，易于推廣。對于發(fā)電、蓄能等非線性優(yōu)化問題，采用進化算法、動態(tài)規(guī)劃改進型算法進行求解，并在約束處理、優(yōu)化變量調整中結合具體水庫的運行特征，縮小尋優(yōu)空間、簡化劣解處理方式，以適應聯(lián)合調度對計算效率和精度的需求。

2.3數(shù)字孿生仿真模擬技術

流域數(shù)字孿生通過在虛擬空間中運用專業(yè)模型和信息化技術，實現(xiàn)流域上水流、信息流、業(yè)務流、價值流的全過程實時鏡像。數(shù)字孿生流域不僅映射流域的各項物理要素（物理映射）及其關聯(lián)關系（機理再現(xiàn)），還將人類累積的知識和經驗運用到對流域的調度管理決策支持中，使數(shù)字孿生流域成為一個會“思考”的載體，全方位“孿生”和映射流域的物理關系和人類活動。該平臺基于數(shù)字孿生技術擴展三維應用場景，實現(xiàn)全域、全過程實時準確再現(xiàn)流域物理世界中各要素之間的關系，完善預報、預警、預演、預案可視化展現(xiàn)功能，主要涉及流域全要素建模、高保真高性能渲染、地形數(shù)據(jù)加工處理等關鍵技術。

（1） 流域全要素建模技術。將時空信息模型與水利業(yè)務模型相融合，從空間幾何、時態(tài)序列、地物實體、業(yè)務規(guī)則、映射關系等五大維度，構建多尺度、多時態(tài)的流域數(shù)字孿生模型?？臻g幾何模型采用統(tǒng)一的地理坐標，標準化數(shù)據(jù)結構和服務，適應宏觀、中觀、微觀不同尺度的應用需求;時態(tài)序列模型通過變化統(tǒng)計和時間間隔采樣相結合的數(shù)據(jù)結構記錄水利要素時態(tài)信息，具備變化完整性和數(shù)據(jù)輕量化特點;水利實體模型實現(xiàn)要素功能化、對象化、空間化，為業(yè)務規(guī)則建模提供對象支撐;業(yè)務規(guī)則模型包含流程、值域、算法等，是對水利業(yè)務的高度抽象，降低業(yè)務規(guī)則建模難度;映射關系模型將時空模型與水利業(yè)務模型有機融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動孿生體的核心機理。

（2） 高保真高性能渲染技術。系統(tǒng)結合游戲引擎和圖形設計引擎各自的優(yōu)點，采用延遲渲染與前向渲染相結合的渲染框架，實現(xiàn)流域海量、動態(tài)大數(shù)據(jù)的實時高效可視化技術，為流域數(shù)字孿生場景提供高效、高保真三維圖形渲染能力，為流域大范圍降雨預報三維可視化模擬、水庫泄蓄容高精細仿真、多要素多目標動態(tài)可視化聯(lián)動、基于水動力模型的洪水傳播模擬、水庫庫區(qū)或蓄滯洪區(qū)淹沒態(tài)勢仿真等眾多應用，提供高性能渲染能力和高真實感渲染效果。

（3） 一整套地形數(shù)據(jù)解決方案。在承擔眾多國家水利工程項目實施的過程中，通過不斷的積累創(chuàng)新，逐步形成了“空天地”全方位、一體化的智能感知體系。研究了以衛(wèi)星為載體的宏觀感知技術、以無人機為載體的微觀監(jiān)測技術以及以測量機器人、智能巡檢、智能傳感器為體系的精準感知技術，其成果已在長江流域、西南諸河、一帶一路區(qū)域等國家重大涉水工程項目中發(fā)揮重要數(shù)據(jù)支撐作用。

2.4多組合敏捷化平臺構建技術

物理世界里的流域是一個不斷變化的事物，水利工程也一直在不斷建設運行中，因此，數(shù)字孿生流域的建設應用是一個動態(tài)迭代的過程。中國各大系統(tǒng)業(yè)務范圍大多基于固定范圍、固定對象、固定流程、固定模型進行業(yè)務設計與建設，決策支持系統(tǒng)的技術標準、模型計算引擎、數(shù)據(jù)及業(yè)務支撐平臺等行業(yè)標準化水平較低。在面向變化環(huán)境或超標準洪水等決策需求時，現(xiàn)有系統(tǒng)難以快速支撐變化場景下的不確定性、差異化調控計算需求，共建共享模式在行業(yè)中的應用有待推進。因此，數(shù)字孿生流域建設需提高動態(tài)迭代更新技術，解決水利業(yè)務決策問題動態(tài)演化、各流域需求和使用習慣差異化的問題，利用各類組件動態(tài)構造適應于不同復雜場景的專業(yè)應用，實現(xiàn)數(shù)字孿生流域物理變化及功能應用的配置化搭建。

為實現(xiàn)數(shù)字孿生流域迭代進化的需要，長江流域水工程智能調度平臺研發(fā)了多組合敏捷化平臺搭建技術[7]，深度融合“組件化開發(fā)、流程化搭建、組態(tài)化應用”，提供通用組件及標準，能夠根據(jù)管理業(yè)務需要快速搭建形成應用系統(tǒng)，提供標準化業(yè)務流程，方便快速搭建場景應用。最終實現(xiàn)多組合復雜水利調控計算的敏捷搭建，以“搭積木”的方式快速建成復雜水利業(yè)務應用，實現(xiàn)面向不同水利應用場景、應用環(huán)節(jié)、應用范圍的動態(tài)決策響應等專業(yè)應用的高效搭建與發(fā)布。

（1） 組件化建模技術。

基于數(shù)字孿生理念，針對前述水利對象分類管理體系中分析構建的對象組件集，采用“組件+實例”的方式，研究復雜、多類型水利對象集的數(shù)字化建模技術。首先，針對各類水利對象，詳細梳理其包含哪些基礎信息、特征指標和設計參數(shù)，從而定義出各類對象的屬性集，每一個水利對象都擁有能反映其自身特征的多個屬性;其次，將各種水利對象及其對應的屬性集構建為類對象模板，每一個模板均能代表唯一的水利對象類型;最后，在不同的工程項目或系統(tǒng)中，根據(jù)實際需求，針對業(yè)務所需的每類水利對象模板，按照其模板創(chuàng)建出具體的實例化對象集，從而實現(xiàn)所有水利對象的數(shù)字化建模。水利業(yè)務組件化建模平臺架構技術流程如圖5所示。

（2） 標準化流程組態(tài)技術。

標準化流程組態(tài)技術實現(xiàn)水工程防災聯(lián)合調度業(yè)務流的執(zhí)行，包括對組態(tài)的拓撲結構解析、模型的運行、數(shù)據(jù)的傳遞等。敏捷組態(tài)體系架構示意如圖6所示。配置化搭建技術主要實現(xiàn)通過可視化界面來進行各種不同業(yè)務流程的配置，包括：① 配置動態(tài)校驗技術，用來對配置的結果進行解析和分析、校驗配置內容，并在執(zhí)行過程中實時校驗數(shù)據(jù)傳遞的正確性;② 計算流優(yōu)化技術，主要通過對業(yè)務流的分析和重組，充分利用并發(fā)揮計算的優(yōu)勢，實現(xiàn)模型計算性能的優(yōu)化;③ 動態(tài)數(shù)據(jù)接口技術，在業(yè)務計算的基礎上，可通過配置數(shù)據(jù)查詢方式，靈活定義數(shù)據(jù)接口，為外部系統(tǒng)和界面提供數(shù)據(jù)成果。

3專業(yè)模型庫建設

專業(yè)模型是長江流域水工程智能調度平臺構建的核心技術，也一直是流域水管理決策支持技術的關鍵。國內外的多家研發(fā)機構或單位，經過多年的研究已形成具有各自技術優(yōu)勢的水力模型，尤其國外近年來更呈現(xiàn)出系列化、產品化、平臺化的趨勢。如，丹麥水力研究所（DHI）是一個獨立的國際科研及咨詢機構，經過多年研發(fā)及市場應用，已擁有水文、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、海岸與海洋、城市、地下水等大量相關的計算模型，包括MIKE11、MIKE URBAN等知名的模型和產品，能夠處理數(shù)據(jù)獲取、整合、驗證分析等任務，目前已開發(fā)基于平臺技術的MIKE-Operation模型平臺，可將所有模型功能集成，方便用戶選用和配置。相較于國外，國內專業(yè)計算模型（包括水文模型、水動力學模型等）在理論技術上并不遜色，但是在實施技術的標準化、通用性等方面服務能力不足。因此，長江流域水工程智能調度平臺在建設過程中，根據(jù)靈活快速搭建和迭代的需要，建設了專業(yè)模型庫，包括降雨徑流預報模型、河道洪水演算模型、水質預報預測模型、水資源配置調度模型、風險評估模型以及數(shù)據(jù)驅動模型等。

此外，建立了以水工程調度規(guī)則庫及驅動引擎為重點的知識平臺庫，包含了長江流域水工程現(xiàn)有調度規(guī)程和已有研究成果，梳理總結了面臨不同水文情勢和工況下各水工程調度運行方式，搭建了具備規(guī)則化、邏輯化、數(shù)字化的水工程調度規(guī)則庫，進一步對其開展了模塊化封裝，形成了基于服務的水工程聯(lián)合調度驅動引擎（見圖7）。

4“四預”功能建設

水利部召開水旱災害防御工作視頻會議強調做好2021年水旱災害防御工作的特殊重要意義，提出強化預報、預警、預演、預案“四預”措施，加強實時雨水情信息的監(jiān)測和分析研判，完善水旱災害預警發(fā)布機制，依法科學精細調度水工程，開展水工程調度模擬預演，細化完善江河洪水調度方案和超標洪水防御預案，充分發(fā)揮水工程防洪減災效益。

長江流域水工程智能調度平臺業(yè)務功能涵蓋水工程聯(lián)合智能調度全過程，從實時感知多源數(shù)據(jù)融合到流域模擬預報預測，再到防洪形勢分析，水工程聯(lián)合智能優(yōu)化調度，防洪風險評估，最后實現(xiàn)防洪避險轉移，實現(xiàn)了預報、預判、預警、預演和預案全鏈條。

該平臺可根據(jù)前期和實時水雨工情、降雨預報，預報無水工程調度下流域各站水情，為研判防洪形勢提供本底。通過河道堤防微觀場景精細分析模擬和庫區(qū)回水淹沒風險模擬，可進行防洪動態(tài)風險評估，分析洪水影響范圍，統(tǒng)計洪水淹沒影響?？芍悄芊治龇篮楣こ棠芰σ约昂樗M成，結合知識圖譜分析和規(guī)則庫驅動優(yōu)化調度方案，智能分析災情面臨形勢。通過機器自動分析計算和人機交互干預調度，實現(xiàn)各類工程、各種情景自由組合的聯(lián)合調度，并可自動推薦優(yōu)化的水工程防洪調度方案。此外，系統(tǒng)采用LBS大數(shù)據(jù)技術，可根據(jù)洪水淹沒分析，輔助人員盡快到達安全區(qū)，實現(xiàn)人群轉移避險。

4.1預報：流域模擬

預報是開展水旱災害防御工作的基礎，通過平臺的流域模擬功能，基于通用模型庫和預報方案庫配置，實現(xiàn)江湖河系水情自動預報、河道多維度全息洪水演進計算仿真等主要功能，為防洪、抗旱等專業(yè)調度提供基本背景場。系統(tǒng)可依據(jù)實時及預報的雨水情以及工情信息，完成自動預報調度計算，同時對預報調度結果進行分析、綜合等，實現(xiàn)各江河河系自動預報、交互預報調度、模擬試算預報以及河道洪水演進計算，并實現(xiàn)多模型專家交互分析、智能校正等功能，主要包括降雨預報、自動智能預報、精細化預報調度、會商預報調度分析、多維度全息洪水仿真、融合情景感知與語音檢索的智能查詢分析、水量（應急）預測、預報評估、預報成果管理及綜合展示、預報模型方案管理等功能（見圖8）。

4.2預警：防洪形勢分析

基于流域洪水“空天地”一體化監(jiān)測成果，分析水雨情、工情、災情現(xiàn)狀及水雨情可能的變化態(tài)勢，結合知識圖譜分析和規(guī)則庫驅動優(yōu)化調度方案，研判防洪抗旱面臨形勢，根據(jù)江河湖庫洪水和干旱預警指標體系及時發(fā)布相關預警信息。分析當前的調度任務與目標，實現(xiàn)根據(jù)防洪（應急水量）調度需求，通過人工交互實現(xiàn)不同的洪水（應急水量調度）場景（歷史典型洪水、實時洪水或降雨徑流生成的洪水過程）選取、自動分析防汛（抗旱）形勢（見圖9）。

4.3預演：調度方案生成及評估

以流域數(shù)值模擬為基礎，構建面向長江流域全流域的水工程運用對重要防洪控制節(jié)點防洪需求快速響應模型仿真體系，針對重點河段行洪、重要庫區(qū)淹沒、沿江城鎮(zhèn)區(qū)域行洪、蓄滯（分）洪區(qū)行洪進行仿真，實現(xiàn)洪水（水量）動態(tài)時空模擬推演和成災風險影響分析，以指導防洪管理和災害防御應急等（見圖10）。

4.4預案：方案優(yōu)選及推薦

針對調度會商決策需求，以數(shù)字模擬仿真引擎和防災智能引擎為基礎，提出方案優(yōu)選及推薦解決方案。利用水利專業(yè)服務分析、大數(shù)據(jù)平臺自學習能力，通過對歷史調度方案及調度效果的洞察，為當前實時調度提供最優(yōu)的調度方案推薦，并通過可視化手段將推薦的調度方案直觀地展示給用戶。

針對超標準洪水可能帶來的洪災風險，避洪轉移是應對洪災的積極躲避行為，是減少洪災人員傷亡的重要手段。在洪水風險計算分析的基礎上建設洪水淹沒區(qū)避險轉移輔助功能，以防洪應急轉移預案為指導，根據(jù)特定頻率/場次洪水的淹沒范圍、水深、到達時間等風險信息，通過對受淹居民區(qū)位置、人口數(shù)量、道路、安置區(qū)域等信息的綜合分析和路網(wǎng)計算，得到居民區(qū)避洪轉移安置方案和轉移安置最優(yōu)路徑，實現(xiàn)受災群眾快速、高效的疏散轉移。實際應用時，通過建立并集成避洪轉移模型，進行避洪轉移分析，確定轉移單元大小、規(guī)劃安置場所，動態(tài)繪制撤離轉移路線、轉移范圍、轉移預計時間及避險指標、實時轉移人流量、道路擁堵情況等，制定轉移路線并實時監(jiān)測轉移動態(tài)情況，及時調整轉移方案。

5平臺應用示范

近年來，在長江委大力支持下，長江設計集團有限公司依托水利規(guī)劃專業(yè)優(yōu)勢，緊緊圍繞水文預報、水庫調度、水量調度等核心業(yè)務應用，集中力量開展長江流域水工程智能調度平臺研發(fā)工作。基于此，以水利業(yè)務與信息技術融合研發(fā)為核心，圍繞多個領域，針對不同的業(yè)務需求，相應定制化提出了高品質的智慧水利專業(yè)應用解決方案，打造了一批具備高效支撐能力的水利專業(yè)應用系統(tǒng)軟件產品。先后完成了長江流域水工程防災聯(lián)合調度系統(tǒng)、潘-大水庫預報調度一體化系統(tǒng)、水庫群智能調度云服務系統(tǒng)平臺開發(fā)與示范、超標準洪水調度決策支持系統(tǒng)集成與示范應用等項目。

（1） 長江流域水工程防災聯(lián)合調度示范系統(tǒng)。

建設了以長江為示范的流域水工程防災聯(lián)合調度平臺，打造了業(yè)務系統(tǒng)和三維決策輔助系統(tǒng)為載體的二三維一體化產品，在長江流域1954洪水演練和2020年防洪調度中進行了實踐檢驗[8]，多項工程調度與決策技術入選水利部水利先進實用技術重點推廣指導目錄（見圖11）。

（2） 潘-大水庫預報調度一體化系統(tǒng)。

為灤河流域引灤工程管理局建設了潘-大水庫預報調度一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)灤河一張圖、氣象降雨解析、洪水預報、防洪調度、防洪形勢分析、會商決策等系統(tǒng)功能，使水庫預報與防洪調度信息有效融合，延長洪水預見期，為流域內潘家口、大黑汀兩座水庫的實時預報調度和聯(lián)合運行管理提供決策支持系統(tǒng)支撐（見圖12）。

（3） 漢江流域預報調度系統(tǒng)。

為漢江集團建設漢江流域預報調度系統(tǒng)，范圍覆蓋漢江流域數(shù)十個預報斷面與所有重要控制性水庫工程，并提供預報調度一體化支撐，拓展了原單位預報調度業(yè)務計算范圍，并且支撐各類計算參數(shù)調節(jié)、成果交互模擬等深度專業(yè)計算分析，為流域工程運行管理單位實現(xiàn)精細化預報調度分析、提升工程運行管理效果提供全面支撐（見圖13）。

6結 語

長江流域水工程智能調度平臺密切結合流域機構和生產單位的調度管理需要，加強長江流域水工程調度業(yè)務與信息技術的深度融合，在水工程調度規(guī)則庫、水工程多目標優(yōu)化調度、數(shù)字孿生仿真模擬、多組合敏捷化平臺構建等方面開展技術攻關，并基于智慧水利總體架構，立足自主研發(fā)和高度商業(yè)化，構建了物理流域的數(shù)字化映射，建設了以水工程調度規(guī)則庫為核心的知識庫。通過數(shù)字賦能實現(xiàn)水工程智慧防災應用，實現(xiàn)流域預報、預警、預演、預案“四預”功能，并利用大數(shù)據(jù)技術進一步挖掘數(shù)據(jù)價值，提升系統(tǒng)信息分析智能水平，實現(xiàn)長江流域水工程三維可視化綜合調度。上述成果在漢江流域、嫩江流域、沂沭泗流域等多地也進行了示范應用。下一步將在防洪減災的基礎上，進一步拓展至水資源調度，不斷完善長江流域水工程智能調度平臺的建設。

參考文獻：

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[4]劉漢宇.國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設與成就[J].中國防汛抗旱，2019，29（10）：30-35.

[5]黃艷.流域水工程智慧調度實踐與思考[J].中國防汛抗旱，2019，29（5）：15-16.

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[7]唐海華，羅斌，周超，等.水利專業(yè)應用系統(tǒng)可組態(tài)開發(fā)模式分析[C]∥中國水利學會2016學術年會論文集（上冊），2016：613-618.

[8]黃艷.長江流域水工程聯(lián)合調度方案的實踐與思考：2020年防洪調度[J].人民長江，2020，51（12）：116-128，134.

（編輯：謝玲嫻）