吳永妍，陳曉楠，陳根發(fā)，段文剛，黃會(huì)勇，馮志勇

(1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，430010，武漢；2.中國南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司，100038，北京；3.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；4.長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院，430010，武漢)

一、研究背景

南水北調(diào)中線工程是國家水網(wǎng)的重要組成部分，事關(guān)戰(zhàn)略全局、事關(guān)長遠(yuǎn)發(fā)展、事關(guān)人民福祉。根據(jù)《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃（2002年）》，到2050年南水北調(diào)工程多年平均年調(diào)水規(guī)模448億m3，其中中線工程調(diào)水規(guī)模130億m3，分兩期實(shí)施，先期實(shí)施的中線一期工程多年平均年調(diào)水量95億m3，供水范圍涉及京津冀豫。中線工程以明渠為主，跨越江淮黃海四大流域，全長1432 km，沿線布置各類建筑物2385座，渠首設(shè)計(jì)流量350 m3s，加大流量420 m3s。工程2014 年12 月12日建成通水以來，調(diào)水量不斷增加，截至2023年11月13 日，累計(jì)調(diào)水超600 億m3，其中向北方河流生態(tài)補(bǔ)水約95億m3，京津冀豫四省份直接受益人口超過1.08億，發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益和生態(tài)效益。

進(jìn)入新階段，水利部提出加快構(gòu)建具有“四預(yù)”功能的智慧水利體系。2023 年5 月25 日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《國家水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃綱要》明確提出了“提升水網(wǎng)調(diào)度管理智能化水平”的要求。南水北調(diào)工程作為國家水網(wǎng)的重要組成部分，已被列入水利部重點(diǎn)推進(jìn)的11項(xiàng)數(shù)字孿生水利工程之一。實(shí)施南水北調(diào)中線工程智慧調(diào)度，對(duì)國家水網(wǎng)重大工程智慧調(diào)度管理實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義。南水北調(diào)中線工程智慧調(diào)度應(yīng)結(jié)合中線通水以來的運(yùn)行條件變化和新任務(wù)，針對(duì)新形勢(shì)下中線工程調(diào)度的特點(diǎn)及難點(diǎn)，考慮中線后續(xù)高質(zhì)量發(fā)展需求和任務(wù)，開展針對(duì)性部署研究。

1.中線工程通水運(yùn)行條件變化和新任務(wù)

中線工程通水運(yùn)行9年多以來，受水區(qū)、水源區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，水資源條件也發(fā)生變化，運(yùn)行的外部條件面臨著較大變化，工程調(diào)度面臨著新任務(wù)，主要包括以下四點(diǎn)。

（1）供水范圍和供水對(duì)象進(jìn)一步拓展

隨著京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施和城鄉(xiāng)供水一體化工作推進(jìn)，南水北調(diào)中線一期工程實(shí)際供水范圍在原規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上有所擴(kuò)大，目前已通水的擴(kuò)大范圍涉及河南省13個(gè)縣級(jí)行政區(qū)、河北省12個(gè)縣級(jí)行政區(qū)。

（2）供水安全保障要求進(jìn)一步提升

在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，中線一期工程的定位是受水區(qū)的補(bǔ)充水源。近年來，受水區(qū)各省份在實(shí)際調(diào)度運(yùn)用過程中將水質(zhì)優(yōu)良的北調(diào)水主要用于城市生活供水，中線北調(diào)水在受水區(qū)城市供水中的比例逐年增加，甚至部分城市供水全部使用中線北調(diào)水。例如，中線一期工程承擔(dān)了受水區(qū)鄭州、北京、天津、石家莊等城市主城區(qū)70%以上的供水量。

（3）多次實(shí)施渠首超設(shè)計(jì)流量運(yùn)行工作

新形勢(shì)下，中線工程除盡可能充分滿足用水戶需求外，還肩負(fù)著擇機(jī)進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水的重任。2020年至今，中線總干渠多次實(shí)施陶岔渠首超設(shè)計(jì)流量運(yùn)行工作。例如，2022年5月1日至6月28日，結(jié)合丹江口水庫上游來水情況和地方需求，中線工程開展了渠首超設(shè)計(jì)流量的大流量輸水工作，這期間陶岔最大入渠流量為400 m3s，累計(jì)供水18.89 億m3，其中，口門供水11.92億m3，生態(tài)補(bǔ)水6.97億m3。總干渠大流量輸水時(shí)，沿線渠道運(yùn)行水位高，調(diào)蓄空間和容錯(cuò)能力降低，部分退水閘參與正常調(diào)度。

（4）后續(xù)工程建成后輸水條件將大幅度改變

中線后續(xù)水源工程——引江補(bǔ)漢工程建成通水后，中線工程多年平均年北調(diào)水量將達(dá)到115.1億m3，屆時(shí)中線總干渠大流量輸水時(shí)段將大幅度延長，各段超設(shè)計(jì)流量運(yùn)行時(shí)段占總時(shí)段的比例將由原規(guī)劃的10%左右增加至60%以上，輸水工程長年以高水位運(yùn)行，沿線節(jié)制閘幾乎喪失調(diào)控能力，總干渠的運(yùn)行調(diào)度靈活性大幅度下降，現(xiàn)有的總干渠調(diào)度控制方式將不再適用。

2.新形勢(shì)下中線工程調(diào)度的特點(diǎn)及難點(diǎn)

新形勢(shì)下，南水北調(diào)中線工程是一個(gè)多用水對(duì)象、多調(diào)控目標(biāo)、多輸水場(chǎng)景的復(fù)雜調(diào)水系統(tǒng)，調(diào)度具有以下特點(diǎn)及難點(diǎn)。

（1）多用水對(duì)象

中線工程向沿線京津冀豫14座大中型城市的217個(gè)區(qū)縣供應(yīng)生活、生產(chǎn)用水。隨著生態(tài)文明建設(shè)推進(jìn)，中線工程的生態(tài)補(bǔ)水量逐年增加。生活、生產(chǎn)、生態(tài)“三生”對(duì)象用水需求表現(xiàn)出顯著的時(shí)空博弈特征。與此同時(shí)，中線水源供水不穩(wěn)定，丹江口水庫來水不均，年際變化較大，當(dāng)漢江遭遇特枯年份或連續(xù)枯水年，丹江口水庫可調(diào)水量偏少，調(diào)配能力較弱，中線可供水量的穩(wěn)定性存在一定風(fēng)險(xiǎn)。中線一期工程水源供水保障能力與受水區(qū)人民群眾對(duì)優(yōu)質(zhì)水源穩(wěn)定供給需求存在矛盾，多用水對(duì)象均衡調(diào)配難度大。

（2）多調(diào)控目標(biāo)

中線輸水系統(tǒng)水力調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題，要統(tǒng)籌考慮對(duì)用水戶需求的響應(yīng)時(shí)間、沿線水位波動(dòng)幅度、閘門操作頻次等要素，對(duì)大流量輸水過程還要特別考慮達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的過渡時(shí)間、流量變化控制范圍等因素。大規(guī)模串聯(lián)系統(tǒng)調(diào)控動(dòng)作與水力響應(yīng)間存在強(qiáng)滯后性，加上中線工程沿線無在線調(diào)蓄水庫、渠段本身蓄量有限，輸水系統(tǒng)調(diào)控響應(yīng)速度與水流穩(wěn)定性、局部快速響應(yīng)與系統(tǒng)整體穩(wěn)定性、控制精度與閘門調(diào)整頻次等多調(diào)控目標(biāo)協(xié)同難度大。

（3）多輸水場(chǎng)景

中線工程運(yùn)行工況復(fù)雜，全年度輸水過程中，要經(jīng)歷冬季冰期輸水、不斷水檢修、超設(shè)計(jì)流量輸水等特殊調(diào)度過程，還可能面臨各種突發(fā)事件下的應(yīng)急調(diào)度場(chǎng)景。從調(diào)度目標(biāo)上講，不僅存在各類分水流量發(fā)生變化的工況，還經(jīng)常出現(xiàn)按照用戶需要調(diào)整渠道水位的工況需求，即要完成供水流量調(diào)整、目標(biāo)水位調(diào)整、流量和水位同時(shí)調(diào)整等場(chǎng)景。不同輸水場(chǎng)景下的控制約束條件、控制手段等均存在顯著差異，場(chǎng)景轉(zhuǎn)化時(shí)，輸水平穩(wěn)調(diào)控難度大。例如，已開展的中線工程大流量輸水實(shí)踐表明，目前總干渠超設(shè)計(jì)流量輸水等情況下存在水流不穩(wěn)的現(xiàn)象。

3.數(shù)字孿生中線工程提出的智慧調(diào)度要求

數(shù)字孿生賦能調(diào)度管理是水利高質(zhì)量發(fā)展的重要手段，對(duì)智慧化治理具有重要意義。按照水利部推進(jìn)數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生工程建設(shè)的總體部署，中線工程積極推進(jìn)數(shù)字孿生建設(shè)工作。數(shù)字孿生南水北調(diào)中線工程建設(shè)以確保工程安全、供水安全、水質(zhì)安全為原則，以提升工程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，強(qiáng)化預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能為核心目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)為工程安全運(yùn)行和精準(zhǔn)調(diào)度提供智慧化決策支持。

中線工程智慧調(diào)度的重點(diǎn)任務(wù)是充分運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，根據(jù)調(diào)度業(yè)務(wù)需求，深度融合水利專業(yè)知識(shí)，升級(jí)監(jiān)測(cè)感知、模擬推演、智能預(yù)警、實(shí)時(shí)調(diào)控功能，完善智慧調(diào)度平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的智能調(diào)度。

4.已有研究尚存在不足

目前，國內(nèi)外對(duì)跨流域調(diào)水工程水資源調(diào)配、輸水控制基礎(chǔ)理論與應(yīng)用方面開展了大量研究，已取得了不少成果。在新形勢(shì)下，已有研究成果應(yīng)用于中線工程調(diào)度仍存在不足，主要包括以下四方面。

（1）水量調(diào)配方面

目前研究已從單區(qū)域尺度調(diào)配發(fā)展到跨區(qū)域調(diào)配，再到跨流域大系統(tǒng)調(diào)配，引入復(fù)雜性適應(yīng)性理論、多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)分析、人工智能算法等不同分析方法，考慮多水源、多用戶、多階段、多目標(biāo)、多決策主體，但理論研究轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用仍有不足。目前，在中線實(shí)時(shí)水量調(diào)度過程中，水源區(qū)與受水區(qū)水量調(diào)配相對(duì)獨(dú)立，尚未統(tǒng)籌水源水庫和受水區(qū)各調(diào)蓄水庫來水情況進(jìn)行水量均衡調(diào)配，對(duì)用水戶需求僅考慮到分水口門，與水量精細(xì)化分配要求存在差距。

（2）輸水控制方面

研究發(fā)展經(jīng)歷了經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制、智能控制3個(gè)主要階段，分別以比例微分積分控制算法、線性二次最優(yōu)算法及模型預(yù)測(cè)控制算法為代表。中線工程輸水距離長，取水口門多，受外部不確定干擾多；沿線明渠糙率、輸水損失等水力參數(shù)存在不確定性，加上測(cè)流誤差、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算偏差等因素影響，現(xiàn)有水力調(diào)控方法應(yīng)用到實(shí)踐中存在控制參數(shù)難以整定、控制精準(zhǔn)度不足、調(diào)節(jié)頻次高、容錯(cuò)率低等弊端。目前中線工程采取以人工分析水情為主結(jié)合閘門遠(yuǎn)程操控的模式，智能化調(diào)度程度仍有不足。引入多水源條件下，中線工程調(diào)度將成為多輸入、多輸出、多目標(biāo)、多工況的復(fù)雜大系統(tǒng)，現(xiàn)有調(diào)度模型的性能和求解速度難以滿足實(shí)時(shí)調(diào)度要求。

（3）應(yīng)急調(diào)度方面

目前可實(shí)現(xiàn)不同類型突發(fā)事件的快速安全處置，但缺乏實(shí)用的事故安全風(fēng)險(xiǎn)自主識(shí)別技術(shù)，不能對(duì)事故主動(dòng)精準(zhǔn)預(yù)警；應(yīng)急調(diào)度多采用預(yù)案匹配方式，尚不能在模擬分析事故影響基礎(chǔ)上，考慮多水源條件、不同對(duì)象供水保障要求差異性等，針對(duì)性生成應(yīng)急調(diào)度響應(yīng)策略。

（4）現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)方面

中線工程現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)側(cè)重于調(diào)度管理、信息展示、輔助分析，功能性、通用性、拓展性無法適應(yīng)后續(xù)工程條件變化和數(shù)字孿生建設(shè)要求，需升級(jí)完善形成與“四預(yù)”功能業(yè)務(wù)深度融合的智能決策支持平臺(tái)，直接支撐中線工程智慧調(diào)度實(shí)踐。

5.未來研究趨勢(shì)

總體來講，國內(nèi)外圍繞調(diào)水工程水量調(diào)度及輸水控制的研究已經(jīng)有了比較長的歷史，基于最新研究進(jìn)展及工程調(diào)度實(shí)踐需求，主要呈現(xiàn)以下3 個(gè)方面的未來發(fā)展趨勢(shì)。

（1）水量調(diào)配方面

采用系統(tǒng)思維，深入研究多水源與“三生”多用水對(duì)象的復(fù)雜互饋機(jī)理，揭示水資源均衡的內(nèi)涵；增強(qiáng)水資源配置方案和實(shí)時(shí)水量調(diào)度方案的耦合與嵌套，實(shí)現(xiàn)多水源實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度。

（2）水力調(diào)控方面

在傳統(tǒng)數(shù)理機(jī)理基礎(chǔ)上，融合人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，考慮輸水系統(tǒng)與水源耦合機(jī)制，以及實(shí)際運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的復(fù)雜調(diào)度場(chǎng)景，提出精細(xì)化的智慧調(diào)控技術(shù)體系。

（3）調(diào)度管理方面

提高調(diào)度決策支持平臺(tái)的響應(yīng)速度和底層模型耦合精度，構(gòu)建實(shí)用的智慧調(diào)度決策支持平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從信息化管理向智慧化管理的質(zhì)的飛躍。

二、智慧調(diào)度關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題

1.復(fù)雜調(diào)水系統(tǒng)多水源多用戶聯(lián)動(dòng)互饋機(jī)制

針對(duì)復(fù)雜調(diào)水系統(tǒng)水資源均衡調(diào)配的通用定量描述方法缺乏問題，以及多水源難協(xié)同、多用水對(duì)象用水競(jìng)爭(zhēng)難協(xié)調(diào)的問題，闡明水資源均衡態(tài)的內(nèi)涵認(rèn)知和度量方法，揭示復(fù)雜調(diào)水系統(tǒng)多水源-多對(duì)象用水效益轉(zhuǎn)化機(jī)制，識(shí)別復(fù)雜水系統(tǒng)均衡態(tài)的主要影響因子、關(guān)鍵表征指標(biāo)及耦合互饋關(guān)系，解析多水源多用戶水資源均衡機(jī)制，提出“三生”多用水對(duì)象的用水競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)方法，為提升復(fù)雜調(diào)水系統(tǒng)利用效率提供科學(xué)基礎(chǔ)。

2.多水源時(shí)空均衡與多用戶雙層博弈的水量實(shí)時(shí)調(diào)配技術(shù)

中線水量調(diào)度以丹江口水庫蓄水、來水和各口門上報(bào)的靜態(tài)數(shù)據(jù)為依據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)配能力不足。針對(duì)這一問題，融合復(fù)雜因子驅(qū)動(dòng)下的供需雙側(cè)水量精細(xì)化預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，研發(fā)多水源時(shí)空均衡與多用戶雙層博弈水量實(shí)時(shí)調(diào)配技術(shù)，開發(fā)多水源多用戶水量實(shí)時(shí)調(diào)配模型，并對(duì)模型高效求解，為輸水調(diào)控提供依據(jù)。

3.中線工程多場(chǎng)景輸水智慧調(diào)控技術(shù)

中線工程目前輸水調(diào)度主要依據(jù)人工先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定閘門調(diào)整的范圍、數(shù)量、幅度和頻次，復(fù)雜場(chǎng)景下難以兼顧不同水力調(diào)控目標(biāo)，亟須突破創(chuàng)新智慧調(diào)控技術(shù)。中線工程輸水系統(tǒng)中閘群各控制動(dòng)作耦合性強(qiáng)，各種輸水場(chǎng)景的控制手段、約束條件、調(diào)控策略等差異顯著，已有的機(jī)理控制模型通常適用于中線工程部分場(chǎng)景，超出既定場(chǎng)景范疇時(shí)，調(diào)控精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性不足。目前，自適應(yīng)控制算法逐步應(yīng)用于輸水系統(tǒng)控制研究，但采取的近似手段有一定局限性，難以在南水北調(diào)中線工程這樣的大型調(diào)水工程中應(yīng)用。智能技術(shù)和自適應(yīng)控制的結(jié)合可作為解決方案之一，以提高自適應(yīng)控制的決策能力，但機(jī)理控制和智能技術(shù)融合的方式復(fù)雜多樣，目前在智慧調(diào)控中研究應(yīng)用有待突破，亟須構(gòu)建機(jī)理-數(shù)據(jù)融合的智慧調(diào)控技術(shù)和模型，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景精準(zhǔn)調(diào)控。

4.中線工程事故預(yù)警溯源與應(yīng)急控制技術(shù)

中線工程總干渠輸水線路長，沿線穿越眾多河流和公路橋梁，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)源眾多，極端暴雨洪水、渠道滑坡、污染物入渠、設(shè)備故障、泵站停機(jī)等可能突發(fā)事故類型多，誘發(fā)因子差異大，部分事故突發(fā)性強(qiáng)且致災(zāi)機(jī)制尚不明確，現(xiàn)有模型和算法難以及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)事故進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警。總干渠沿線布置各類閘站215座，一旦發(fā)生事故，在控制事故蔓延過程中可能帶來退水量偏多、部分重要用水戶供水需求無法充分保障、水位降速過快導(dǎo)致襯砌板破壞等不利影響，閘群精細(xì)應(yīng)急調(diào)控技術(shù)有待突破。亟須研發(fā)中線事故智能預(yù)警-精準(zhǔn)溯源-精細(xì)控制的成套技術(shù)體系，提高事故預(yù)警準(zhǔn)確率和防控經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)全方位安全保障。

5.多模型高效集成與復(fù)用技術(shù)

中線調(diào)度決策體系集水量預(yù)報(bào)、事故預(yù)警、過程預(yù)演、調(diào)度預(yù)案生成功能于一體，需要集成各相關(guān)專業(yè)模型，模型數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，依賴程度高，且不同場(chǎng)景需要多個(gè)不同類型的模型協(xié)作完成計(jì)算任務(wù)。中線工程對(duì)調(diào)度響應(yīng)及時(shí)性要求高，需要開展多源異構(gòu)模型的高效集成與復(fù)用技術(shù)研究，形成標(biāo)準(zhǔn)化、通用化模型服務(wù)，建立事件驅(qū)動(dòng)的模型調(diào)用鏈，實(shí)現(xiàn)模型自主適配、靈活組裝和高效復(fù)用，滿足中線調(diào)度智能響應(yīng)需求。

三、智慧調(diào)度總體思路與重點(diǎn)研究內(nèi)容

1.總體思路

融合水文學(xué)及水資源學(xué)、水力學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、原型觀測(cè)、理論分析、數(shù)值仿真、工程示范等多種手段，在創(chuàng)新復(fù)雜調(diào)水系統(tǒng)多水源均衡調(diào)配方法基礎(chǔ)上，突破中線工程智慧調(diào)控的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。以已部署的中線水量調(diào)度系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建智慧調(diào)度決策支持平臺(tái)，并在應(yīng)用中逐步迭代更新。

2.重點(diǎn)研究內(nèi)容

（1）復(fù)雜調(diào)水系統(tǒng)多水源多用水對(duì)象水資源均衡調(diào)配

在理論方法層面，在傳統(tǒng)的“水量-水質(zhì)-水生態(tài)”一體化水資源調(diào)配理論基礎(chǔ)上，從水系統(tǒng)收支均衡、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展均衡、生態(tài)環(huán)境負(fù)荷均衡等方面構(gòu)建“多維一體”的水資源均衡態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)范式，闡明水資源均衡態(tài)的內(nèi)涵認(rèn)知和度量方法，形成復(fù)雜調(diào)水系統(tǒng)水資源均衡調(diào)配方法。以構(gòu)建多水源多用戶供需關(guān)系雙向拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以二元水循環(huán)模擬方法解析不同水源來水和用戶用水的時(shí)空互饋關(guān)系，揭示“三生”用水對(duì)象間用水效益協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)化關(guān)系，探究“三生”用水對(duì)象博弈均衡的水量分配方法。

在關(guān)鍵技術(shù)層面，分析水網(wǎng)格局變化下水源區(qū)來水變化規(guī)律、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展下受水區(qū)用水變化規(guī)律，研究復(fù)雜因子驅(qū)動(dòng)下的供需雙側(cè)水量精細(xì)化實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)方法；針對(duì)中線水量調(diào)度以丹江口水庫蓄水、來水和各口門上報(bào)的靜態(tài)數(shù)據(jù)為主的問題，研發(fā)多水源時(shí)空均衡與多用戶雙層博弈的水量實(shí)時(shí)調(diào)配技術(shù)，開發(fā)多水源多用戶水量實(shí)時(shí)調(diào)配模型，并提出優(yōu)化求解方法。

（2）中線工程多場(chǎng)景輸水智慧調(diào)控技術(shù)

在智慧化模擬方面，研發(fā)中線工程復(fù)雜調(diào)度過程的智能高效預(yù)演技術(shù)，快速生成閘群調(diào)控后水流變化過程，支撐調(diào)度方案優(yōu)選。構(gòu)建南水北調(diào)中線工程全線范圍的數(shù)值仿真模型，推演大量輸水場(chǎng)景下的水動(dòng)力響應(yīng)過程，并作為先驗(yàn)知識(shí)；綜合采用仿真數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)調(diào)度數(shù)據(jù)，通過機(jī)理分析、數(shù)據(jù)挖掘等途徑，定量刻畫閘群調(diào)控后的水流運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，形成數(shù)值模擬和AI技術(shù)結(jié)合的輸水調(diào)度過程高效預(yù)演技術(shù)，為調(diào)控策略實(shí)施效果分析提供基礎(chǔ)。

在智慧化決策方面，首先，針對(duì)中線工程目前在超設(shè)計(jì)流量輸水工況下的水流不平穩(wěn)問題，攻克大流量輸水閘群協(xié)同平穩(wěn)控制技術(shù)。研究測(cè)流誤差、監(jiān)測(cè)設(shè)備故障、斷電跳變等不確定擾動(dòng)下的中線總干渠各渠段的目標(biāo)水位區(qū)間，提出中線工程超設(shè)計(jì)流量輸水場(chǎng)景下的運(yùn)行控制方式，提出參控建筑物的安全調(diào)整閾值，提出超設(shè)計(jì)流量輸水場(chǎng)景下、多口門需求調(diào)整等任務(wù)下的閘群協(xié)同控制策略和控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)大流量輸水過程整體調(diào)控效果最優(yōu)。然后，分輸水時(shí)段、空間位置、調(diào)度任務(wù)多場(chǎng)景，創(chuàng)新多輸水場(chǎng)景精細(xì)化智慧調(diào)控技術(shù)?；谥芯€總干渠水動(dòng)力響應(yīng)關(guān)系，提出輸水場(chǎng)景主動(dòng)識(shí)別方法；系統(tǒng)分析中線一期工程通水以來的輸水調(diào)度指令及工程運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)各輸水場(chǎng)景下的歷史調(diào)度方案，建立閘群調(diào)控經(jīng)驗(yàn)策略與水工雨情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，構(gòu)建中線總干渠輸水調(diào)度知識(shí)圖譜；研究適用于中線工程輸水調(diào)度機(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法的高效可靠融合方式，構(gòu)建機(jī)理和經(jīng)驗(yàn)融合的輸水控制規(guī)則庫。最后，研究提出具有時(shí)變特征的水力參數(shù)在線校正技術(shù)（水力參數(shù)包括渠道綜合糙率、閘門流量系數(shù)、輸水損失系數(shù)等），提出輸水系統(tǒng)控制器參數(shù)的自適應(yīng)優(yōu)化方法，建立運(yùn)行數(shù)據(jù)-輸水場(chǎng)景-控制策略-控制參數(shù)的匹配關(guān)系。研究不同輸水場(chǎng)景下運(yùn)行控制方式的協(xié)調(diào)性，優(yōu)化中線工程不同輸水場(chǎng)景間調(diào)度方案的切換邊界，研發(fā)融合機(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法的中線工程多場(chǎng)景輸水智慧調(diào)控模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)度。

（3）多因子驅(qū)動(dòng)的中線輸水系統(tǒng)事故智能預(yù)警與精細(xì)控制技術(shù)

首先，基于目前已開展的各項(xiàng)南水北調(diào)中線工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估成果，梳理中線工程運(yùn)行調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)源，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因子，建立典型風(fēng)險(xiǎn)事故案例庫；耦合多源信息數(shù)據(jù)，采用敏感性分析、信號(hào)模態(tài)分解、案例推理、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等方法，分析事故關(guān)鍵參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系機(jī)制，揭示中線輸水系統(tǒng)事故誘發(fā)因子耦合聯(lián)系機(jī)制；識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)事故關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因子，并判定安全閾值，研發(fā)多因子驅(qū)動(dòng)的中線輸水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)事故快速預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)和模型。

其次，分析中線輸水系統(tǒng)多水源與總干渠之間的拓?fù)潢P(guān)系和應(yīng)急供水能力，考慮各水源的供水能力、調(diào)節(jié)特性、總干渠輸水條件等因素，根據(jù)突發(fā)事故類型和發(fā)生部位，確定多水源聯(lián)合應(yīng)急水量調(diào)度方案。在應(yīng)急水量輸出指導(dǎo)下，研究考慮實(shí)時(shí)水動(dòng)力條件、總干渠分區(qū)、事故分類分級(jí)的應(yīng)急精細(xì)控制技術(shù)，研發(fā)中線輸水系統(tǒng)突發(fā)事故下的多目標(biāo)優(yōu)化應(yīng)急調(diào)度模型。

最后，綜合形成多因子驅(qū)動(dòng)的中線輸水系統(tǒng)事故智能預(yù)警與精細(xì)控制成套技術(shù)，構(gòu)建應(yīng)急調(diào)度預(yù)案知識(shí)庫，實(shí)現(xiàn)全天候、全方位的供水安全保障。

（4）中線工程智慧調(diào)度決策支持平臺(tái)

針對(duì)中線調(diào)度監(jiān)測(cè)站網(wǎng)覆蓋不充分、監(jiān)測(cè)智能化程度不高，對(duì)采集數(shù)據(jù)的清洗和融合不足，無法支撐精細(xì)精準(zhǔn)化調(diào)度業(yè)務(wù)需求的問題，開展水情監(jiān)測(cè)感知站網(wǎng)優(yōu)化和多源數(shù)據(jù)融合質(zhì)控研究。開展中線現(xiàn)有流量計(jì)安裝位置合理性評(píng)估，研究提出水情監(jiān)測(cè)設(shè)施布置優(yōu)化方案，提升水情監(jiān)測(cè)時(shí)空精細(xì)化程度；研究北斗、遙感影像、無人機(jī)等新型監(jiān)測(cè)手段，人工智能等新技術(shù)，以及接觸式與非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的多維感知方式在中線工程的應(yīng)用，提出空天地一體化智能監(jiān)測(cè)感知體系建設(shè)方案。提出調(diào)度數(shù)據(jù)圖譜構(gòu)建方法，建立不同監(jiān)測(cè)方式獲得的數(shù)據(jù)之間的復(fù)雜關(guān)系，高效整合來自不同數(shù)據(jù)源的信息；提出多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)校正方法和集成管理方法。

制定統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，采用組件化、微服務(wù)技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，形成通用模型服務(wù)供第三方調(diào)用。解析模型間關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立基于事件驅(qū)動(dòng)的模型調(diào)用鏈；研發(fā)模型的插拔式高效復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多模型靈活組裝和自主適配。研發(fā)高維信息可視化、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)，開發(fā)調(diào)度業(yè)務(wù)化模塊與調(diào)度模型高效管理方式，研發(fā)深度融合各項(xiàng)業(yè)務(wù)功能的中線工程智慧調(diào)度決策支持平臺(tái)。在平臺(tái)應(yīng)用過程中，對(duì)各項(xiàng)功能不斷迭代升級(jí)，支撐高效決策實(shí)踐。

四、結(jié)論與展望

南水北調(diào)中線工程是緩解我國北方地區(qū)水資源短缺的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，是國家水網(wǎng)的重要組成部分。進(jìn)入新發(fā)展階段，智慧水利建設(shè)是新時(shí)期治水的必然選擇。南水北調(diào)中線工程智慧調(diào)度是支撐中線工程高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。本文結(jié)合南水北調(diào)中線工程調(diào)度實(shí)際和后續(xù)高質(zhì)量發(fā)展需求，以提升中線工程供水保障程度與智慧調(diào)控水平為總目標(biāo)，從水量調(diào)度、水力調(diào)控、調(diào)度系統(tǒng)等方面對(duì)中線調(diào)度關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行分析，提出要在研究復(fù)雜調(diào)水系統(tǒng)多水源多用戶水資源均衡調(diào)配方法基礎(chǔ)上，研發(fā)復(fù)雜調(diào)水系統(tǒng)水資源實(shí)時(shí)調(diào)配技術(shù)、中線輸水系統(tǒng)事故快速預(yù)測(cè)-精準(zhǔn)溯源-精細(xì)控制技術(shù)體系、中線工程多場(chǎng)景輸水智慧調(diào)控技術(shù)和專業(yè)模型，構(gòu)建深度融合“四預(yù)”功能的決策支持平臺(tái)，形成中線工程調(diào)度的科學(xué)決策管理模式，為國家水網(wǎng)重大工程智慧調(diào)度管理提供科學(xué)應(yīng)用范式。