“都江堰渠首樞紐閘群智能聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)”初探

冉 毅

(四川省都江堰管理局,四川 都江堰 611830)

1 都江堰信息化建設(shè)的背景

建于公元前 256年的都江堰水利樞紐工程歷經(jīng)兩千多年的歷史滄桑而經(jīng)久不衰,至今仍在發(fā)揮著巨大效益,造福人民,成為古代水利工程中留存至今、永續(xù)利用的光輝典范。建立“都江堰渠首樞紐閘群智能聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)”,實(shí)現(xiàn)都江堰渠首樞紐水資源的優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度和防洪調(diào)度的優(yōu)化決策指揮,抓住了都江堰水資源管理的核心和龍頭,對(duì)帶動(dòng)整個(gè)都江堰灌區(qū)水資源優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度方法的研究和實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

2 渠首樞紐現(xiàn)狀

都江堰渠首樞紐工程位于都江堰市城西,距成都市區(qū) 60 km。工程修建在岷江上游出山口與成都平原扇形的頂端,海拔 727 m,為全灌區(qū)的制高點(diǎn)。岷江水經(jīng)渠首樞紐引入灌區(qū),居高臨下,設(shè)計(jì)灌溉成都平原及川中丘陵灌區(qū)農(nóng)田 1 186.40萬(wàn)畝(1 hm2=15畝),終期將達(dá)到 1 500萬(wàn)畝。

都江堰渠首樞紐工程主要由魚嘴、寶瓶口和飛沙堰三大主體工程和百丈堤、二王廟順?biāo)〉容o助工程組成。1949年以來(lái),隨著都江堰灌區(qū)的不斷發(fā)展,在渠首樞紐原有工程基礎(chǔ)上相繼修建了外江閘、沙黑總河閘、飛沙堰工業(yè)攔水閘以及六大干渠分水節(jié)制閘等配套工程,與都江堰三大工程相互配合運(yùn)行,更加充分合理地利用岷江水源,滿足都江堰灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和城市生活用水不斷增長(zhǎng)的需要。目前灌區(qū)實(shí)灌面積已經(jīng)達(dá)到了1 030萬(wàn)畝。

3 渠首樞紐信息化現(xiàn)狀

1998年至今,根據(jù)都江堰灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃實(shí)施項(xiàng)目安排,都江堰渠首先后完成了內(nèi)江走馬河等四大干渠首段(都江堰市城區(qū)段)2.983 km河道整治;內(nèi)江仰天窩閘、蒲柏閘、走江閘、工業(yè)引水渠尾水閘、溝通道進(jìn)、出口閘和相關(guān)三個(gè)干渠水文測(cè)站的更新改造。在灌區(qū)水利信息化建設(shè)中,渠首樞紐已完成了:(1)信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè);(2)內(nèi)江閘群自控及渠道樞紐圖像監(jiān)視系統(tǒng);(3)渠首岷江來(lái)水、內(nèi)江總干渠水量及六大干渠水位流量情況的實(shí)時(shí)采集;(4)渠首內(nèi)江總干渠水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。外江閘群的自動(dòng)化系統(tǒng)也基本建設(shè)完成。

以上系統(tǒng)的改造和建成,在一定程度上提高了工程安全運(yùn)行和水資源的優(yōu)化配置,但從當(dāng)前的水資源調(diào)度要求看,整個(gè)渠首樞紐信息化系統(tǒng)的建設(shè)起點(diǎn)較低,出現(xiàn)了落后和反應(yīng)慢的趨勢(shì),已不適應(yīng)灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展對(duì)水量調(diào)度的要求,急需對(duì)其進(jìn)行技術(shù)更新、改造、完善。

4 系統(tǒng)技術(shù)路線

都江堰渠首樞紐由內(nèi)江片區(qū)閘群和外江片區(qū)閘群組成,經(jīng)過(guò)信息化第一階段的建設(shè),光纖網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了整個(gè)渠首范圍,所有閘房都完成了自動(dòng)化改造,依托基于 PLC的閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)和光纖網(wǎng)絡(luò),可以在管理站、渠首管理處調(diào)度分中心和管理局調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)閘門的本地/集中/遠(yuǎn)程控制;在重點(diǎn)斷面、分水閘房上下游等部位設(shè)置了信息采集裝置,整個(gè)岷江上游來(lái)水和六大干渠水資源調(diào)配信息能夠充分獲取;建設(shè)了比較完善的視頻監(jiān)控系統(tǒng),渠首外江片區(qū)與內(nèi)江片區(qū)所有閘門啟閉狀況及部分閘房上下游河道堤防和水流的實(shí)時(shí)圖像通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)可以傳送至各級(jí)調(diào)度控制中心;基本實(shí)現(xiàn)了渠首樞紐信息數(shù)字化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化和部分調(diào)度自動(dòng)化,從而為實(shí)施“都江堰渠首樞紐閘群智能聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)”、構(gòu)建渠首樞紐水資源優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度與防洪調(diào)度決策指揮系統(tǒng)提供了技術(shù)保障。

然而,水資源優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度是一個(gè)具有極高難度的研究課題,更何況都江堰渠首樞紐關(guān)聯(lián)著六大干渠,供水范圍涉及 37個(gè)縣(市 /區(qū))、6個(gè)地級(jí)市和一個(gè)特大中心城市,灌溉面積達(dá)上千萬(wàn)畝,擔(dān)負(fù)著成都平原經(jīng)濟(jì)圈的生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和環(huán)保用水。如此復(fù)雜的多任務(wù)、多目標(biāo)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)過(guò)程的協(xié)調(diào)優(yōu)化,既有大量理論與方法層面的研究課題,又有若干技術(shù)與工程實(shí)施層面的問(wèn)題,需要進(jìn)行艱苦的理論創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新。

核心的困難是面對(duì)如此復(fù)雜的對(duì)象建模和問(wèn)題求解。精確建立描述變量之間關(guān)系的數(shù)字模型幾乎不具有可能性,因此,以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的解析優(yōu)化方法遇到了根本的困難。然而,多少年來(lái)都江堰水利調(diào)度管理人員都在有效地進(jìn)行(盡管不是最優(yōu)化)灌區(qū)水資源的調(diào)配,這就為智能優(yōu)化決策方法的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

智能優(yōu)化決策建立在人工智能、最優(yōu)化理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)與控制理論的研究成果之上,主要采用智能控制中專家控制的思想,通過(guò)充分獲取并深入挖掘渠首水資源調(diào)度過(guò)程中“專家”的經(jīng)驗(yàn)和方法,包括不同用水季節(jié)、不同來(lái)水情況下水資源調(diào)配過(guò)程的經(jīng)驗(yàn),建立知識(shí)庫(kù);把經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與水利學(xué)模型進(jìn)行擬合和驗(yàn)證,經(jīng)過(guò)反復(fù)分析、比較、論證,確定若干可以真正應(yīng)用的水資源調(diào)配的決策規(guī)則并建立規(guī)則庫(kù);基于知識(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)開發(fā)不同情形下的水資源優(yōu)化配置方案進(jìn)行數(shù)字仿真,使之成為能夠?qū)嵤┑木唧w調(diào)度算法;把各種算法結(jié)果分解為六大干渠各閘門啟閉運(yùn)行的具體調(diào)度指令,通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)下達(dá)實(shí)施;隨時(shí)監(jiān)控并反饋調(diào)度結(jié)果,經(jīng)驗(yàn)證認(rèn)可后形成一套完整的調(diào)度規(guī)則和算法,初步建成渠首樞紐水資源優(yōu)化調(diào)度智能決策系統(tǒng)。

5 系統(tǒng)目標(biāo)及必經(jīng)階段

渠首閘群智能聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)是一個(gè)很大的工程,不可能一蹴而就,必須分階段逐步實(shí)施。我們根據(jù)實(shí)地調(diào)查、研究、分析以及與實(shí)際操作人員、相關(guān)管理人員進(jìn)行溝通之后認(rèn)為,可以將都江堰渠首閘群智能聯(lián)合調(diào)度分為兩個(gè)階段。

5.1 第一階段

(1)階段內(nèi)容。

①?gòu)?qiáng)化安全保障措施:創(chuàng)造內(nèi)江閘群和外江閘群聯(lián)合調(diào)度所需的基本條件。該內(nèi)容主要包括水情基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)及改造,閘門控制設(shè)施改造,閘門控制保障設(shè)施等。

②建設(shè)閘門控制所需的若干基礎(chǔ)模型及算法等:整合現(xiàn)有控制系統(tǒng);建立聯(lián)合調(diào)度所需的水文計(jì)算模型;開始模型的模擬運(yùn)行與參數(shù)率定;建立來(lái)水/輸水模型,即建立渠首主要干支渠的來(lái)水/輸水模型,根據(jù)該模型,可以大致估算河水在渠道中流動(dòng)的時(shí)間,為閘門調(diào)度提供時(shí)間依據(jù);建立流量與閘門開啟的關(guān)系;確定水文模型參數(shù)并優(yōu)化;建立基于流量的調(diào)度模型。

(2)階段目標(biāo)。

該階段的主要目標(biāo)是通過(guò)建設(shè)、改造內(nèi)外江閘群的基礎(chǔ)設(shè)施,以及建立相關(guān)水文模型,為實(shí)現(xiàn)渠首智能調(diào)度提供穩(wěn)定可靠、完善的基礎(chǔ)平臺(tái),并建立起遠(yuǎn)控、集控、現(xiàn)地控的體系結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)閘門的自動(dòng)化控制,同時(shí),通過(guò)對(duì)相關(guān)水文模型的摸索與研究,建立起基于流量的調(diào)度模型,最終實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶給定的流量進(jìn)行內(nèi)外江閘群水資源的聯(lián)合調(diào)度。

5.2 第二階段

(1)階段內(nèi)容。

建設(shè)各種電子調(diào)度預(yù)案;自動(dòng)生成調(diào)度方案;進(jìn)行人工輔助決策。

(2)階段目標(biāo)。

自動(dòng)形成各種情況下的預(yù)案,并根據(jù)實(shí)際情況能夠從預(yù)案中選擇最佳預(yù)案進(jìn)行調(diào)度,同時(shí),增設(shè)人工輔助決策模塊,實(shí)現(xiàn)人工輔助進(jìn)行決策,以確保調(diào)度的切合實(shí)際,最終完全實(shí)現(xiàn)渠首閘群的智能聯(lián)合調(diào)度。

6 結(jié) 語(yǔ)

筆者在此僅提出了關(guān)于都江堰渠首閘群智能聯(lián)合調(diào)度的初步想法,若要真正實(shí)現(xiàn)閘群系統(tǒng)的智能聯(lián)合調(diào)度還需進(jìn)行大量的基礎(chǔ)工作和技術(shù)探索。但我們相信,只要將古老的都江堰與現(xiàn)代信息技術(shù)融合,必將會(huì)進(jìn)一步豐富都江堰的水文化內(nèi)涵,創(chuàng)造出新技術(shù)時(shí)代“人水和諧”的新境界。