信息化在黃河水量調度管理中的應用

趙 陽

（黃河水利委員會 信息中心，河南鄭州450004）

1 黃河水量調度管理信息分析

黃河水量調度管理系統是國內第一個流域級水量調度系統,首先采用信息分析的方法建立基本的業務模型,抽取水量調度管理要素,在此基礎上分析黃河水量調度用戶、業務、數據,為系統設計打下穩固的基礎。

1.1 黃河水量調度管理要素

水量調度的本質是根據調度目標采用管理手段,通過控制水利工程來調節來水與用水之間的時空關系［1］,其要素如圖 1 所示。

圖1 水量調度基本要素

對黃河來說,國務院頒布了《黃河水量調度條例》（簡稱《條例》),制定了黃河水量分配方案,授權黃河水利委員會（黃委)統一調度,沿黃省（區)與水庫樞紐管理單位執行調度方案。根據當時能夠管理到的范圍,要素中的“調度”涉及黃委的水量調度管理工作及其相關機構；“來水”涉及黃河干流水量水質情況及其監測機構；“用水”涉及黃河干流地表水取水與需水及其管理機構,同時考慮黃河生態基流與入海水量需水；“水利工程”涉及黃河干流控制性工程與90%取水量的取水工程和重要排水工程及其管理機構。四個要素所涉及的管理機構包含黃委、省（區)和水利樞紐管理單位。

1.2 黃河水量調度業務分析

四要素中所涉及的管理機構按照在要素中的角色可分為四類：調度管理者、調度執行者、被調度者、用水者,在黃河水量調度管理中,由于省（區)既是用水者也是被調度者,樞紐管理單位既是調度執行者又是被調度者 ,因此可以簡化為調度管理者（黃委)與被調度者（省（區)與樞紐)兩類。被調度者各省（區)負責用水管理,上報需水情況、用水情況、執行調度指令；被調度者各樞紐管理單位負責樞紐工程運行,上報下泄情況、發電需水要求、執行調度指令；調度者黃委負責調度管理,其中黃河水量調度管理局（水調局)依據《條例》,按照實際來水、用水和需水情況,制定年、月、旬與實時方案開展調度,黃委水文局和黃河流域水資源保護局對來水水量、水質進行監測評估預報,黃委黃河水利科學研究院與水文局提供計算模型與調度方案,黃委信息中心提供信息支持,黃委黃河上中游管理局（上中游局)、河南黃河河務局（河南局)、山東黃河河務局（山東局)提供轄地的用水管理及督查,故此又可細分為調度管理者（水調局)、督察者（河南局、山東局、上中游局)和業務支持單位（水文局等其他單位)。

黃河水量調度的業務分析按照每個管理角色在管理流程中的不同職責逐一進行,其中調度方案編制是水調局業務的核心環節,其流程見圖2。

圖2 水量調度方案編制流程

1.3 黃河水量調度數據分析

根據黃河水量調度要素與各管理單位的業務,分析各業務流程中數據的類型和特性,分析各單位所產生數據及所需要的數據。

信息類別可以依照不同的方法進行劃分,如按照管理要素可分為水文數據、水質數據、工程數據和管理數據等,按照信息是否隨時間變化的特性可分為靜態信息、可變信息和動態信息,或者先把信息劃分為靜態、可變、動態信息,再按照專業加以區分。黃河水量調度管理系統采用靜態、可變、動態信息的劃分方式,見表1。

表1 黃河水量調度數據信息分類

基本（靜態)信息是指一般來說長期不變的信息,一般情況下只增加或取消,主要包含四方面內容：黃河基本信息、工程基本信息、用水戶社會經濟基本信息、法律法規基本信息等。

特征（可變)信息指相對穩定,能夠指示河道、工程、調度業務特性或特征的信息。這些信息往往是需要精心調試,由研究者進行研究,決策者進行決策給定的數據,代表了研究對象的狀態。這類信息主要包括三個方面的內容：河道特征信息、工程特征信息、水量調度特征信息。

實際（動態)信息是指實際發生和未發生的,與實際情況相關的信息,包括黃河實際、天氣實際、用水戶用水（需水)實際、調度實際等。它們都是時間序列信息,每個記錄都有明確的時間標記,它們隨著時間而變化,隨著時間的流逝,展現黃河的過去、現在和未來,以及黃河調度的過去和現在。這些信息主要包括：水情信息、雨情信息、來水信息、水質信息、水質預報信息、省（區)用水信息、省（區)用水計劃信息、灌區墑情信息、灌區需水信息、樞紐運行實況信息、樞紐運行計劃信息、配水調度信息、突發事件及其處理信息、引水工程實況引水及工況信息。

以上這些信息,除了法律法規中的描述性和規則性信息以及運行工況中的視頻信息,都與空間有關。由于黃河水量調度管理系統要求這些數據能夠在空間上進行展示,因此也需要空間地理信息。

將數據按照不同維度進行分析的原因是每一個維度對數據的管理要求不同。如從要素的角度分析,主要涉及數據的產生與需求關系,維護數據的一致性；從數據的產生過程分析,主要是為了細分數據產生的各個環節,加強數據流程管理和質量管理；從數據變化快慢的角度分析,是為了加強數據維護管理,保證數據更新。

黃河水量調度管理系統建設與運行實踐證明,按照不同維度分析數據對后續建設和維護中數據的可靠性和一致性非常重要。

2 黃河水量調度管理系統總體設計

系統涉及從黃河發源地到入海口5 000多km上黃委各級機構以及沿黃各省（區)及樞紐管理機構和水量水質等各類監測站點,包括21個主要管理單位（不含取水口管理單位和黃委縣市管理單位),沿黃200多座重要引水閘泵站及管理單位,近100個國控、省控水文站、4個水質自動監測站、2個墑情監測站,將運用從衛星及微波通信、廣域網絡、衛星遙感技術到數據存儲、工業控制、應用平臺搭建與系統開發等各種信息化技術。做好空間跨度如此之大、管理單位如此多而復雜、監測站點類型繁多、現地情況各有特點的信息化系統設計,使之能夠符合黃河、黃委、沿黃各省（區)的實際,同時具備充分的先進性和擴展性,是一個非常大的挑戰。

黃河水量調度管理系統的總體設計遵循實際、可靠、先進、流暢原則,尊重各單位的實際條件,高度重視系統可靠性和數據可靠性,采用適度先進技術搭建系統的通信網絡與存儲骨架,確保系統的各個環節能夠順暢地連接、集成、整合在一起。按照此原則,為黃河水量調度管理系統設計出多層分布、相對集中的較為松散的系統框架。相對獨立的業務系統分布在各個管理單位,有共同需求或上下層有較多交互的系統采用統一平臺集中提供服務,各單位通過黃委微波干線或公網租賃連接成廣域黃河水量調度網,數據適度分級存儲并向上集中,在黃委水調局形成統一的水量調度信息體系。

黃河水量調度管理系統共分為采集層、傳輸層、數據層、服務層與應用層等5層,涵蓋了徑流預報系統、水質預報系統、土壤含水量分析系統、水量調度業務處理系統、引退水遠程監控系統、水量調度方案編制系統、水量調度模擬仿真系統、運行實況綜合監視系統及運行維護系統等9大業務系統,按照業務要求,分別部署在黃委水調中心、信息中心、水文局、水資源保護局、河南局和山東局各級部門及閘管所、上中游局、上中游6省（區)各級水調部門及樞紐管理部門,黃委數據中心作為數據傳輸的總匯集點。黃河水量調度管理系統 的總體架構與部署架構見圖3和圖4。

圖3 水量調度管理系統總體架構

圖4 水量調度管理系統部署架構

3 系統建設與運行

3.1 建設與運行的重點

在系統建設和運行中,特別注重有采集與通信網絡等現地施工的單項工程建設質量,特別強調業務應用與業務人員日常操作的適應性,特別突出系統集成,促進系統的協調統一。

黃河水量調度管理系統是一個復雜龐大的系統,建設管理難度很大,特別是在斷面以及各省（區)有水文斷面監測、取水口取水監測、水質監測以及通信網絡建設等現地施工的單項工程,這些單項工程的施工質量是確保系統建設總體質量的基礎。在建設過程中要按照設計要求,進一步細化并明確單項工程的邊界、接口規范、建設質量與可靠性指標,確保單項工程能夠符合系統集成的要求。

由于面向不同單位、不同部門,黃河水量調度管理系統在設計時主要考慮通過數據集成來實現各分系統間的集成,在系統建設與運行階段,數據是否能夠順暢集成是考核系統建設與運行的重要指標,因此特別制定了考核辦法,對部門間、單位間、上下級間的數據上報、數據到報情況進行檢查與考核,確保數據準確、及時、可靠。

衡量一個系統成敗的關鍵是系統是否真正應用于生產實踐,黃河水量調度各業務應用系統在建設和運行中不斷完善,與水量調度業務人員建立協同工作機制,保持密切聯系,確保能夠真正滿足黃河水量調度要求。

3.2 與國控水資源項目整合

在黃河水量調度管理系統建設期間,國家統一部署,建立黃河流域國家水資源監控能力建設項目。項目一期完成時,黃河水量調度管理系統基本上同期完成。在項目二期建設過程中,將黃河水量調度管理系統與國家水資源監控能力建設項目進行整合,形成統一的黃河水資源管理與調度系統,整合內容包括采集數據接收整合、監測與業務數據整合、服務支撐平臺整合、應用及應用門戶整合,實現了對水資源管理與調度的統一用戶、統一身份認證、統一登錄界面、統一功能應用、統一數據源、統一流量計算、統一門戶等多項內容的整合,系統整體性和可用性都得到提升。

3.3 黃河水量調度管理系統經驗的應用

黃河水量調度管理系統是國內第一個流域級水量調度系統,采用黃河水量調度管理系統的設計思想,陸續在廣東東江、新疆哈密、新疆塔里木河等流域和地區進行了水資源管理調度系統的設計建設和開發,取得良好的效果,表明了基于水量調度管理要素模型進行信息分析的合理性。

4 發展方向

自2000年提出建設黃河水量調度管理系統至今,黃河水量調度管理與信息技術都有了較大發展,為黃河水量調度管理系統提出新的課題。

在業務方面,調度范圍從干流全過程調度及涇河渭河把口控制,擴展到干流及六大支流的全過程調度；不僅要考慮干流主要樞紐工程的運用和取退水口的管理,也要考慮支流水庫運用與支流取退水口管理；調度目標從主要滿足各省（區)生活、生產用水,適當考慮基流與入海用水,到滿足上中游水土保持用水、中下游省（區)及外流域生活、生產、濕地用水,達到生態文明與社會經濟發展和諧,調度的復雜度顯著提高。同時,對調度管理的精細化、用水數據的準確性、用水監管的及時性要求也越來越高。

當前,黃河水量調度管理系統采用了自動監控、遙感、通信網絡、計算、存儲、移動應用等信息技術,隨著物聯網、5G通信、大數據、人工智能、AR/VR等新興技術的興起與成熟,黃河水量調度管理系統可以更好地滿足黃河水量調度更加廣泛、深入、嚴格的新要求。

信息采集方面,可以考慮采用“一站式”物聯網綜合采集,按短河段設站進行斷面、流量、水位、泥沙、降雨、水質、工程安全、工程工況等多元素混合采集；通信傳輸方面,可以采用現地物聯網、5G加光纖模式,達到各級管理機構與現地站點沒有延遲的信息傳輸,支持復雜的應用場景；數據管理及分析計算與應用方面,可以采用大數據進行社會經濟與水利數據的綜合分析,采用機器學習與水利模型結合進行多目標水量配置與調度,采用視頻、遙感分析進行智能預警,采用AR/VR技術對調度模擬與仿真進行展示,并為各級業務與管理人員提供定制的個性化信息推送與工作協同等。可以預見,在高速發展的信息技術支撐下,新的水量調度管理系統將以“更精確、更智能、更便捷”為特色,更好地服務于黃河水量調度管理。