基于事件驅動的太湖流域會商與決策系統設計與實現

許 珂，馬 媛，王 超，張 健，李谷涵

（1.江蘇大學流體機械工程技術研究中心，江蘇鎮江212013；2.太湖流域管理局水文局信息中心，上海200434；3.中國水利水電科學研究院，北京100038）

0 引 言

太湖流域地處長江三角洲核心區域，河流縱橫交織，是全國河道密度最大的地域，自然條件決定流域治理與管理需面對龐雜繁復的江-河-湖關系［1-3］。近年來針對重點河湖水資源調控，水環境污染問題治理，水資源供需保障，開展引江濟太調水工程［4-6］。兩河一湖是保障流域整體供水安全的骨干性工程［7］，其中太浦河、望虞河是主要引供水河道，而太湖不僅是流域水資源調蓄核心，也是環太湖城市和下游地區重要的飲用水水源［8］。故而太湖流域管理需要綜合考慮水質與水量、供水與排水、防洪與抗旱及協調不同地區部門工作等因素［9］。

根據流域水環境綜合治理目標和水環境預警系統建設任務［10］，經過多年研發，太湖流域管理局已陸續開發了防汛值班系統、防汛抗旱指揮系統、太湖水資源監控管理信息平臺、藍藻信息采集系統等多個業務應用系統［11］。然而現有各系統具有很強的業務針對性，功能相對單一，在充分利用已建相關業務系統的基礎上，開發基于事件驅動的太湖流域會商與決策系統，科學、有效地支持流域內水資源的優化配置、洪水防治及應急水污染事件調度，同時保證流域與區域統籌調度的開展、實施，增強流域水資源精細調度、科學調度能力［12］。

1 太湖流域調度整體情況

太湖流域自然條件優越，水陸交通便利，經濟基礎雄厚，是我國人口最稠密的地區之一［13］。多年來，流域水利工程的建設及控制運用在流域防洪、供水、水污染防治等方面發揮了重要作用［14，15］。

本世紀前，太湖流域的突出問題是防洪，調度工作主要圍繞防洪安全開展，隨著流域經濟社會持續高速發展，流域水資源、水環境與經濟社會發展矛盾日益突出，供水、水環境、生態用水需求不斷增加。2005年后，隨著引江濟太的實施，流域水利工程調度需要統籌流域防洪、供水安全以及改善水環境。太湖流域水資源工程調度開始圍繞防洪、供水及水生態“三個安全”開展，調度目標也逐步調整為流域防洪、供水、水環境和水生態的多目標［16］。

依據流域的水情特征和用水狀況，將全年太湖控制水位劃分為若干個時段，實行分期和分目標控制。汛前加大太浦閘排水量，預降太湖水位，結合資源利用，改善黃浦江上游水源地水質；當太湖水位高于太湖防洪控制線，發揮“兩河一湖”蓄泄作用，實行洪水調度，通過望亭立交、太浦閘等環湖樞紐排泄洪水；汛后加強雨洪資源利用，組織實施引江濟太，主要通過控制望虞河常熟水利樞紐、望虞河望亭水利樞紐、太浦河太浦閘工程等的運行工況，維持流域內主要水系適宜水位，確保供水安全。

2 基于事件驅動的會商與決策系統設計

2.1 業務系統需求

系統根據當前流域總體水雨情、工情、水環境等信息，結合預報降雨，利用太湖流域水質/水動力等模型對未來一段時間的區域水情、水質等情勢進行模擬預測，提供一定預見期內的預警預判，并自動提示告警觸發原因。以預警信息為事件觸發，自動調用模型計算或進行歷史相似性分析等，提出推薦的調度方案或處置措施，主動將相關結果信息推送到交互界面，為調度會商與決策提供全面的支撐信息［17］。業務流程如圖1所示，具體流程分析如下。

（1）綜合預警：根據氣象、水、雨、工、水質等流域實時信息，兼顧降雨預報，利用太湖流域水質/水動力等模型對之后的區域水情、水質情勢進行預測模擬，提供一定預見期內的預警預判。以預警信息為條件觸發不同預警事件，為實時調度與會商提供技術支撐。預警監視內容包括指標超標報警、水質快速惡化預警、調度執行不當報警、突發水污染報警、納雨能力預警等。

（2）情勢分析：分為當前情勢和模擬預測兩個模塊，結合預警信息進行模擬分析，判斷目前事件有無工程調度指令修改執行的必要。①當前情勢：展示流域內目前的水情、工程情況，包含兩河一湖沿線骨干工程、測站的當前水情及工情信息。依據工程的基礎信息和實時的監測數據確定預警指標，判斷預警情況及程度；②模擬預測：當前情勢的分析、判斷結果結合降雨預報和邊界條件。利用水質/水動等模型對兩河一湖重點斷面進行水位變化模擬預測，展示當前調令下流域重點區域的未來情勢。

（3）方案編制：結合模擬預測結果，對當前情勢進行判斷。如果判斷目前事件調度指令不甚滿足流域調度目標則新建調度事件。提供多種目前事件基本信息的設置條件，以滿足不同的調度事件類型。利用基于相似分析的當前事件調度指令智能決策結果，為目前的流域情勢提供調度方案推薦和調度指令建議。

（4）會商支持：將防汛調度人員會商決策時需要依據的流域內水情、雨情、水質、氣象、工程運行情況、情勢分析結果、相似分析調度推薦等信息進行綜合全面的展示。

（5）執行監控：關注于當前調度指令的執行情況，對當前調度指令影響的骨干工程水情、工情進行集中可視化展示，結合模擬預測判斷調度指令執行偏差。

（6）效果評價：評價歷史調度事件調度情況與調度效果。

2.2 事件觸發邏輯

事件驅動系統主要由3 種方式觸發：①系統自動判斷流域當前總體情勢及預警信息，觸發適合的調度事件；②依據太湖流域實時數據變化，結合降雨預報的模擬預測，自動判斷當前情勢是否發生變化，根據系統邏輯判斷是否觸發新的調度事件；③人工觸發創建新事件。

2.2.1 洪水調度事件及水資源調度事件觸發邏輯

自動監測太湖流域重點測站的實時數據，與預報數據和調度指標做對比：太湖水位高于防洪控制水位時，觸發洪水調度事件，水位超過設計洪水位（4.65 m）時提高防洪等級，實行超標準洪水應急方案；太湖水位低于調水限制水位時，觸發水資源調度事件，水位低于低水位控制線（2.70 m）時，實行抗旱應急調度方案。當前流域骨干工程調度指示指標如圖2。

水位處于防洪控制水位和調水限制水位間時，常規實行水資源調度；但當系統發布洪澇災害預警時觸發洪水調度事件進行預泄。

洪澇災害預警：當接收到氣象局發布的暴雨或臺風預警時，根據降水、臺風預報等數據信息，通過太湖流域模型滾動計算，對重要湖庫、江河控制斷面預報結果與重要控制斷面預警閾值對比分析，分析得出存在水位迅速提升超防洪控制水位風險，啟動三級及以上應急響應時，觸發重要控制斷面調度事件的生成。

2.2.2 水污染調度事件觸發邏輯

在水資源調度事件及洪水調度事件的基礎上，系統對太湖及河網重要區域及控制斷面水雨情、水質、工程調度情況等進行實時監視。當實測水質指標超過閾值時，或水量水質預警模型預測水質指標將出現快速惡化，即水質實測數據變幅較大時，或流域內相關監測單位反饋突發水污染告警時，經會商審核觸發水污染調度事件，如圖3所示。

（1）指標超標預警：水資源調度的控制站點水位、控制斷面水量、水質等的實測數據、調用預警模型計算出的短期預測數據與預警指標閾值進行比較，超過限定時進行預警。

（2）水質快速惡化預警：重要水質監測站水質出現快速惡化，實測數據變幅較大，雖暫未超出調度指標，但調用預警模型實現通過在相應站點加入定量污染物進行預測模擬后，預測結果預警。

（3）突發水污染告警：當流域內各相關監測單位反饋突發水污染事件時進行告警。

3 太湖流域調度會商與決策系統實現（以水資源調度事件為例）

（1）系統總體框架。調度會商與決策系統在太湖流域模型算法及各類數據資源的基礎上建設。系統自身框架如圖4所示。

系統涉及的數據主要包括氣象、實時水雨情、歷史水雨情、基礎工程、實時工情等均來源于太湖流域水環境信息共享平臺提供的數據接口。建設了一系列能夠設置、特制和多次開發實現會商與決策系統全部功能的通用組件作為系統的支撐，具體包括：應用圖形組件、JS 腳本組件、REST 服務組件、點對點服務組件和業務規則配置系統，保障會商與決策系統的可靠性、先進性和可拓展性。

（2）水資源調度會商決策系統功能。太湖流域會商與決策系統針對流域調度人員設計開發了日常業務管理、調度預警監視、調度情勢分析、調度相似分析、方案模擬與評估、會商支持等功能。以“水資源調度事件”為例，展示太湖流域水資源（引江濟太）調度會商決策子系統可視化效果，子系統主要包括形勢分析、相似分析、模擬調度與調度評價等功能模塊。其中：形勢分析包含當前形勢、未來模擬兩部分；相似分析包含分析結果、調度建議兩部分；模擬調度包含方案管理、方案制作、方案比選3個部分。其功能組成如圖5所示。

3.1 情勢分析

（1）當前情勢：查看相應流域當前的調度情勢，包括水情、雨情及工情等重要信息，了解流域內的調度情況，以便針對事件作出相應的工程調度。業務功能主要包括：信息展示，即將流域內各控制斷面的實時監測數據進行展示，包括水情、雨情和工情；事件分析，即根據流域內的調度情勢數據和相應的評價指標，對當前調度情勢做出總體分析，判定事件類型。

（2）未來模擬：對事件進行模擬計算分析未來影響情況，為事件判定提供依據。首先，自動獲取或設置流域內降雨預報以及邊界條件信息；其次，根據預警信息和當前調度情勢，參考降雨預報與邊界條件情況，并設置調度起始時間，通過模擬計算分析未來影響情況；進而，對事件未來模擬情況作總體分析。

3.2 相似分析

基于太湖、望虞河等水資源調度的形勢分析成果，以事件判定為依據，計算出當前事件和歷史同類型事件的相似度，根據事件指標的相似度排序提出調度建議，為未來模擬做好準備工作。

依據水資源調度情勢分析反饋的流域信息確定目前事件類型，通過相似分析方法結合水情（太湖水位及望虞河、太浦河代表站水位）、降雨預報（太湖流域各區面降雨量）、水質（望虞河、太浦河、太湖湖區代表水質站數據）和工程運行情況（常熟樞紐、望亭立交、太浦閘的日內均流量）等指標的變化曲線，從相同事件類型的歷史事件庫（2006年8月-當前時間的去年今日）中進行篩選、對比得出若干相似事件，并分析其相似度；對相似度高的若干事件與當前事件進行相似度排序，為模型的調用計算提供多個可選擇方案；最后，結合排序后相似度最高的歷史事件，為當前事件提出調度建議。相似分析的業務流程如圖6所示。

（1）分析結果：通過系統自動識別的所有當前事件的基本信息，系統對事件信息進行分析判定事件類型，從歷史事件庫中搜索與當前事件為相同類型的歷史事件，結合水情、降雨預報、水質和工程運行情況等指標對比分析相似度，同時將綜合相似度最大的若干歷史事件在列表中的排序展示，用戶將列表中的事件和目前事件做指標比對，分析其調度指令對當前流域情勢的可借鑒價值。

（2）調度建議：依據用戶人工配置的具體事件調度目標、邊界條件，對歷史上的相似事件進行各項指標相似度和事件總體相似度分析，之后對各項指標相似度和總體相似度排序，將相似度最高的歷史事件調度指令，作為對目前流域內水資源調度的調度建議，并為接下來做調度模擬提供依據。

3.3 模擬調度與調度評價

（1）模擬調度：包括方案配置、方案管理和方案比選。配置調度方案的基本信息；進行模型數據的設置以及預報降雨、邊界條件和工程調度方案的設置；進行模擬計算分析各重要控制斷面水質、水位、水量變化過程，結合GIS 地圖進行模擬成果的動畫演示；管理所有調度方案，進行對比后選定最優的調度方案。

（2）調度評價：對代表性方案調度過程中的太湖水位、代表站水質、區域水質交換、災害損失等要素的調度效果進行綜合評價，并存為歷史調度事件，為之后的相似分析提供依據。界面設計中，分三部分進行展示，上部為選擇需要評價的方案，中部為對該方案形成的評價報告，包括方案編號、時間編號、方案名稱、事件名稱等信息，下部為對方案評價的各項詳細信息的展示。

4 結 論

針對太湖流域綜合調度管理實際需求，建設了基于事件驅動的太湖流域調度會商與決策支持系統，可服務于太湖流域洪水調度、水資源調度管理和水污染治理的多個場景，為流域水資源配置與管理提供了依據與決策支持。

會商與決策系統已正式上線，系統將統籌流域防洪、供水、水環境等調度目標，通過逐日積累的調度方案數據庫不斷完善能顯示流域防洪、引供水、水環境、水生態安全等諸多事件類型調度合理程度的綜合調度指標體系，用來匹配多目標的流域調度需求。其次，針對流域生態文明建設的新要求，在面向流域區域水生態環境改善調度管理模式有待進一步研究與開發。 □