基于事件驅(qū)動的太湖流域會商與決策系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

許 珂，馬 媛，王 超，張 健，李谷涵

（1.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)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(xué)研究院，北京100038）

0 引 言

太湖流域地處長江三角洲核心區(qū)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(fù)的江-河-湖關(guān)系［1-3］。近年來針對重點河湖水資源調(diào)控，水環(huán)境污染問題治理，水資源供需保障，開展引江濟(jì)太調(diào)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(diào)蓄核心，也是環(huán)太湖城市和下游地區(qū)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(zhì)與水量、供水與排水、防洪與抗旱及協(xié)調(diào)不同地區(qū)部門工作等因素［9］。

根據(jù)流域水環(huán)境綜合治理目標(biāo)和水環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)［10］，經(jīng)過多年研發(fā)，太湖流域管理局已陸續(xù)開發(fā)了防汛值班系統(tǒng)、防汛抗旱指揮系統(tǒng)、太湖水資源監(jiān)控管理信息平臺、藍(lán)藻信息采集系統(tǒng)等多個業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)［11］。然而現(xiàn)有各系統(tǒng)具有很強(qiáng)的業(yè)務(wù)針對性，功能相對單一，在充分利用已建相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于事件驅(qū)動的太湖流域會商與決策系統(tǒng)，科學(xué)、有效地支持流域內(nèi)水資源的優(yōu)化配置、洪水防治及應(yīng)急水污染事件調(diào)度，同時保證流域與區(qū)域統(tǒng)籌調(diào)度的開展、實施，增強(qiáng)流域水資源精細(xì)調(diào)度、科學(xué)調(diào)度能力［12］。

1 太湖流域調(diào)度整體情況

太湖流域自然條件優(yōu)越，水陸交通便利，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)雄厚，是我國人口最稠密的地區(qū)之一［13］。多年來，流域水利工程的建設(shè)及控制運用在流域防洪、供水、水污染防治等方面發(fā)揮了重要作用［14，15］。

本世紀(jì)前，太湖流域的突出問題是防洪，調(diào)度工作主要圍繞防洪安全開展，隨著流域經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)高速發(fā)展，流域水資源、水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展矛盾日益突出，供水、水環(huán)境、生態(tài)用水需求不斷增加。2005年后，隨著引江濟(jì)太的實施，流域水利工程調(diào)度需要統(tǒng)籌流域防洪、供水安全以及改善水環(huán)境。太湖流域水資源工程調(diào)度開始圍繞防洪、供水及水生態(tài)“三個安全”開展，調(diào)度目標(biāo)也逐步調(diào)整為流域防洪、供水、水環(huán)境和水生態(tài)的多目標(biāo)［16］。

依據(jù)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(biāo)控制。汛前加大太浦閘排水量，預(yù)降太湖水位，結(jié)合資源利用，改善黃浦江上游水源地水質(zhì)；當(dāng)太湖水位高于太湖防洪控制線，發(fā)揮“兩河一湖”蓄泄作用，實行洪水調(diào)度，通過望亭立交、太浦閘等環(huán)湖樞紐排泄洪水；汛后加強(qiáng)雨洪資源利用，組織實施引江濟(jì)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(nèi)主要水系適宜水位，確保供水安全。

2 基于事件驅(qū)動的會商與決策系統(tǒng)設(shè)計

2.1 業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求

系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前流域總體水雨情、工情、水環(huán)境等信息，結(jié)合預(yù)報降雨，利用太湖流域水質(zhì)/水動力等模型對未來一段時間的區(qū)域水情、水質(zhì)等情勢進(jìn)行模擬預(yù)測，提供一定預(yù)見期內(nèi)的預(yù)警預(yù)判，并自動提示告警觸發(fā)原因。以預(yù)警信息為事件觸發(fā)，自動調(diào)用模型計算或進(jìn)行歷史相似性分析等，提出推薦的調(diào)度方案或處置措施，主動將相關(guān)結(jié)果信息推送到交互界面，為調(diào)度會商與決策提供全面的支撐信息［17］。業(yè)務(wù)流程如圖1所示，具體流程分析如下。

（1）綜合預(yù)警：根據(jù)氣象、水、雨、工、水質(zhì)等流域?qū)崟r信息，兼顧降雨預(yù)報，利用太湖流域水質(zhì)/水動力等模型對之后的區(qū)域水情、水質(zhì)情勢進(jìn)行預(yù)測模擬，提供一定預(yù)見期內(nèi)的預(yù)警預(yù)判。以預(yù)警信息為條件觸發(fā)不同預(yù)警事件，為實時調(diào)度與會商提供技術(shù)支撐。預(yù)警監(jiān)視內(nèi)容包括指標(biāo)超標(biāo)報警、水質(zhì)快速惡化預(yù)警、調(diào)度執(zhí)行不當(dāng)報警、突發(fā)水污染報警、納雨能力預(yù)警等。

（2）情勢分析：分為當(dāng)前情勢和模擬預(yù)測兩個模塊，結(jié)合預(yù)警信息進(jìn)行模擬分析，判斷目前事件有無工程調(diào)度指令修改執(zhí)行的必要。①當(dāng)前情勢：展示流域內(nèi)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(dāng)前水情及工情信息。依據(jù)工程的基礎(chǔ)信息和實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)確定預(yù)警指標(biāo)，判斷預(yù)警情況及程度；②模擬預(yù)測：當(dāng)前情勢的分析、判斷結(jié)果結(jié)合降雨預(yù)報和邊界條件。利用水質(zhì)/水動等模型對兩河一湖重點斷面進(jìn)行水位變化模擬預(yù)測，展示當(dāng)前調(diào)令下流域重點區(qū)域的未來情勢。

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

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

（5）執(zhí)行監(jiān)控：關(guān)注于當(dāng)前調(diào)度指令的執(zhí)行情況，對當(dāng)前調(diào)度指令影響的骨干工程水情、工情進(jìn)行集中可視化展示，結(jié)合模擬預(yù)測判斷調(diào)度指令執(zhí)行偏差。

（6）效果評價：評價歷史調(diào)度事件調(diào)度情況與調(diào)度效果。

2.2 事件觸發(fā)邏輯

事件驅(qū)動系統(tǒng)主要由3 種方式觸發(fā)：①系統(tǒng)自動判斷流域當(dāng)前總體情勢及預(yù)警信息，觸發(fā)適合的調(diào)度事件；②依據(jù)太湖流域?qū)崟r數(shù)據(jù)變化，結(jié)合降雨預(yù)報的模擬預(yù)測，自動判斷當(dāng)前情勢是否發(fā)生變化，根據(jù)系統(tǒng)邏輯判斷是否觸發(fā)新的調(diào)度事件；③人工觸發(fā)創(chuàng)建新事件。

2.2.1 洪水調(diào)度事件及水資源調(diào)度事件觸發(fā)邏輯

自動監(jiān)測太湖流域重點測站的實時數(shù)據(jù)，與預(yù)報數(shù)據(jù)和調(diào)度指標(biāo)做對比：太湖水位高于防洪控制水位時，觸發(fā)洪水調(diào)度事件，水位超過設(shè)計洪水位（4.65 m）時提高防洪等級，實行超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急方案；太湖水位低于調(diào)水限制水位時，觸發(fā)水資源調(diào)度事件，水位低于低水位控制線（2.70 m）時，實行抗旱應(yīng)急調(diào)度方案。當(dāng)前流域骨干工程調(diào)度指示指標(biāo)如圖2。

水位處于防洪控制水位和調(diào)水限制水位間時，常規(guī)實行水資源調(diào)度；但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)布洪澇災(zāi)害預(yù)警時觸發(fā)洪水調(diào)度事件進(jìn)行預(yù)泄。

洪澇災(zāi)害預(yù)警：當(dāng)接收到氣象局發(fā)布的暴雨或臺風(fēng)預(yù)警時，根據(jù)降水、臺風(fēng)預(yù)報等數(shù)據(jù)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(yù)報結(jié)果與重要控制斷面預(yù)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(fēng)險，啟動三級及以上應(yīng)急響應(yīng)時，觸發(fā)重要控制斷面調(diào)度事件的生成。

2.2.2 水污染調(diào)度事件觸發(fā)邏輯

在水資源調(diào)度事件及洪水調(diào)度事件的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)對太湖及河網(wǎng)重要區(qū)域及控制斷面水雨情、水質(zhì)、工程調(diào)度情況等進(jìn)行實時監(jiān)視。當(dāng)實測水質(zhì)指標(biāo)超過閾值時，或水量水質(zhì)預(yù)警模型預(yù)測水質(zhì)指標(biāo)將出現(xiàn)快速惡化，即水質(zhì)實測數(shù)據(jù)變幅較大時，或流域內(nèi)相關(guān)監(jiān)測單位反饋突發(fā)水污染告警時，經(jīng)會商審核觸發(fā)水污染調(diào)度事件，如圖3所示。

（1）指標(biāo)超標(biāo)預(yù)警：水資源調(diào)度的控制站點水位、控制斷面水量、水質(zhì)等的實測數(shù)據(jù)、調(diào)用預(yù)警模型計算出的短期預(yù)測數(shù)據(jù)與預(yù)警指標(biāo)閾值進(jìn)行比較，超過限定時進(jìn)行預(yù)警。

（2）水質(zhì)快速惡化預(yù)警：重要水質(zhì)監(jiān)測站水質(zhì)出現(xiàn)快速惡化，實測數(shù)據(jù)變幅較大，雖暫未超出調(diào)度指標(biāo)，但調(diào)用預(yù)警模型實現(xiàn)通過在相應(yīng)站點加入定量污染物進(jìn)行預(yù)測模擬后，預(yù)測結(jié)果預(yù)警。

（3）突發(fā)水污染告警：當(dāng)流域內(nèi)各相關(guān)監(jiān)測單位反饋突發(fā)水污染事件時進(jìn)行告警。

3 太湖流域調(diào)度會商與決策系統(tǒng)實現(xiàn)（以水資源調(diào)度事件為例）

（1）系統(tǒng)總體框架。調(diào)度會商與決策系統(tǒng)在太湖流域模型算法及各類數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上建設(shè)。系統(tǒng)自身框架如圖4所示。

系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)主要包括氣象、實時水雨情、歷史水雨情、基礎(chǔ)工程、實時工情等均來源于太湖流域水環(huán)境信息共享平臺提供的數(shù)據(jù)接口。建設(shè)了一系列能夠設(shè)置、特制和多次開發(fā)實現(xiàn)會商與決策系統(tǒng)全部功能的通用組件作為系統(tǒng)的支撐，具體包括：應(yīng)用圖形組件、JS 腳本組件、REST 服務(wù)組件、點對點服務(wù)組件和業(yè)務(wù)規(guī)則配置系統(tǒng)，保障會商與決策系統(tǒng)的可靠性、先進(jìn)性和可拓展性。

（2）水資源調(diào)度會商決策系統(tǒng)功能。太湖流域會商與決策系統(tǒng)針對流域調(diào)度人員設(shè)計開發(fā)了日常業(yè)務(wù)管理、調(diào)度預(yù)警監(jiān)視、調(diào)度情勢分析、調(diào)度相似分析、方案模擬與評估、會商支持等功能。以“水資源調(diào)度事件”為例，展示太湖流域水資源（引江濟(jì)太）調(diào)度會商決策子系統(tǒng)可視化效果，子系統(tǒng)主要包括形勢分析、相似分析、模擬調(diào)度與調(diào)度評價等功能模塊。其中：形勢分析包含當(dāng)前形勢、未來模擬兩部分；相似分析包含分析結(jié)果、調(diào)度建議兩部分；模擬調(diào)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(dāng)前情勢：查看相應(yīng)流域當(dāng)前的調(diào)度情勢，包括水情、雨情及工情等重要信息，了解流域內(nèi)的調(diào)度情況，以便針對事件作出相應(yīng)的工程調(diào)度。業(yè)務(wù)功能主要包括：信息展示，即將流域內(nèi)各控制斷面的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，包括水情、雨情和工情；事件分析，即根據(jù)流域內(nèi)的調(diào)度情勢數(shù)據(jù)和相應(yīng)的評價指標(biāo)，對當(dāng)前調(diào)度情勢做出總體分析，判定事件類型。

（2）未來模擬：對事件進(jìn)行模擬計算分析未來影響情況，為事件判定提供依據(jù)。首先，自動獲取或設(shè)置流域內(nèi)降雨預(yù)報以及邊界條件信息；其次，根據(jù)預(yù)警信息和當(dāng)前調(diào)度情勢，參考降雨預(yù)報與邊界條件情況，并設(shè)置調(diào)度起始時間，通過模擬計算分析未來影響情況；進(jìn)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(diào)度的形勢分析成果，以事件判定為依據(jù)，計算出當(dāng)前事件和歷史同類型事件的相似度，根據(jù)事件指標(biāo)的相似度排序提出調(diào)度建議，為未來模擬做好準(zhǔn)備工作。

依據(jù)水資源調(diào)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(jié)合水情（太湖水位及望虞河、太浦河代表站水位）、降雨預(yù)報（太湖流域各區(qū)面降雨量）、水質(zhì)（望虞河、太浦河、太湖湖區(qū)代表水質(zhì)站數(shù)據(jù)）和工程運行情況（常熟樞紐、望亭立交、太浦閘的日內(nèi)均流量）等指標(biāo)的變化曲線，從相同事件類型的歷史事件庫（2006年8月-當(dāng)前時間的去年今日）中進(jìn)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(dāng)前事件進(jìn)行相似度排序，為模型的調(diào)用計算提供多個可選擇方案；最后，結(jié)合排序后相似度最高的歷史事件，為當(dāng)前事件提出調(diào)度建議。相似分析的業(yè)務(wù)流程如圖6所示。

（1）分析結(jié)果：通過系統(tǒng)自動識別的所有當(dāng)前事件的基本信息，系統(tǒng)對事件信息進(jìn)行分析判定事件類型，從歷史事件庫中搜索與當(dāng)前事件為相同類型的歷史事件，結(jié)合水情、降雨預(yù)報、水質(zhì)和工程運行情況等指標(biāo)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(biāo)比對，分析其調(diào)度指令對當(dāng)前流域情勢的可借鑒價值。

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

3.3 模擬調(diào)度與調(diào)度評價

（1）模擬調(diào)度：包括方案配置、方案管理和方案比選。配置調(diào)度方案的基本信息；進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的設(shè)置以及預(yù)報降雨、邊界條件和工程調(diào)度方案的設(shè)置；進(jìn)行模擬計算分析各重要控制斷面水質(zhì)、水位、水量變化過程，結(jié)合GIS 地圖進(jìn)行模擬成果的動畫演示；管理所有調(diào)度方案，進(jìn)行對比后選定最優(yōu)的調(diào)度方案。

（2）調(diào)度評價：對代表性方案調(diào)度過程中的太湖水位、代表站水質(zhì)、區(qū)域水質(zhì)交換、災(zāi)害損失等要素的調(diào)度效果進(jìn)行綜合評價，并存為歷史調(diào)度事件，為之后的相似分析提供依據(jù)。界面設(shè)計中，分三部分進(jìn)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(xì)信息的展示。

4 結(jié) 論

針對太湖流域綜合調(diào)度管理實際需求，建設(shè)了基于事件驅(qū)動的太湖流域調(diào)度會商與決策支持系統(tǒng)，可服務(wù)于太湖流域洪水調(diào)度、水資源調(diào)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(jù)與決策支持。

會商與決策系統(tǒng)已正式上線，系統(tǒng)將統(tǒng)籌流域防洪、供水、水環(huán)境等調(diào)度目標(biāo)，通過逐日積累的調(diào)度方案數(shù)據(jù)庫不斷完善能顯示流域防洪、引供水、水環(huán)境、水生態(tài)安全等諸多事件類型調(diào)度合理程度的綜合調(diào)度指標(biāo)體系，用來匹配多目標(biāo)的流域調(diào)度需求。其次，針對流域生態(tài)文明建設(shè)的新要求，在面向流域區(qū)域水生態(tài)環(huán)境改善調(diào)度管理模式有待進(jìn)一步研究與開發(fā)。 □