水庫洪水調(diào)度方案的解析驅(qū)動方法研究與應(yīng)用

唐海華，黃瓅瑤，馮快樂

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

洪水調(diào)度是水庫防洪度汛工作的核心要務(wù)。目前，圍繞水庫防洪調(diào)度已開展了大量的理論、技術(shù)與方法研究[1-5]，相關(guān)成果已廣泛應(yīng)用于我國各大流域、省市的防汛抗旱指揮系統(tǒng)[6]、智慧水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)[7]，以及各級電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)、梯級集控中心、水庫電廠的水調(diào)自動化系統(tǒng)[8-14]，在流域防洪減災(zāi)領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用。模型是支撐洪水調(diào)度決策的關(guān)鍵基礎(chǔ)，主要以防汛管理機構(gòu)頒發(fā)的洪水調(diào)度方案為依據(jù)，梳理出核心條款和執(zhí)行邏輯，以程序代碼開發(fā)實現(xiàn)后才能為洪水調(diào)度決策提供計算支撐。

由于不同水庫的工程規(guī)模、防洪任務(wù)、調(diào)度目標和控制方式等各不相同，其洪水調(diào)度方案成果也各有差異；目前尚缺乏通用的洪水調(diào)度方案適配技術(shù)，主要依賴開發(fā)人員定制開發(fā)才能將方案成果轉(zhuǎn)化為模型計算資源。若水庫的洪水調(diào)度方案發(fā)生改變，則必須由開發(fā)人員調(diào)整對應(yīng)的調(diào)度規(guī)程模型后再對軟件進行更新升級。近年來，隨著人類活動對流域產(chǎn)匯流及洪水演變規(guī)律的影響日益加劇，很多大中型水庫的防洪任務(wù)、要求、目標頻頻改變，同一水庫不同年份的洪水調(diào)度方案通常存在差異，甚至很多原設(shè)計不承擔防洪任務(wù)的水庫也開始逐步納入防洪體系。因此，在防汛調(diào)度實際工作中，水庫洪水調(diào)度方案的修編調(diào)整及新增擴展越來越頻繁?，F(xiàn)有的定制開發(fā)升級模式已遭遇了極大挑戰(zhàn)，模型更新效率較低，升級維護困難。這在很大程度上削弱了水庫洪水調(diào)度方案在實時調(diào)度場景下的支撐作用，嚴重影響了水庫洪水調(diào)度的模擬計算時效性及決策響應(yīng)效率。

針對以上問題，本文以國內(nèi)50余座不同類型水庫的洪水調(diào)度方案為基礎(chǔ)，深入分析不同洪水調(diào)度方案的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、邏輯聯(lián)系及語義描述方式等共性規(guī)律，研究提出洪水調(diào)度方案的結(jié)構(gòu)化解析存儲方法，將不同水庫洪水調(diào)度方案的文字描述全部轉(zhuǎn)化為具有完整邏輯關(guān)聯(lián)的量化條款庫，并設(shè)計通用的驅(qū)動引擎，采用面向服務(wù)方式進行模型化封裝后提供在線計算支持[15]。決策者只需梳理出洪水調(diào)度方案中的規(guī)程條款，通過界面錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，即可支撐洪水調(diào)度計算。

1 總體思路

水庫洪水調(diào)度方案解析驅(qū)動的總體思路為：首先，深入解析水庫洪水調(diào)度方案中的來水形勢、調(diào)度需求、調(diào)度目標、調(diào)度對象、啟用條件、運行方式等各類調(diào)度要素，挖掘出各類調(diào)度要素的特征值及不同調(diào)度要素之間的語義邏輯關(guān)系和內(nèi)在規(guī)律，創(chuàng)建一套通用的結(jié)構(gòu)化條款描述框架，將洪水調(diào)度方案的所有條款和特征值進行量化、邏輯化和關(guān)聯(lián)化，形成一套可適配不同水庫洪水調(diào)度方案的通用性結(jié)構(gòu)化解析體系；其次，設(shè)計相應(yīng)的庫表結(jié)構(gòu)標識符，對水庫洪水調(diào)度方案的結(jié)構(gòu)化條款進行統(tǒng)一存儲，并通過可視化界面實現(xiàn)所有水庫洪水調(diào)度方案結(jié)構(gòu)化解析成果的管理維護；然后，建立一套驅(qū)動引擎，根據(jù)水庫的蓄水狀態(tài)、入庫洪水智能適配出滿足當前水庫狀態(tài)的調(diào)度條款并完成調(diào)度計算，并模擬多種調(diào)度場景調(diào)用驅(qū)動引擎進行模擬計算，校核驗證調(diào)度條款解析成果的準確性和閉環(huán)性；最后，將驅(qū)動引擎封裝為通用計算服務(wù)集成到洪水調(diào)度系統(tǒng)軟件中，在實時調(diào)度場景下，設(shè)置水庫的起調(diào)水位和預(yù)報洪水過程后，就可快速完成調(diào)度計算。

2 技術(shù)方案

2.1 結(jié)構(gòu)化邏輯解析

采用“九項三類”增量式結(jié)構(gòu)化方法對水庫的洪水調(diào)度方案進行條款化解析。九項指編碼、判別因子、判別方式、判別值、決策類型、決策因子、決策值、關(guān)聯(lián)條件、是否排序共9種調(diào)度要素。三類指判別依據(jù)、決策措施和組合條件共3種邏輯表達類別。其中，判別依據(jù)由判別因子、判別方式和判別值構(gòu)成；決策措施由決策類型、決策因子和決策值構(gòu)成；組合條件由關(guān)聯(lián)條件和是否排序構(gòu)成。

(1)編碼，按水庫洪水調(diào)度方案梳理形成的調(diào)度條款序號，取自然數(shù)，必須唯一；同時也作為調(diào)度條款在驅(qū)動引擎中的執(zhí)行順序，編碼越小，優(yōu)先級越高。

(2)判別因子，主要包括TINQ、INQ、ZB、MONTH、MONTH-DAY、OUTQ、PREHOUR、PREINQ、MAXZ、MAXQI、FCOID、FCOZ、FCOQ等，分別代表時段號、入庫流量、時段初水庫水位、月份、日期、出庫流量、預(yù)泄小時數(shù)、預(yù)泄依據(jù)流量、最高水位、入庫洪峰、防洪對象編碼、防洪對象水位、防洪對象流量，可增量擴展。

(3)判別方式，指各判別因子的邏輯表達方式，包括≥、>、≤、<、=。

(4)判別值，對應(yīng)判別因子和判別方式的特征值，包括數(shù)值、TMAXINQ(洪峰時段號)等，可增量擴展。

(5)決策類型，主要包括前提條件、輔助條件、數(shù)值計算、模式控制、邊界約束、防洪對象、特征統(tǒng)計等類別，可增量擴展。其中，前提條件用于計算前判別，是判斷當前條款是否有效的前提依據(jù)；輔助條件用于計算時匹配，是適配當前判別條件的輔助信息；數(shù)值計算用于按照給定的決策數(shù)值進行計算；模式控制用于按照給定的決策方式進行模擬控制；邊界約束用于計算后處理，要求計算完成后必須滿足該條件，如不滿足，則按給定邊界反算；防洪對象要求針對防洪對象的給定指標進行水庫決策控制；特征統(tǒng)計用于全局后處理，統(tǒng)計滿足給定條件的特征值。

(6)決策因子，主要包括ZE、OUTQ、RIGHT、FCOZ、FCOQ、MAXZ、MAXQO等。其中，ZE、RIGHT、MAXQO分別代表時段末水庫水位、調(diào)度權(quán)限和最大泄洪流量，其余同判別因子，可增量定義。

(7)決策值，主要包括出入庫平衡、敞泄、入庫洪水演進、出庫洪水演進、數(shù)值、字符串等，可增量擴展。其中，出入庫平衡代表按來多少泄多少維持水庫水位不變，敞泄代表按最大泄流能力泄洪，入庫洪水演進、出庫洪水演進則分別代表按入庫流量、出庫流量往下游防洪控制對象進行洪水演進計算，這幾類與決策類型中的模式控制對應(yīng)；數(shù)值與決策類型中的數(shù)值計算對應(yīng)，代表按給定數(shù)值進行計算；字符串與決策類型中的特征統(tǒng)計對應(yīng)，代表按給定的字符串返回結(jié)果。

(8)關(guān)聯(lián)條件，指與當前條款同時生效的配套組合條件，僅提取判別因子、判別方和判別值作為關(guān)聯(lián)依據(jù)。若有多個，則所有關(guān)聯(lián)條款編碼按英文逗號分隔。

(9)是否排序，用于確定當前條款是否需要按編碼順序執(zhí)行，為0-1(0表示不排序，1表示排序)型變量。

2.2 條款化存儲管理

所有水庫的調(diào)度條款按表1結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)庫中進行統(tǒng)一存儲管理。針對該表開發(fā)配套的可視化管理工具，提供查詢、修改、新增、刪除、保存等功能，當某水庫的洪水調(diào)度方案修編或新增后，決策者通過該界面即可實現(xiàn)對調(diào)度條款庫的配套調(diào)整。

表1 水庫洪水調(diào)度條款庫存儲結(jié)構(gòu)

2.3 智能化驅(qū)動引擎

洪水調(diào)度條款庫生成后，通過驅(qū)動引擎支撐在線計算，將水庫洪水調(diào)度條款庫與調(diào)度運行的時間序列及狀態(tài)數(shù)據(jù)進行耦合，智能適配出不同水庫對象在不同運行狀態(tài)下的對應(yīng)調(diào)度條款，為水庫的全過程調(diào)度運行提供決策依據(jù)，并完成模擬調(diào)度計算，主要流程如圖1所示。

圖1 驅(qū)動引擎流程

(1)調(diào)度條款提取。根據(jù)水庫編碼從調(diào)度條款庫中提取當前水庫的所有調(diào)度條款，按I×9的二維表格rule[I][9]進行存儲。I為當前水庫條款總數(shù)，9為每個條款對應(yīng)的九項調(diào)度要素。若按水庫編碼獲取的調(diào)度條款庫為空，為保證引擎順利執(zhí)行，采用出入庫平衡方式作為缺省邏輯。

(2)決策分組與排序。將決策類型rule[I][4]為數(shù)值計算、模式控制、防洪對象、邊界約束和特征統(tǒng)計的所有條款提取出來，依次存儲為A、B、C、D、E等5類。數(shù)值計算A類，存放數(shù)值控制方式的所有條款；模式控制B類，存放按固定模式控制的所有條款；防洪對象C類，存放按照防洪對象給定條件控制調(diào)度決策的所有條款；邊界約束D類，存放需要按照給定約束條件進行校核反算的所有條款；特征統(tǒng)計E類存放計算完成后需要統(tǒng)計分析的所有條款。同時，上述各類決策條款根據(jù)rule[I][8]判斷是否存在執(zhí)行順序，對所有需要按順序執(zhí)行的條款按rule[I][0]的編碼從小到大排序。

(3)時序循環(huán)。根據(jù)水庫的起調(diào)水位和入庫洪水過程，逐時段循環(huán)執(zhí)行條件判斷、決策執(zhí)行和邊界約束。條件判斷用于確定與當前水庫狀態(tài)匹配的唯一調(diào)度條款，判斷流程如圖2所示，針對面臨時段的水庫狀態(tài)，遍歷所有調(diào)度條款，分別提取判別因子、判別條件和判別值與水庫的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行對比，若水庫狀態(tài)與判別條件完全匹配，則返回當前條款，否則繼續(xù)循環(huán)，若所有調(diào)度條款都無法匹配，則返回空條款；決策執(zhí)行以條件判斷的返回條款為依據(jù)執(zhí)行模擬調(diào)度計算，若返回空條款，則按出入庫平衡執(zhí)行；約束邊界以邊界約束條款為依據(jù)，提取判別條件，按判別值控制判別因子進行約束控制。

圖2 條件判斷流程

(4)特征統(tǒng)計。當時序循環(huán)執(zhí)行完成后，按照特征統(tǒng)計E類逐條執(zhí)行特征統(tǒng)計，完成后返回水庫各調(diào)度時段的入庫流量、出庫流量、庫水位等所有詳細過程結(jié)果及各類統(tǒng)計結(jié)果，驅(qū)動引擎執(zhí)行結(jié)束。

2.4 校核封裝與調(diào)用

水庫的洪水調(diào)度方案往往只對一般性情況下的洪水應(yīng)對方式進行了規(guī)定，不一定完整；同時，在結(jié)構(gòu)化邏輯解析過程中，也可能出現(xiàn)解析錯誤或遺漏。因此，洪水調(diào)度條款庫必須進行校核修正。結(jié)合水庫在洪水調(diào)度方案中規(guī)定的水庫水位及入庫洪水覆蓋范圍，可模擬大洪水、中洪水、小洪水及破壞條件4類調(diào)度場景，分別調(diào)用驅(qū)動引擎進行模擬計算，然后逐時段人工校驗調(diào)度條款的驅(qū)動結(jié)果與洪水調(diào)度方案文本中的運行方式描述是否相符。大洪水、中洪水和小洪水調(diào)度場景主要用于驗證調(diào)度條款解析成果的驅(qū)動執(zhí)行是否正確，破壞條件調(diào)度場景主要用于驗證調(diào)度條款解析成果的驅(qū)動執(zhí)行是否閉環(huán)，確保調(diào)度邏輯完善。若校核過程中發(fā)現(xiàn)問題，則針對性修正調(diào)度條款，確保調(diào)度條款庫合理有效。最后，采用http服務(wù)方式對驅(qū)動引擎進行模型化封裝即能為各類系統(tǒng)提供計算支持，包括計算服務(wù)、輸入體和輸出體三部分。其中，輸入體主要包括水庫的調(diào)度期、時段步長、起調(diào)水位、入庫流量過程、庫容曲線、泄流能力曲線、調(diào)度條款庫等信息；輸出體主要包括水庫水位、入庫流量、出庫流量等詳細過程數(shù)據(jù)及各類特征統(tǒng)計結(jié)果；計算服務(wù)則通過URL地址按POST方式進行調(diào)用，調(diào)用輸入體和執(zhí)行返回輸出體中的所有數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一采用JSON格式進行組織傳遞。

3 應(yīng)用案例

以河北灤河潘家口水庫為例，主汛期7月1日至8月15日，后汛期8月16日至9月30日，洪水調(diào)度方式主要為：主汛期，若預(yù)報入庫洪峰達14 000 m3/s，則在漲水段提前12 h按700、2 200、3 400 m3/s和6 000 m3/s 4個流量級預(yù)泄，然后再根據(jù)入庫洪水按6 000、14 000、28 000 m3/s 3個流量級控泄；后汛期同主汛期的三級流量控泄方式。按本文方法對該水庫的洪水調(diào)度方案進行調(diào)度條款解析，經(jīng)校核修正，共確定出48條調(diào)度條款，其中漲水段部分見表2。

表2 漲水段調(diào)度條款庫

以第10條為例，其面臨時段的解析規(guī)則可描述為：在7月1日至8月15日期間，若預(yù)報入庫洪峰達到14 000 m3/s，處于漲水段，且12 h后的預(yù)報流量小于2 220 m3/s，則按12 h后的預(yù)報流量進行預(yù)泄控制，且時段末水位應(yīng)介于216～218 m之間。

設(shè)調(diào)度開始時間為2020年7月14日8時，時段步長3 h，時段個數(shù)24(即調(diào)度期3 d)，起調(diào)水位217.5 m，模擬一場入庫洪水過程，調(diào)用驅(qū)動引擎進行模擬調(diào)度計算，其入庫流量及計算結(jié)果過程詳見表3。

表3 計算結(jié)果

本例入庫洪水發(fā)生在主汛期，洪峰25 314 m3/s，在漲水段中，14日11時和14時滿足第10條規(guī)則，分別按12 h后對應(yīng)的預(yù)報流量進行預(yù)泄；14日17時滿足第14條規(guī)則，按3 400 m3/s流量下泄；14日20時至15日5時滿足第16條規(guī)則，分別按6 000 m3/s流量下泄，其中14日20時因不滿足216 m最低水位約束，出庫流量調(diào)減至5 988 m3/s；15日8時至16日2時滿足第21條規(guī)則，分別按14 000 m3/s流量下泄，但部分時段受泄流能力限制，實際出庫流量小于控泄要求；16日5時和8時滿足第24條規(guī)則，原則上應(yīng)按28 000 m3/s流量下泄，實際受泄流能力限制，均按泄流能力下泄(退水段分析過程相同，略)。由此可見，按本文解析驅(qū)動方法進行入庫洪水模擬計算，其調(diào)度結(jié)果與洪水調(diào)度方案文字描述完全吻合。

4 結(jié) 語

本文提出的水庫洪水調(diào)度方案解析驅(qū)動方法具有較強的通用性，不限定任何流域水庫對象、開發(fā)語言和架構(gòu)模式，可直接以模型服務(wù)為各類系統(tǒng)軟件和調(diào)度場景提供計算支持；同時，還實現(xiàn)了水庫洪水調(diào)度方案關(guān)鍵要素的量化表達，調(diào)度方案修編后直接修改調(diào)度條款庫即可生效，方便快捷。本文給出的判別因子、判別值、決策類型、決策因子、決策值等調(diào)度要素取值類型，全部來源于筆者對國內(nèi)50多座水庫洪水調(diào)度方案進行驅(qū)動解析的應(yīng)用實踐。實際應(yīng)用中，水庫洪水調(diào)度方案涉及各類的調(diào)度要素并不局限于本文給出的取值類型，需結(jié)合實際情況進行增量式擴展，并在驅(qū)動引擎中對新增取值類型進行同步擴展，但并不改變解析方法和存儲結(jié)構(gòu)。因此，本文成果只有推廣應(yīng)用到更多的水庫工程，才能不斷增強驅(qū)動引擎的通用化適配能力。此外，本文方法僅考慮了單一水庫的洪水調(diào)度，對于發(fā)電、生態(tài)、灌溉、供水等其他調(diào)度目標以及水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度方式等尚未考慮，其適應(yīng)性還有待進一步開展研究和分析驗證。