信息化在黄河水量调度管理中的应用

赵 阳

（黄河水利委员会 信息中心，河南郑州450004）

1 黄河水量调度管理信息分析

黄河水量调度管理系统是国内第一个流域级水量调度系统,首先采用信息分析的方法建立基本的业务模型,抽取水量调度管理要素,在此基础上分析黄河水量调度用户、业务、数据,为系统设计打下稳固的基础。

1.1 黄河水量调度管理要素

水量调度的本质是根据调度目标采用管理手段,通过控制水利工程来调节来水与用水之间的时空关系［1］,其要素如图 1 所示。

图1 水量调度基本要素

对黄河来说,国务院颁布了《黄河水量调度条例》（简称《条例》),制定了黄河水量分配方案,授权黄河水利委员会（黄委)统一调度,沿黄省（区)与水库枢纽管理单位执行调度方案。根据当时能够管理到的范围,要素中的“调度”涉及黄委的水量调度管理工作及其相关机构；“来水”涉及黄河干流水量水质情况及其监测机构；“用水”涉及黄河干流地表水取水与需水及其管理机构,同时考虑黄河生态基流与入海水量需水；“水利工程”涉及黄河干流控制性工程与90%取水量的取水工程和重要排水工程及其管理机构。四个要素所涉及的管理机构包含黄委、省（区)和水利枢纽管理单位。

1.2 黄河水量调度业务分析

四要素中所涉及的管理机构按照在要素中的角色可分为四类：调度管理者、调度执行者、被调度者、用水者,在黄河水量调度管理中,由于省（区)既是用水者也是被调度者,枢纽管理单位既是调度执行者又是被调度者 ,因此可以简化为调度管理者（黄委)与被调度者（省（区)与枢纽)两类。被调度者各省（区)负责用水管理,上报需水情况、用水情况、执行调度指令；被调度者各枢纽管理单位负责枢纽工程运行,上报下泄情况、发电需水要求、执行调度指令；调度者黄委负责调度管理,其中黄河水量调度管理局（水调局)依据《条例》,按照实际来水、用水和需水情况,制定年、月、旬与实时方案开展调度,黄委水文局和黄河流域水资源保护局对来水水量、水质进行监测评估预报,黄委黄河水利科学研究院与水文局提供计算模型与调度方案,黄委信息中心提供信息支持,黄委黄河上中游管理局（上中游局)、河南黄河河务局（河南局)、山东黄河河务局（山东局)提供辖地的用水管理及督查,故此又可细分为调度管理者（水调局)、督察者（河南局、山东局、上中游局)和业务支持单位（水文局等其他单位)。

黄河水量调度的业务分析按照每个管理角色在管理流程中的不同职责逐一进行,其中调度方案编制是水调局业务的核心环节,其流程见图2。

图2 水量调度方案编制流程

1.3 黄河水量调度数据分析

根据黄河水量调度要素与各管理单位的业务,分析各业务流程中数据的类型和特性,分析各单位所产生数据及所需要的数据。

信息类别可以依照不同的方法进行划分,如按照管理要素可分为水文数据、水质数据、工程数据和管理数据等,按照信息是否随时间变化的特性可分为静态信息、可变信息和动态信息,或者先把信息划分为静态、可变、动态信息,再按照专业加以区分。黄河水量调度管理系统采用静态、可变、动态信息的划分方式,见表1。

表1 黄河水量调度数据信息分类

基本（静态)信息是指一般来说长期不变的信息,一般情况下只增加或取消,主要包含四方面内容：黄河基本信息、工程基本信息、用水户社会经济基本信息、法律法规基本信息等。

特征（可变)信息指相对稳定,能够指示河道、工程、调度业务特性或特征的信息。这些信息往往是需要精心调试,由研究者进行研究,决策者进行决策给定的数据,代表了研究对象的状态。这类信息主要包括三个方面的内容：河道特征信息、工程特征信息、水量调度特征信息。

实际（动态)信息是指实际发生和未发生的,与实际情况相关的信息,包括黄河实际、天气实际、用水户用水（需水)实际、调度实际等。它们都是时间序列信息,每个记录都有明确的时间标记,它们随着时间而变化,随着时间的流逝,展现黄河的过去、现在和未来,以及黄河调度的过去和现在。这些信息主要包括：水情信息、雨情信息、来水信息、水质信息、水质预报信息、省（区)用水信息、省（区)用水计划信息、灌区墒情信息、灌区需水信息、枢纽运行实况信息、枢纽运行计划信息、配水调度信息、突发事件及其处理信息、引水工程实况引水及工况信息。

以上这些信息,除了法律法规中的描述性和规则性信息以及运行工况中的视频信息,都与空间有关。由于黄河水量调度管理系统要求这些数据能够在空间上进行展示,因此也需要空间地理信息。

将数据按照不同维度进行分析的原因是每一个维度对数据的管理要求不同。如从要素的角度分析,主要涉及数据的产生与需求关系,维护数据的一致性；从数据的产生过程分析,主要是为了细分数据产生的各个环节,加强数据流程管理和质量管理；从数据变化快慢的角度分析,是为了加强数据维护管理,保证数据更新。

黄河水量调度管理系统建设与运行实践证明,按照不同维度分析数据对后续建设和维护中数据的可靠性和一致性非常重要。

2 黄河水量调度管理系统总体设计

系统涉及从黄河发源地到入海口5 000多km上黄委各级机构以及沿黄各省（区)及枢纽管理机构和水量水质等各类监测站点,包括21个主要管理单位（不含取水口管理单位和黄委县市管理单位),沿黄200多座重要引水闸泵站及管理单位,近100个国控、省控水文站、4个水质自动监测站、2个墒情监测站,将运用从卫星及微波通信、广域网络、卫星遥感技术到数据存储、工业控制、应用平台搭建与系统开发等各种信息化技术。做好空间跨度如此之大、管理单位如此多而复杂、监测站点类型繁多、现地情况各有特点的信息化系统设计,使之能够符合黄河、黄委、沿黄各省（区)的实际,同时具备充分的先进性和扩展性,是一个非常大的挑战。

黄河水量调度管理系统的总体设计遵循实际、可靠、先进、流畅原则,尊重各单位的实际条件,高度重视系统可靠性和数据可靠性,采用适度先进技术搭建系统的通信网络与存储骨架,确保系统的各个环节能够顺畅地连接、集成、整合在一起。按照此原则,为黄河水量调度管理系统设计出多层分布、相对集中的较为松散的系统框架。相对独立的业务系统分布在各个管理单位,有共同需求或上下层有较多交互的系统采用统一平台集中提供服务,各单位通过黄委微波干线或公网租赁连接成广域黄河水量调度网,数据适度分级存储并向上集中,在黄委水调局形成统一的水量调度信息体系。

黄河水量调度管理系统共分为采集层、传输层、数据层、服务层与应用层等5层,涵盖了径流预报系统、水质预报系统、土壤含水量分析系统、水量调度业务处理系统、引退水远程监控系统、水量调度方案编制系统、水量调度模拟仿真系统、运行实况综合监视系统及运行维护系统等9大业务系统,按照业务要求,分别部署在黄委水调中心、信息中心、水文局、水资源保护局、河南局和山东局各级部门及闸管所、上中游局、上中游6省（区)各级水调部门及枢纽管理部门,黄委数据中心作为数据传输的总汇集点。黄河水量调度管理系统 的总体架构与部署架构见图3和图4。

图3 水量调度管理系统总体架构

图4 水量调度管理系统部署架构

3 系统建设与运行

3.1 建设与运行的重点

在系统建设和运行中,特别注重有采集与通信网络等现地施工的单项工程建设质量,特别强调业务应用与业务人员日常操作的适应性,特别突出系统集成,促进系统的协调统一。

黄河水量调度管理系统是一个复杂庞大的系统,建设管理难度很大,特别是在断面以及各省（区)有水文断面监测、取水口取水监测、水质监测以及通信网络建设等现地施工的单项工程,这些单项工程的施工质量是确保系统建设总体质量的基础。在建设过程中要按照设计要求,进一步细化并明确单项工程的边界、接口规范、建设质量与可靠性指标,确保单项工程能够符合系统集成的要求。

由于面向不同单位、不同部门,黄河水量调度管理系统在设计时主要考虑通过数据集成来实现各分系统间的集成,在系统建设与运行阶段,数据是否能够顺畅集成是考核系统建设与运行的重要指标,因此特别制定了考核办法,对部门间、单位间、上下级间的数据上报、数据到报情况进行检查与考核,确保数据准确、及时、可靠。

衡量一个系统成败的关键是系统是否真正应用于生产实践,黄河水量调度各业务应用系统在建设和运行中不断完善,与水量调度业务人员建立协同工作机制,保持密切联系,确保能够真正满足黄河水量调度要求。

3.2 与国控水资源项目整合

在黄河水量调度管理系统建设期间,国家统一部署,建立黄河流域国家水资源监控能力建设项目。项目一期完成时,黄河水量调度管理系统基本上同期完成。在项目二期建设过程中,将黄河水量调度管理系统与国家水资源监控能力建设项目进行整合,形成统一的黄河水资源管理与调度系统,整合内容包括采集数据接收整合、监测与业务数据整合、服务支撑平台整合、应用及应用门户整合,实现了对水资源管理与调度的统一用户、统一身份认证、统一登录界面、统一功能应用、统一数据源、统一流量计算、统一门户等多项内容的整合,系统整体性和可用性都得到提升。

3.3 黄河水量调度管理系统经验的应用

黄河水量调度管理系统是国内第一个流域级水量调度系统,采用黄河水量调度管理系统的设计思想,陆续在广东东江、新疆哈密、新疆塔里木河等流域和地区进行了水资源管理调度系统的设计建设和开发,取得良好的效果,表明了基于水量调度管理要素模型进行信息分析的合理性。

4 发展方向

自2000年提出建设黄河水量调度管理系统至今,黄河水量调度管理与信息技术都有了较大发展,为黄河水量调度管理系统提出新的课题。

在业务方面,调度范围从干流全过程调度及泾河渭河把口控制,扩展到干流及六大支流的全过程调度；不仅要考虑干流主要枢纽工程的运用和取退水口的管理,也要考虑支流水库运用与支流取退水口管理；调度目标从主要满足各省（区)生活、生产用水,适当考虑基流与入海用水,到满足上中游水土保持用水、中下游省（区)及外流域生活、生产、湿地用水,达到生态文明与社会经济发展和谐,调度的复杂度显著提高。同时,对调度管理的精细化、用水数据的准确性、用水监管的及时性要求也越来越高。

当前,黄河水量调度管理系统采用了自动监控、遥感、通信网络、计算、存储、移动应用等信息技术,随着物联网、5G通信、大数据、人工智能、AR/VR等新兴技术的兴起与成熟,黄河水量调度管理系统可以更好地满足黄河水量调度更加广泛、深入、严格的新要求。

信息采集方面,可以考虑采用“一站式”物联网综合采集,按短河段设站进行断面、流量、水位、泥沙、降雨、水质、工程安全、工程工况等多元素混合采集；通信传输方面,可以采用现地物联网、5G加光纤模式,达到各级管理机构与现地站点没有延迟的信息传输,支持复杂的应用场景；数据管理及分析计算与应用方面,可以采用大数据进行社会经济与水利数据的综合分析,采用机器学习与水利模型结合进行多目标水量配置与调度,采用视频、遥感分析进行智能预警,采用AR/VR技术对调度模拟与仿真进行展示,并为各级业务与管理人员提供定制的个性化信息推送与工作协同等。可以预见,在高速发展的信息技术支撑下,新的水量调度管理系统将以“更精确、更智能、更便捷”为特色,更好地服务于黄河水量调度管理。