具有决策支持系统的枢纽橡胶坝安全运行管理自动化系统研究

第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期作者简介田忠禄男博士高级工程师主要从事水利水电自动控制系统研究文章编号具有决策支持系统的枢纽橡胶坝安全运行管理自动化系统研究田忠禄中国水利水电科学研究院北京中水科工程总公司北京摘要针对枢纽橡胶坝安全运行管理的特殊性结合枢纽对水情气象工情防洪航运蓄供水发电环保与生态挡潮等各方面的要求提出建立具有决策支持系统的枢纽橡胶坝安全运行管理自动化系统根据系统的特点及各决策支持子系统数据源的不同探讨枢纽橡胶坝运行管理决策支持系统结构模型并对此模型与系统的信息流等方面进行了分析建立了以相关专业模型及数据仓库为核心运用现代控制系统开发技术网络与通信技术技术等开发的具有决策支持系统的枢纽橡胶坝安全运行管理自动化系统该系统将能有效地提高枢纽橡胶坝的运行管理与决策水平更好地发挥枢纽橡胶坝的综合效益关键词枢纽橡胶坝安全运行决策支持结构模型中图分类号文献标识码研究背景目前橡胶坝在我国得到广泛应用在城市供水防洪抗旱及环境保护生态建设等方面发挥了重要作用偏远地区利用橡胶坝蓄水实现灌溉和发电有效地改善了当地人民的生活条件鉴于橡胶坝越来越多地作为小型水利枢纽担负着城镇乡村以及城市的用水安全市区水网运行防洪抗旱灌溉和发电等功能因此必须加强橡胶坝的安全经济运行和管理现代化技术的研究与开发长期以来多数橡胶坝及其辅助设备在安全经济运行与管理方面控制技术手段落后不能适应我国目前城市防洪减灾城市用水安全体系及水利水电设施的管理要求同时一些橡胶坝在运行中由于运行管理决策的不科学而常常发生塌坝毁坝事故造成经济损失乃至洪水事件的发生给下游城市和地区的人民生命与财产安全带来极大威胁因此研究并开发安全经济先进可靠而又具有科学决策的橡胶坝安全运行管理自动化系统是必然的选择通常枢纽橡胶坝安全经济运行应考虑水情气象防洪蓄水供水发电等要求特殊情况可能还需考虑航运挡潮等要求所涉及的实时信息量比较广泛以蓄水水位坝内压力等实现橡胶坝控制运行的简单逻辑控制装置系统不能满足枢纽橡胶坝安全经济运行管理的要求因此研究对上述信息及坝体工况进行实时监测综合分析与决策控制的自动化系统从而实现对枢纽橡胶坝的运行管理进行科学决策与控制该系统的开发与应用将极大地提高枢纽橡胶坝的运行控制与防洪调度的管理水平确保其安全可靠经济高效的运行枢纽橡胶坝安全运行管理自动化系统的主要特点系统结构目前技术日新月异实现上述功能的软硬件开发平台和工具日趋成熟以现代通讯计算机网络等技术搭建开放分布式控制系统硬件平台实现与相关子系统的数据通讯如水情自动测报系统等及对橡胶坝运行期间的各类信息进行实时监测和数据采集处理应用软件方面以枢纽橡胶坝安全经济运行相关专业模型如防洪减灾决策支持子系统模型输供水模型等及各类数据库实时中间和历史为核心通过综合模拟计算与分析决策形成相应的运行控制指令对溢洪道分水闸排冰闸船闸鱼道等的闸门启闭装置洪潮凌汛期前后坝袋充排水气设备坍升坝实时过程等进行动态监控管理以此实现橡胶坝始终处于设计水位下的安全经济运行状态系统组成结构示意图如图所示图枢纽橡胶坝安全运行管理自动化系统结构图结构模型决策支持系统基本结构模型为保证枢纽橡胶坝安全可靠高效经济运行需要建立相关的预测预报与决策模型并对其进行再参数化过程实现模型的准确可靠模拟与修正经过分析验证的预测预报与决策模型及其经验数据通过不断地修正与积累被储存到对应的数据库中供运行管理人员在运行管理决策时参考及使用以决策支持系统结构模型为基础构建枢纽橡胶坝各决策支持子系统如防洪减灾模型将该模型嵌入到枢纽橡胶坝安全运行管理自动化系统中从而实现各决策支持子系统功能根据枢纽橡胶坝所处河道位置及担负的功能的不同自动化系统所涉及的决策模型组合不尽相同如近海口枢纽橡胶坝需要考虑风暴潮预报模型河口潮汐预报模型北方河道可能需要考虑河道冰情预报模型等综合各模型预报结果决定枢纽橡胶坝的运行方式该模型引入了数据仓库联机分析处理与数据挖掘概念并同网络可视化展示技术综合于一体结构模型具有较为优越的特性它能较好的反映对数据的真实要求的建模能力有效的展示能力具有多专业技术的集成性具有更为广泛的应用性与适用性等作为枢纽橡胶坝各决策支持子系统的建模支撑技术能较大限度地利用实测及实时分析结果使橡胶坝安全运行与调度管理和防洪拦洪挡潮挡污等决策更加直观简洁可靠常见的决策支持子系统见图结构模型中的各部分功能及特点结构模型的主要功能与特点是将数据库中的数据与各模型的数学描述所需数据有机地结合在一起各部分功能如下以为核心的数据相关专业的历史记录实时监测数据支持系统该数据为特定专业分析提供数据支持如各相关专业模型其特点是以统计决策型数据为主以为核心的算法支持系统其特点是算法中不仅包括预测预报等演绎模型更主要的是包括归纳型算法及以为核心的分析方法以网络可视化技术为核心的展示系统其特点是多种形式的模拟展示方法供运行管理者与有关决策者参考具有决策支持系统的枢纽橡胶坝安全运行管理自动化系统研究田忠禄各决策支持子系统中的数据挖掘传统关系数据库在江河及城市供水防洪减灾等系统应用中发挥了重大作用但是在枢纽橡胶坝安全运行及各决策支持子系统中的特定分析领域面临数据结构复杂操作类型多的情况数据往往表现为传统数据库存储的数据繁琐对模拟及计算分析往往缺乏直接使用价值枢纽运行管理与决策分析等需要多方面的数据如防洪抗旱指挥部在作决策时不仅需要本单位数据还需要大量外部协作如水利气象市政环保农业等方面的数据因而获得数据的范围可来自多种数据库或文件系统等非数据库数据源也可来自的网上数据源因此在水文气象拦洪蓄水供水拦排污等数据分析决策中数据源的异构性及分布性是不可避免的各专项模型的数值模拟与分析调度决策数据不一定都需要进行实时更新但需要在一定周期内定时刷新因此大量的分析决策数据是快照性数据分析决策数据的操作以读操作为主而很少存在增删改之类的操作这与一般数据库的多种操作方式不同从以上分析可以看出枢纽橡胶坝运行各决策支持子系统所需数据具有其特殊性它与一般数据库中的数据以及一般数据库的处理方式均有所不同因此需要有一种适应数据分析决策环境所需数据生成的工具与技术这就是各决策支持系统的数据挖掘技术数据挖掘技术是一种为各决策支持子系统提供所需数据支持的工具与技术各决策支持系统数据库中的数据大多来源于多种数据源并经过一定的专项模型的数值计算模拟分析实测比较并经分析归纳加工处理而成数据挖掘具有以下主要特点面向主题为特定分析领域提供数据支持这种数据则是对它们作必要的抽取加工与总结而形成如本地区各水文气象水质环境不同时刻的实时监测数据以及城市供水防洪减灾应急方案等重要参数等数据集成度高将多个数据源如水文气象水质工情调度等的原始数据经统计分析与加工后而进行集成系统的信息流在枢纽橡胶坝安全运行管理自动化系统的实现过程中信息流是分布与集中的统一体其信息流程如图所示图枢纽橡胶坝运行管理自动化系统的信息流程系统硬件平台为开放分布式体系结构与其它系统的信息交换主要通过网络通信或共享等方式如标准接口网关工作站共享数据库等实现主要包括气象水情发电供水航运等系统信息枢纽自身的橡胶坝工情信息各闸门信息等则通过传感器直接进入到数据采集系统根据数据的性质和需要对一些数据进行必要的预处理后存入指定数据库中其后利用数据挖掘技术生成各决策支持系统所需的专项数据并存入相应数据仓库供系统直接调用生成枢纽橡胶坝运行管理指令预测预报信息各种决策方案等供运行管理人员执行或参考必要时为有关政府管理部门提供决策依据和参考同时也可以将有关政府管理部门的信息反馈到系统中处理随着全数字网络视频技术及地理信息技术的应用自动化系统也具备了更加直观的监视与显示方式数字网络视频系统采用数字视频矩阵技术利用以太网传输技术与视频编解码技术实现数字化视频监控采用?编解码技术配置专用视频信号输入输出设备实现视频信号的数字化输入输出或模拟输出同时在传输网络上实现矩阵切换功能可以输出与具有决策支持系统的枢纽橡胶坝安全运行管理自动化系统研究田忠禄模拟视频监控系统相当的图像质量昀高可达电视线完全满足了现有视频监控系统的技术要求数字视频系统结合运行管理控制要求亦可以有效地实现与枢纽橡胶坝自动化系统的集成借助面向对象的方法可以方便地将枢纽橡胶坝的各个控制对象闸门泵站船闸等以直观立体形式在相应控制画面中实现对象与其监控功能的链接简化人机操作界面使用地理信息系统开发工具将水情预测预报分析结果可能的洪水淹没情况等输出数据以生动逼真的时空模拟图方式进行显示使运行管理人员与有关决策者可在枢纽涉及到的更广泛的时空范围内预先评估可能的损失进而做出科学合理的决策结语通过对枢纽橡胶坝决策支持系统的开发与完善利用现代成熟的计算机网络通信数据库中间件复用数字视频和地理信息系统等技术依据模型建立新型的具有综合决策支持系统的枢纽橡胶坝安全运行管理自动化系统实现枢纽橡胶坝的安全可靠经济高效的运行将有效提高枢纽橡胶坝的蓄供水灌溉防洪发电航运挡潮等综合能力改善当地人民的生活条件与生态环境更好地保证该地区的建设与发展参考文献陆吾华侯作启橡胶坝设计与管理北京中国水利水电出版社王定一伍永刚孙扬声等水电厂计算机监视与控制北京中国电力出版社徐洁磐现代数据库系统实用教程北京北京人民邮电出版社高霈生田忠禄阎继军南水北调工程输水调度管理和决策支持系统的技术集成研究水利水电技术刘富强数字视频监控系统开发与应用北京机械工业出版社孙才新周　刘理峰等电力地理信息系统及其在配电网中的应用北京科学出版社蔡阳汪妮张永进等中间件技术在多模型洪水预报中的应用水利学报责任编辑韩昆具有决策支持系统的枢纽橡胶坝安全运行管理自动化系统研究田忠禄