都江堰灌區(qū)數(shù)字水調(diào)系統(tǒng)的智能化體系結(jié)構(gòu)研究

1、都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)的智能化體系結(jié)構(gòu)研究摘 要：“數(shù)字水調(diào)”是“數(shù)字水利”的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)技 術(shù)支撐。鑒于都江堰灌區(qū)流域范圍廣、農(nóng)業(yè)灌面大、大中城市多的特點(diǎn)，提出采用分層遞階 的智能系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)搭建都江垠灌區(qū)數(shù)字水調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)由組織級(jí)（決策層）、協(xié)調(diào)級(jí)（管理 層）、過(guò)程級(jí)（執(zhí)行層）構(gòu)成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)從管理局到各管理處、再到下層各管理 站點(diǎn)的分層遞階的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它把人工智能的高層決策、系統(tǒng)理論中先進(jìn)的數(shù)字建模和優(yōu)化 方法、以及過(guò)程控制中的實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)合在一起，組成了一個(gè)適合水資源調(diào)度工程的科學(xué)體系。 該系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始在都江堰灌區(qū)實(shí)施，初步實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)水資源調(diào)

2、度自動(dòng)化功能。關(guān)鍵詞：水資源，數(shù)字水調(diào)，分層遞階，智能系統(tǒng)1.引言進(jìn)入21世紀(jì)，隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)水資源短缺的矛盾日益尖銳, 水壞境惡化的狀況令人觸目驚心，己經(jīng)嚴(yán)重地威脅到人們的生存壞境，制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā) 展。中央領(lǐng)導(dǎo)集體站在人與自然和諧共處，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與資源環(huán)境相協(xié)調(diào)的高度審視新 吋期的治水方針，以科學(xué)的發(fā)展觀為指導(dǎo)，提出以水資源的可持續(xù)利用保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù) 發(fā)展的新的治水思路，在世紀(jì)z交完成了中國(guó)水利在治水理念上的一次飛躍。水資源作為基 礎(chǔ)性的口然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中基礎(chǔ)性、全局性、戰(zhàn)略性的地 位日益凸顯。為了實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，必須

3、科學(xué)開(kāi)發(fā)和合理利用水資源，讓有限的水資源得到 最有效的使用。然而，由于多方面的原因，我國(guó)水管部門(mén)長(zhǎng)期存在的管理方式粗放、技術(shù)手 段落后的狀況并未得到根本改變，已經(jīng)非常緊缺的水資源依然浪費(fèi)嚴(yán)重，水資源的有效利用 率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。應(yīng)用先進(jìn)的電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、智能 控制技術(shù)、空間信息與3s技術(shù)構(gòu)建水資源調(diào)度信息系統(tǒng)（即“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)水資 源管理的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，通過(guò)對(duì)水資源的優(yōu)化調(diào)度和科學(xué)決策，達(dá)到水資源可持續(xù) 利用的目標(biāo)，是一項(xiàng)具有重要政治意義和顯著社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的戰(zhàn)略舉措。都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)就是在這樣的背景下提出的。2.都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調(diào)

4、”系統(tǒng)面對(duì)的特殊的問(wèn)題都江堰灌區(qū)位于四川盆地的腹心地帶，灌區(qū)幅員遼闊，渠系縱橫，屬于四川省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá) 的地區(qū)和主要的糧食產(chǎn)區(qū)。鑒于都江堰灌區(qū)流域范圍廣、農(nóng)業(yè)灌而大、大中城市多的特點(diǎn)， 構(gòu)建“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)將面對(duì)一系列的特殊問(wèn)題。以岷江為主干的都江堰灌區(qū)流經(jīng)7個(gè)市、36個(gè)縣（區(qū)/市），灌溉面積1009萬(wàn)畝。作為 全國(guó)最大的特大型灌區(qū)，都江垠管理局轄8個(gè)管理處，每個(gè)管理處下屬若干個(gè)管理站，每個(gè) 管理站下面又有若干個(gè)水調(diào)監(jiān)控點(diǎn)，影響水資源優(yōu)化調(diào)度的變量很多，相互關(guān)聯(lián)作用復(fù)雜， 從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)看，都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)是一個(gè)攵雜的巨系統(tǒng)，屬于大系統(tǒng)理論的 范疇，而大系統(tǒng)的建模和協(xié)調(diào)優(yōu)化至今仍是系統(tǒng)

5、理論研究屮的難點(diǎn)。構(gòu)建都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)需要建立龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)，涉及到海 量數(shù)據(jù)信息，既有大量的歷史數(shù)據(jù)，又有大量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，信息資源的開(kāi)發(fā)和管理是系 統(tǒng)建設(shè)的核心問(wèn)題。由于管理局不同的管理處信息化建設(shè)的吋問(wèn)、規(guī)模不同，因而采用的數(shù) 據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸方式和數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)也各不相同。從信息論的觀點(diǎn)看，都江堰灌區(qū)“數(shù) 字水調(diào)”系統(tǒng)而對(duì)的是一個(gè)跨不同數(shù)據(jù)平臺(tái)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效整合和無(wú)縫連接具有極 大的難度。傳統(tǒng)意義上的灌區(qū)主要擔(dān)負(fù)農(nóng)田灌溉任務(wù)，功能比較單一。隨著工業(yè)化建設(shè)的興起，特 別是改革開(kāi)放以來(lái)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，灌區(qū)的功能已經(jīng)有了根本的改變。 目前，

6、都江堰灌區(qū)除了擔(dān)負(fù)工業(yè)用水、生活用水、灌溉用水、生態(tài)環(huán)保用水外，還兼具防洪、 發(fā)電、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水土保持等綜合功能。從控制論的觀點(diǎn)看，“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)是一個(gè) 典型的多目標(biāo)、多任務(wù)控制系統(tǒng)，在控制規(guī)律的確定、控制方案的優(yōu)化和控制算法的選取方 面，既有大量需要深入研究的理論和方法問(wèn)題，也有大量工程實(shí)現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題。3“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)的智能化體系結(jié)構(gòu)3. 1問(wèn)題的提出基于對(duì)都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)功能和特點(diǎn)的分析可以看出：都江堰灌區(qū)“數(shù)字水 調(diào)”系統(tǒng)是一個(gè)包含較多不確定因素的巨型系統(tǒng)，影響系統(tǒng)性能的變量眾多，相互關(guān)聯(lián)作用 復(fù)雜，且呈現(xiàn)典型的非線(xiàn)性特性；要在一個(gè)如此復(fù)雜的大系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、多目標(biāo)

7、的協(xié)調(diào) 優(yōu)化控制，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)提出了很髙的要求。經(jīng)過(guò)深入研究，我們認(rèn)為采用人工 解能理論中分層遞階的押能系統(tǒng)模型搭建都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)是一條有效的途徑。智能控制和智能系統(tǒng)理論近年來(lái)受到世界各國(guó)的高度關(guān)注，在航空航天、自動(dòng)控制、信 息處理、現(xiàn)代通信等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，是人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制理論、運(yùn)籌學(xué) 等多學(xué)科交叉的產(chǎn)物。分層遞階的智能控制體系結(jié)構(gòu)是一類(lèi)仿人控制的系統(tǒng)模型，它從功能 上模擬人的智能決策行為，并從結(jié)構(gòu)上仿效這一行為的執(zhí)行過(guò)程，非常適合作為都江堰灌區(qū) “數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)這種多層次、多變量、多目標(biāo)對(duì)象的結(jié)構(gòu)描述。一個(gè)典型的分層遞階智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

8、圖1分層遞階智能控制體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由組織級(jí)（決策層）、協(xié)調(diào)級(jí)（管理層）、過(guò)程級(jí)（執(zhí)行層）組成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)形 成一個(gè)分層遞階的結(jié)構(gòu)體系，遵從自下而上智能程度越高、控制精度越低，自上而下控制精 度越高、智能程度越低的原則進(jìn)行功能的分配。這種遞階結(jié)構(gòu)非常符合人的思維決策方式， 也與企業(yè)生產(chǎn)管理的決策協(xié)調(diào)過(guò)程十分吻合，因此在大系統(tǒng)的優(yōu)化決策和調(diào)度控制中獲得了 廣泛的應(yīng)用。3. 2分層遞階系統(tǒng)的構(gòu)成3. 2. 1組織級(jí)組織級(jí)屬于分層遞階智能系統(tǒng)的最上層。它的作用是對(duì)于給定的目標(biāo)或任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃求 解形成決策方案，并轉(zhuǎn)化為完成該任務(wù)（或動(dòng)作）的組合；再將這些子任務(wù)送到協(xié)調(diào)級(jí)，通 過(guò)協(xié)調(diào)處理，生成可執(zhí)行的具體

9、操作或命令；過(guò)程級(jí)接收到這些操作指令后，按要求執(zhí)行規(guī) 定的任務(wù)；最后對(duì)任務(wù)執(zhí)行的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將評(píng)估結(jié)果逐級(jí)向上反饋，同時(shí)對(duì)以前存儲(chǔ) 的知識(shí)信息進(jìn)行修正，從而起到學(xué)習(xí)的作用，改進(jìn)決策的效果?！皵?shù)字水調(diào)”系統(tǒng)中，組織級(jí)的功能由管理局水調(diào)中心調(diào)度會(huì)商系統(tǒng)完成。會(huì)商系統(tǒng)實(shí) 際上是一個(gè)大型的軟件系統(tǒng)，構(gòu)建在數(shù)據(jù)庫(kù).知識(shí)庫(kù)模型庫(kù)之上，通過(guò)選擇合適的決策支持 算法，基于水資源供求關(guān)系和水權(quán)理論進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，形成調(diào)度方案，送至水調(diào)中心總調(diào)度 室進(jìn)行調(diào)度協(xié)調(diào)，完成灌區(qū)水資源的優(yōu)化調(diào)度控制。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了圖2所示的都江堰灌區(qū)水資源調(diào)度會(huì)商系統(tǒng)。會(huì)商系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃和問(wèn)題求解可以采用傳統(tǒng)的決策支持方法，也可采用

10、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制等新興的智能推理算法。當(dāng)前一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)是把模糊推理與神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜蚁到y(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)成模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊專(zhuān)家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水資源調(diào)度的高層決策功 能。組織級(jí)應(yīng)具有良好的人機(jī)交互功能，因?yàn)槿魏瓮ㄟ^(guò)會(huì)商形成的決策都必須在企業(yè)決策層 的直接參與和干預(yù)下才能得到確認(rèn)并被授權(quán)執(zhí)行。圖2都江堰灌區(qū)水資源調(diào)度會(huì)商系統(tǒng)3. 2. 2協(xié)調(diào)級(jí)協(xié)調(diào)級(jí)是分層遞階智能系統(tǒng)的中間層，它接受從組織級(jí)傳來(lái)的命令，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)信息處理, 產(chǎn)生一系列可供過(guò)程級(jí)執(zhí)行的具體任務(wù)或操作指令。作為系統(tǒng)的管理層，協(xié)調(diào)級(jí)擔(dān)負(fù)著把高層決策形成的規(guī)劃或方案轉(zhuǎn)化成可具體操作的過(guò) 程。同時(shí)，協(xié)調(diào)級(jí)還要監(jiān)督過(guò)程的執(zhí)行情況，并

11、隨時(shí)反饋到組織級(jí)，為上層決策提供方案執(zhí) 行效果的重要信息。都江垠灌區(qū)“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)的協(xié)調(diào)級(jí)包含多個(gè)水調(diào)分中心，下血連接 著數(shù)以千計(jì)的執(zhí)行單元。為了完成調(diào)度協(xié)調(diào)任務(wù)，協(xié)調(diào)級(jí)需要具有如下功能：(1) 通信功能。能夠向上層的組織級(jí)和下層的過(guò)程級(jí)發(fā)送和接收信息，實(shí)現(xiàn)通信管理。(2) 數(shù)據(jù)處理功能。數(shù)據(jù)處理器対來(lái)自組織級(jí)的命令信息和從過(guò)程級(jí)反饋的狀態(tài)信息進(jìn) 行描述，以提供需要執(zhí)行的任務(wù)的信息以及當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)。數(shù)據(jù)處理器中通常還 包括一個(gè)監(jiān)控器，它根據(jù)上層來(lái)的指令信息和下層的反饋信息對(duì)數(shù)據(jù)描述進(jìn)行維護(hù) 和修改。同時(shí)，該監(jiān)控器還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理器與任務(wù)處理器z間的連接。(3) 任務(wù)處理功能。任務(wù)處理器對(duì)要執(zhí)

12、行的任務(wù)進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)狀態(tài)匹配和推理機(jī)制進(jìn) 行任務(wù)的分解，繼而形成任務(wù)的準(zhǔn)確描述，并將其完整的控制命令送至底層單元。 在相應(yīng)的任務(wù)完成后，通過(guò)監(jiān)控器組織反饋信息以某種方式送至決策層，該監(jiān)控器 也負(fù)責(zé)任務(wù)處理器與學(xué)習(xí)處理器z間的連接。(4) 學(xué)習(xí)功能。能夠根據(jù)任務(wù)不斷執(zhí)行所取得的經(jīng)驗(yàn)來(lái)還逐漸減小決策過(guò)程的不確定性, 以達(dá)到不斷改進(jìn)任務(wù)執(zhí)行的能力。3. 2. 3過(guò)程級(jí)過(guò)程級(jí)即常規(guī)監(jiān)控執(zhí)行單元。在“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)中，過(guò)程級(jí)由各管理站所屬閘門(mén)控制、 水情監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等單元構(gòu)成。過(guò)程級(jí)并不需要進(jìn)行任務(wù)的規(guī)劃和協(xié)調(diào)，它只需按照給定 的指令執(zhí)行規(guī)定的操作，或者根據(jù)下達(dá)的fi標(biāo)參數(shù)實(shí)現(xiàn)常規(guī)的閉環(huán)控制。過(guò)程級(jí)

13、應(yīng)具備足夠 的控制精度，而這是由過(guò)程控制技術(shù)來(lái)保證的。3. 3分層遞階智能系統(tǒng)的特點(diǎn)分層遞階的智能控制結(jié)構(gòu)模型充分吸取了人類(lèi)智能行為的特點(diǎn)，從大腦的思維決策到小 腦的動(dòng)作協(xié)調(diào)，再到四肢的命令的執(zhí)行，體現(xiàn)了智能決策與動(dòng)作執(zhí)行的層次遞階過(guò)程，非常 適合作為復(fù)雜系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型。分層遞階結(jié)構(gòu)把人工智能的高層決策、系統(tǒng)理論中 先進(jìn)的數(shù)字建模和優(yōu)化方法、過(guò)程控制中的實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)合在一起，構(gòu)成了一個(gè)按智能層次進(jìn) 行功能劃分的結(jié)構(gòu)體系，具有非常顯著的特點(diǎn)和極大的應(yīng)用價(jià)值。4在都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)采用分層遞階的智能控制體系結(jié)構(gòu)搭建都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)，需要科學(xué)劃分系 統(tǒng)的三個(gè)功能層面，

14、并實(shí)現(xiàn)它們之間的有機(jī)聯(lián)接和系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)。根據(jù)都江堰管理局水資 源管理方式的特點(diǎn)，特別是長(zhǎng)期執(zhí)行的任務(wù)協(xié)調(diào)與任務(wù)調(diào)度程序，經(jīng)過(guò)深入調(diào)研和論證，我 們提出采用圖3的樹(shù)型結(jié)構(gòu)作為都江垠灌區(qū)“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)的分層遞階模型。圖3都管局水調(diào)中心分層遞階結(jié)構(gòu)當(dāng)前，都江垠管理局正在加快實(shí)施“基于地理信息系統(tǒng)（gis）的水資源管理信息系統(tǒng)” 項(xiàng)目。系統(tǒng)建立后，將成為水調(diào)中心會(huì)商決策的基礎(chǔ)技術(shù)支撐，承擔(dān)分層遞階智能系統(tǒng)組織 級(jí)的決策功能。都江堰管理局所在的岷江渠首，扼整個(gè)灌區(qū)水系的咽喉，是都江堰水利的樞紐工程。根 據(jù)灌區(qū)渠系的特點(diǎn)，遞階系統(tǒng)的協(xié)調(diào)級(jí)可以從功能和結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步劃分為兩個(gè)層面：第一個(gè) 層面主要完成調(diào)度

15、任務(wù)的分解，即把由組織級(jí)形成的調(diào)度方案分解為多個(gè)子任務(wù)的組合，這 部分功能由管理局水調(diào)中心總調(diào)室和渠首處共同完成；第二個(gè)層面負(fù)責(zé)調(diào)度任務(wù)的協(xié)調(diào)，通 過(guò)開(kāi)發(fā)合適的算法把各個(gè)子任務(wù)轉(zhuǎn)化成可供執(zhí)行單元準(zhǔn)確執(zhí)行的指令，送到系統(tǒng)的過(guò)程級(jí)， 這一層面的功能由管理局所管轄7個(gè)管理處水調(diào)分中心協(xié)同完成。水情測(cè)報(bào)和閘門(mén)控制構(gòu)成了“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)過(guò)程級(jí)基礎(chǔ)的執(zhí)行單元。目前，灌區(qū)干渠、 支渠的主要制口大多配備了水情測(cè)報(bào)與計(jì)量用水裝量，實(shí)現(xiàn)了重要斷面的水情監(jiān)測(cè)，一些管 理處正在積極實(shí)施閘門(mén)自動(dòng)控制示范項(xiàng)目，推進(jìn)閘門(mén)控制的完全自動(dòng)化。都江堰灌區(qū)“數(shù)字 水調(diào)”系統(tǒng)建設(shè)己經(jīng)邊出了實(shí)質(zhì)性的步伐。5.結(jié)語(yǔ)采用分層遞階的智能系統(tǒng)

16、模型結(jié)構(gòu)“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)，基于按智能程度進(jìn)行功能遞階分 配的思想，系統(tǒng)把水資源規(guī)劃的高層決策與方案會(huì)商、水資源調(diào)度的任務(wù)協(xié)調(diào)與任務(wù)分解、 以及水資源管理的實(shí)時(shí)監(jiān)控有機(jī)地結(jié)合在一起，優(yōu)化了 “數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，使水 資源管理成為一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、層次清晰、協(xié)調(diào)有序的科學(xué)管理體系。通過(guò)在都江堰灌區(qū)“數(shù) 字水調(diào)”系統(tǒng)中的應(yīng)用，已經(jīng)取得了階段性的成果，顯示了鮮明的結(jié)構(gòu)特色。把人工智能的 思想和方法引入傳統(tǒng)的水利管理，實(shí)現(xiàn)水資源管理的智能化，這在水資源優(yōu)化調(diào)度管理中是 一個(gè)有益的探索。當(dāng)前，灌區(qū)“數(shù)字水調(diào)”建設(shè)才剛剛起步，可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少，分層遞 階的結(jié)構(gòu)體系是值得深入研究的一個(gè)方向。參考文獻(xiàn)1 saridis g n. on the revise theory of intellige