建設(shè)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)

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摘要：水資源優(yōu)化配置是水資源管理的重點(diǎn)，而水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)在水資源優(yōu)化配置中又具有舉足輕重的作用。水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識庫、在線數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、綜合信息管理子系統(tǒng)、綜合分析與決策支持子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制管理子系統(tǒng)等組成。它是高技術(shù)的集成，體現(xiàn)了水資源可持續(xù)利用原則，并且代表了當(dāng)前世界水資源管理的方向。我國應(yīng)在“總體設(shè)計(jì)、分步實(shí)施、試點(diǎn)示范、全面推開”的原則下建設(shè)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：水利現(xiàn)代化 水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控 數(shù)據(jù)庫 管理系統(tǒng)

當(dāng)前，我國水利建設(shè)面臨著從傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利轉(zhuǎn)變的歷史任務(wù)。如何實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化?如何實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用?在水資源的開發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約和保護(hù)的綜合管理任務(wù)中，如何改變過去粗放式的管理方式，而采用集約式的現(xiàn)代管理方式?面對這些問題，我們不能不去研究國際上對自然資源管理的新思潮，不能不去研究全球高科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展大潮流。水資源的優(yōu)化配置是水資源管理的重點(diǎn)。實(shí)施對水資源動態(tài)的、實(shí)時(shí)的、優(yōu)化的配置，基礎(chǔ)是獲取大量的、動態(tài)的水資源及相關(guān)信息。當(dāng)代高技術(shù)的發(fā)展，特別是信息技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，使得對水資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理已經(jīng)成為可能。這種系統(tǒng)的建設(shè)將使水資源的管理發(fā)生重大變革，也將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益。當(dāng)前在國際上，水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)，代表了水資源管理的現(xiàn)代方向。

一、水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)的特點(diǎn)及技術(shù)要求

什么是“水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)”呢?這個(gè)系統(tǒng)是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種高新科技手段，對流域或地區(qū)的水資源及相關(guān)的大量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸及管理；以現(xiàn)代水資源管理理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托對流域或地區(qū)的水資源進(jìn)行實(shí)時(shí)、優(yōu)化配置和調(diào)度；以遠(yuǎn)程控制及自動化技術(shù)為依托對流域或地區(qū)的工程設(shè)施進(jìn)行控制操作。

這種系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：①對水資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測的內(nèi)容包括水量和水質(zhì)。實(shí)時(shí)監(jiān)測的意義在于：只有掌握瞬時(shí)變化的水量信息，才能科學(xué)、準(zhǔn)確地進(jìn)行資源配置及調(diào)度；只有掌握瞬時(shí)變化的水質(zhì)信息，才能對環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行動態(tài)評價(jià)和有效監(jiān)督，也才有可能應(yīng)對水污染突發(fā)事件，保證供水安全。②這種系統(tǒng)以地理信息系統(tǒng)(GIS)為框架，除了采集水資源信息外，還廣泛采集流域或地區(qū)內(nèi)的氣象、墑情等自然信息，水利工程等基礎(chǔ)設(shè)施信息，經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的基本信息以及需水部門的需水信息。③它不同于以往的水資源監(jiān)測系統(tǒng)，僅僅具有監(jiān)測功能。這種系統(tǒng)更重要的功能是進(jìn)行實(shí)時(shí)配置調(diào)度。它是在監(jiān)測的基礎(chǔ)上，以大量的綜合信息為基礎(chǔ)，采用現(xiàn)代水資源管理數(shù)學(xué)模型，為水資源的實(shí)時(shí)配置、調(diào)度提供決策支持。這種模型勢必突破“就水論水”局限，體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展——資源——環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，體現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用原則，體現(xiàn)“依法治水”的原則。④這種系統(tǒng)應(yīng)是高新技術(shù)的集成。系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)充分吸收國際上最新技術(shù)，堅(jiān)持高起點(diǎn)。它包括監(jiān)測技術(shù)、通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化技術(shù)、遙感、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、計(jì)算機(jī)輔助決策支持系統(tǒng)、人工智能、遠(yuǎn)程控制等先進(jìn)技術(shù)。⑤它的設(shè)置應(yīng)是因地制宜的。針對不同流域、不同地區(qū)不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及基礎(chǔ)設(shè)施狀況，水資源管理中不同的重點(diǎn)問題，水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)置也應(yīng)具有不同的特點(diǎn)。系統(tǒng)的設(shè)置還應(yīng)與防洪調(diào)度指揮系統(tǒng)的建設(shè)相結(jié)合。

這種系統(tǒng)的技術(shù)要求是：①以現(xiàn)代電子、信息、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、實(shí)時(shí)傳輸和在線分析，有效地提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確率，確保監(jiān)測信息的有效性。②充分掌握所在地區(qū)水資源供需狀況，建立相應(yīng)的資料庫和水量、水質(zhì)模型、供需水模型及生態(tài)環(huán)境分析模型。供水方面包括：地表水、地下水、土壤水，主水、客水、污水回用等等，需水方面包括：生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)環(huán)境用水等。③充分運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和人工智能等技術(shù)進(jìn)行高度技術(shù)集成，快速、高效、準(zhǔn)確、客觀地分析處理大量監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)已建立的供需水模型和水環(huán)境分析模型等，動態(tài)生成水資源優(yōu)化配置、調(diào)配計(jì)劃等輔助決策方案。④以綜合分析和輔助決策為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對水資源的優(yōu)化配置、遠(yuǎn)程控制和科學(xué)管理等，即實(shí)現(xiàn)水資源調(diào)控的現(xiàn)代化。⑤系統(tǒng)應(yīng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和動態(tài)可擴(kuò)展性，以滿足不同用戶的需求。

二、水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)具備水資源實(shí)時(shí)測、水資源實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、水資源實(shí)時(shí)調(diào)度和水資源實(shí)時(shí)管理等功能。其功能概要詳見圖1。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)又可分解為以下主要部分(參見圖2)：①數(shù)據(jù)庫(包含圖形庫、圖像庫和CIS系統(tǒng))，②模型庫(包括方法庫)，③知識庫，④在線數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，⑤綜合信息管理子系統(tǒng)，⑥綜合分析與決策支持子系統(tǒng)，⑦實(shí)時(shí)控制管理子系統(tǒng)。其核心是綜合分析與決策支持子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識庫。其他各部分則為系統(tǒng)核心的補(bǔ)充、延展和支持。

系統(tǒng)總控目的是建立系統(tǒng)各部分之間的聯(lián)系、控制各庫和各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

在線數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)提供相關(guān)水資源與水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集和數(shù)據(jù)可靠性在線分析功能。其重點(diǎn)是對地表水和地下水(水量、水位、水質(zhì)及水溫等)的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測和監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集、監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性的實(shí)時(shí)在線分析處理等。該子系統(tǒng)還應(yīng)提供與各類監(jiān)測儀器銜接的數(shù)據(jù)采集接口，通過接口模塊動態(tài)收集監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，確保存入數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測資料的有效性、完整性和可靠性。

綜合信息管理子系統(tǒng)管理各種水資源水環(huán)境監(jiān)控項(xiàng)目的數(shù)據(jù)資料，具有監(jiān)測數(shù)據(jù)資料的輸入、存儲、整編、查詢與傳輸?shù)裙δ?，對水資源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)資料進(jìn)行綜合管理和處理。該子系統(tǒng)還應(yīng)提供對綜合分析與決策支持子系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸接口。

實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)主要完成兩個(gè)功能：一是將系統(tǒng)綜合分析與輔助決策的成果以實(shí)時(shí)報(bào)告(如水資源預(yù)報(bào)、水質(zhì)分析公報(bào)、企業(yè)排污超標(biāo)警報(bào)、水資源調(diào)配建議方案等)和多媒體報(bào)警信號(如大屏幕指示、聲光警報(bào)等)的形式進(jìn)行動態(tài)輸出，以供決策部門進(jìn)行水資源配置和管理參考；二是將輸出指令直接作用于可控自動化水資源調(diào)配和控制設(shè)備(如給、排水閘門等)，通過有線/無線/遠(yuǎn)程控制技術(shù)對系統(tǒng)所涉區(qū)域內(nèi)的重點(diǎn)給、排水設(shè)備及重點(diǎn)控制工程進(jìn)行遠(yuǎn)距離的調(diào)節(jié)控制。

綜合分析與決策支持子系統(tǒng)對實(shí)時(shí)監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析處理。其主要功能就是運(yùn)用模型庫中的相應(yīng)模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)資料進(jìn)行智能化的綜合分析，參照知識庫中的專家知識和有關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)程規(guī)范，形成水資源(包括水量、水質(zhì)、水情和水環(huán)境等)動態(tài)狀況的分析成果；并根據(jù)分析成果，產(chǎn)生輔助決策報(bào)告或直接發(fā)布控制指令。系統(tǒng)還應(yīng)專門設(shè)計(jì)有多庫協(xié)同器，進(jìn)行各庫之間的協(xié)調(diào)。多庫協(xié)同器提供系統(tǒng)各庫的協(xié)同規(guī)劃、綜合調(diào)度、人機(jī)交互、資源共享、沖突仲裁和通信聯(lián)絡(luò)等處理功能。

綜合分析與決策支持子系統(tǒng)是本系統(tǒng)的技術(shù)核心，它將以國內(nèi)外近年在水源、水環(huán)境和農(nóng)田水利等方面的科研成果為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代高新技術(shù)進(jìn)行綜合開發(fā)，形成技術(shù)先進(jìn)、功能完善、實(shí)用性強(qiáng)、又便于擴(kuò)展和更新的具有決策支持能力的智能化綜合分析系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確高效地收集和及時(shí)處理大量復(fù)雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的重點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫及綜合信息管理子系統(tǒng)是面向數(shù)據(jù)信息存儲和信息查詢的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括：①水利工程檔案庫，②監(jiān)測儀器特征庫，③原始監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，④整編監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，⑤監(jiān)測網(wǎng)站資料庫，⑥人工巡視檢查資料庫，⑦數(shù)據(jù)自動采集參數(shù)庫，⑧模型輸入輸出數(shù)據(jù)庫，⑨成果數(shù)據(jù)庫，⑩實(shí)時(shí)控制日志數(shù)據(jù)庫等。圖形庫和圖像庫是數(shù)據(jù)庫的延展和補(bǔ)充。

模型庫及其管理子系統(tǒng)提供相應(yīng)分析處理使用的處理模型和計(jì)算方法的例程庫。包括各種時(shí)態(tài)和空間模型、在線數(shù)據(jù)可靠性分析算法等。包括水情預(yù)報(bào)模型、水量評價(jià)模型、水量預(yù)測模型、水質(zhì)評價(jià)模型、水質(zhì)預(yù)測模型、水污染模型、需水模型、生態(tài)環(huán)境分析模型、洪水演進(jìn)及仿真模型、決策支持模型等等。

知識庫及其管理子系統(tǒng)是用于知識信息的存儲及其使用管理的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)的知識庫內(nèi)容包括：①各監(jiān)控項(xiàng)目的監(jiān)控指標(biāo)，②日常巡視檢查的評判標(biāo)準(zhǔn)，③監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差限值，④專業(yè)規(guī)律指標(biāo)，⑤專家知識經(jīng)驗(yàn)，⑥水利法律、法規(guī)，行業(yè)規(guī)程、規(guī)范的有關(guān)條款等。

三、水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)的實(shí)施

水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)是一個(gè)十分龐大又十分復(fù)雜的系統(tǒng)，具體實(shí)施過程中要堅(jiān)持“總體設(shè)計(jì)，分步實(shí)施，試點(diǎn)示范，全面推開”的原則，并充分利用現(xiàn)有的防汛指揮系統(tǒng)、水文站網(wǎng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，形成新的網(wǎng)絡(luò)。

首先，組織好項(xiàng)目的前期工作。組織系統(tǒng)內(nèi)外的專家在國內(nèi)外廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的研究開發(fā)和設(shè)計(jì)工作。其次，要選好試點(diǎn)，發(fā)揮試點(diǎn)的示范作用。對試點(diǎn)項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)使系統(tǒng)不斷完善。通過試點(diǎn)，還要總結(jié)提煉出相應(yīng)的技術(shù)導(dǎo)則和技術(shù)規(guī)范。在試點(diǎn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，制定全面實(shí)施規(guī)劃，因地制宜地進(jìn)行推廣。對新建項(xiàng)目，如具備條件，在設(shè)計(jì)時(shí)就要將實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)納入項(xiàng)目計(jì)劃?？梢灶A(yù)言，水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)的建設(shè)，必將有力地推動我國水利現(xiàn)代化的進(jìn)程。