（计算机应用技术专业论文）上海市泵闸计算机自动监控系统调度平台技术方案研究.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：妒日期：叫 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：罐导师签名：r 丧1 人日期：? 叩 上海大学工程硕士学位论文 摘要 上海市计划在十一五建成居于国内同行业领先水平的水闸泵站综合调水调 度系统，通过基于广域网的实时监测系统，完成对水闸、泵站调水运行数据、 图像等的监测，并通过与水情、气象系统的联网，协调处理水文、水质、气象、 设备运行等各种数据信息，为水资源的科学调度和优化配置提供现代化管理手 段。 水闸泵站计算机自动监控系统调度平台是建立在远程监控平台基础之上的 应用系统，上承水力水质数学模型，下接监控系统，是水利信息化实现从远程 集中监控向计算机自动监控发展的一个重要跨越。 为配合此项工作的顺利实施和完成，我们选择了上海松江区4 个圩区的水 闸站、泵站进行了计算机自动监控系统调度平台技术方案的研究，拟建成集数 据采集、调度监控和行政管理为一体的智能化系统，对圩区内水闸闸位、泵站 的工作状态、关键处的水位、雨量、灌排流量等信息进行实时采集，将尝试把 监控系统、水力数学模型、决策支持系统等多个系统有机结合起来，并最终实 现智能决策和自动控制的目标，给管理者提供必要的水文信息，为排涝、挡潮 提供依据，做到防洪标准化、排涝分流化、管理科学化， 关键词：水闸泵站，自动监控，调度平台 上海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t s h a h g h a im u n i c i p a l i t yi sp l a n n i n gt oi m p l e m e n tw r a t e l d i s p a t c hs y s t e mf o r w a t e rp u m ps t a t i o nd u r i n gt h ee l e v e n t hf i v e - y e a rp l a n w h i c hi ss u p p o s e dt ob e r a n k e di nt h ef r o n to ft h ea r e a o p e r a t i o nd a t aa n dd i a g r a m sc a nb em o n i t o r e da n d t e s t e dt h o u g ht h ew a i sr e a lt i m em o n i t o r i n gs y s t e m t h es h a r e do n l i n e r a t e l a n d w e a t h e rs y s t e mw i t ht h ew a t e rd i s p a t c hs y s t e mw i l lc o n t r i b u t et ot h es u c c e s s f u l l y p r o c e s s i n gv a r i o u sd a t ao fh y d r o l o g y , w a t e rq u a l i t y , w e a t h e r , e q u i p m e n to p e r a t i o ns o a st op r o v i d em o d e mm a n a g e m e n t sf o rt h er a t i o n a ld i s p a t c ha n do p t i m i z e ds c h e m e s b a s e do nl o n g d i s t a n c em o n i t o r i n gp l a t f o r i l l t h ed i s p a t c hp l a t f o 胁o f c o m p u t e ra u t o m o n i t o rs y s t e mf o rw r a t e l p u m ps t a t i o ni saa p p l i c a t i o n o r i e n t e d s y s t e m ，i o i n t e d w i t hm a t h e m a t i c a lm o d e lf o r w a t e r p o w e r w a t e rq u a l i t y a n d m o n i t o r i n gs y s t e m ， i tc a nb e l o o k e da sab r e a k t h r o u g hf o r i r r i g a t i o n i n f o r m a t i o n a l i z a t i o nt ot r a n s f e rf r o ml o n g d i s t a n c ec e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gt o c o m p u t e ra u t o m o n i t o r i n g t om a k es u r et h es u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o no ft h i sp r o j e c t w ec h o o s eq u i t ea n u m b e ro fw a t e rp u m ps t a t i o n si ns o n 舀i a n gd i s t r i c to fs h a n g h a ia so u rf o c u so n t e c h n i c a lp l a nf o rd i s p a t c hp l a t f o r mo fc o m p u t e ra u t o m o n i t o r i n gs y s t e m a n i n t e l l i g e n ts y s t e m w h i c hi n t e g r a t e s c o l l e c t e dd a t aa sw e l la sd i s p a t c h i n g & m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t i ss u p p o s e dt ob ee s t a b l i s h e dt ow a t c hw a t e rl e v e lo f t h ep u m pg a t e , d a i l yo p e r a t i o no fp u m ps t a t i o n s ，k e yp o i n tw a t e rl e v e l ，p r e c i p i t a t i o n r a i nf a l l i r r i g a t i o na n dl e t t i n gr u n o f f w ea l s oa t t e m p tt oi n t e g r a t em o n i t o r i n gs y s t e m w i t hw a t e r p o w e rm a t h e m a t i c a lm o d e l d e c i s i o n m a k i n gs y s t e ma n do t h e r st oa c h i e v e i n t e l l i g e n td e c i s i o n m a k i n ga n da u t o c o n t r 0 1 w h i c hw i l lp r o v i d eh a n d l e r sn e c e s s a r y i n f o r m a t i o no nh y d r o l o g y i ti ss e r v e da st h ep r o o ff o rp r o p e rw a t e ra n dt i d e d i s c h a r g et om a k et h ef l o o d p r e v e n t i o ns t a n d a r d ，w a t e r - d i s c h a r g ed i s t i l b u t e da n d m a n a g e m e n te 街c i e n t k e yw o r d s ：w a t e rp u m ps t a t i o n ，a u t o m o n i t o r i n g ，d i s p a t c hp l a t f o r m 2 上海大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 上海市计划在十一五期间建成居于国内同行业领先水平的水闸泵站综合调 水调度系统，通过基于广域网的实时监测系统，完成对水闸、泵站调水运行数 据、图像等的监测，并通过与水情、气象系统的联网，协调处理水文、水质、 气象、设备运行等各种数据信息，为水资源的科学调度和优化配置提供现代化 管理手段。 根据上海市水闸泵站计算机自动控制系统总体规划的部署，目前上海 市水闸泵站计算机自动控制系统一期工程目前已经建成或初步建成三个远程集 中监测监控系统项目，分别是： 上海市水闸综合调水调度系统( 上海市水闸泵站自动监测系统) ； 太湖流域( 上海部分) 子系统工程； 松江( 新浜镇) 泵闸计算机控制系统； 水利信息化系统建设在早期单个闸站监n 监控系统建设的基础上已经发 展到远程集中监控系统阶段，并开始逐步向调度平台智能自动控制阶段发展。 为配合有序开展调度平台项目建设，我们拟选择一个已经建成的远程集中监控 系统，在其基础上进行调度平台技术方案的试点研究。 上海市水闸泵站计算机自动控制系统一期工程三个项目中，上海市水闸综 合调水调度系统( 上海市水闸泵站自动监测系统) 虽然建设最早，但由于该系 统己建成部分只是远程监测系统无法进行远程控制，因此尚不能进行调度平台 建设，需在该项目二期建成远程监控系统后才具备实施调度平台的条件。太湖 流域( 上海部分) 子系统工程目前尚未验收，而且该项目流域范围较大，在该 项目基础上进行调度平台试点建设的难度和风险都较大。松江( 新浜镇) 泵闸 上海大学工程硕士学位论文 计算机控制系统项目则在封闭小流域范围内实施，该项目在松江区新浜镇4 个 圩区( 东片圩区，西片圩区，林家埭圩区，黄家埭圩区) 进行建设，水闸泵站 总计已对2 8 座水闸及2 3 座排涝泵进行自动化监控改造，建立了计算机自动控 制系统，对水闸闸位、关键处的水位、泵的工作状态等信息进行实时采集，并 实现对4 个圩区水闸、泵站现场状况进行视频图像监视，因此选择在该项目基 础上首先进行调度平台试点建设是最佳选择。 水闸泵站计算机自动监控系统调度平台是建立在远程监控平台基础之上的 应用系统，上承水力水质数学模型，下接监控系统，是水利信息化实现从远程 集中监控向计算机自动监控发展的一个重要跨越。 目前，松江( 新浜镇) 泵闸计算机控制系统已正式进入试运行阶段，该系 统已经实现对控制区内泵闸进行远程监视、操作，并能够根据实时水位及雨量 数掘启动预定的调、排水方案，具备了初步的自动化操作，作为郊区水利信息 化发展的一个试点，该项目的示范意义初步得到体现。但该项目的智能化程度 与郊区水利现代化发展的长远目标还有差距。为此需新增调度平台，使其基本 达到“现场无人值守，由中央控制室实施集中调度”的程度。 调度平台的建设将尝试把监控系统、水力数学模型、决策支持系统等多个 系统有机结合起来，并最终实现智能决策和自动控制的目标。作为一个技术研 究的试点项目，该项目将完成调度平台建设有关的各项关键技术的研究和实际 应用，项目建设经验对在上海市乃至全国的水闸泵站计算机自动控制系统工程 中更大范围地推广使用调度平台技术将具有很好的参考借鉴意义。 1 2 本论文的工作内容 作者的主要工作包括： 1 ) 、研究了世界范围内出现的的调度系统。 2 ) 、认真研读和翻译了关于o p c 技术和m a t r i xl a b o r a t o r y 科学计算软件的 相关协议和内容，并进行了深入的分析。 3 ) 、结合水闸泵站的水利特征进行了调度平台的系统研究。 6 上海大学工程硕士学位论文 1 3 本论文的组织 本论文讨论研究了关于在水闸泵站自动化控制系统的基础上建立调度平台 已实现智能决策和优化调度的综合调水调度系统。通过研究，证明了该调度平 台在水利工程的运行管理中可以发挥高效的管理作用。 余下的章节安排如下： 第二章主要介绍了研究的范围和目标，在“智能决策、自动控制”的主要 目标的前提下提出了明确的技术方案要求，进行了详细的系统功能需求分析和 调度设计，并进一步阐述了研究的原则和依据。 第三章介绍了系统构架的六方面的组成部分，详细阐述了每个组成部分的 具体内容、以及各组成部分的工作流程。 第四章是研究的核心部分，着重进行了本调度平台技术方案的设计。本章 主要在二、三章深入分析后，分水力数学模型、决策支持系统、监控系统集成、 调度安全控制四个方面描述了其基本结构，相关功能、设计方案等。 第五章主要介绍项目研究的三个实施阶段：监控系统集成及调度预案执行 阶段、数模验证及优化调度预案生成阶段、根据调度目标实现智能自动调度阶 段的主要工作内容和具体步骤。 第六章分系统软件和应用软件介绍了本调度平台的软件设计方案，并在此 基础上形成了调度平台的系统部署。 第七章其实是小结部分。一方面对试验进行总结和思索改进方法，分析了 系统扩展的方案，另一方面介绍了该技术的应用推广的可能性。 最后在附件部分介绍了本研究涉及的重点技术即o p c 技术和m a t r i x l a b o r a t o r y 科学计算软件的主要内容。 7 上海大学工程硕士学位论文 2 1 概况 第二章系统综述 上海市松江区新浜镇4 个圩区( 东片圩区，西片圩区，林家埭圩区，黄家 埭圩区) 水闸泵站总计已对2 8 座水闸及2 3 座排涝泵进行自动化监控改造，建 立了计算机自动控制系统，对水闸闸位、关键处的水位、泵的工作状态等信息 进行实时采集，并实现对4 个圩区水闸、泵站进行视频监视。 调度平台则将在监控平台基础上实现智能决策和优化调度，进一步提高水 利工程的运行管理水平。 2 2 研究范围 本技术方案研究将在已建监测系统和控制系统基础上增加调度平台，要求 防汛排涝计算机自动监控达到现场无人值守的程度，由中央控制室实施集中调 度。 本工程调度平台的实施范围见图l 。 2 3 研究目标 技术方案研究目标：智能决策、自动控制。 技术方案要求： 松江区新浜镇圩区泵闸计算机自动监控系统调度平台主要由数学模型( 河 网水力模型) 和辅助决策支持系统组成，调度平台应能根据已建监测系统实测 水位、雨量和泵闸运行资料通过数学模型演算得出初步方案，经辅助决策支持 系统判别认可后作出调度方案。辅助决策支持系统应有自学习功能，能通过执 上海大学工程硕士学位论文 行若干次调度方案后进行自我优化，从而得出优化的调度方案。调度方案要满 足防汛排涝的时间要求( 2 0 0 r a m 面雨量，雨后2 4 h 排除) 又要尽量利用闸排， 少用泵排。 图1 调度平台尽量利用现有设备，少添置新设备。但需要添加水( 船) 闸安全 控制设备，在开、关闸过程中若有船只进入禁入区域自动报警并紧急停机。 2 4 功能需求分析 1 根据调度目标，系统将首先根据雨情、水情在历史调度预案库中查询匹 配可用的最优调度方案，匹配成功则直接进行调度，提高系统调度响应 速度。紧接着，几乎与此同时，运行水力数学模型，对比并且需要时调 整调度方案； 2如果历史调度预案库中没有适用的调度方案时，系统将使用当前的工情 工况作为初始的调度方案，经过水力数学模型的运算后不断优化该调度 方案，并且通过后续的变化了的水情、工情生成新的调度方案； 3系统通过红外线探测和视频图像分析等多种手段相结台，对船闸上下游 上海大学工程硕士学位论文 河道上的船只进行自动检测，闸门启闭过程中当检1 , i ! i i 禁区内有船只后 系统将自动报警并联动控制闸门紧急停机，暂停调度方案执行； 4 船只出入禁区造成闸门紧急停机后，监控中心操作人员完成报警处理后 可恢复系统自动调度，系统检测到报警消失后也可以自动恢复到系统自 动调度状态，以提高系统调度的自动化程度； 5 调度方案生成后系统将自动完成调度指令到控制指令转换、数据格式转 换并控制监控系统最终完成对现场设备的远程控制； 6 调度平台将从监控系统自动收集水情、雨情、现场工况等数据，完成数 据格式转换后保存到调度平台数据库中； 7 系统可根据用户输入的气象预报信息、潮汐预报信息等，提供水力数学 模型进行水情预测，并根据用户需要进行预测性调度，使系统充分发挥 防灾度汛的作用。 8 在进行预测预报时，对于外河的边界条件( 水力数学模型计算必需的资 料) ，系统根据历史数据记录、天文潮规律等，自动进行预估，并在调度 过程中通过误差回归分析等手段逐步减小误差，并周期性地对调度方案 进行优化调整： 9 用户可管理调度预案库，可根据专家经验向预案库中添加调度方案； l o 用户可添加人工调度预案并指定适用条件及优先级，条件满足时系统直 接按照调度预案进行调度，不再经过系统优化过程； 1 1 系统自动调度时，用户可实时监控系统调度全过程，系统将以直观的方 式输出调度指令、控制指令、圩内水位预测和实测过程曲线、圩外河道 水位变化预测和实测过程曲线、误差分析曲线等所有相关信息，授权用 户可随时终止自动调度过程； 1 2 系统自动调度过程中，如果因为监测系统或控制系统设备故障、通讯故 障等原因导致自动调度过程中断，则系统根据现场水情、雨情按应急预 案自动生成应急调度方案并执行，确保调度目标实现； 1 3 系统自动调度过程中，每隔段时段，自动将执行结果与预期结果进行 分析比对，当偏差超过指定范围时，自动调整调度方案； 1 0 上海大学工程硕士学位论文 1 4 调度方案执行完成后，系统根据执行结果对调度方案自动进行综合分析 及优化，生成新的调度方案存入调度预案库中供今后选用； 1 5 用户也可以根据系统输出的调度方案执行结果的相关数据等辅助决策 信息，结合用户经验对调度方案进行人工分析和优化，生成新的调度方 案存入调度预案库中供今后使用； 1 6 用户可查询系统所有调度方案，系统将输出调度方案调度指令、控制指 令、水位预测曲线、水位变化过程曲线、调度方案执行结果的各种数据 分析曲线分析报表等。 2 5 调度设计 在汛期期间，当圩区内降大到暴雨并持续一定时间后，调度平台将启动水 闸泵站自动调度程序，具体过程如下： 1 调度开始，为提高响应速度，首先根据雨情、水情和调度目标在调度预 案库中选配初始调度方案； 2 启动水力数学模型：调度平台支持水力数学模型自动从数据库中读取所 需的各种输入数据，根据圩区内外水位、雨情、边界河道上闸门和水泵 的参数及工况等输入数据，模型自动计算出圩区范围内的实时水位情 况，并预测出未来2 4 小时内各时段的水位变化情况，并在计算后将模 型的输出结果自动存入到数据库中； 3 比较预估结果和预期结果：根据水力数学模型输出的未来2 4 小时内的 水位变化情况，我们可以得出圩区内河道的预估水位，再将该预估水位 与设定的预期水位比较，如果预估水位高于预期水位，则说明目前水闸 ( 泵) 的排涝力度还不够，需要加大；反之则说明可以关闭若干的水闸 ( 泵) ，尤其是泵站，以减少能耗； 4 得出调度方案：上述预估和预期结果的比较接近，即差值在合理范围内， 调度平台的决策支持子系统即可生成初始调度方案，如果调度平台的决 策支持子系统调整初始调度方案后差值仍超出合理范围，则需检查水力 数学模型的输入是否有误，并在更正错误后再启动水力数学模型重新计 上海大学工程硕士学位论文 算，然后在调度预案库中选取一个最接近初始调度方案的调度预案作为 调度方案。选定的调度方案同样需要经过决策支持系统的分析和检验， 以确定该方案在实时的情况下是符合逻辑并切实可行的。当圩区内普降 特大暴雨，超过圩区排涝能力时，不能生成满足排涝标准的调度方案， 则启用最大的排涝能力即是调度，这可在决策支持子系统中预先设定； 5 生成控制方案：在我们设计的预案库中，调度方案与控制方案是一一对 应的。调度方案描述的是对圩区内各个水闸或水泵的工情状况，包括闸 门的启闭、开度，以及水泵的开关和持续时间；控制方案是与之相对应 的一系列控制操作指令，通过执行这些指令来控制远端的水闸或水泵。 6 执行控制方案：当控制方案被调度平台确认开始执行后，一系列操作指 令被下达到监控平台，通过o p c 技术，我们能够方便地做到与系统现 有的i f i x 组态软件实现数据通讯，进而通过在一期项目中已经实现的 远程控制功能，对远端的水闸水泵进行操作； 7 调度安全控制：当具体某个水闸接收到控制指令并开始执行时，会启动 一整套的安全防护措施，如预先启动一定时间的警铃、警灯，播放录音 警告等，再启动闸门的开关；如果在开关过程中，有闯入船只触发红 外线报警装置，系统会自动停止闸门运行，并立即向监控中心发出警告 信息，提示有关人员切换到手工操作；如果红外线报警解除，则自动恢 复原先的操作。 8 采集新的水情、工情数据：当启动调度平台后，系统会根据预定时间间 隔( 如每一小时) 采集更新后的水情、工情等数据，存人数据库中； 9 循环计算：根据预定时间间隔，系统将不断重复步骤2 至8 ，生成更合 理的调度方案； 1 0 总结分析和存储：等到整个防汛排涝调度过程完成后，决策支持系统对 本次调度过程进行综合分析和处理，得出在本次水情状况下最优的调度 方案，并存入预案库中，如果下次有类似的水情发生，则可以直接调用 该方案，真正做到系统的自我学习和自我完善。在此基础上，根据不断 积累的调度实践和实测资料，定期对数学模型用实际情况进行验算，优 1 2 上海大学工程硕士学位论文 化模型参数，提高模型精度。 备注：引清调水的调度流程与防汛排涝的调度流程相类似，所不同的是：不是 降低圩区内河网水位，而是抬高圩内河网水位，圩外河道水位过程线是 上边界条件，圩内河网水位过程线是下边界条件，正好与防汛排涝情况 相反。为压缩篇幅不再赘述。至于上、下边界条件，决策支持子系统会 自动判别，并输入水力数学模型。 2 6 研究基本原则 在经济实用的前提下，本着严谨、慎重的态度，从系统结构、技术措施、 系统应用、技术服务和实施过程等方面综合进行系统的总体设计，使该系统实 现防汛排涝和引清调水水闸泵站计算机自动监控达到无人值守的程度，并简化 操作程序，方便用户使用。从技术措施角度来讲，将严格遵守以下原则： ( 1 ) 实用性和集成性 系统应充分整合利用己建的监测和控制系统( 以下称“监控平台”) 的各 种资源，并加以优化完善，最终实现调度平台的各项功能。调度平台作为监控 平台的上层应用系统，在设计时还应充分考虑与监控平台之间的集成与信息互 通。 ( 2 ) 标准性和开放性 只有支持标准性和开放性的系统，才能支持与其他开放型系统一起协同工 作。对系统的对外接口设计应采用成熟的通用化、标准化的技术，确保系统建 成的开放性和连通性，使系统能与其它水利信息化应用系统进行更高层次的信 息系统集成应用，从而更好地发挥调度平台的功效。 ( 3 ) 技术先进性和成熟性 采用先进技术将提升的系统性能和效益，而采用成熟技术是系统稳定可靠 的基本保证，并确保系统的可延续性。因此在系统设计中的技术选型应合理权 衡技术先进性和技术成熟性，将先进性和成熟度兼备的技术和我们的实际应用 1 3 上海大学工程硕士学位论文 要求紧密结合，从而获得最大的系统性能和效益。 ( 4 ) 安全性和可靠性 调度平台的建设要达到现场无人值守，由中央控制室实施计算机自动监控 的要求，必须把系统的安全性和可靠性放在首位，必要时可对系统性能及系统 功能进行适当取舍。 ( 5 ) 延续性与扩展性 系统设计除满足任务书的各项基本要求，实现试点项目的各项功能要求， 同时还应充分考虑系统的延续性与扩展性，重点搞好系统结构的设计，并在试 点项目建设中重点突破一些重点及难点技术，在保证项目目标实现的前提下使 系统具有较好的推广借鉴意义。 ( 6 ) 可实现性和可操作性 系统在设计时充分考虑系统的可实现性及可操作性，既要做到优化调度又 要保持系统有较好的输出响应速度，同时还应对调度执行过程中可能发生的各 种情况( 如调度过程中指令执行由于现场状况被迫中断执行等) 予以充分考虑。 ( 7 ) 容错性 水力数学模型会存在一定偏差或在一些特殊条件下甚至出错，这在调度平 台对数模进行应用时应予以注意，并在系统设计中进行必要的容错性设计，以 形成虽然不是优秀的但是基本合理的调度方案。 2 7 研究依据 2 7 1 标准和规范 水闸工程管理设计规范 水闸技术管理规程 泵站技术管理规程 1 4 s l l7 0 9 6 s l 7 5 9 4 s l 2 5 5 2 0 0 0 上海大学工程硕士学位论文 水文自动测报系统规范 水文巡测规范 水环境监测规范 水利水电工程可行性研究报告编制规程 s l 6 1 9 4 s l l9 5 9 7 s l 2 1 9 9 8 d l 5 0 2 0 9 3 计算机信息系统安全测评通用技术规范d b 3 1 t 2 7 2 2 0 0 2 计算机软件开发规范 计算机软件质量保证计划规范 2 7 2 相关文件 g b 8 5 6 6 8 8 g b t1 2 5 0 4 松江区新浜镇圩区泵闸计算机自动监控系统调度平台议标任务书 中华人民共和国河道管理条例 上海市河道管理条例 上海市水务局信息化规划，上海市水务局，2 0 0 2 1 2 上海市水资源综合规划纲要，上海市水务局，2 0 0 1 6 上海市水闸泵站计算机自动控制系统可行性研究报告 上海市水务局 2 0 0 1 1 0 上海市河网水力、水质模型研究一一水力模型研究报告 河海大学、上海水务局2 0 0 0 1 2 上海市防汛自动测报、决策支持系统二期工程可行性研究报告 上海市防汛信息中心 2 0 0 0 7 上海大学工程硕士学位论文 第三章系统架构 3 1 系统组成与架构 本系统调度平台由以下几各主要部分组成： 水力数学模型 决策支持系统 监控系统集成 调度安全控制 用户操作界面 系统应用服务接口 系统总体结构见图2 。 ( 1 ) 水力数学模型 水力数学模型由数模输入、数模计算、数模输出及数模接口四个部分组成。 数模输入采用接口数据文件形式，其内容为数模计算所需的所有静态数据 及动态数据。 数模输出为数模计算后输出的所有信息，输出形式也采用接口数据文件形 式。 数模接口负责从决策支持系统各种信息库中提取数模所需的各种数据，进 行数据格式转换后生成数模的输入数据文件，然后调度数模完成计算，再将数 模输出数据文件进行数据格式转换和解析生成决策支持系统所需的有关信息。 通过数模接口可以将数模与决策支持系统进行有效隔离和解耦，使决策支持系 统的各种信息库的设计更加独立。 数模接口的设计，还可以实现根据决策支持系统的需要进行计算规模的扩 展( 并行计算、多主机组成计算群等) 。 1 6 上海大学工程硕士学位论文 圈2 ( 2 ) 决镱支持系统 本系统的决策支持系统部分由各种功能模块及各种信息库共同组成。 估。 功能模块主要包括智能信息检索、调度方案生成、调度方案执行及结果评 鬻茴 上海大学工程硕士学位论文 信息库包括决策模型库、调度预案库、调度规则库、专家知识库、工程信 息库、水文数据库、工况数据库及外部信息库。 ( 3 ) 调度安全控制 调度安全控制是对已建监控系统的进一步完善，要实现船闸闸门启闭时的 安全控制并使计算机自动监控到达无人值守的程度。为此，除现场配套增加相 应的安全辅助硬件设施，另外调度平台软件必须很好地协调控制现场各种设施， 以确保现场闸门启闭不造成意外事故。 ( 4 ) 监控系统集成 已建监控系统与调度安全控制共同构成远程监控平台。 监控系统集成是通过监控平台接口实现决策支持系统对监控平台的调度控 制及数据互通。 监控平台接口的设计同样是为了实现调度平台与监控平台之间的隔离和解 耦。目前实现监控系统时可选用的技术较多，各种技术实现方式的数据接口方 式也多种多样，为便于试点项目的推广应用，我们在系统结构上设计了专门的 监控平台接口，来实现与各种监控平台之间的集成和兼容。决策支持系统只须 按系统定义的统一格式将调度指令发送给监控平台接口，再由监控平台接口去 具体控制各种监控平台。另一方面监控平台接口又将决策支持系统所需的各种 现场数据从监控平台采集并转换为系统定义的格式并存入系统相应的信息库 中。 通过监控平台接口的设计还可以进一步实现调度平台远程控制监控平台， 以及调度平台同时控制多个监控平台等任务。 ( 5 ) 用户操作界面 用户操作界面即系统的人机交互接口，用户通过操作界面来实现与系统的 各种交互。 ( 6 ) 系统应用服务接口 上海大学工程硕士学位论文 提供外部系统对调度平台相关信息的访问，是调度平台与其它信息系统( 或 更高层次的调度平台) 实现集成时的应用服务接口。 3 2 系统架构特点 在系统研究原则中已经提到，系统除满足各项基本要求，实现试点项目的 各项功能要求，同时还充分考虑系统的延续性与扩展性，重点搞好系统结构的 设计，并在试点项目建设中重点突破一些重点及难点技术，在保证项目目标实 现的前提下使系统具有较好的推广借鉴意义。为此在系统架构设计时对这一问 题加以了重点考虑。 在决策支持系统与数模、决策支持系统与监控平台之间均设计了专门的接 口来实现各部分之间的集成，同时又使各部分之间保持较好的独立性，信息库 的设计则能很好地满足系统各部分之间实现数据共享的需要。这种结构化设计 对系统深化设计、软件开发、调试、维护及系统功能扩展等各方面都带来很大 便利。 由于有了这种系统结构上的结构化和相对独立性，项目研究过程中只要先 把接口部分设计好，则系统其它部分就可并行地、独立地分别进行深化设计、 软件开发、调试等工作。 3 3 系统工作流程 系统执行一次自动调度过程时的系统工作流程见图3 。 ( 1 ) 调度周期开始后根据雨情、工况和调度目标首先在调度预案库中进行 查询，查找是否有适用条件接近的调度预案，如匹配成功则用已有调 度方案直接进行调度，执行步骤( 4 ) ； ( 2 ) 根据雨情、水情和工况调度数模进行计算； ( 3 ) 根据数模输出及用户选定的调度目标生成调度方案，在调度预案库中 比选调度方案： ( 4 ) 发布初始调度指令或后续调整调度指令； 1 9 、! ! ! ! 竺j - t 目# ，二一 _ t t t 口 i 。：嚣“，：一t - * - l 一觥，7 嚣群，- 一- 溅l ms ， _ 女目# 二一* ”t 女l t 卜一 最摩廛 y “ t _ 日* 口* # - t * l t e * * _ i 上海大学工程硕士学位论文 ( 5 ) 调度监控平台执行远程控制指令； ( 6 ) 在执行步骤( 5 ) 后，调度初始阶段立即返回步骤( 2 ) ，以后按预定 的时间间隔( 般为l 小时) 返回步骤( 2 ) ，若后续调度方案指令与 前一个调度指令差别大于预先设定的范围，按后续调整指令执行远程 控制指令； ( 7 ) 监视调度过程，如调度过程发生中断( 设备故障、船只闯入等) ，则 返回步骤( 2 ) ； ( 8 ) 调度过程对调度方案执行结果进行分析评估，如发现现场状态变化与 预期偏差超出制定范围，则调整方案，即调整工情，返回步骤( 2 ) 重新生成调度方案或提醒用户干预； ( 9 ) 在调度周期内反复执行以上过程，直至调度目标最终实现。 调度目标实现后对以上调度过程进行综合分析评估，生成新调度方案并存 入调度预案库。调度方案执行结果评估，主要是对实测水位过程变化曲线与预 估水位过程变化曲线进行比较分析。 2 l 上海大学工程硕士学位论文 4 1 水力数学模型 第四章技术设计 本调度平台应用该模型进行河网水力计算，调度平台通过决策支持子系统 从监测系统取数据经转化后对模型输入数据，从模型取输出数据经转化后输入 控制系统。 4 1 1 数模概述 松江区新浜镇圩区河网水力数学模型是应用水利部审查批准的上海市河 网水力数学模型对指定圩区河网建模。根据圩内河网水位和降雨过程预报、 圩外河道潮汐过程预报以及圩区边界上水闸泵站运行工况，通过模型计算预测 圩内河网水位变化过程，进而通过调度平台决策支持子系统实现对圩内河网引、 排水量和水位变化进行科学有效的调度管理。 4 1 2 河网水动力模型计算 水动力学模型是对河网水系水流运动规律的一种模拟，通过水动力学模型 计算可以预测各种降雨标准、边界条件、控制条件下的河网水位和流量变化。 水动力学模型计算的基本方程采用一维非恒定流的圣维南方程组： i 8 q + e 要：g 饿讲 鲁+ 2 “罢+ ( 鲥一肼) 罢一“2 罢l ：+ g 丽d q 西q a = 。 反 俄倦 硪k 式中， x 沿程坐标 t 时间坐标 q 过水断面流量 ( 1 ) ( 2 ) 上海大学工程硕士学位论文 z 断面水位 a 过水断面面积 b 水面过水宽度 b w 河道两侧调蓄水面宽度 b t 断面过水宽度b t = b + b w r 水力半径 q 单位河长的旁侧入流量 u 过水断面平均流速 n 糙率系数 g 重力加速度 求解方法是对基本方程( 1 ) ，( 2 ) 式，采用p r e i s s m a n n 四点 隐式差分格式进行数值离散，即得如下离散方程： 一q f + c fz f + q + i + c , z j + l = q( 3 ) 巨q f e 互+ g q f + 。+ f 乙+ 。= ( 4 ) 式中， c i = 等( 嘁，： d j = q a x f + c f ( z + z 二1 ) e = 急地“：+ 薹牡，( 甚) ； q = 急砌二m + 争2 一a r 瞄u 奴 f = ( g a b “2 ) 0 l 2 = 西a x i 、场j + “。) + 血，( “2 罢j ：) 式中凡下脚标为i + 1 2 者均表示取i 及i + 1 断面处函数值的平均。由于这六 个系数均可根据时段初已知值及选定的时步长和距离步长计算得到，故方程组 ( 3 ) 和( 4 ) 对每一计算时步长而言为线性方程组。 对两个节点之间的每个河段作为单一河道处理，对每一河段进行联算。 上海大学工程硕士学位论文 4 1 3 数模输入输出 松江区新浜镇圩区河网水力数学模型建模所需的基本资料为河道沿程断面 资料、下垫面资料、工情资料和率定及验证所需的历史水文资料，这些数据存 入调度平台决策支持子系统数据库，供以后河网发生变化而修改模型用。 在进行调度运行时所需的动态输入为：上、下边界条件，降雨过程预报， 圩区边界上上闸门和水泵的参数及工况。数模的输出为：圩内出口断面流量过 程和代表断面水位过程。上、下边界条件如1 5 所述。 4 1 4 数模边界条件问题 本调度平台决策支持子系统，对数学模型输入数据，包括模型边界条件。 一般而言，上边界条件宜为流量过程曲线，下边界条件为水位过程线，当获取 流量过程线有困难时，上、下边界条件可均为水位过程线。如前所述，本项目 圩内河网水位过程线，当防汛排涝调度时，其为上边界条件；当引清调水调度 时，其为下边界条件。不论是防汛排涝调度，还是引清调水调度，我们只知道 圩内河网初始水位和调度预期水位，并不知道水位变化过程线，因此要以未知 的圩内河网水位过程线作为边界条件输入模型就成为了问题，这是有限大的封 闭水系独特的问题。 本调度平台技术方案采取以下方法解决这个问题：根据圩内河网调度起始 水位和预期水位、调度时间，在决策支持子系统内生成线形的水位变化过程线， 在模型初次计算时作为边界条件输入，输出的圩内河网非线性水位变化过程线 作为第二次计算时边界条件输入，经若干次计算迭代，边界条件的准确程度可 令人满意。 4 2 决策支持系统d s s 4 2 1 研究要求 在调度平台中实现的决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 能根据数学 上海大学工程硕士学位论文 模型计算出来的结果来判断执行某个适合当前情况的方案，并使用专家系统等 方法综合分析该方案的合理性，如果合理，则发布相应的控制指令；反之，则 提示系统重新计算生成合理的调度方案。当合理的调度方案产生并被执行后， 系统还将根据事先设定的时间间隔再次执行数模计算，进而得出更新、更合理 的调度指令。整个过程基本由计算机系统自行完成，操作人员只需在监控中心 值守以防止突然情况的产生。 4 2 2 决策支持系统发展现状 1 9 8 0 年s p r a g u e 提出了决策支持系统三部件结构，即对话部件、数据部件( 数 据库d b 和数据库管理系统d b m s ) 、模型部件( 模型库m b 和模型库管理系统 m b m s ) 。该结构明确了d s s 的组成，也间接地反映了d s s 的关键技术，即模 型库管理系统、部件接口、系统综合集成。它为d s s 的发展起到了很大的推动 作用。 8 0 年代末9 0 年代初，决策支持系统与专家系统结合起来，形成了智能决 策支持系统( i d s s ) 。专家系统是定性分析辅助决策，它和以定量分析辅助决策 的决策支持系统结合，进一步提高了辅助决策能力。智能决策支持系统是决策 支持系统发展的一个新阶段。 开发一个实际的i d s s 需要解决如下三个关键技术：模型库系统的设计、 部件接口的完善和系统的综合集成。 4 2 3 信息库设计 ( 1 ) 决策模型库 决策模型库中存放对用户优化目标的建模信息，包括模型描述、目标函数、 约束条件、算法等信息。 ( 2 ) 调度预案库 调度方案主要包括调度指令、适用条件、历史调度执行结果等信息。 上海大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 调度规则库 调度规则是用户对调度方案生成时的一些原则和规定，如任务书中提出的 “尽量多用闸排，少用泵排 就是一种调度规则。 ( 4 ) 专家知识库 专家知识库是用户经验知识库，可用于对系统生成的调度方案进行校验、 调度方案优化、调度方案误差补偿等。 ( 5 ) 工程信息库 工程信息库用于存储和维护工程现场信息的描述，如数学模型所需的基本 输入信息河道形态参数、下垫面资料和工情资料就作为工程信息加以存储。 系统在河网发生变化或推广应用到其它工程时就需要对工程信息库中数据进行 修改和维护。 ( 6 ) 水文数据库 水文数据库是对河网内水位过程及口门流量过程的完整记录。可用于数模 计算、调度方案生成及执行结果评估等。 ( 7 ) 工况数据库 工况数据库是对现场设备( 闸门、水泵) 运行工况过程的完整记录。可用 于作为动态参数提供数模进行计算、优化调度方案生成等。 ( 8 ) 雨情数据库 雨情数据库是对河网所在地区所有降雨过程的完整记录。可用于作为动态 参数提供数模进行计算、优化调度方案生成等。 ( 9 ) 外部信息库 外部信息库包括气象预报信息、潮汐预报信息等，主要提供作数模预测计 算时的边界条件。 上海大学工程硕士学位论文 4 2 4 决策模型 决策模型是对用户定义的优化目标而建立的数学模型描述，优化目标可以 有调度精确度优化、调度时间响应优化( 快速实现调度目标) 、调度执行现场设 备控制优化( 为减少设备损耗使设备动作次数最少等) 、水量调度优化等。 优化目标的实现会伴随有一系列的限制条件，这些限制条件则构成决策模 型的约束条件。 对优化目标完成建模后，我们就可以通过线形规划、非线性规划等方法来 寻找最终可用的优化调度方案。 4 2 5 容错性设计 模型是选择实际系统的主要方面，而对次要方面进行必要得忽略后，通过 数值方法来对实际系统行为进行模拟，实质上模型是对实际系统特性的近似模 拟，所以模型与实际系统会存在一定偏差或在一些特殊条件下甚至产生错误。 为此从系统容错性角度考虑，必须对数模输出进行必要校验，通过专家知 识库等信息剔除错误的输出。另一方面，从优化调度方案的角度考虑，则需要 通过系统反馈的方式及知识积累的方式等来实现对数模误差的补偿。 4 3 调度安全控制 4 3 1 研究要求 在已建监控系统基础上，增加调度安全控制所需的水( 船) 闸安全控制设 备，要求防汛排涝计算机自动监控达到现场无人值守的程度，在开关闸过程中 若有船只进入禁入区域能自动报警并紧急停机。 4 3 2 船只检测 根据水闸现场条件，我们选用红外探测的方式对调度运行启闭闸门时闯入 2 7 上海大学工程硕士学位论文 河道禁区内的船只进行检测。 在试点闸站( 单闸、套闸) 河道上设置禁入区，在禁入区边界上各增加安 装两对主动红外线探测器，垂直于河道流向安装，安装高度根据河道水位变幅 和设定船型的干舷高度等情况具体选定，示意图见图4 。当有船只进入禁入区 时，船只遮断红外线从而触发探测器生成报警信号。 为保证检测可靠性我们选用了四光束探测器，其报警信号触发方式可灵活 设定：单光束遮断、多光束同时遮断、全部同时遮断。 设备选型： s e l c o 四光束主动红外线探测器，s b q - 7 5 室外四光束全数字式红外 线探测器： 四段高精度大口径光学系 统，产生四组强力红外信 号； 采用高频数字红外信号对 雨、雾、雪等恶劣天气适 应力更强； 四段光束同时调整，水平调 整角1 8 0 。，垂直调整角 上海大学工程硕七学位论文 2 4 0 。 技术规格： 荔 型 号 s b q 一7 5 l 霾 霾 警戒距离 7 5 l 消耗电流9 5 m a l 鬈 电源电压 。c1 。5 v 一2 8 v ( 无极性) i 环境温度圳。