都江堰灌区数字水调系统的智能化体系结构研究.doc

都江堰灌区“数字水调”系统的智能化体系结构研究摘 要：“数字水调”是“数字水利”的重要组成部分，是实现灌区水资源优化调度的基础技术支撑。鉴于都江堰灌区流域范围广、农业灌面大、大中城市多的特点，提出采用分层递阶的智能系统体系结构搭建都江堰灌区数字水调系统。系统由组织级（决策层）、协调级（管理层）、过程级（执行层）构成，通过通信网络形成一个从管理局到各管理处、再到下层各管理站点的分层递阶的网络结构。它把人工智能的高层决策、系统理论中先进的数字建模和优化方法、以及过程控制中的实时监控结合在一起，组成了一个适合水资源调度工程的科学体系。该系统已经开始在都江堰灌区实施，初步实现了灌区水资源调度自动化功能。关键词：水资源，数字水调，分层递阶，智能系统1引言进入21世纪，随着经济的增长和城市化进程的推进，我国水资源短缺的矛盾日益尖锐，水环境恶化的状况令人触目惊心，已经严重地威胁到人们的生存环境，制约了经济社会的发展。中央领导集体站在人与自然和谐共处，社会经济的发展与资源环境相协调的高度审视新时期的治水方针，以科学的发展观为指导，提出以水资源的可持续利用保障经济社会可持续发展的新的治水思路，在世纪之交完成了中国水利在治水理念上的一次飞跃。水资源作为基础性的自然资源和战略性的经济资源，在国家经济社会发展中基础性、全局性、战略性的地位日益凸显。为了实现水资源的可持续利用，必须科学开发和合理利用水资源，让有限的水资源得到最有效的使用。然而，由于多方面的原因，我国水管部门长期存在的管理方式粗放、技术手段落后的状况并未得到根本改变，已经非常紧缺的水资源依然浪费严重，水资源的有效利用率远远低于发达国家的水平。应用先进的电子信息技术、计算机技术、现代通信技术、智能控制技术、空间信息与3S技术构建水资源调度信息系统（即“数字水调”系统），实现水资源管理的信息化、网络化、智能化，通过对水资源的优化调度和科学决策,达到水资源可持续利用的目标,是一项具有重要政治意义和显著社会经济效益的战略举措。都江堰灌区“数字水调”系统就是在这样的背景下提出的。2都江堰灌区“数字水调”系统面对的特殊的问题都江堰灌区位于四川盆地的腹心地带,灌区幅员辽阔,渠系纵横,属于四川省经济最发达的地区和主要的粮食产区。鉴于都江堰灌区流域范围广、农业灌面大、大中城市多的特点，构建“数字水调”系统将面对一系列的特殊问题。以岷江为主干的都江堰灌区流经7个市、36个县（区/市），灌溉面积1009万亩。作为全国最大的特大型灌区，都江堰管理局辖8个管理处，每个管理处下属若干个管理站，每个管理站下面又有若干个水调监控点，影响水资源优化调度的变量很多，相互关联作用复杂，从系统论的观点看，都江堰灌区“数字水调”系统是一个复杂的巨系统，属于大系统理论的范畴，而大系统的建模和协调优化至今仍是系统理论研究中的难点。构建都江堰灌区“数字水调”系统需要建立庞大的数据库、知识库和规则库，涉及到海量数据信息，既有大量的历史数据，又有大量的实时监测数据，信息资源的开发和管理是系统建设的核心问题。由于管理局不同的管理处信息化建设的时间、规模不同，因而采用的数据采集装置、数据传输方式和数据库平台也各不相同。从信息论的观点看，都江堰灌区“数字水调”系统面对的是一个跨不同数据平台的系统，实现数据的有效整合和无缝连接具有极大的难度。传统意义上的灌区主要担负农田灌溉任务，功能比较单一。随着工业化建设的兴起，特别是改革开放以来经济的高速发展和城市化进程的加快，灌区的功能已经有了根本的改变。目前，都江堰灌区除了担负工业用水、生活用水、灌溉用水、生态环保用水外，还兼具防洪、发电、旅游、水产养殖、水土保持等综合功能。从控制论的观点看，“数字水调”系统是一个典型的多目标、多任务控制系统，在控制规律的确定、控制方案的优化和控制算法的选取方面，既有大量需要深入研究的理论和方法问题，也有大量工程实现的技术问题。3.“数字水调”系统的智能化体系结构3.1 问题的提出基于对都江堰灌区“数字水调”系统功能和特点的分析可以看出：都江堰灌区“数字水调”系统是一个包含较多不确定因素的巨型系统，影响系统性能的变量众多，相互关联作用复杂，且呈现典型的非线性特性；要在一个如此复杂的大系统中实现多任务、多目标的协调优化控制，对系统的结构和功能设计提出了很高的要求。经过深入研究，我们认为采用人工智能理论中分层递阶的智能系统模型搭建都江堰灌区“数字水调”系统是一条有效的途径。智能控制和智能系统理论近年来受到世界各国的高度关注，在航空航天、自动控制、信息处理、现代通信等领域获得了广泛的应用，是人工智能、计算机科学、控制理论、运筹学等多学科交叉的产物。分层递阶的智能控制体系结构是一类仿人控制的系统模型，它从功能上模拟人的智能决策行为，并从结构上仿效这一行为的执行过程，非常适合作为都江堰灌区“数字水调”系统这种多层次、多变量、多目标对象的结构描述。一个典型的分层递阶智能控制系统的结构如图1所示。决策层管理层执行层组织级协调层 过程级对 象图1 分层递阶智能控制体系结构系统由组织级（决策层）、协调级（管理层）、过程级（执行层）组成，通过通信网络形成一个分层递阶的结构体系，遵从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、智能程度越低的原则进行功能的分配。这种递阶结构非常符合人的思维决策方式，也与企业生产管理的决策协调过程十分吻合，因此在大系统的优化决策和调度控制中获得了广泛的应用。3.2分层递阶系统的构成3.2.1 组织级组织级属于分层递阶智能系统的最上层。它的作用是对于给定的目标或任务进行规划求解形成决策方案，并转化为完成该任务（或动作）的组合；再将这些子任务送到协调级，通过协调处理，生成可执行的具体操作或命令；过程级接收到这些操作指令后，按要求执行规定的任务；最后对任务执行的结果进行评价，并将评估结果逐级向上反馈，同时对以前存储的知识信息进行修正，从而起到学习的作用，改进决策的效果。“数字水调”系统中，组织级的功能由管理局水调中心调度会商系统完成。会商系统实际上是一个大型的软件系统，构建在数据库.知识库.模型库之上，通过选择合适的决策支持算法，基于水资源供求关系和水权理论进行任务规划，形成调度方案，送至水调中心总调度室进行调度协调，完成灌区水资源的优化调度控制。为此我们设计了图2所示的都江堰灌区水资源调度会商系统。会商系统实现任务规划和问题求解可以采用传统的决策支持方法，也可采用神经网络、专家系统、模糊控制等新兴的智能推理算法。当前一个重要的发展趋势是把模糊推理与神经网络或专家系统相结合，构成模糊神经网络或模糊专家系统，实现水资源调度的高层决策功能。组织级应具有良好的人机交互功能，因为任何通过会商形成的决策都必须在企业决策层的直接参与和干预下才能得到确认并被授权执行。灌区需水计划灌溉用水生活用水环保用水工业用水知识库数据库模型库水资源优化调度决策分析水资源承载能力分析水环境承载能力分析水资源演变趋势分析预测水资源优化调度预案水资源优化调度评估方案模拟方案评估方案修改水资源优化调度方案生成辅助决策推理算法水权转换理论图2 都江堰灌区水资源调度会商系统3.2.2协调级协调级是分层递阶智能系统的中间层，它接受从组织级传来的命令，经过实时信息处理，产生一系列可供过程级执行的具体任务或操作指令。作为系统的管理层，协调级担负着把高层决策形成的规划或方案转化成可具体操作的过程。同时，协调级还要监督过程的执行情况，并随时反馈到组织级，为上层决策提供方案执行效果的重要信息。都江堰灌区“数字水调”系统的协调级包含多个水调分中心，下面连接着数以千计的执行单元。为了完成调度协调任务，协调级需要具有如下功能：(1) 通信功能。能够向上层的组织级和下层的过程级发送和接收信息，实现通信管理。(2) 数据处理功能。数据处理器对来自组织级的命令信息和从过程级反馈的状态信息进行描述，以提供需要执行的任务的信息以及当前系统的状态。数据处理器中通常还包括一个监控器，它根据上层来的指令信息和下层的反馈信息对数据描述进行维护和修改。同时，该监控器还负责数据处理器与任务处理器之间的连接。(3) 任务处理功能。任务处理器对要执行的任务进行识别，通过状态匹配和推理机制进行任务的分解，继而形成任务的准确描述，并将其完整的控制命令送至底层单元。在相应的任务完成后，通过监控器组织反馈信息以某种方式送至决策层，该监控器也负责任务处理器与学习处理器之间的连接。(4) 学习功能。能够根据任务不断执行所取得的经验来还逐渐减小决策过程的不确定性，以达到不断改进任务执行的能力。3.2.3 过程级过程级即常规监控执行单元。在“数字水调”系统中，过程级由各管理站所属闸门控制、水情监测、水质监测等单元构成。过程级并不需要进行任务的规划和协调，它只需按照给定的指令执行规定的操作，或者根据下达的目标参数实现常规的闭环控制。过程级应具备足够的控制精度，而这是由过程控制技术来保证的。3.3分层递阶智能系统的特点分层递阶的智能控制结构模型充分吸取了人类智能行为的特点，从大脑的思维决策到小脑的动作协调，再到四肢的命令的执行，体现了智能决策与动作执行的层次递阶过程，非常适合作为复杂系统的协调优化控制模型。分层递阶结构把人工智能的高层决策、系统理论中先进的数字建模和优化方法、过程控制中的实时监控结合在一起，构成了一个按智能层次进行功能划分的结构体系，具有非常显著的特点和极大的应用价值。4 在都江堰灌区“数字水调”系统中的实现采用分层递阶的智能控制体系结构搭建都江堰灌区“数字水调”系统，需要科学划分系统的三个功能层面，并实现它们之间的有机联接和系统的整体协调。根据都江堰管理局水资源管理方式的特点，特别是长期执行的任务协调与任务调度程序，经过深入调研和论证，我们提出采用图3的树型结构作为都江堰灌区“数字水调”系统的分层递阶模型。执行层管 理 层决策层组织级（都江堰管理局水调中心会商室，总调室）协调级过程级（各管理站所属闸房，测站及观测点）任务分解器（局水调中心总调室，渠首处）任务协调器1水调分中心任务协调器2水调分中心任务协调器7水调分中心图3 都管局水调中心分层递阶结构当前，都江堰管理局正在加快实施“基于地理信息系统（GIS）的水资源管理信息系统”项目。系统建立后，将成为水调中心会商决策的基础技术支撑，承担分层递阶智能系统组织级的决策功能。都江堰管理局所在的岷江渠首，扼整个灌区水系的咽喉，是都江堰水利的枢纽工程。根据灌区渠系的特点，递阶系统的协调级可以从功能和结构上进一步划分为两个层面：第一个层面主要完成调度任务的分解，即把由组织级形成的调度方案分解为多个子任务的组合，这部分功能由管理局水调中心总调室和渠首处共同完成；第二个层面负责调度任务的协调，通过开发合适的算法把各个子任务转化成可供执行单元准确执行的指令，送到系统的过程级，这一层面的功能由管理局所管辖7个管理处水调分中心协同完成。水情测报和闸门控制构成了“数字水调”系统过程级基础的执行单元。目前，灌区干渠、支渠的主要制口大多配备了水情测报与计量用水装量，实现了重要断面的水情监测，一些管理处正在积极实施闸门自动控制示范项目，推进闸门控制的完全自动化。都江堰灌区“数字水调”系统建设已经迈出了实质性的步伐。5.结语采用分层递阶的智能系统模型结构“数字水调”系统，基于按智能程度进行功能递阶分配的思想，系统把水资源规划的高层决策与方案会商、水资源调度的任务协调与任务分解、以及水资源管理的实时监控有机地结合在一起，优化了“数字水调”系统的功能结构，使水资源管理成为一个结构合理、层次清晰、协调有序的科学管理体系。通过在都江堰灌区“数字水调”系统中的应用，已经取得了阶段性的成果，显示了鲜明的结构特色。把人工智能的思想和方法引入传统的水利管理，实现水资源管理的智能化，这在水资源优化调度管理中是一个有益的探索。当前，灌区“数字水调”建设才刚刚起步，可资借鉴的经验很少，分层递阶的结构体系是值得深入研究的一个方向。参考文献1 Saridis G N. On the Revise Theory of Intelli