都江堰灌區(qū)數(shù)字水調系統(tǒng)的智能化體系結構研究

1、都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調”系統(tǒng)的智能化體系結構研究摘 要：“數(shù)字水調”是“數(shù)字水利”的重要組成部分，是實現(xiàn)灌區(qū)水資源優(yōu)化調度的基礎技 術支撐。鑒于都江堰灌區(qū)流域范圍廣、農業(yè)灌面大、大中城市多的特點，提出采用分層遞階 的智能系統(tǒng)體系結構搭建都江垠灌區(qū)數(shù)字水調系統(tǒng)。系統(tǒng)由組織級（決策層）、協(xié)調級（管理 層）、過程級（執(zhí)行層）構成，通過通信網(wǎng)絡形成一個從管理局到各管理處、再到下層各管理 站點的分層遞階的網(wǎng)絡結構。它把人工智能的高層決策、系統(tǒng)理論中先進的數(shù)字建模和優(yōu)化 方法、以及過程控制中的實時監(jiān)控結合在一起，組成了一個適合水資源調度工程的科學體系。 該系統(tǒng)已經開始在都江堰灌區(qū)實施，初步實現(xiàn)了灌區(qū)水資源調

2、度自動化功能。關鍵詞：水資源，數(shù)字水調，分層遞階，智能系統(tǒng)1.引言進入21世紀，隨著經濟的增長和城市化進程的推進，我國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，己經嚴重地威脅到人們的生存壞境，制約了經濟社會的發(fā) 展。中央領導集體站在人與自然和諧共處，社會經濟的發(fā)展與資源環(huán)境相協(xié)調的高度審視新 吋期的治水方針，以科學的發(fā)展觀為指導，提出以水資源的可持續(xù)利用保障經濟社會可持續(xù) 發(fā)展的新的治水思路，在世紀z交完成了中國水利在治水理念上的一次飛躍。水資源作為基 礎性的口然資源和戰(zhàn)略性的經濟資源，在國家經濟社會發(fā)展中基礎性、全局性、戰(zhàn)略性的地 位日益凸顯。為了實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，必須

3、科學開發(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，我國水管部門長期存在的管理方式粗放、技術手 段落后的狀況并未得到根本改變，已經非常緊缺的水資源依然浪費嚴重，水資源的有效利用 率遠遠低于發(fā)達國家的水平。應用先進的電子信息技術、計算機技術、現(xiàn)代通信技術、智能 控制技術、空間信息與3s技術構建水資源調度信息系統(tǒng)（即“數(shù)字水調”系統(tǒng)），實現(xiàn)水資 源管理的信息化、網(wǎng)絡化、智能化，通過對水資源的優(yōu)化調度和科學決策，達到水資源可持續(xù) 利用的目標，是一項具有重要政治意義和顯著社會經濟效益的戰(zhàn)略舉措。都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調”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

4、”系統(tǒng)面對的特殊的問題都江堰灌區(qū)位于四川盆地的腹心地帶，灌區(qū)幅員遼闊，渠系縱橫，屬于四川省經濟最發(fā)達 的地區(qū)和主要的糧食產區(qū)。鑒于都江堰灌區(qū)流域范圍廣、農業(yè)灌而大、大中城市多的特點， 構建“數(shù)字水調”系統(tǒng)將面對一系列的特殊問題。以岷江為主干的都江堰灌區(qū)流經7個市、36個縣（區(qū)/市），灌溉面積1009萬畝。作為 全國最大的特大型灌區(qū)，都江垠管理局轄8個管理處，每個管理處下屬若干個管理站，每個 管理站下面又有若干個水調監(jiān)控點，影響水資源優(yōu)化調度的變量很多，相互關聯(lián)作用復雜， 從系統(tǒng)論的觀點看，都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調”系統(tǒng)是一個攵雜的巨系統(tǒng)，屬于大系統(tǒng)理論的 范疇，而大系統(tǒng)的建模和協(xié)調優(yōu)化至今仍是系統(tǒng)

5、理論研究屮的難點。構建都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調”系統(tǒng)需要建立龐大的數(shù)據(jù)庫、知識庫和規(guī)則庫，涉及到海 量數(shù)據(jù)信息，既有大量的歷史數(shù)據(jù)，又有大量的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，信息資源的開發(fā)和管理是系 統(tǒng)建設的核心問題。由于管理局不同的管理處信息化建設的吋問、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)庫平臺也各不相同。從信息論的觀點看，都江堰灌區(qū)“數(shù) 字水調”系統(tǒng)而對的是一個跨不同數(shù)據(jù)平臺的系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效整合和無縫連接具有極 大的難度。傳統(tǒng)意義上的灌區(qū)主要擔負農田灌溉任務，功能比較單一。隨著工業(yè)化建設的興起，特 別是改革開放以來經濟的高速發(fā)展和城市化進程的加快，灌區(qū)的功能已經有了根本的改變。 目前，

6、都江堰灌區(qū)除了擔負工業(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、水產養(yǎng)殖、水土保持等綜合功能。從控制論的觀點看，“數(shù)字水調”系統(tǒng)是一個 典型的多目標、多任務控制系統(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題，也有大量工程實現(xiàn)的技術問題。3“數(shù)字水調”系統(tǒng)的智能化體系結構3. 1問題的提出基于對都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調”系統(tǒng)功能和特點的分析可以看出：都江堰灌區(qū)“數(shù)字水 調”系統(tǒng)是一個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，相互關聯(lián)作用 復雜，且呈現(xiàn)典型的非線性特性；要在一個如此復雜的大系統(tǒng)中實現(xiàn)多任務、多目標

7、的協(xié)調 優(yōu)化控制，對系統(tǒng)的結構和功能設計提出了很髙的要求。經過深入研究，我們認為采用人工 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”系統(tǒng)是一條有效的途徑。智能控制和智能系統(tǒng)理論近年來受到世界各國的高度關注，在航空航天、自動控制、信 息處理、現(xiàn)代通信等領域獲得了廣泛的應用，是人工智能、計算機科學、控制理論、運籌學 等多學科交叉的產物。分層遞階的智能控制體系結構是一類仿人控制的系統(tǒng)模型，它從功能 上模擬人的智能決策行為，并從結構上仿效這一行為的執(zhí)行過程，非常適合作為都江堰灌區(qū) “數(shù)字水調”系統(tǒng)這種多層次、多變量、多目標對象的結構描述。一個典型的分層遞階智能控制系統(tǒng)的結構如圖1所示。

8、圖1分層遞階智能控制體系結構系統(tǒng)由組織級（決策層）、協(xié)調級（管理層）、過程級（執(zhí)行層）組成，通過通信網(wǎng)絡形 成一個分層遞階的結構體系，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行功能的分配。這種遞階結構非常符合人的思維決策方式， 也與企業(yè)生產管理的決策協(xié)調過程十分吻合，因此在大系統(tǒng)的優(yōu)化決策和調度控制中獲得了 廣泛的應用。3. 2分層遞階系統(tǒng)的構成3. 2. 1組織級組織級屬于分層遞階智能系統(tǒng)的最上層。它的作用是對于給定的目標或任務進行規(guī)劃求 解形成決策方案，并轉化為完成該任務（或動作）的組合；再將這些子任務送到協(xié)調級，通 過協(xié)調處理，生成可執(zhí)行的具體

9、操作或命令；過程級接收到這些操作指令后，按要求執(zhí)行規(guī) 定的任務；最后對任務執(zhí)行的結果進行評價，并將評估結果逐級向上反饋，同時對以前存儲 的知識信息進行修正，從而起到學習的作用，改進決策的效果?！皵?shù)字水調”系統(tǒng)中，組織級的功能由管理局水調中心調度會商系統(tǒng)完成。會商系統(tǒng)實 際上是一個大型的軟件系統(tǒng)，構建在數(shù)據(jù)庫.知識庫模型庫之上，通過選擇合適的決策支持 算法，基于水資源供求關系和水權理論進行任務規(guī)劃，形成調度方案，送至水調中心總調度 室進行調度協(xié)調，完成灌區(qū)水資源的優(yōu)化調度控制。為此我們設計了圖2所示的都江堰灌區(qū)水資源調度會商系統(tǒng)。會商系統(tǒng)實現(xiàn)任務規(guī)劃和問題求解可以采用傳統(tǒng)的決策支持方法，也可采用

10、神經網(wǎng)絡、 專家系統(tǒng)、模糊控制等新興的智能推理算法。當前一個重要的發(fā)展趨勢是把模糊推理與神經 網(wǎng)絡或專家系統(tǒng)相結合，構成模糊神經網(wǎng)絡或模糊專家系統(tǒng)，實現(xiàn)水資源調度的高層決策功 能。組織級應具有良好的人機交互功能，因為任何通過會商形成的決策都必須在企業(yè)決策層 的直接參與和干預下才能得到確認并被授權執(zhí)行。圖2都江堰灌區(qū)水資源調度會商系統(tǒng)3. 2. 2協(xié)調級協(xié)調級是分層遞階智能系統(tǒng)的中間層，它接受從組織級傳來的命令，經過實時信息處理, 產生一系列可供過程級執(zhí)行的具體任務或操作指令。作為系統(tǒng)的管理層，協(xié)調級擔負著把高層決策形成的規(guī)劃或方案轉化成可具體操作的過 程。同時，協(xié)調級還要監(jiān)督過程的執(zhí)行情況，并

11、隨時反饋到組織級，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”系統(tǒng)的協(xié)調級包含多個水調分中心，下血連接 著數(shù)以千計的執(zhí)行單元。為了完成調度協(xié)調任務，協(xié)調級需要具有如下功能：(1) 通信功能。能夠向上層的組織級和下層的過程級發(fā)送和接收信息，實現(xiàn)通信管理。(2) 數(shù)據(jù)處理功能。數(shù)據(jù)處理器対來自組織級的命令信息和從過程級反饋的狀態(tài)信息進 行描述，以提供需要執(zhí)行的任務的信息以及當前系統(tǒng)的狀態(tài)。數(shù)據(jù)處理器中通常還 包括一個監(jiān)控器，它根據(jù)上層來的指令信息和下層的反饋信息對數(shù)據(jù)描述進行維護 和修改。同時，該監(jiān)控器還負責數(shù)據(jù)處理器與任務處理器z間的連接。(3) 任務處理功能。任務處理器對要執(zhí)

12、行的任務進行識別，通過狀態(tài)匹配和推理機制進 行任務的分解，繼而形成任務的準確描述，并將其完整的控制命令送至底層單元。 在相應的任務完成后，通過監(jiān)控器組織反饋信息以某種方式送至決策層，該監(jiān)控器 也負責任務處理器與學習處理器z間的連接。(4) 學習功能。能夠根據(jù)任務不斷執(zhí)行所取得的經驗來還逐漸減小決策過程的不確定性, 以達到不斷改進任務執(zhí)行的能力。3. 2. 3過程級過程級即常規(guī)監(jiān)控執(zhí)行單元。在“數(shù)字水調”系統(tǒng)中，過程級由各管理站所屬閘門控制、 水情監(jiān)測、水質監(jiān)測等單元構成。過程級并不需要進行任務的規(guī)劃和協(xié)調，它只需按照給定 的指令執(zhí)行規(guī)定的操作，或者根據(jù)下達的fi標參數(shù)實現(xiàn)常規(guī)的閉環(huán)控制。過程級

13、應具備足夠 的控制精度，而這是由過程控制技術來保證的。3. 3分層遞階智能系統(tǒng)的特點分層遞階的智能控制結構模型充分吸取了人類智能行為的特點，從大腦的思維決策到小 腦的動作協(xié)調，再到四肢的命令的執(zhí)行，體現(xiàn)了智能決策與動作執(zhí)行的層次遞階過程，非常 適合作為復雜系統(tǒng)的協(xié)調優(yōu)化控制模型。分層遞階結構把人工智能的高層決策、系統(tǒng)理論中 先進的數(shù)字建模和優(yōu)化方法、過程控制中的實時監(jiān)控結合在一起，構成了一個按智能層次進 行功能劃分的結構體系，具有非常顯著的特點和極大的應用價值。4在都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調”系統(tǒng)中的實現(xiàn)采用分層遞階的智能控制體系結構搭建都江堰灌區(qū)“數(shù)字水調”系統(tǒng)，需要科學劃分系 統(tǒng)的三個功能層面，

14、并實現(xiàn)它們之間的有機聯(lián)接和系統(tǒng)的整體協(xié)調。根據(jù)都江堰管理局水資 源管理方式的特點，特別是長期執(zhí)行的任務協(xié)調與任務調度程序，經過深入調研和論證，我 們提出采用圖3的樹型結構作為都江垠灌區(qū)“數(shù)字水調”系統(tǒng)的分層遞階模型。圖3都管局水調中心分層遞階結構當前，都江垠管理局正在加快實施“基于地理信息系統(tǒng)（gis）的水資源管理信息系統(tǒng)” 項目。系統(tǒng)建立后，將成為水調中心會商決策的基礎技術支撐，承擔分層遞階智能系統(tǒng)組織 級的決策功能。都江堰管理局所在的岷江渠首，扼整個灌區(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，遞階系統(tǒng)的協(xié)調級可以從功能和結構上進一步劃分為兩個層面：第一個 層面主要完成調度

15、任務的分解，即把由組織級形成的調度方案分解為多個子任務的組合，這 部分功能由管理局水調中心總調室和渠首處共同完成；第二個層面負責調度任務的協(xié)調，通 過開發(fā)合適的算法把各個子任務轉化成可供執(zhí)行單元準確執(zhí)行的指令，送到系統(tǒng)的過程級， 這一層面的功能由管理局所管轄7個管理處水調分中心協(xié)同完成。水情測報和閘門控制構成了“數(shù)字水調”系統(tǒng)過程級基礎的執(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報與計量用水裝量，實現(xiàn)了重要斷面的水情監(jiān)測，一些管 理處正在積極實施閘門自動控制示范項目，推進閘門控制的完全自動化。都江堰灌區(qū)“數(shù)字 水調”系統(tǒng)建設己經邊出了實質性的步伐。5.結語采用分層遞階的智能系統(tǒng)

16、模型結構“數(shù)字水調”系統(tǒng)，基于按智能程度進行功能遞階分 配的思想，系統(tǒng)把水資源規(guī)劃的高層決策與方案會商、水資源調度的任務協(xié)調與任務分解、 以及水資源管理的實時監(jiān)控有機地結合在一起，優(yōu)化了 “數(shù)字水調”系統(tǒng)的功能結構，使水 資源管理成為一個結構合理、層次清晰、協(xié)調有序的科學管理體系。通過在都江堰灌區(qū)“數(shù) 字水調”系統(tǒng)中的應用，已經取得了階段性的成果，顯示了鮮明的結構特色。把人工智能的 思想和方法引入傳統(tǒng)的水利管理，實現(xiàn)水資源管理的智能化，這在水資源優(yōu)化調度管理中是 一個有益的探索。當前，灌區(qū)“數(shù)字水調”建設才剛剛起步，可資借鑒的經驗很少，分層遞 階的結構體系是值得深入研究的一個方向。參考文獻1 saridis g n. on the revise theory of intellige