當(dāng)今，洪水仍然是自然界對(duì)人類的主要威脅之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1991~1995年間由洪水造成的平均年經(jīng)濟(jì)損失為10.5億元。因此，發(fā)展智能化管理與決策系統(tǒng)的非工程措施，更高效地利用科學(xué)的方法進(jìn)行防洪規(guī)劃設(shè)計(jì)與防洪預(yù)報(bào)調(diào)度一直是防汛部門探索的問(wèn)題。Nelson認(rèn)為從實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)過(guò)渡到防汛決策支持系統(tǒng)是目前防洪防汛系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。美國(guó)在20世紀(jì)80年代初就在這一領(lǐng)域開(kāi)展了系統(tǒng)研究，之后建立的科羅拉多河流域水庫(kù)群運(yùn)行DSS的系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能監(jiān)控和記錄水電站運(yùn)行、大壩前水庫(kù)水位、庫(kù)尾水庫(kù)水位、緊急報(bào)警等[2]。
    我國(guó)在20世紀(jì)80年代末期，由崔家駿等率先引入DSS 的概念和方法，完成了黃河防洪決策支持系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)[3]，隨后，孟波等提出了城市防洪決策支持系統(tǒng)[4]，翁文斌等完成了汾河防洪專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[5]等。這些研究在防汛指揮決策的模型庫(kù)建設(shè)方面取得了不少成果，對(duì)于各流域、地區(qū)的防汛指揮決策起到了一定的輔助決策作用?？傮w來(lái)說(shuō)，對(duì)于防汛決策已有的研究主要是針對(duì)水庫(kù)多目標(biāo)調(diào)度研究，而對(duì)于油田區(qū)域水泡子與低洼地較少，作用相對(duì)單一的排澇系統(tǒng)調(diào)度研究基本沒(méi)有，因此開(kāi)展油田防汛決策支持系統(tǒng)研究，結(jié)合油田具體情況有效地對(duì)洪水進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度已成為防汛工作中的一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)，這也是本文所要研究和解決的重點(diǎn)問(wèn)題。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    油田防汛智能決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)為：《國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)工程項(xiàng)目建議書(shū)》、《國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)工程總體設(shè)計(jì)大綱》、《國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)工程總體設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》、《國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)工程總體設(shè)計(jì)實(shí)施綱要》、《防洪工程數(shù)據(jù)庫(kù)整編手冊(cè)》、《防洪工程數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告》。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用DSS決策支持理論，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)通信、地理信息(GIS)技術(shù)、ActiveX控件技術(shù)以及Agent 理論等。結(jié)合該油田防汛的具體情況給出了分布式硬件組成和相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
1.1 硬件組成
　 信息采集系統(tǒng)是防汛智能決策支持系統(tǒng)的重要組成部分，而閘門、泵站的控制系統(tǒng)則是防汛調(diào)度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)油田區(qū)域防汛的具體情況，結(jié)合已有的工程措施來(lái)設(shè)計(jì)決策支持所需要的硬件部分。該系統(tǒng)的硬件部分可以分為4個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集與通信子系統(tǒng)(現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng))、分調(diào)度子系統(tǒng)、主調(diào)度子系統(tǒng)和信息訪問(wèn)子系統(tǒng)(客戶端子系統(tǒng))。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    (1)數(shù)據(jù)采集與通信子系統(tǒng)位于整個(gè)系統(tǒng)的底層，由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)測(cè)量?jī)x器完成對(duì)雨量及水位的檢測(cè)，其中距離局域網(wǎng)較近(100 m以內(nèi)的)采用光纖接入的TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，距離局域網(wǎng)較遠(yuǎn)的(10 km以上的但手機(jī)通信較好)采用GSM模塊無(wú)線接入的短信息技術(shù)。數(shù)據(jù)傳輸采用自報(bào)加應(yīng)急召測(cè)方式動(dòng)態(tài)召測(cè)現(xiàn)場(chǎng)最新水位和雨量數(shù)據(jù)。
　 (2)分調(diào)度子系統(tǒng)屬于二級(jí)監(jiān)控子系統(tǒng)，按照匯水面積和排水干渠劃分為可獨(dú)立調(diào)度的Agent子系統(tǒng)。根據(jù)降水預(yù)測(cè)得到的徑流量預(yù)測(cè)出各水庫(kù)水泡子的水位變化，按本區(qū)域損失最小的原則計(jì)算排水量，將結(jié)果送入主調(diào)度服務(wù)器。其最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用現(xiàn)有的排澇站泵房和涵閘。
　 (3)主調(diào)度子系統(tǒng)位于整個(gè)系統(tǒng)的頂層，根據(jù)各分調(diào)度系統(tǒng)送來(lái)的數(shù)據(jù)并結(jié)合相關(guān)排水干渠上下游分調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)。按照全區(qū)損失最小的原則進(jìn)行調(diào)度。
    (4)信息訪問(wèn)子系統(tǒng)用于客戶端訪問(wèn)調(diào)監(jiān)系統(tǒng)，以GIS技術(shù)平臺(tái)為支撐，實(shí)時(shí)直接將后臺(tái)調(diào)度數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，為決策者提供支持，并對(duì)調(diào)度實(shí)施和人工干預(yù)進(jìn)行控制。
1.2系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
　參考多種防汛決策支持系統(tǒng)后,該系統(tǒng)采用模型庫(kù)、方法庫(kù)、方案庫(kù)和文檔庫(kù)四庫(kù)協(xié)同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。采用良好的人機(jī)交互可視化界面，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示(對(duì)話邏輯表：實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化人機(jī)對(duì)話；可視化模型：修改參數(shù)算法調(diào)用計(jì)算)。

    一個(gè)合理有效的防汛決策和減災(zāi)方案應(yīng)體現(xiàn)出汛情和災(zāi)情預(yù)報(bào)的可靠性，水利工程調(diào)度的合理性，防災(zāi)減災(zāi)決策的正確性；而其關(guān)鍵是根據(jù)各區(qū)域防汛具體要求選擇和開(kāi)發(fā)一套適宜的預(yù)報(bào)、調(diào)度和仿真模型。本系統(tǒng)根據(jù)油田防汛工作的要求、油井分布特點(diǎn)，在對(duì)國(guó)內(nèi)外流域防汛水文模型充分調(diào)研的基礎(chǔ)上選用了一些適用的數(shù)學(xué)模型，作為系統(tǒng)模型庫(kù)的組成[3]。
2 決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用比較通用的GIS開(kāi)發(fā)平臺(tái)Mapinfo進(jìn)行了地理信息系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)。監(jiān)控系統(tǒng)是防汛決策支持系統(tǒng)的重要部分，主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的水泡子水位信息以及地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)信息進(jìn)行計(jì)算，將當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)的信息可視地顯示出來(lái)為決策者提供直觀的決策依據(jù)?，F(xiàn)將本系統(tǒng)核心功能模塊的設(shè)計(jì)介紹如下。
2.1多Agent技術(shù)在水泡子群防洪優(yōu)化調(diào)度中的研究
    目前已有的多水泡子聯(lián)合調(diào)度模型已經(jīng)基本成熟，但是在計(jì)算速度上還存在不盡人意的地方。基于此，通過(guò)分析多水泡子聯(lián)合調(diào)度計(jì)算的算法特點(diǎn)和Agent技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[5]，設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)Agent和協(xié)作Agent的兩級(jí)多水泡子聯(lián)合調(diào)度模型。首先將多水泡子聯(lián)合調(diào)度模型按控制區(qū)域分解為各水泡子獨(dú)立調(diào)度任務(wù)和區(qū)域協(xié)同調(diào)度任務(wù),各水泡子獨(dú)立調(diào)度任務(wù)交由不同的移動(dòng)Agent并遷移到局域網(wǎng)中不同的目標(biāo)主機(jī)上去完成相應(yīng)水泡子的調(diào)度計(jì)算，最后將計(jì)算的結(jié)果返回給相關(guān)的區(qū)域元主機(jī)，由各區(qū)域進(jìn)行協(xié)商實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化調(diào)度。其步驟是：首先根據(jù)某特大型油田的具體環(huán)境建立了水泡子群防洪優(yōu)化調(diào)度模型，然后結(jié)合模型特點(diǎn)和Aglet、Zeus等Agent軟件包的特點(diǎn)提出了兩級(jí)Agent的調(diào)度方法并給出仿真結(jié)果。
    目標(biāo)函數(shù)的建立：采用系統(tǒng)分析的方法，考慮到流域洪水預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期較短，洪水的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)還不夠準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行的目標(biāo)是在確保防護(hù)區(qū)防洪安全的前提下，使水泡子調(diào)蓄一場(chǎng)洪水所需的庫(kù)容最小。這樣，不僅可以最大限度地減少庫(kù)區(qū)淹沒(méi)損失，而且盡可能地留出一定庫(kù)容，準(zhǔn)備調(diào)蓄可能出現(xiàn)的更大洪水。因此，水泡子群的洪水調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)可表述為：
 
式中：Vt為各水泡子占用防洪庫(kù)容(m3),NAlert為對(duì)應(yīng)水泡子受到威脅的油井?dāng)?shù)，(NAlert+1)表示防洪權(quán)重，指示該水泡子泄洪的緊迫性，加1是為了避免受到威脅的油井?dāng)?shù)為零時(shí)系數(shù)為0。W為目標(biāo)函數(shù)，即在符合約束條件下分洪量和受威脅油井?dāng)?shù)最少，避免破壞性分洪。圖3為水泡子排澇示意圖。

    下面討論約束條件的建立。
    (1)水泡子水量平衡連續(xù)約束
    水泡子水量平衡連續(xù)約束條件為：

    (2) 干渠間水力聯(lián)系約束
    在洪水調(diào)度中，采用馬司京根分段連續(xù)演算方程來(lái)描述各庫(kù)入流、出流之間的相互耦合關(guān)系。而排干渠總泄洪量不能超過(guò)主江道許可進(jìn)水量，各排干渠之間的約束為:

    由水泡子群防洪優(yōu)化調(diào)度模型可以看出聯(lián)入三條干渠的不同水泡子之間相對(duì)獨(dú)立，但三條干渠共同匯入主江道，受到入江口排量的限制而彼此約束需要不斷協(xié)商。每條干渠由多個(gè)水泡子聯(lián)入，水泡子之間需要統(tǒng)一指定排水計(jì)劃以便保證各水泡子受降水影響時(shí)能進(jìn)行全區(qū)優(yōu)化調(diào)度使得損失最小。每個(gè)水泡子都有自己獨(dú)立的庫(kù)容-損失模型，其模型數(shù)據(jù)較大，而彼此間調(diào)度算法相對(duì)簡(jiǎn)單,根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，結(jié)合移動(dòng)Agent可在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間移動(dòng)程序的優(yōu)點(diǎn)來(lái)減少不同水泡子采集子站之間數(shù)據(jù)的交互,避免網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)重。而不同的干渠之間則采用協(xié)作Agent來(lái)完成排水的協(xié)商。模型如圖4所示。

    使用具有移動(dòng)能力的Aglet來(lái)進(jìn)行各水泡子內(nèi)的洪水推延,根據(jù)庫(kù)容模型計(jì)算出單個(gè)水泡子的安全排水量，之后移動(dòng)到下一個(gè)水泡子調(diào)度分站點(diǎn)進(jìn)行同樣的計(jì)算并累計(jì)排水量，這樣， 把計(jì)算移到數(shù)據(jù)上去，在數(shù)據(jù)量大而計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單的情況下減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，從而大大降低系統(tǒng)的通信開(kāi)銷。而使用協(xié)作能力較強(qiáng)的Zeus Agent來(lái)進(jìn)行各干渠排水約束的協(xié)商。這樣更有利于實(shí)現(xiàn)全局的優(yōu)化調(diào)度，并為系統(tǒng)提供了良好的擴(kuò)展性。
    系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)首先由水泡子分調(diào)度Agent計(jì)算各水泡子的調(diào)水量然后在各分調(diào)度子站之間遷移，計(jì)算出所在宿主子站的調(diào)水量并累計(jì)出該分干渠所聯(lián)接的所有水泡子的總調(diào)水量，通知該干渠的協(xié)作Agent。各排干渠將自己的調(diào)水量與其他干渠相協(xié)商,按照全區(qū)損失最小的原則來(lái)改變自己的排水量。并用此排水量通知移動(dòng)Agent，使其按干渠損失最小的原則來(lái)減少相應(yīng)水泡子的排水量。如此反復(fù)地遷移與協(xié)商最終得出全區(qū)的優(yōu)化調(diào)度方案。
　 用該地區(qū)2004年7月8日的降雨量為例調(diào)度結(jié)果見(jiàn)表1所示。

    結(jié)果表明了應(yīng)用多Agent技術(shù)實(shí)現(xiàn)水泡子群防洪優(yōu)化調(diào)度的實(shí)用性和有效性。所提出的基于多Agent技術(shù)的防汛決策調(diào)度方案，可以實(shí)現(xiàn)分布式智能處理，降低復(fù)雜任務(wù)的協(xié)作難度，提高決策調(diào)度的能力。
2.2 降雨量的時(shí)延分式線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型
    某地區(qū)是一個(gè)時(shí)常受到旱澇災(zāi)害的地區(qū)。根據(jù)該地區(qū)部分年份降雨量變化情況表數(shù)據(jù)進(jìn)行以下分析。

    本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了油田水情、雨情、工情實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)投入運(yùn)行兩年多來(lái)，獲得了很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并通過(guò)了黑龍江省水利廳組織的成果鑒定，被認(rèn)為“達(dá)到了當(dāng)前國(guó)際防洪指揮決策支持系統(tǒng)方面的先進(jìn)水平”。但是，由于所收集到的當(dāng)?shù)厮谋O(jiān)測(cè)資料還不太多，所建立的數(shù)學(xué)模型尚需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷充實(shí)修正。因此，在今后的研究工作中要做好如下幾點(diǎn)工作： (1)跟蹤防洪防汛技術(shù)發(fā)展，使系統(tǒng)及時(shí)得到升級(jí)；(2)做好水文數(shù)據(jù)的收集錄入整理，使已經(jīng)建立的系統(tǒng)模型更好地與實(shí)際密切結(jié)合；(3)繼續(xù)深入探討智能控制理論在油田防洪防汛決策支持系統(tǒng)方面的應(yīng)用。
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