數(shù)字孿生水網(wǎng)調(diào)控模型體系構(gòu)建若干思考

數(shù)字孿生水網(wǎng)調(diào)控模型體系構(gòu)建若干思考

Thoughts on the construction of the control model system in digital twin water networks

陳曉楠

（中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司，100038，北京）

摘要：國(guó)家水網(wǎng)以智慧調(diào)控為手段，調(diào)控模型是數(shù)字孿生水網(wǎng)模型平臺(tái)的核心組成。錯(cuò)綜復(fù)雜的水網(wǎng)是典型大系統(tǒng)，水網(wǎng)調(diào)控具有多層次、多尺度、多水源、多用戶、多目標(biāo)、多場(chǎng)景等特點(diǎn)，存在眾多難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。針對(duì)水網(wǎng)調(diào)控的重點(diǎn)和難點(diǎn)，提出了模型體系構(gòu)建思路：在分析水網(wǎng)布局結(jié)構(gòu)和管理所屬基礎(chǔ)上，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)組成對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，明晰各網(wǎng)絡(luò)并列、串聯(lián)、包含關(guān)系以及各對(duì)象的基礎(chǔ)信息和相互關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)與拓?fù)鋱D的動(dòng)態(tài)映射；空間上，基于大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)原理分層分區(qū)進(jìn)行分析計(jì)算；時(shí)間上，按照預(yù)測(cè)、調(diào)控、修正的思路實(shí)施不同時(shí)間尺度下的滾動(dòng)決策；強(qiáng)化預(yù)演功能，采取機(jī)理和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)自主學(xué)習(xí)不斷完善模型參數(shù)或優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)；分析調(diào)控模型體系中各類專業(yè)模型的關(guān)系和作用，構(gòu)建基于多指標(biāo)的調(diào)控方案綜合評(píng)估模型，借鑒現(xiàn)代智能優(yōu)化算法策略，模擬生成可行方案集，并通過(guò)演化迭代實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)控。

關(guān)鍵詞：國(guó)家水網(wǎng)；數(shù)字孿生水網(wǎng)；智慧調(diào)控；大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)；滾動(dòng)決策

作者簡(jiǎn)介：陳曉楠，正高級(jí)工程師。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U20A20316）；水利青年科技英才資助項(xiàng)目（JHYC202207）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.03.002

黨的二十大作出以中國(guó)式現(xiàn)代化全面推進(jìn)中華民族偉大復(fù)興戰(zhàn)略部署，明確要求構(gòu)建現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系。國(guó)家水網(wǎng)是以自然河湖為基礎(chǔ)、引調(diào)排水工程為通道、調(diào)蓄工程為結(jié)點(diǎn)、智慧調(diào)控為手段，集水資源優(yōu)化配置、流域防洪減災(zāi)、水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)等功能于一體的綜合體系。國(guó)家水網(wǎng)作為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施體系的重要組成，是統(tǒng)籌解決水災(zāi)害、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵舉措。目前，我國(guó)大部分水利基礎(chǔ)設(shè)施仍然智能化水平較低、信息化共享程度不高、精細(xì)化調(diào)度不足，亟須利用數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)與物理水網(wǎng)相結(jié)合，構(gòu)建新型水利基礎(chǔ)設(shè)施。中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃綱要》明確要求加快智慧發(fā)展，以自然地理、干支流水系、水利工程、經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息為主要內(nèi)容，建設(shè)數(shù)字孿生水網(wǎng)。

數(shù)字孿生水網(wǎng)以物理水網(wǎng)為單元、時(shí)空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，對(duì)物理水網(wǎng)全要素和建設(shè)運(yùn)行全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)演，與物理水網(wǎng)同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化，通過(guò)新型基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)對(duì)物理水網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、聯(lián)合調(diào)度、風(fēng)險(xiǎn)防范。數(shù)字孿生水網(wǎng)總體框架包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、典型業(yè)務(wù)應(yīng)用等方面。而其數(shù)字孿生平臺(tái)由數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)等組成，各類模型尤其是水網(wǎng)專業(yè)模型是數(shù)字孿生平臺(tái)的核心組成。大量各類水網(wǎng)專業(yè)模型構(gòu)成了整個(gè)調(diào)控模型體系的重要部分，通過(guò)協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)水網(wǎng)聯(lián)合調(diào)控目標(biāo)。本質(zhì)上，水治理的目的是“要讓水在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候按照適當(dāng)?shù)乃亢瓦m當(dāng)?shù)乃|(zhì)流至適當(dāng)?shù)牡胤健?，即?duì)水進(jìn)行科學(xué)調(diào)控。因此，構(gòu)建功能強(qiáng)大、靈活實(shí)用、精確精準(zhǔn)的水網(wǎng)調(diào)控模型體系至關(guān)重要。目前專門針對(duì)水網(wǎng)調(diào)控的研究較少，但在水庫(kù)、灌區(qū)優(yōu)化調(diào)度或者水庫(kù)群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)控等方面已有豐富成果。例如，根據(jù)灌區(qū)分區(qū)特性、作物種類，以及作物生育階段水分敏感程度等，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃等優(yōu)化方法研究灌區(qū)水資源優(yōu)化配置，分區(qū)、分作物、分生育階段優(yōu)化灌溉；根據(jù)水庫(kù)來(lái)水預(yù)測(cè)、水庫(kù)功能作用、河道洪水演進(jìn)等，利用預(yù)報(bào)、優(yōu)化、評(píng)價(jià)等方法，對(duì)水庫(kù)群進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度研究。這些研究成果可為水網(wǎng)調(diào)控模型構(gòu)建提供有益借鑒，但由于水網(wǎng)的復(fù)雜性，水網(wǎng)調(diào)控模型體系構(gòu)建需專門深入研究。

數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)涉及多學(xué)科交叉和新技術(shù)融合，構(gòu)建水網(wǎng)調(diào)控模型體系是實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置、防洪減災(zāi)、生態(tài)保護(hù)等多目標(biāo)的核心。本文針對(duì)水網(wǎng)調(diào)控模型體系構(gòu)建中存在的重點(diǎn)和難點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代人工智能技術(shù)手段，重點(diǎn)圍繞構(gòu)建調(diào)控模型的方式、方法進(jìn)行思考，提出模型構(gòu)建思路，以期為數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)提供參考。

水網(wǎng)調(diào)控模型構(gòu)建難點(diǎn)分析

水網(wǎng)屬典型大系統(tǒng)，拓?fù)潢P(guān)系錯(cuò)綜，涉水對(duì)象繁雜，調(diào)控目標(biāo)多樣，運(yùn)行工況復(fù)雜，水網(wǎng)調(diào)控具有多層次、多尺度、多水源、多用戶、多目標(biāo)、多場(chǎng)景等特點(diǎn)，調(diào)控模型構(gòu)建存在眾多難點(diǎn)。

1.各級(jí)水網(wǎng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜

某級(jí)水網(wǎng)往往由多個(gè)子網(wǎng)組成，且子網(wǎng)間可能為串聯(lián)關(guān)系、并聯(lián)關(guān)系，子網(wǎng)與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)可能為包含關(guān)系。各網(wǎng)絡(luò)間的接口，以及網(wǎng)絡(luò)間大量輸入、輸出信息的相互關(guān)系和具體內(nèi)容，均需要辨析明確；網(wǎng)絡(luò)包含對(duì)象眾多，需逐一明晰對(duì)象的空間位置、相互聯(lián)系，例如調(diào)蓄水量的水庫(kù)，輸送水體的渠道、河道，以及用水單元等，需概化為點(diǎn)、線等形式來(lái)形成反映物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)圖，以直觀反映結(jié)構(gòu)關(guān)系；河道、工程等的運(yùn)行管理關(guān)系復(fù)雜，可能涉及水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行管理、河道管理、引調(diào)排水工程運(yùn)行管理、用水戶分水管理，以及生態(tài)環(huán)保監(jiān)督管理等，存在多個(gè)利益主體，調(diào)控中需要大量的協(xié)調(diào)與合作，在物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上需從運(yùn)行角度理清相關(guān)管理信息；水網(wǎng)調(diào)控涉及眾多目標(biāo)，需系統(tǒng)梳理明晰網(wǎng)絡(luò)中各對(duì)象的要求或需求，如防洪要求、生態(tài)要求、水質(zhì)要求、用水需求、發(fā)電需求、航運(yùn)需求等。

2.水網(wǎng)時(shí)空調(diào)控計(jì)算難度大

水網(wǎng)調(diào)控計(jì)算往往涉及對(duì)象多、目標(biāo)多、約束多，范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)，水網(wǎng)中各河段、水庫(kù)等工程的水力聯(lián)系緊密，模型的構(gòu)建和求解方面仍存在不少難點(diǎn)。在空間上，水網(wǎng)中各條水道縱橫交織、結(jié)點(diǎn)密布，在眾多自然河湖組成的水系基礎(chǔ)上，又包含大量水庫(kù)、渠道、隧洞、管道、泵站等水利工程，各個(gè)調(diào)控結(jié)點(diǎn)有自身的控制規(guī)則和調(diào)控目標(biāo)，需要整體統(tǒng)籌調(diào)控計(jì)算。調(diào)控模型體系組成涉及專業(yè)面廣，包括降水分析、產(chǎn)流匯流、洪水演進(jìn)、調(diào)洪演算，以及生活、生產(chǎn)、生態(tài)、灌溉用水分析等多個(gè)方面，要實(shí)現(xiàn)將適量水配置在適地的目標(biāo)，需要進(jìn)行水資源配置和水力調(diào)控等復(fù)雜建模和計(jì)算。在時(shí)間上，降水的時(shí)間分配不均，且來(lái)水和用水過(guò)程往往不匹配，易出現(xiàn)旱澇災(zāi)害，需要將水在時(shí)間上進(jìn)行調(diào)配，而較長(zhǎng)時(shí)間尺度下的調(diào)控計(jì)算很大程度依賴于對(duì)未來(lái)情勢(shì)的預(yù)測(cè)，由于降水、徑流、洪水等存在很大的不確定性，目前中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的精度還需提升，在時(shí)間維度上的調(diào)控決策模型也需要進(jìn)一步研究完善。

3.仿真預(yù)演技術(shù)尚需進(jìn)一步提升

強(qiáng)化數(shù)字孿生水網(wǎng)“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）功能，預(yù)演是關(guān)鍵。強(qiáng)大的仿真模型是精準(zhǔn)模擬水網(wǎng)復(fù)雜運(yùn)行場(chǎng)景、對(duì)水網(wǎng)實(shí)施科學(xué)調(diào)控的重要支撐手段。由于水網(wǎng)的復(fù)雜性，對(duì)水網(wǎng)進(jìn)行大尺度時(shí)空模擬仿真計(jì)算存在很多困難，水量調(diào)度效果、水力調(diào)控結(jié)果的預(yù)演精度和效率均需要進(jìn)一步提升。在預(yù)演模型構(gòu)建方面，無(wú)論是傳統(tǒng)的機(jī)理模型還是基于數(shù)據(jù)挖掘的智能算法，都有各自短板。例如，在水動(dòng)力學(xué)模擬方面，傳統(tǒng)水力學(xué)利用圣維南方程組、達(dá)西定律、謝才公式等對(duì)恒定和非恒定流進(jìn)行計(jì)算，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中得到廣泛應(yīng)用。但由于機(jī)理的復(fù)雜性，以及實(shí)際情況與理想條件的差異，基于機(jī)理構(gòu)建的水力模型一般經(jīng)過(guò)了邊界條件的簡(jiǎn)化，并采用了經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，隨著時(shí)空尺度的增大，計(jì)算誤差也累計(jì)增大，導(dǎo)致模擬效果不理想。隨著現(xiàn)代智能技術(shù)發(fā)展，各類數(shù)據(jù)挖掘方法在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)完全拋棄機(jī)理，存在泛化能力弱等問(wèn)題，特別當(dāng)數(shù)據(jù)代表性不充分時(shí)往往擬合效果不佳。實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜性和運(yùn)行邊界條件的多變性對(duì)預(yù)演模型的靈活性提出了高要求，模型需要適應(yīng)水網(wǎng)中對(duì)象數(shù)量的變更、調(diào)控目標(biāo)的改變、工程運(yùn)行規(guī)則的優(yōu)化等多種可能出現(xiàn)的邊界條件而變化。模型還需要具備較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，能夠根據(jù)不斷積累的歷史數(shù)據(jù)自適應(yīng)完善模型自身或優(yōu)化模型參數(shù)，提升模擬仿真的有效性。

4.水網(wǎng)優(yōu)化調(diào)控計(jì)算對(duì)算法、算力要求高

水網(wǎng)優(yōu)化調(diào)控模型的構(gòu)建中，由于涉及大量調(diào)控目標(biāo)和眾多約束條件，基于簡(jiǎn)單的約束條件結(jié)合單一組合目標(biāo)函數(shù)的傳統(tǒng)方法難以有效刻畫和解決如此復(fù)雜的多目標(biāo)協(xié)調(diào)問(wèn)題，需要構(gòu)建全面的綜合評(píng)價(jià)體系，建立各層級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定因子權(quán)重，并通過(guò)綜合評(píng)判方法實(shí)現(xiàn)對(duì)各非劣解的評(píng)估。此外，由于水網(wǎng)包含對(duì)象繁多，優(yōu)化計(jì)算量巨大。例如，我國(guó)的河流大多采取梯級(jí)開發(fā)，水庫(kù)以串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等方式構(gòu)成了復(fù)雜的水庫(kù)群，在水庫(kù)群調(diào)控計(jì)算中，隨著水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度規(guī)模的增加和調(diào)度時(shí)間步長(zhǎng)的精細(xì)化，此類問(wèn)題的決策變量維度逐漸增加到數(shù)百數(shù)千維，現(xiàn)有的約束處理策略配合傳統(tǒng)優(yōu)化算法在求解水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度高維優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，常出現(xiàn)收斂精度、穩(wěn)定性無(wú)法保障和易陷入局部最優(yōu)等問(wèn)題，且易發(fā)生“維數(shù)災(zāi)難”，除了不斷強(qiáng)化提升算力外，還需要不斷改進(jìn)優(yōu)化調(diào)控方法。

水網(wǎng)組成對(duì)象庫(kù)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

水網(wǎng)以自然河湖為基礎(chǔ)、引調(diào)排工程為通道、調(diào)蓄工程為節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)一般錯(cuò)綜復(fù)雜，包含對(duì)象數(shù)量大、類型多，對(duì)象之間關(guān)聯(lián)密切，且實(shí)際運(yùn)行中網(wǎng)絡(luò)的情況（如對(duì)象數(shù)量、運(yùn)用方式等）也時(shí)有改變。因此，需要在全面分析水網(wǎng)特征基礎(chǔ)上，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)組成對(duì)象庫(kù)，能夠靈活地根據(jù)實(shí)際動(dòng)態(tài)調(diào)整，并可自動(dòng)映射形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，直觀展示水網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)和基本信息，便于調(diào)控模型的構(gòu)建。網(wǎng)絡(luò)的分布結(jié)構(gòu)和包含對(duì)象的信息是實(shí)施水網(wǎng)調(diào)控計(jì)算的基礎(chǔ)，構(gòu)建調(diào)控模型前，需要首先理清水網(wǎng)所包含的所有對(duì)象及其關(guān)系，包括自然水系和水利工程等。此外，調(diào)控的順利實(shí)施離不開有效的運(yùn)行管理，需梳理明晰河流、湖泊、輸水工程、水庫(kù)、泵站等各網(wǎng)絡(luò)組成對(duì)象的管理所屬。基于對(duì)象的基礎(chǔ)信息，建立完備、靈活的數(shù)據(jù)庫(kù)體系，根據(jù)實(shí)際變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)維護(hù)，增加、刪減、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)對(duì)象和相關(guān)信息，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)與拓?fù)鋱D的自動(dòng)映射，為后續(xù)復(fù)雜的調(diào)控建模和計(jì)算提供基礎(chǔ)支撐。

1.構(gòu)建水網(wǎng)組成對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)

構(gòu)建水網(wǎng)組成對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)所研究水網(wǎng)的自然水系、水利工程的組成元素和分布特點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分解為大量的節(jié)點(diǎn)類和鏈路類對(duì)象。節(jié)點(diǎn)類對(duì)象表示網(wǎng)絡(luò)中連接線路的關(guān)鍵點(diǎn)，例如具有調(diào)蓄功能的水庫(kù)、湖泊，具有控制水流作用的泵站、閘站，以及水流的分叉點(diǎn)等。鏈路類對(duì)象是兩相鄰節(jié)點(diǎn)的連接部分，例如河段或渠段等。針對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成對(duì)象，分類、分層構(gòu)建信息庫(kù)，包括對(duì)象的基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)，如工程參數(shù)、河流水系特征值等，也包括相關(guān)管理信息，如運(yùn)行管理單位、水務(wù)部門等，還包括附加信息，如對(duì)象的位置信息、與相鄰對(duì)象的上下游邏輯關(guān)系、子網(wǎng)層級(jí)設(shè)定、對(duì)象自身運(yùn)用規(guī)則等?？傊脭?shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、對(duì)象特征參數(shù)、運(yùn)行管理信息等存儲(chǔ)形成各類關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表，為計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.動(dòng)態(tài)映射網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)對(duì)象的管理，包括增加、刪除、調(diào)整等操作，以適應(yīng)實(shí)際中網(wǎng)絡(luò)對(duì)象變化的需要。例如，若需要在原有河段增設(shè)一座泵站，則將原河段對(duì)象拆分為兩個(gè)河段對(duì)象，并增加泵站節(jié)點(diǎn)，補(bǔ)充和調(diào)整相關(guān)信息；若某水庫(kù)庫(kù)容曲線重新復(fù)核，則可以更新該水庫(kù)節(jié)點(diǎn)的水位與庫(kù)容關(guān)系；若某分水口不再使用，則可將該對(duì)象及其下游各對(duì)象從庫(kù)中刪除。根據(jù)需要分層建立各類庫(kù)表，通過(guò)關(guān)鍵字段將其關(guān)聯(lián)，對(duì)信息量較大的要單獨(dú)構(gòu)建多個(gè)明細(xì)表，由上級(jí)數(shù)據(jù)表相關(guān)字段指向?qū)?yīng)明細(xì)表?？傊ㄟ^(guò)建立層次分明、邏輯清晰、內(nèi)容完備的網(wǎng)絡(luò)組成對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)，方便靈活適應(yīng)實(shí)際中的調(diào)整需求。此外將節(jié)點(diǎn)類對(duì)象按特性用不同節(jié)點(diǎn)符號(hào)表示，例如水庫(kù)、泵站、閘站、分叉處等用自定義符號(hào)進(jìn)行表征；鏈路類對(duì)象用線段表示，可根據(jù)需要使用不同的線形、色彩進(jìn)行區(qū)別，例如用虛線表示暗涵、實(shí)線表示渠道，河道與渠道用不同顏色線段區(qū)分等。根據(jù)對(duì)象展示的設(shè)定規(guī)則，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的概化顯示，基于對(duì)象的位置信息和邏輯關(guān)系，可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)映射產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的拓?fù)鋱D，直觀展示網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)，并可根據(jù)實(shí)際情況變化調(diào)整數(shù)據(jù)庫(kù)信息，相應(yīng)動(dòng)態(tài)更新拓?fù)鋱D。

水網(wǎng)時(shí)空調(diào)控基本策略

水網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成對(duì)象繁多，較大時(shí)空尺度下的調(diào)控計(jì)算面臨著建模關(guān)聯(lián)多、計(jì)算維數(shù)高、預(yù)測(cè)精度低、誤差累計(jì)大等問(wèn)題。因此，在強(qiáng)化提升算力的同時(shí)，還需優(yōu)化水網(wǎng)調(diào)控計(jì)算策略，可按照“化繁為簡(jiǎn)”“化整為零”的思想，結(jié)合大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)原理和動(dòng)態(tài)決策思想，對(duì)水網(wǎng)調(diào)控在時(shí)空上進(jìn)行分解。空間上，可基于大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)原理，按分層次、分區(qū)域的原則，將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干小的子網(wǎng)，根據(jù)需要還可將子網(wǎng)進(jìn)一步細(xì)化為更小的網(wǎng)絡(luò)單元。時(shí)間上，可基于滾動(dòng)決策思想，針對(duì)來(lái)水和用水的不確定性，耦合短尺度預(yù)測(cè)結(jié)果實(shí)施未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間尺度下的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)水力調(diào)控等，在過(guò)程中隨著實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的積累不斷修正預(yù)測(cè)結(jié)果，動(dòng)態(tài)更新調(diào)控方案。通過(guò)在時(shí)空尺度上的分解對(duì)水網(wǎng)進(jìn)行調(diào)控，簡(jiǎn)化計(jì)算對(duì)象，修正預(yù)測(cè)偏差，動(dòng)態(tài)優(yōu)化決策，過(guò)程中將各個(gè)子系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果耦合，實(shí)現(xiàn)水網(wǎng)整體的時(shí)空調(diào)控分析計(jì)算。

1.基于大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)的空間調(diào)控

大系統(tǒng)往往具有高維數(shù)、多目標(biāo)、關(guān)聯(lián)性、分散性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，進(jìn)行整體分析和集中計(jì)算的困難很大。分解協(xié)調(diào)技術(shù)是應(yīng)對(duì)大系統(tǒng)的有效途徑，通過(guò)將大系統(tǒng)分解成若干相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，將大系統(tǒng)的復(fù)雜建模和求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為規(guī)模相對(duì)較小的多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行處理，使得被研究的大系統(tǒng)降階、降維，以便計(jì)算處理。當(dāng)大系統(tǒng)被分解為若干子系統(tǒng)后，形成多層遞階結(jié)構(gòu)，逐一對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)分析計(jì)算，再通過(guò)建立關(guān)聯(lián)模型，綜合考慮各個(gè)子系統(tǒng)的聯(lián)系，在總體目標(biāo)和約束下組成大系統(tǒng)的整體模型，即分解協(xié)調(diào)法。分解與協(xié)調(diào)的思路是處理大系統(tǒng)問(wèn)題的有效方法，常構(gòu)建上級(jí)“協(xié)調(diào)器”和下級(jí)多個(gè)“局域控制子系統(tǒng)”的模式，通過(guò)協(xié)調(diào)控制各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的整體最優(yōu)化。水網(wǎng)系統(tǒng)是復(fù)雜的大系統(tǒng)，組成對(duì)象數(shù)量和種類多，調(diào)控目標(biāo)和約束條件多，對(duì)象相互之間關(guān)聯(lián)復(fù)雜。利用大系統(tǒng)的思想，綜合考慮各網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)和其管理所屬等因素，將網(wǎng)絡(luò)分解為若干子網(wǎng)，各子網(wǎng)間可能存在串聯(lián)關(guān)系、并聯(lián)關(guān)系，甚至更復(fù)雜的包含關(guān)系。針對(duì)各個(gè)子網(wǎng)，在防洪、供水、生態(tài)、發(fā)電等各個(gè)目標(biāo)和多種工程運(yùn)用約束條件下進(jìn)行調(diào)控計(jì)算，優(yōu)化局域控制子網(wǎng)的計(jì)算結(jié)果。通過(guò)分析各子網(wǎng)關(guān)聯(lián)關(guān)系，逐層協(xié)調(diào)，以滿足各種約束下的整體綜合效益最大為目標(biāo)，耦合子系統(tǒng)調(diào)控結(jié)果，實(shí)現(xiàn)整體水網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)控分析計(jì)算。

水網(wǎng)大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)示意

2.基于動(dòng)態(tài)決策的時(shí)間調(diào)控

變化是常態(tài)，必須接受變化和適應(yīng)變化。具有復(fù)雜性的大系統(tǒng)往往處于隨機(jī)、動(dòng)態(tài)、多變的約束下，對(duì)其的調(diào)控存在大量的不確定性，且涉及的因素眾多，是復(fù)雜的決策問(wèn)題。在調(diào)控決策過(guò)程中，需要對(duì)各種因子進(jìn)行不同時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，而由于決策因子的隨機(jī)性和波動(dòng)性，較長(zhǎng)時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)精度很難滿足實(shí)際需求，根據(jù)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)制定的大時(shí)間尺度下的決策方案與實(shí)際情況會(huì)有較大偏差。因此，預(yù)報(bào)和其對(duì)應(yīng)的調(diào)控均應(yīng)是一個(gè)不斷反饋和修正的過(guò)程，根據(jù)當(dāng)前面臨時(shí)段的實(shí)際情況，滾動(dòng)預(yù)測(cè)未來(lái)形勢(shì)，并據(jù)實(shí)更新調(diào)控決策，以適應(yīng)變化。對(duì)應(yīng)滾動(dòng)修正機(jī)制，還應(yīng)建立不同時(shí)間尺度調(diào)控決策互饋機(jī)制，針對(duì)長(zhǎng)期、中期、短期調(diào)控方案實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整，并在多時(shí)間尺度下滾動(dòng)嵌套、聯(lián)動(dòng)互饋，發(fā)揮各自作用。在長(zhǎng)期、中期、短期的調(diào)控計(jì)劃基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，并根據(jù)已發(fā)生的歷史調(diào)度結(jié)果，逐級(jí)反饋修正短期、中期和長(zhǎng)期調(diào)控的邊界條件，若已實(shí)施和計(jì)劃存在偏差則調(diào)整余期的調(diào)控計(jì)劃，再次進(jìn)行不同時(shí)間尺度的調(diào)控計(jì)算，動(dòng)態(tài)修正生成新的調(diào)控方案。

在水網(wǎng)調(diào)控中，以水資源管理與配置為例，一般需要對(duì)來(lái)水進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)未來(lái)多時(shí)間尺度下（如年、月、旬、日等）的水資源情況，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的積累，動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)測(cè)結(jié)果。同時(shí)，對(duì)用水進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，根據(jù)氣象條件、人口變化、用水結(jié)構(gòu)等因素，滾動(dòng)預(yù)測(cè)不斷修正需求分析。結(jié)合來(lái)水、用水供需分析，以及輸水能力等因素，實(shí)施水資源動(dòng)態(tài)調(diào)配，進(jìn)行滾動(dòng)調(diào)控決策。

在防洪調(diào)度方面，基于動(dòng)態(tài)決策思想滾動(dòng)預(yù)報(bào)洪水過(guò)程情況，實(shí)施動(dòng)態(tài)防洪調(diào)控。如針對(duì)不同時(shí)期，利用不同設(shè)施和水文、水動(dòng)力模型，構(gòu)筑雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”，對(duì)云中雨、落地雨、河道徑流的雨水情進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警，實(shí)施科學(xué)調(diào)控措施。在水網(wǎng)調(diào)控過(guò)程中，基于滾動(dòng)預(yù)測(cè)進(jìn)行水量動(dòng)態(tài)調(diào)控決策時(shí)，還應(yīng)充分考慮輸水通道和調(diào)蓄能力等因素，實(shí)現(xiàn)水力調(diào)控目標(biāo)。對(duì)具備條件的調(diào)水工程，如南水北調(diào)中線工程，以各時(shí)期水量調(diào)度計(jì)劃（供水計(jì)劃）為邊界條件，實(shí)施根據(jù)水情、工情的自動(dòng)化實(shí)時(shí)水力調(diào)控。

機(jī)理與數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)的預(yù)演仿真

預(yù)演是數(shù)字孿生水利體系“四預(yù)”功能中的關(guān)鍵核心。鑒于水網(wǎng)的復(fù)雜性，在現(xiàn)代水網(wǎng)綜合調(diào)控方面，傳統(tǒng)的非線性優(yōu)化計(jì)算方法很難取得滿意的效果，需要通過(guò)預(yù)演仿真方式，對(duì)生成的典型調(diào)控方案結(jié)果和效果進(jìn)行精準(zhǔn)精確模擬，支撐作出科學(xué)決策。預(yù)演仿真功能在水網(wǎng)調(diào)控模型構(gòu)建中十分重要，在應(yīng)對(duì)大尺度水網(wǎng)調(diào)控問(wèn)題上，先通過(guò)前述的大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)和滾動(dòng)決策思路，降低尺度，簡(jiǎn)化問(wèn)題，對(duì)分解后的子網(wǎng)調(diào)控進(jìn)行模擬仿真后，經(jīng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)形成整體網(wǎng)絡(luò)調(diào)控決策結(jié)果。目前，基于傳統(tǒng)機(jī)理模型模擬的結(jié)果往往精度不理想，尤其是在較大的時(shí)空尺度下易出現(xiàn)誤差積累導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真等。物理水網(wǎng)本身就是1:1原型，應(yīng)充分利用好長(zhǎng)期積累的原型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)支持模型構(gòu)建。另外，受到實(shí)際運(yùn)行條件等因素限制，實(shí)際中的數(shù)據(jù)質(zhì)量、代表性、完備性等都存在一定問(wèn)題，完全基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)構(gòu)建模擬模型也存在泛化能力弱等不足。因此，應(yīng)結(jié)合機(jī)理分析和數(shù)據(jù)挖掘方法的各自優(yōu)勢(shì)，考慮基于機(jī)理和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)行預(yù)演模型的構(gòu)建。此外，預(yù)演模型還需具備自學(xué)習(xí)能力和靈活性，能自動(dòng)適應(yīng)現(xiàn)實(shí)中邊界條件的改變，也能夠隨著歷史數(shù)據(jù)的積累，自主學(xué)習(xí)完善自身模型結(jié)構(gòu)或優(yōu)化參數(shù)，不斷提升模型的模擬精度和適用廣度，使模型具有生命力。

1.實(shí)現(xiàn)預(yù)演仿真功能

機(jī)理分析模型與數(shù)據(jù)挖掘模型各有優(yōu)缺點(diǎn)。機(jī)理分析模型一般基于物理定律構(gòu)建微分方程，能夠保障計(jì)算結(jié)果符合機(jī)理規(guī)律，但由于實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜性，通常會(huì)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，各類模型參數(shù)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)給出，若沒(méi)有基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的修正，在較大時(shí)空尺度下的模擬效果常常不理想。數(shù)據(jù)挖掘模型基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，可利用歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建精度較高的非線性回歸關(guān)系，但實(shí)踐中由于數(shù)據(jù)數(shù)量、質(zhì)量、完備性等原因，很難獲得涵蓋范圍廣泛、每個(gè)局部都有充分?jǐn)?shù)據(jù)代表的樣本集，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)得到的模型在訓(xùn)練集范圍附近擬合效果佳，但泛化能力較弱，外延預(yù)測(cè)結(jié)果較差。由于完全依賴數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果甚至可能出現(xiàn)不符合物理機(jī)理的情況。

機(jī)理和數(shù)據(jù)不應(yīng)割裂考慮，機(jī)理分析模型通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)反演和率定，而在構(gòu)建數(shù)據(jù)挖掘模型時(shí)一般也需要通過(guò)機(jī)理分析選擇合適的輸入、輸出因子。應(yīng)結(jié)合機(jī)理分析和數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)勢(shì)，建立機(jī)理和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)的預(yù)演模型。主要有以下構(gòu)建策略：

一是對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單問(wèn)題的建模，可使用機(jī)理分析模型較好地刻畫時(shí)，優(yōu)先利用機(jī)理分析。也就是通過(guò)機(jī)理能較精準(zhǔn)計(jì)算的，不必通過(guò)積累大量數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)關(guān)系。

二是根據(jù)可獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布范圍確定合適的建模方式，分別構(gòu)建模型?！扒蓩D難為無(wú)米之炊”，可對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較完備的數(shù)據(jù)區(qū)間選擇數(shù)據(jù)挖掘方式，根據(jù)數(shù)據(jù)分布情況針對(duì)性地分別構(gòu)建模型，而對(duì)數(shù)據(jù)量較少甚至無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐的區(qū)間暫使用機(jī)理分析模型，隨著數(shù)據(jù)積累豐富再優(yōu)化構(gòu)建方式。如在南水北調(diào)中線過(guò)閘流量分析計(jì)算中，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分布情況實(shí)施自動(dòng)聚類，并按分組分別自主構(gòu)建過(guò)閘流量關(guān)系模型，較好地提升了計(jì)算精度。

三是對(duì)于建模相對(duì)復(fù)雜，且訓(xùn)練數(shù)據(jù)覆蓋范圍也有限的情況，可利用數(shù)據(jù)挖掘方法建立輸入因子與機(jī)理模型關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，再利用這些關(guān)鍵參數(shù)通過(guò)機(jī)理模型計(jì)算最終的輸出結(jié)果。筆者曾構(gòu)建基于信息擴(kuò)散的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)回歸計(jì)算過(guò)閘流量公式中的綜合過(guò)閘流量系數(shù)，再利用傳統(tǒng)水力學(xué)公式計(jì)算得到過(guò)閘流量，取得較好的效果。

2.強(qiáng)化自學(xué)習(xí)功能

預(yù)演仿真計(jì)算結(jié)果總會(huì)與實(shí)際存在一定偏差，尤其在較大時(shí)空尺度條件下容易出現(xiàn)誤差積累，導(dǎo)致模擬結(jié)果偏差大。因此，模型需要強(qiáng)化基于自主學(xué)習(xí)完善自身的功能，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的積累和不斷豐富，利用日漸完善的感知體系，自動(dòng)利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化訓(xùn)練集，不斷更新模型，提升模型的模擬精度，這樣的預(yù)演模型才具有“生命力”。由于實(shí)際中邊界條件的改變時(shí)有發(fā)生，模型的構(gòu)建應(yīng)具備靈活性，與前述的水網(wǎng)對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)和拓?fù)鋱D的構(gòu)建相結(jié)合，當(dāng)條件發(fā)生變化，通過(guò)數(shù)據(jù)的更新反饋給計(jì)算模型，而模型程序的研發(fā)則需要具備接受動(dòng)態(tài)參數(shù)組的功能，例如以動(dòng)態(tài)數(shù)組等方式作為程序函數(shù)的形式參數(shù)，基于變化的條件自動(dòng)修正，相比人工率定后再通過(guò)源代碼修改參數(shù)的傳統(tǒng)方式更加便利。

根據(jù)模型構(gòu)建的模式，修正方式一般可分為兩種：一是對(duì)于機(jī)理和數(shù)據(jù)相融合的模型，可利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)修正模型參數(shù)；二是對(duì)于具備單純利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可較好構(gòu)建的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，自動(dòng)修正整個(gè)模型的結(jié)構(gòu)，例如通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林、支持向量機(jī)等構(gòu)建的模型。無(wú)論采取何種方式，數(shù)據(jù)是修正的基礎(chǔ)，實(shí)際中數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)量、代表性等均對(duì)完善模型有較大影響，需要結(jié)合實(shí)際綜合運(yùn)用相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法以南水北調(diào)中線工程過(guò)閘流量模擬計(jì)算為例，雖運(yùn)行多年來(lái)積累了大量實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)，但受控制模式和用水需求等因素影響，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值多集中于少量局部范圍，缺少覆蓋大范圍的代表性數(shù)據(jù)。筆者通過(guò)雙調(diào)和樣條插值法，充分利用現(xiàn)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的位置信息，對(duì)實(shí)測(cè)水情數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，再利用量綱分析進(jìn)行計(jì)算，提升了計(jì)算精度。由于實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜，僅修正參數(shù)有時(shí)難以適應(yīng)各種場(chǎng)景下的預(yù)演模擬，需要對(duì)模型計(jì)算輸出值或向量與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行專門模型訓(xùn)練，形成對(duì)應(yīng)的修正關(guān)系。對(duì)于輸入數(shù)據(jù)不易精準(zhǔn)獲取的情況，例如汛期降水進(jìn)入明渠等情況，也可考慮利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整修正輸入過(guò)程。

水網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控

水網(wǎng)調(diào)控涉及目標(biāo)眾多，需要統(tǒng)籌考慮調(diào)控的各種功能作用，在滿足相關(guān)約束條件的前提下，實(shí)施多目標(biāo)決策，優(yōu)選調(diào)控方案。針對(duì)多目標(biāo)調(diào)控，分別構(gòu)建水文水資源模型、水動(dòng)力學(xué)模型、水質(zhì)水生態(tài)模型等各類專業(yè)模型，并將其相互配合，形成調(diào)控專業(yè)模型體系，支撐水網(wǎng)調(diào)控預(yù)演仿真功能，模擬不同調(diào)控措施的結(jié)果。一般對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)化問(wèn)題，可通過(guò)建立目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解計(jì)算，但由于水網(wǎng)調(diào)控目標(biāo)繁多、關(guān)聯(lián)復(fù)雜，很難僅利用簡(jiǎn)單的函數(shù)進(jìn)行描述，因此需構(gòu)建多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)模型，采用“黑箱”方式對(duì)任意可行的調(diào)控方案進(jìn)行量化的優(yōu)劣評(píng)估，主要包括建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重、選擇綜合評(píng)價(jià)方法等環(huán)節(jié)。基于各類約束條件，生成可行調(diào)控方案，利用各專業(yè)模型進(jìn)行結(jié)果模擬，通過(guò)評(píng)價(jià)模型評(píng)估方案效果對(duì)比優(yōu)劣，再基于現(xiàn)代智能優(yōu)化方法的思想，按照某種進(jìn)化策略對(duì)方案進(jìn)行迭代優(yōu)化，最終尋找出滿意的調(diào)控方案。

1.水網(wǎng)多目標(biāo)調(diào)控模型構(gòu)建

水網(wǎng)集水資源優(yōu)化配置、流域防洪減災(zāi)、水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)等功能于一體，水網(wǎng)調(diào)控需綜合考慮防洪、供水、灌溉、發(fā)電、生態(tài)、航運(yùn)等具體功能，涉及各類專業(yè)模型，主要包括：水文水資源模型，如降雨預(yù)報(bào)、氣溫預(yù)報(bào)、冰情預(yù)報(bào)、咸情預(yù)報(bào)、產(chǎn)匯流計(jì)算、徑流預(yù)測(cè)、供水需水分析等；水動(dòng)力學(xué)模型，如洪水演進(jìn)、輸水河渠水力分析、泥沙動(dòng)力分析、冰水動(dòng)力分析、有壓管道瞬變流計(jì)算等；水質(zhì)水生態(tài)模型，如水質(zhì)預(yù)測(cè)、水污染溯源分析、水生態(tài)預(yù)測(cè)、生態(tài)需水分析等。各類專業(yè)模型共同作用實(shí)現(xiàn)不同調(diào)控方案、各類調(diào)控目標(biāo)下的預(yù)演功能，形成了水網(wǎng)調(diào)控專業(yè)模型體系。利用各類專業(yè)模型，針對(duì)各種目標(biāo)，通過(guò)用水需求分析、水量調(diào)配分析、水力調(diào)控分析，從來(lái)水、用水、輸水等角度進(jìn)行模擬仿真，計(jì)算分析不同調(diào)控方案的結(jié)果。

由于水網(wǎng)多目標(biāo)調(diào)控的復(fù)雜性，還需構(gòu)建多因素綜合評(píng)價(jià)體系，根據(jù)調(diào)控方案的計(jì)算結(jié)果，對(duì)調(diào)控效果和影響進(jìn)行綜合量化評(píng)價(jià)，可分三個(gè)主要環(huán)節(jié)：一是構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，綜合考慮各類目標(biāo)，分層級(jí)選擇各評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合專業(yè)知識(shí)，分別量化確定單指標(biāo)對(duì)應(yīng)的各評(píng)價(jià)等級(jí)的取值區(qū)間；二是確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，利用主觀權(quán)重法、客觀權(quán)重法，或者兩者相結(jié)合的方式，對(duì)各層級(jí)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重確定，如利用層次分析法實(shí)現(xiàn)權(quán)重主觀確定，利用熵權(quán)法進(jìn)行客觀權(quán)重賦值，利用兩種方法加權(quán)合成主客觀權(quán)重等；三是選擇綜合評(píng)價(jià)方法，根據(jù)構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及調(diào)控方案模擬計(jì)算得到的指標(biāo)值，利用綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)方案的相對(duì)優(yōu)劣進(jìn)行量化評(píng)估。目前綜合評(píng)價(jià)方法很多，如模糊評(píng)價(jià)、灰色關(guān)聯(lián)、集對(duì)分析、物元分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)包絡(luò)等，各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)評(píng)價(jià)問(wèn)題的特點(diǎn)和實(shí)際情況選擇合適方法或多種方法結(jié)合運(yùn)用。

通過(guò)各類專業(yè)模型和綜合評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)控方案的結(jié)果預(yù)演和多目標(biāo)評(píng)判，對(duì)各方案的相對(duì)優(yōu)劣作出量化比對(duì)，為優(yōu)化調(diào)控決策奠定基礎(chǔ)。例如，對(duì)水網(wǎng)進(jìn)行調(diào)控效果評(píng)價(jià)，主要根據(jù)其發(fā)揮的功能作用（防洪、供水、發(fā)電、生態(tài)、航運(yùn)等）和組成特點(diǎn)（大江大河、中小河流或輸水工程為骨干）等，分類別、分層級(jí)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、效率等方面），并對(duì)每個(gè)單指標(biāo)量化明確等級(jí)評(píng)價(jià)區(qū)間，形成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。采用層次分析法、熵權(quán)等方法計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)給定的調(diào)控方案的各指標(biāo)值，通過(guò)綜合評(píng)判方法（基于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和指標(biāo)權(quán)重計(jì)算）進(jìn)行綜合評(píng)估，量化評(píng)判調(diào)控方案效果的優(yōu)劣。

2.水網(wǎng)優(yōu)化調(diào)控

水網(wǎng)調(diào)控屬于典型多目標(biāo)決策。多目標(biāo)評(píng)價(jià)和優(yōu)化問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直是研究熱點(diǎn)。多個(gè)目標(biāo)或因子之間存在矛盾，待評(píng)價(jià)方案的某些指標(biāo)值變“優(yōu)”，而另外一些指標(biāo)值必將變“劣”，使得多目標(biāo)問(wèn)題往往沒(méi)有“最優(yōu)解”，而只能從眾多“非劣解”中尋求出所謂的“滿意解”，這意味著評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定主觀性。水網(wǎng)調(diào)控方案優(yōu)選中，可將調(diào)控的流量過(guò)程作為決策變量序列，基于專業(yè)模型和評(píng)價(jià)模型對(duì)方案效果進(jìn)行多目標(biāo)評(píng)估，利用優(yōu)化算法尋求滿意解。由于調(diào)控涉及變量多，約束條件多，控制目標(biāo)多，在較大的時(shí)空尺度下，傳統(tǒng)尋優(yōu)計(jì)算的難度大。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，大量智能優(yōu)化算法涌現(xiàn)，如遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法、蜂群算法、布谷鳥算法等，分析相關(guān)主流智能優(yōu)化算法步驟，其基本思路均為：確定合適的評(píng)價(jià)函數(shù)，能夠量化比較可行解；隨機(jī)生成大量的初始可行解；利用評(píng)價(jià)函數(shù)評(píng)價(jià)各個(gè)可行解的優(yōu)劣，優(yōu)勝劣汰；利用某種進(jìn)化策略，結(jié)合各個(gè)可行解的優(yōu)劣情況，形成新的可行解的集合，通過(guò)不斷演進(jìn)，搜索全局最優(yōu)解。進(jìn)化策略是各智能優(yōu)化算法的核心，如遺傳算法通過(guò)選擇、交叉、變異操作來(lái)更新描述可行解的“染色體”群，粒子群算法則源自對(duì)鳥群捕食行為研究，將問(wèn)題的解作為“粒子”，根據(jù)各個(gè)“粒子”最優(yōu)坐標(biāo)和全局最優(yōu)坐標(biāo)，調(diào)整自身移動(dòng)的距離和方向。因此，可參考智能優(yōu)化算法思想，通過(guò)模擬生成滿足約束條件的調(diào)控方案，利用評(píng)價(jià)的“黑箱”模型，按照某種進(jìn)化策略不斷優(yōu)化迭代，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)控目的。也可根據(jù)實(shí)際情況簡(jiǎn)化優(yōu)選過(guò)程，如根據(jù)各類調(diào)控目標(biāo)，生成多個(gè)典型方案作為代表，利用各相關(guān)專業(yè)模型得到各方案調(diào)控模擬結(jié)果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果基于多目標(biāo)評(píng)價(jià)模型綜合評(píng)判，優(yōu)選出相對(duì)優(yōu)的調(diào)控方案。例如，在對(duì)水網(wǎng)優(yōu)化調(diào)控計(jì)算時(shí)，根據(jù)各類約束，生成多個(gè)可行的調(diào)控方案群體，模擬仿真各方案的效果，并通過(guò)綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)各調(diào)控方案進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上，利用某種現(xiàn)代優(yōu)化方法的演化策略，逐代更新調(diào)控方案的群體，最終找到滿意的調(diào)控方案。

結(jié)語(yǔ)

①開展水網(wǎng)調(diào)控模型研究十分必要和緊迫。水網(wǎng)調(diào)控模型是數(shù)字孿生水網(wǎng)模型平臺(tái)的核心，構(gòu)建安全、高效的水網(wǎng)調(diào)控模型是實(shí)現(xiàn)水網(wǎng)的水資源優(yōu)化配置、流域防洪減災(zāi)、水生態(tài)保護(hù)等功能的重要基礎(chǔ)支撐。由于水網(wǎng)組成對(duì)象繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括“綱、目、結(jié)”等重要元素，實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的水網(wǎng)調(diào)控計(jì)算仍面臨著許多挑戰(zhàn)，需要抓緊深入研究水網(wǎng)調(diào)控模型體系構(gòu)建。本文根據(jù)水網(wǎng)的特點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)構(gòu)建水網(wǎng)調(diào)控模型的若干關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了思考，初步提出了構(gòu)建水網(wǎng)調(diào)控模型體系的思路。

②系統(tǒng)分析了水網(wǎng)調(diào)控特點(diǎn)和難點(diǎn)。水網(wǎng)是復(fù)雜的大系統(tǒng)，對(duì)象繁多、關(guān)系復(fù)雜、目標(biāo)多樣，水網(wǎng)調(diào)控具有多層次、多尺度、多水源、多用戶、多目標(biāo)、多場(chǎng)景等特點(diǎn)。水網(wǎng)調(diào)控技術(shù)當(dāng)前面臨諸多難點(diǎn)：各級(jí)水網(wǎng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，理清拓?fù)潢P(guān)系有挑戰(zhàn)；水網(wǎng)調(diào)控計(jì)算往往涉及對(duì)象多、目標(biāo)多、約束多，范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)，時(shí)空調(diào)控計(jì)算難度大；現(xiàn)實(shí)運(yùn)行條件和工況非常復(fù)雜，預(yù)演仿真技術(shù)需進(jìn)一步提升；涉及大量調(diào)控目標(biāo)和眾多約束條件，對(duì)優(yōu)化算法和算力要求高。

③初步提出了水網(wǎng)調(diào)控模型的構(gòu)建思路。首先，理清網(wǎng)絡(luò)對(duì)象組成和結(jié)構(gòu)關(guān)系，形成對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)，且可自動(dòng)映射形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，靈活應(yīng)對(duì)實(shí)際中邊界條件的變化，直觀展示水網(wǎng)對(duì)象邏輯關(guān)系，為水網(wǎng)調(diào)控計(jì)算奠定基礎(chǔ)；其次，基于化繁為簡(jiǎn)的思想，從時(shí)空方面對(duì)水網(wǎng)調(diào)控進(jìn)行分層級(jí)、逐時(shí)段分析，利用大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)、滾動(dòng)決策等思路，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的分析計(jì)算；再次，強(qiáng)化預(yù)演功能，基于機(jī)理和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)模式構(gòu)建模型，同時(shí)增強(qiáng)自學(xué)習(xí)能力，通過(guò)預(yù)演仿真得到精確的模擬調(diào)控結(jié)果；最后，構(gòu)建調(diào)控方案多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系，根據(jù)調(diào)控方案模擬仿真結(jié)果，量化評(píng)估方案優(yōu)劣，基于現(xiàn)代智能優(yōu)化算法思想，通過(guò)迭代演化實(shí)現(xiàn)調(diào)控方案的尋優(yōu)。

Abstract: The national water network employs intelligent regulation, with control models serving as a core component of the digital twin water network modeling platform. The intricate water network is a typical large-scale system characterized by multiple levels, scales, sources, users, objectives, and scenarios, presenting numerous challenges. Addressing the key points and difficulties of water network regulation, this paper proposes ideas for constructing a model system. Based on analyzing the layout and management of the water network, a database of network components and a topology diagram are established to clarify the parallel, serial, and inclusive relationships of each network, as well as the basic information and interrelationships of each component, achieving dynamic mapping between the database and topology diagram. Spatially, analysis and calculations are conducted hierarchically and partitioned based on the principle of decomposition and coordination of large-scale systems. Temporally, rolling decision-making at different time scales is implemented following the approach of prediction, regulation, and correction. The preview function is enhanced by adopting a dual mechanism and data-driven mode for simulation, continuously improving model parameters or optimizing model structures through autonomous learning. By analyzing the relationships and roles of various specialized models in the control model system, a comprehensive evaluation model of control schemes based on multiple indicators is constructed. Drawing on strategies from modern intelligent optimization algorithms, a set of feasible schemes is simulated and optimized through evolutionary iteration.

Keywords: national water network; digital twin water network; intelligent regulation; large-scale system decomposition and coordination; rolling decision-making

本文引用格式：

陳曉楠.數(shù)字孿生水網(wǎng)調(diào)控模型體系構(gòu)建若干思考[J].中國(guó)水利，2025（3）：14-21.

責(zé)編王慧

校對(duì)李博遠(yuǎn)

審核軒瑋

監(jiān)制趙洪濤

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請(qǐng)讀者僅作參考，并自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。若對(duì)該稿件內(nèi)容有任何疑問(wèn)或質(zhì)疑，請(qǐng)立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。