CN110377993A - 超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法 - Google Patents

Abstract

本发明将组件化、组态化和流程引擎技术引入流域洪水调度控制领域。本发明提供了一种超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，包括以下步骤：将各类模型算法组件封装为节点库；从节点库中选择一个节点作为流程的起点节点；为起始节点耦合计算对象，并根据规则库校验当前节点与对象耦合是否有效；根据组合需求创建下级节点；为下级节点耦合计算对象；根据组合计算需求，重复步骤循环创建新的下级节点，并完成对应的节点流向和对象耦合校验，直至节点创建完毕；归集节点流的所有输入信息，启动计算任务，输出汇总结果。

Description

超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法

技术领域

本发明涉及流域洪水模拟与调度控制技术领域，具体涉及一种超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法。

背景技术

洪水调控计算本质上就是深度运用计算机技术，模拟流域洪水在其防洪体系下的传播演进与调度控制过程。我国流域的防洪体系主要由水库、河段、测站、堤防、蓄滞洪区、水闸、泵站等多种水利对象组成，针对各类水利工程对象群开展联合调度控制是提升流域防洪能力、降低洪水淹没风险、减小洪水灾害损失的重要举措。本发明涉及的超标准洪水调控计算模型主要包括河道洪水一维演进、水库洪水调度、水库回水模拟、水库溃坝模拟、堤防溃决模拟、蓄滞洪区分洪计算、泄洪闸门分配计算、洪水二维淹没模拟、洪灾损失计算和洪水风险评估等。

防洪标准是衡量流域防洪能力的重要指标之一。目前，我国各大流域的规划方案中均已明确了对应的防洪标准。针对防洪标准以内的一般性流域洪水，防汛调度部门严格按照流域洪水调度方案开展洪水调度控制工作即可，其防洪控制对象、调度计算任务、业务数据流程、泄洪设施控制方式等都较为详尽。因此，在现有各大流域的防汛调度决策指挥系统中，流域洪水调控计算大多基于固定范围、固定对象、固定流程、固定模型进行模块设计和功能建设。

对于超出流域防洪标准的超标准洪水而言，由于其具有偶发性、不确定性、复杂性和特殊性等特征，其洪水调度控制措施的差异化显著，洪水调控计算的范围、对象和流程会随着洪水影响程度不同而动态变化，洪水调控计算涉及的专业模型、参数类型与数据规模也较为庞大，无法提前预制计算对象和业务流程，现有洪水调度方案缺乏有效的调控方式，现有流域防汛调度决策指挥系统的应对能力也明显不足，按固化方式建设的功能模块难以快速支撑变化场景下的不确定性调控计算需求。

当流域发生超标准洪水时，调度人员通常需要根据洪水的演变态势频繁开展调控计算模拟，为科学下达防汛决策和调控指令提供依据。在现有系统支撑能力下，由于各类专业计算模型分散在不同的软件功能模块中，当调度人员根据当前的流域防洪形势确定调控计算的总体任务后，必须先按系统软件功能模块分解为不同的单点子任务，然后依次使用不同软件功能模块完成各项子任务计算，最后再根据计算结果人工经人工综合分析后制定调度决策，并结合不同泄洪设施的操作规程进一步形成对应的启闭控制计划。

上述过程中，本应连续不间断完成的流域洪水调度控制模拟计算被人为分割和阻断，不同计算模型之间的数据衔接与信息处理也大多依赖人工干预，操作过程繁琐，工作量极大，且误操作风险较高，针对流域洪水演变的全过程调度控制模拟计算效率低下，成果时效性严重不足，极大影响了超标准洪水的调度决策效率和应急响应速度。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，将组件化、组态化和流程引擎技术引入流域洪水调度控制领域。

本发明提供了一种超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，其特征在于包括以下步骤：

a.从节点库中选择一个节点作为流程的起点节点；

b.为起始节点耦合计算对象，并根据规则库校验当前节点与对象耦合是否有效，若无效，则重新在对象库中选择对象类型，直至校验通过；

c.根据组合需求创建下级节点，并根据规则库校验上下级节点流向是否有效，若无效，则重新选择下级节点，直至校验通过；

d.为下级节点耦合计算对象，并根据规则库校验当前节点与对象耦合是否有效，若无效，则重新在对象库中选择对象类型，直至校验通过；

e.根据组合计算需求，重复步骤c和步骤d循环创建新的下级节点，并完成对应的节点流向和对象耦合校验，直至节点创建完毕。

上述技术方案还包括以下步骤：针对任意梳理流域分区内的所有防洪体系资料，按照不同计算对象进行分类，然后分别进行数字化建模，分类定义并量化当前流域分区内所有对象的基础属性、设计参数和特征指标，最终形成防洪体系对象库。

上述技术方案还包括以下步骤：针对洪水调控涉及的各类计算模型，构建所有模型的参数库；将洪水调控涉及的各类计算模型与具体水利对象充分解耦，形成支撑超标准洪水计算的组件库；将组件库和参数库全部封装形成面向应用人员的节点库。

上述技术方案还包括以下步骤：制定对象耦合校验逻辑和节点流向校验逻辑，形成所有节点、对象和流向的逻辑校验规则库。

上述技术方案还包括以下步骤：将所有节点的输入信息进行归纳、集中，通过节点流向校验逻辑规则确定或用户输入并交互确认；输入信息确认后，启动执行任务，逐节点依次完成计算并输出计算结果。

上述技术方案中，针对洪水调控涉及的各类计算模型，按对象库的分类方式(水库、河段、测站、堤防、蓄滞洪区、水闸、泵站等)分别梳理输入输出参数，并充分利用映射方式剔除重复参量，制定出统一、规范的数据结构标准，以此构建所有模型的参数库。

上述技术方案中，将洪水调控涉及的各类计算模型与具体水利对象充分解耦，统一采用参数库中的抽象定义作为输入输出接口，按组件化方式实现算法开发，从而提升模型自身的通用性和移植性，以形成支撑超标准洪水计算的组件库。

上述技术方案中，针对组件库中的所有模型组件，根据其接口需求逐一与参数库进行关联，从而构成具有“输入-计算-输出”的标准化结构的流程节点，以将组件库和参数库全部封装为面向应用人员的节点库。

上述技术方案中，创建流程节点开展实例化计算时，必须与对象库中的某一类或几类水利对象进行耦合，判断节点与对象的耦合有效性；针对任一类水利对象，只有节点内封装的模型组件接口与该类对象的属性参数存在关联，节点对象耦合才有效，否则无效

定义对象库的对象类型集合OT，对象类型总数m；节点库的节点集合ND，节点总数n；构建节点对象耦合有效性集合C，C(i，j)为0-1变量，表示节点ND_i与对象OT_j的耦合有效性，其中i∈(1，2…n)，j∈(1，2…m)，则：

针对集合C构建对应的节点对象适配集合A，其中A(i，j)表示节点ND_i与对象OT_j的接口参数适配关系，具体表达式根据不同节点和对象类型而各不相同，当且仅当C(i，j)＝1时有效，即：

上述技术方案中，节点库中的每个节点在开展组合计算流程搭建时，需要与其他节点进行连接。若将节点A连接至节点B时，则产生节点流向A-B，其中A为上级节点，B为下级节点。此时，必须判断节点流向的有效性，其中上级节点的输出参数中至少存在一项与下级节点的输入参数关联，节点流向才有效，否则无效。

构建节点流向有效性集合V，V(i，j)为0-1变量，表示节点流向ND_i-ND_j的有效性，其中i∈(1，2…n)，j∈(1，2…n)。则：

针对集合V构建对应的节点参数关联集合L，其中L(i，j)表示节点流向ND_i-ND_j的参数关联逻辑，具体表达式根据不同节点类型分别定义，当且仅当V(i，j)＝1时有效，即：

以上式(1)-式(4)共同构成了所有节点、对象和流向的逻辑校验规则库。

本发明将组件化、组态化和流程引擎技术引入流域洪水调度控制领域，提供了一种超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法。组件化技术是模块化思想的演进和延伸，主要通过深层次解耦与隔离不需要关注的部分来强化模块角色的可转换性；组态化技术的精髓在于可通过“搭积木”的方式来配置自己想实现的模拟计算功能，而不需要编写计算机程序代码；流程引擎技术的核心则是根据不同的角色、分工和条件来决定信息的传递方向和转换逻辑，从而完成节点、流向与流程的衔接关联。将以上技术与洪水调控计算的业务逻辑和模型算法深度融合，可有效应对超标洪水场景下的不确定性组合调控计算需求。本发明解决了洪水调度控制模拟过程的模块化分割问题，实现流域超标准洪水的河道传播演进模拟、水库调度方式决策、泄洪控制计划拟定、洪水淹没模拟分析、洪灾损失统计分析及洪水风险等级评估等全过程一体化模拟计算。本发明解决了洪水调度控制模拟的业务流程固化、计算方法固化、水利对象固化等问题，实现调度人员可根据计算需求自主搭建业务流程、计算模型和水利对象，提升洪水调度控制模拟计算的灵活性、通用性和扩展性。本发明解决了洪水调度控制模拟计算的人工频繁干预和数据手动处理问题，实现业务流和数据流的自动适配，提高模拟计算效率，降低误操作风险。

本发明将多个不同的模块组合成一套完整的计算流，从而解决模块分割问题，同时，计算流中不同节点是用户根据自己需求动态创建的，从而解决流程、方法和对象的固化问题；人工频繁干预和数据手动处理问题是通过将所有节点的输入信息进行归纳、集中，通过节点流向校验逻辑规则确定或用户输入并交互确认得以解决，因为输入信息归集和校验逻辑规则可自动实现流程节点之间的具有直接关联的数据衔接，从而减少人工操作。

附图说明

图1是本发明的敏捷组态体系架构示意图；

图2是调控计算组态式搭建流程示意图

图3是流域分区防洪体系拓扑结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，结合某一涵盖水库、河段、测站、堤防、蓄滞洪区、水闸、泵站、河道断面等水利对象的流域分区，采用本发明方法搭建超标准洪水多组合调控计算的具体实施方式如下：

(1)防洪体系数字化建模

建立水库(RV)、河段(RR)、测站(ST)、堤防(DK)、蓄滞洪区(SA)、水闸(SL)、泵站(PS)、河道断面(RS)等8种水利对象类型，并分别针对各种类型的具体水利对象进行数字化建模，包括编码、名称、类型等基础属性，最终形成该流域分区的防洪体系对象库，对应拓扑结构见图3。该对象库共有3座水库，依次为RV1-RV3；4个河段，依次为RR1-RR4；3个测站，依次为ST1-ST3；1段堤防DK1；1个蓄滞洪区SA1；2个水闸，依次为SL1、SL2；2个泵站，依次为PS1、PS2；16个河道断面，依次为RS1-RS16。

(2)模型参数规范化定义

针对步骤(1)确立的8类对象，分类定义其输入输出后形成参数库如下：

1)水库的入库流量、出库流量、坝上水位、坝下水位、水位库容曲线、泄流能力曲线、下游水位流量曲线、最高水位约束、最低水位约束、最大出库约束、最小出库约束、下游安全泄量、回水断面编码集合(含坝址断面，用于映射库区断面对象)等；

2)河段的上边界类型(ST或RV)、上边界编码(用于映射上边界对象)、下边界类型(ST或RV)、下边界编码(用于映射下边界对象)、区间汇入测站编码集合(用于映射区间汇入站对象)、河道断面编码集合(用于映射河道断面对象)等；

3)测站的雨量、水位、流量、关联断面编码(用于映射河道断面对象)等；

4)堤防的河段编码(用于映射河段对象)、溃口位置、溃口形状、溃决方式、溃口宽度、溃口深度、各断面堤顶高程等；

5)蓄滞洪区的河段编码(用于映射河段对象)、水闸编码集合(用于映射水闸对象)、泵站编码集合(用于映射泵站对象)、网格地形、分洪流量、分洪水量等；

6)水闸的泄流曲线、水位、开度、流量等；

7)泵站的排水能力、排水时间、扬程、排水量等；

8)河道断面的起点距-高程数组、与下断面间距、糙率、水位、流量等。

(3)模型算法组件化封装

将河道洪水一维演进、水库洪水调度、水库回水模拟、水库溃坝模拟、堤防溃决模拟、蓄滞洪区分洪计算、泄洪闸门分配计算、洪水二维淹没模拟、洪灾损失计算和洪水风险评估等10个计算模型统一以接口方式进行输入输出抽象化，按照“输入接口+算法+输出接口”的格式进行组件化封装，形成具有10个计算组件的组件库。

(4)模型组件节点化构建

针对步骤(3)的组件库，根据各组件的输入输出接口定义，逐一与步骤(2)中的参数库进行关联，按照“输入-计算-输出”的标准化结构进一步封装为流程节点，从而构成河道洪水一维演进(FR)、水库洪水调度(RD)、水库回水模拟(BW)、水库溃坝模拟(DB)、堤防溃决模拟(KB)、蓄滞洪区分洪计算(DF)、泄洪闸门分配计算(GC)、洪水二维淹没模拟(FS)、洪灾损失计算(DL)和洪水风险评估(RA)共10个节点对象，形成节点库。

(5)对象耦合校验逻辑制定

步骤(1)构建的对象库中，对象类型数m＝8，对象类型集合为：

OT＝{RV，RR，ST，DK，SA，SL，PS，RS} (5)

步骤(4)构建的节点库中，节点总数n＝10，节点集合为：

ND＝{FR，RD，BW，DB，KB，DF，GC，FS，DL，RA} (6)

将式(5)和式(6)代入式(1)，可构建规模为10×8的节点与对象类型耦合有效性集合如下：

针对式(7)中C(i，j)＝1的耦合项构建对应的节点ND_i与对象OT_j的接口参数适配关系集合A，其中A(i，j)主要确定两方面内容，一是对象库中参与节点计算的实例对象编码(如RV1、RV2、RR1等)，二是参数库中与节点计算相关的对象参数。

(6)节点流向校验逻辑制定

针对步骤(4)的10个流程节点，按式(3)和式(6)，可构建规模为10×10的节点流向有效性集合如下：

针对式(8)中V(i，j)＝1的节点流向ND_i-ND_j构建对应的节点参数关联集合L，其中L(i，j)主要确定ND_i的输出参数与的ND_j输入参数之间的关联方式。

步骤(5)和步骤(6)共同确定出所有节点、对象和流向的逻辑校验规则库。

(7)调控计算组态式搭建

以图3中的RV2、RV3水库洪水调度，RR2、RR3河段一维演进，以及RV3水库回水模拟为例，设定某组合计算场景案例为“RV2水库洪水调度+RR2河段洪水演进+RR3河段洪水演进+RV3水库洪水调度+RV3水库回水模拟”，则实现该案例的流程搭建详细步骤如下：

1)起始节点创建。启动流程，从节点库中选择水库洪水调度节点RD作为流程起点。

2)起始节点计算对象耦合。从式(7)中遍历出所有C(2，j)＝1(RD节点对应序号i＝2)的有效耦合对象类型，分别为水库RV和测站ST。结合场景案例，选择RV2水库耦合到起始节点中。若该水库还存在关联控制站，则从测站对象库中继续选择对应的测站对象耦合到起始节点中(本例中不考虑)。任一节点理论上均可耦合多个计算对象。

3)二级节点创建。从式(8)中遍历出所有V(2，j)＝1的节点流向，分别为河道洪水一维演进FR、水库回水模拟BW、水库溃坝模拟DB、堤防溃决模拟KB和蓄滞洪区分洪计算DF。结合场景案例，选择河道洪水一维演进FR作为二级节点。若存在其他计算需求，此处还可继续创建对应的并行二级节点。

4)二级节点计算对象耦合。按步骤2)遍历所有C(1，j)＝1(FR书点对应序号i＝1)的有效耦合对象类型。结合场景案例，选择RR2河段耦合到二级节点中。若该河段存在关联控制站，则继续从对象库中选择对应的测站对象耦合到该节点中(本例中不考虑)。

5)流程节点组态递增。结合场景案例，循环执行步骤3)和步骤4)，依次创建出三级节点河道洪水一维演进FR、四级节点水库洪水调度RD和五级节点水库回水模拟BW，并分别为各级节点耦合计算对象，其中三级节点的计算对象为RR3河段、四级节点和五级节点的计算对象均为RV3水库。

6)输入信息归集与交互确认。归集上述五级流程节点的输入信息，其中一级节点为RV2水库的入库流量、坝上水位、水位库容曲线、泄流能力曲线、最高水位约束、最低水位约束、最大出库约束、最小出库约束；二级节点为RR2河段的上边界流量、下边界水位，以及断面集合RS4-RS10的水位、起点距-高程数组、断面间距、糙率；三级节点为RR2河段的上边界流量、下边界水位，以及断面集合RS10-RS13的水位、起点距-高程数组、断面间距、糙率；四级节点为RV3水库的入库流量、坝上水位、水位库容曲线、泄流能力曲线、最高水位约束、最低水位约束、最大出库约束、最小出库约束；五级节点为RV3水库的入库流量、出库流量、坝上水位、下游水位流量曲线，以及回水断面集合RS13-RS10的水位、起点距-高程数组、断面间距、糙率等。

上述输入中，二级节点所需的上边界流量直接关联一级节点的出库流量输出；三级节点所需的上边界流量直接关联二级节点的下边界流量输出；四级节点所需的入库流量直接关联三级节点的下边界流量输出；五级节点所需的入库流量、出库流量、坝上水位直接关联四级节点的入库流量、出库流量和坝上水位输出，断面信息则直接关联三级节点的断面输入；其余参数则全部开放给用户输入并修改确认(实际应用中可将各类静态参数全部存储数据库，仅交互修改允许调整的控制边界和约束参数即可)。

7)一体化计算。输入信息确认后，启动执行任务，按五级节点的流程顺序一次性完成全部计算，计算过程中，所有流程节点的输入输出信息全部自动流转。

8)结果输出。计算完成后，输出所有流程节点的计算结果(主要包括RV2、RV3水库的入库流量、出库流量、坝上水位，断面RS4-RS13(内含测站ST2)的水位、流量,以及RV3水库的回水水面线等)，流程结束。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，其特征在于包括以下步骤：

a.从节点库中选择一个节点作为流程的起点节点；

b.为起始节点耦合计算对象，并根据规则库校验当前节点与对象耦合是否有效，若无效，则重新在对象库中选择对象类型，直至校验通过；

c.根据组合需求创建下级节点，并根据规则库校验上下级节点流向是否有效，若无效，则重新选择下级节点，直至校验通过；

d.为下级节点耦合计算对象，并根据规则库校验当前节点与对象耦合是否有效，若无效，则重新在对象库中选择对象类型，直至校验通过；

e.根据组合计算需求，重复步骤c和步骤d循环创建新的下级节点，并完成对应的节点流向和对象耦合校验，直至节点创建完毕。

2.根据权利要求1所述的超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，其特征在于还包括以下步骤：针对任意梳理流域分区内的所有防洪体系资料，按照不同计算对象进行分类，然后分别进行数字化建模，分类定义并量化当前流域分区内所有对象的基础属性、设计参数和特征指标，最终形成防洪体系对象库。

3.根据权利要求2所述的超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，其特征在于还包括以下步骤：针对洪水调控涉及的各类计算模型，构建所有模型的参数库；将洪水调控涉及的各类计算模型与具体水利对象充分解耦，形成支撑超标准洪水计算的组件库；将组件库和参数库全部封装形成面向应用人员的节点库。

4.根据权利要求3所述的超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，其特征在于还包括以下步骤：制定对象耦合校验逻辑和节点流向校验逻辑，形成所有节点、对象和流向的逻辑校验规则库。

5.根据权利要求1所述的超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，其特征在于还包括以下步骤：将上述所有节点的输入信息进行归纳、集中，通过节点流向校验逻辑规则确定或用户输入并交互确认；输入信息确认后，启动执行任务，逐节点依次完成计算并输出计算结果。

6.根据权利要求3所述的超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，其特征在于针对洪水调控涉及的各类计算模型，按对象库的分类方式分别梳理输入输出参数，并充分利用映射方式剔除重复参量，制定出统一、规范的数据结构标准，以此构建所有模型的参数库。

7.根据权利要求6所述的超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，其特征在于将洪水调控涉及的各类计算模型与具体水利对象充分解耦，统一采用参数库中的抽象定义作为输入输出接口，按组件化方式实现算法开发，以形成支撑超标准洪水计算的组件库。

8.根据权利要求7所述的超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，其特征在于针对组件库中的所有模型组件，根据其接口需求逐一与参数库进行关联，从而构成具有“输入-计算-输出”的标准化结构的流程节点，以将组件库和参数库全部封装为面向应用人员的节点库。

9.根据权利要求4所述的超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，其特征在于创建流程节点开展实例化计算时，必须与对象库中的某一类或几类水利对象进行耦合,判断节点与对象的耦合有效性；针对任一类水利对象，只有节点内封装的模型组件接口与该类对象的属性参数存在关联，节点对象耦合才有效，否则无效；

定义对象库的对象类型集合OT,对象类型总数m；节点库的节点集合ND，节点总数n；构建节点对象耦合有效性集合C，C(i，j)为0-1变量，表示节点ND_i与对象OT_j的耦合有效性，其中i∈(1,2…n),j∈(1,2…m),则：

针对集合C构建对应的节点对象适配集合A，其中A(i，j)表示节点ND_i与对象OT_j的接口参数适配关系,具体表达式根据不同节点和对象类型而各不相同，当且仅当C(i，j)＝2时有效，即：

10.根据权利要求4所述的超标准洪水多组合调控计算的敏捷组态方法，其特征在于节点库中的每个节点在开展组合计算流程搭建时，需要与其他节点进行连接；此时，必须判断节点流向的有效性，其中上级节点的输出参数中至少存在一项与下级节点的输入参数关联，节点流向才有效，否则无效；

构建节点流向有效性集合V，V(i，j)为0-1变量，表示节点流向ND_i-ND_j的有效性，其中i∈(1,2…n),j∈(1,2…n)。则：

针对集合V构建对应的节点参数关联集合L，其中L(i，j)表示节点流向ND_i-ND_j的参数关联逻辑，具体表达式根据不同节点类型分别定义，当且仅当V(i，j)＝1时有效，即：

以上式(1)-式(4)共同构成了所有节点、对象和流向的逻辑校验规则库。