一种基于防洪形势研判的水库群人机交互防洪调度方案自动生成方法

本发明属于水库防洪调度，涉及到一种基于多场景防洪形势研判的水库群人机交互防洪调度计算模型。

背景技术：

1、防洪在流域规划中一直占据着重要地位。尽管随着时间的推移，各大流域已建立了多个控制性水库用于拦蓄和调节洪水，从而显著改善了防洪形势，但由于我国自然地理特点及降雨在时空分布上的不均衡，流域防洪仍然面临较大的风险。水库的防洪调度在确保工程自身安全的前提下，需根据设计的防洪库容、水库蓄水情况、降雨量以及河道水位等因素，及时拦蓄洪水并削减洪峰，以减小洪灾风险，保护沿岸地区的防洪安全。目前，水库防洪调度模型主要分为水文模型、数值模拟模型、水动力模型以及调度模型。其中，调度模型进一步细分为常规防洪调度、优化防洪调度和人机交互防洪调度。人机交互防洪调度是指在水库防洪调度过程中，通过人类与计算机或其他智能系统之间的信息交换、数据处理和决策制定，充分利用计算机模型的优势，辅助相关人员进行水库防洪调度决策，从而提高实时响应能力和决策效率。在当今大力推进数字孪生流域建设背景下，人机交互防洪调度模型建设是支撑水利专业模型平台研发、水利工程调度等模型集成应用的核心模拟模型之一，是加快构建数字孪生水利体系，为水利治理管理提供前瞻性、科学性、精准性、安全性支撑关键性技术。

2、通常来讲，目前水库在建立调度模型时主要建立规则调度和优化调度模型（liu g,qin h ,shen q , et al.multi-objective optimal scheduling model of dynamiccontrol of flood limit water level for cascade reservoirs[j].water,2019,11(9):1836-1836.），规则调度只利用水库规则进行调度，而多目标优化调度目前常用最大削峰准则、最短洪灾历时准则、分洪量最小准则等进行调度（王国利,梁国华,彭勇等.基于pso算法的水库防洪优化调度模型及应用[j].水电能源科学,2009,27(01):74-76+68.），一般具有全局优化能力以及自动化程度高的优点（ahmed a j ,sarma k a .geneticalgorithm for optimal operating policy of a multipurpose reservoir[j].waterresources management,2005,19(2):145-161.），何绍坤等（何绍坤，陈柯兵，李娜等.一种耦合集合预报的梯级水库多目标优化调度方法及系统.zl202410665442.1.2024.08.13）发明了一种耦合集合预报的梯级水库多目标优化调度方法及系统，采用多目标智能优化方法寻优求解，得最终梯级水库短期优化调度方案，但是其缺乏一定灵活性，优化算法通常在事先确定的目标函数和约束条件下进行计算，可能无法及时应对突发情况或局部变化。而且对模型精度要求高，决策结果不易解释，优化算法得到的最优解可能过于复杂，决策结果不易为非专业人士理解。此外，现在的水库调度系统还存在复杂度高的问题。马美红等（马美红，郝慧清，董建康等. 一种水库防洪调度方法和系统. zl202410708416.2. 2024.08.23）发明了一种水库防洪调度方法和系统，将水文事件规律、实时气象预报结果、实时降雨情况以及汇入目标水库的流量信息集成到水库调度模型中来制定调度策略，但是其建立时过于强调全面性，忽略了简化和易用性，如系统管理、水文预报、水库调度等功能均集成在一个系统中通常需要集成多种模型和算法，涉及到多个领域的知识，系统复杂度较高，维护和管理成本也较高。相比之下，人机交互调度系统简单易懂，操作方便，能充分发挥人的主观能动性，允许决策者根据自身经验和判断对系统提供的调度方案进行审查、修改和优化，且实时响应能力强，可以根据实时数据和情报快速调整调度方案，及时应对突发情况，具备相当灵活性和适应性（季朝阳，赵玉峰，王振杰.龙头桥水库交互式洪水调度子系统的设计方案[j].水利科技与经济,2006,(12):842-843.）。最后决策结果可解释性强，人机交互调度的决策过程可以被记录和追溯，决策结果更容易被解释和理解，有助于提高决策的透明度和可信度。

3、然而，目前的人机交互调度系统存在一些不可避免的问题。水库调度过程中，存在诸多不确定性因素，如水文状况、水力条件及水库实时水情等。现有的人机交互系统普遍仅依据当前水库工况（如入库流量、水库水位变化）进行决策调度，而忽视了对水库所在流域整体防洪形势的全面考虑。尤其在需要水库群联合调度的情况下，这一缺点会被放大。此外，现有系统缺乏参照调度方案，决策者无法依据合理的方案进行人机调度，导致防洪调度系统存在不同程度的防洪风险。人机交互调度系统往往需要决策者花费大量时间和精力对调度方案进行审查和修改，从而增加了人工干预的成本。因此，人机交互调度应结合水库当前水情及流域防洪形势预判的综合条件，以降低调度风险。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于防洪形势研判的水库群人机交互防洪调度方案自动生成方法，涉及的人机交互指令调度模型是数字孪生流域建设的核心模拟模型，是系统实现智慧防洪调度功能的关键技术之一。该方法创新在于进行流域防洪形势分析下识别薄弱断面潜在险情，实现水库群调度对象识别和指令调度对象识别和最终方案生成，且允许决策者修改，能充分发挥人的主观能动性。该方法结合了流域重点控制断面防洪形势预判和水库规程调度条件后具备相当的灵活性和适应性，及时应对突发情况，且交互方式简便。相比规则方案和多目标优化方案，指令调度方案更符合水库实际调度出流，更容易被解释和接受；相比普通指令调度模型技术，该方法实现模型试算自动识别和分析功能并最终生成指令方案，且允许决策者根据自身经验对方案进行修改和优化。最后以山东省大汶河流域莱芜以上和莱芜至北望断面水库群调度应用为例，验证了本发明的合理性、有效性。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于防洪形势研判的水库群人机交互防洪调度方案自动生成方法，所述的水库群人机交互防洪调度方案自动生成方法首先，进行流域防洪形势分析，基于规程调度方案判断重点防洪控制断面可能会发生的险情；其次，结合防洪形势分析，根据水库和防洪控制断面实时水情变化、降雨中心位置情况，识别出主要调度水库群；再次，根据识别的主要调度水库群，详细分析各个水库防洪库容、剩余防洪库容等调度指标识别指令调度水库；最后，实现水工程（群）的控泄指令或预泄指令，生成相应的调度方案。计算框架图如附图1所示。具体包括以下步骤：

4、步骤1：分析流域防洪形势；

5、基于已有的预报降雨和实测降雨资料，输入已有的水文模型得到水库预报洪水过程和区间洪水预报过程，将预报洪水过程输入水库群规则调度模型进行全流域进行洪水预报调度，其中水文模型采用新安江水文模型，水工程调度模型采取规则调度模型。

6、根据重要控制断面的预报调度值判断各个防洪控制断面是否超警戒流量。超警戒的防洪控制断面被认为是可能会发生险情的断面，需要在保证流域内水库自身防洪安全的前提下水库群启动防洪调度为超警断面错峰和削峰。

7、根据规则调度模型调度后各个防洪控制断面流量结果与防洪控制断面警戒流量对比分析，断面最大流量小于等于警戒流量认为是无险情断面，如公式（1）所示：

8、（1）；

9、式中，为j防洪控制断面流量，m3；为j防洪控制断面警戒流量，m3。

10、需要指出的是，这里规则调度模型采取的均为各个水库汛期调度计划的调度方式，并和指令调度方法同时建立在模型当中。

11、步骤2：识别主要调度水库群；

12、基于步骤1的流域防洪形势结果分析，即根据各个防洪控制断面流量是否超警戒流量判断是否存在险情：

13、若防洪控制断面不超警戒流量，即不存在险情，则水库群按原规则调度方案调度即可；

14、若存在防洪控制断面出现超警戒情况，即存在险情，需识别主要调度水库群进行水库群联合调度为超警防洪控制断面进行错峰。在识别主要调度水库群之前需要将该超警防洪控制断面上游流域水库群以干流防洪控制断面为节点进行水库群划分，以此得到各个水库群，然后再进行识别。识别主要调度水库群的指标主要为：

15、a. 超警防洪控制断面上游流域的干流防洪控制断面洪峰流量与超警戒防洪控制断面洪峰流量的比值θ，如公式（2）所示。θ可以体现上游流域各个水库群对下游超警防洪控制断面影响程度，θ较大时说明该干流控制断面洪水对超警戒控制断面影响较大，则该断面上游水库群为超警戒控制断面错峰调度的潜力较大。

16、（2）；

17、式中：为超警防洪控制断面上游的第k个干流防洪控制断面洪峰流量，m3；为超警防洪控制断面的洪峰流量，m3。

18、b. 已知的天气系统预报降雨中心位置：已知的天气系统预报降雨中心位置可以判断洪水发生主要区域，处于降雨中心的区域洪水大，该区域水库群调度潜力大。

19、通过上述指标共同判断识别主要调度水库群。指标a中θ大于0.5时将相应的上游流域水库群作为候选水库群；指标b中降雨中心位置所处的水库群为候选水库群。第一次识别时指标a的优先级大于指标b，若两者识别的水库群不同则以指标（1）识别的为主；后续多次识别时两个指标优先级相同。

20、步骤3：基于主要调度水库群，识别指令调度水库；

21、识别指令调度对象依据步骤2中识别的主要调度水库群中各个水库自身的防洪库容大小、面临时刻剩余防洪库容大小、下泄流量在下游防洪控制断面洪水中水库泄流洪量占比φ，基于以上三个指标来综合判断确定指令调度水库和非指令调度水库。

22、a. 水库自身防洪库容：主要调度水库群中由于各个水库的防洪库容大小不同导致容纳洪水能力存在差异，则针对下游防洪控制断面削峰潜力不同。防洪库容相对较大的水库拦洪、错峰的潜力较大；反之较小。

23、b. 面临时刻剩余防洪库容：面临时刻剩余防洪库容大小能体现水库当前时刻防御洪水的能力，如公式（3）所示。当面临时刻剩余防洪库容相对较多时，认为防洪作用较强，对当前下游防洪控制断面洪水削减能力大；反之较小。

24、（3）；

25、式中：为水库防洪库容，m3，为水库第t0时段的水位库容关系曲线函数。

26、c. 水库泄流量在下游防洪控制断面洪水中洪量占比φ：水库泄流量在下游防洪控制断面洪水中洪量占比能体现水库本场洪水能为下游断面削减洪量的潜力，如公式（4）所示。下泄洪量占比越大，认为削减洪量能力较大；反之较小。

27、（4）；

28、式中：为本场洪水水库i下泄洪量，m3，为本场洪水断面j洪量大小，m3。

29、通过上述指标共同判断识别主要调度水库群中的指令调度水库。各个指标优先级相同，指标c中φ大于0.1的水库作为候选水库；指标a和指标b中前30%的水库作为候选水库。各指标候选水库中取交集即可识别指令调度水库。

30、步骤4：基于指令调度水库，生成指令调度方案；

31、采取指令调度模型对步骤3识别到的指令调度水库实施指令调度。本方法涉及的指令调度模型依据水量平衡原理构建，是数字孪生流域建设的核心模拟模型，主要功能包括指令泄量调度、指令水库闸门开孔和开度调度、指令水位调度。所述指令泄量调度是在一定时段内对指令调度水库按调度开始前给定的固定泄流量进行下泄；所述指令水库闸门开孔和开度调度是在一定时段内对指令调度水库按调度开始前给定的闸门开孔数量和开度求解闸门开度泄流曲线函数进行下泄；所述指令水位调度是在一定时段内对指令调度水库按调度开始前给定的固定水位使用水量平衡方程反算求解各时段下泄流量进行下泄。本方法对步骤3所识别的指令调度水库采取的调度方式为指令泄量调度。

32、实施指令泄量调度采取控泄指令和预泄指令两种调度方法。所述控泄指令是指在考虑入库流量以及下游防洪控制断面警戒流量的影响下，在入库洪水调洪段、退水段按照固定下泄流量进行调度计算；所述预泄指令是指在洪水到来之前腾出库容以蓄纳即将发生的洪水，取得增加一部分防洪库容的作用，同样考虑入库流量以及下游防洪控制断面警戒流量的影响下，在入库洪水涨水段、调洪段、退水段按照固定下泄流量进行调度计算。两者均能够实现为水库削峰和为下游错峰的作用，保证水库和下游防洪控制断面的安全。

33、指令调度模型的求解就是以各约束条件，直接求解水量平衡方程。

34、进一步的，所述的指令调度模型的约束条件如下：

35、（1）水位约束：

36、（6）；

37、式中：表示水库i在时段t的水位，m；为水库i在运行时允许的水位上限、下限，m。

38、（2）水库各时段水量平衡约束：

39、（7）；

40、式中：为水库i在第t+1、t时段水库蓄水量，m3；为水库i第t时段入库流量，m3/s；为水库i第t时段出流流量，m3/s；为计算时段步长。

41、（3）水位-库容关系和水库泄流能力约束：

42、（8）；

43、（9）；

44、式中：为t时段水库库容大小，万m3；为水库第t时段的水位库容关系曲线函数；为水库i第t时段泄流能力，m3/s。

45、（4）水库泄流安全泄量约束：

46、（10）；

47、式中：为水库i安全下泄流量，m3/s。

48、（5）下游防洪安全约束：

49、（11）

50、式中：为区间流量，m3/s；为下游防洪控制断面允许最大流量，m3/s。

51、（6）泄流量变幅约束：

52、（12）；

53、式中，为水库i最大出流变幅，m3/s。

54、（7）非负约束：

55、水库在指令调度当中水位、库容、泄流量等变量均不为负。依据步骤3识别的指令调度水库，通过步骤4的指令调度模型对指令调度水库建立控泄指令方案和预泄指令方案。实施控泄指令方案时对指令调度水库进行控泄量和控泄时长试算；实施预泄指令方案时对指令调度水库进行预泄量、预泄时长、控泄量、控泄时长试算。控泄指令调度和预泄指令调度完成上述试算后即可生成控泄指令方案和预泄指令方案；若控泄指令调度方案结果和预泄指令调度方案不超警戒，则保存相应指令方案；若实行指令调度后仍超警戒，则返回步骤2重新识别调度水库群。若决策者对方案不满意可以手动对水库出流进行修改重新生成方案。

56、与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：

57、（1）本发明提供一种基于防洪形势研判的水库群人机交互防洪调度方案自动生成方法，涉及的人机交互指令调度模型是数字孪生系统的核心模拟模型，是系统实现智慧防洪调度功能的关键技术之一，广泛适用于各类流域洪水情景。通过建立指令调度与流域防洪形势预判之间的联系生成指令水库的指令方案，本方法在实际调度过程中展现出比传统预报调度更高效、更实用的优势，且方法更加直观易懂，便于决策者理解和操作。

58、（2）而相比普通指令调度方案，本发明采用此人机交互调度方法结合流域防洪形势考虑更加全面，能够及时识别流域的防洪薄弱点或潜在险情，通过模型试算生成指令调度水库的指令方案，为决策者提供了有力的决策支持，并且允许决策者根据自身经验对调度方案进行修改和优化，在实际调度中更有利于防洪抢险工作的顺利开展。