水利工程論文-南水北調(diào)中線工程水利控制實(shí)時(shí)數(shù)字三維視景仿真.doc

水利工程論文-南水北調(diào)中線工程水利控制實(shí)時(shí)數(shù)字三維視景仿真摘要：描述了開展南水北調(diào)中線工程水力控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)字三維視景仿真的意義和目的，提出了調(diào)水工程水力控制仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其內(nèi)涵，介紹了研究采用的計(jì)算機(jī)數(shù)字三維仿真平臺(tái)，以及仿真系統(tǒng)的功能。關(guān)鍵詞：南水北調(diào)水力控制實(shí)時(shí)數(shù)字三維仿真1意義和目的南水北調(diào)中線工程規(guī)模宏大，調(diào)水量流量大，輸水距離長(zhǎng)達(dá)1200多km。全系統(tǒng)的明渠、隧洞和倒虹吸斷面尺寸是按照穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況設(shè)計(jì)的，是否能夠滿足動(dòng)態(tài)運(yùn)行調(diào)節(jié)水力控制的要求是必須弄清楚的重大關(guān)鍵技術(shù)問題。另一方面，合理的選擇總干渠的運(yùn)行控制模式，調(diào)蓄水庫(kù)、閘門、分水閘及北京段泵站變速泵的協(xié)聯(lián)調(diào)節(jié)規(guī)律及其性能指標(biāo)，對(duì)于全系統(tǒng)的明渠、隧洞、倒虹吸斷面尺寸以及全系統(tǒng)水力監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很大影響。上述問題不僅影響工程的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)和投資,而且關(guān)系到工程建成后能否保證水量分配到位，因此研究解決這些問題具有重大的實(shí)際工程意義。調(diào)水工程的水力控制是一門新的邊緣性科學(xué)，主要研究在調(diào)水工程中的水力控制問題。該學(xué)科涉及到明渠和管道水力瞬變理論，冬季冰期輸水理論，水力機(jī)械理論，自動(dòng)控制理論，變速電機(jī)調(diào)節(jié)理論，大系統(tǒng)的運(yùn)行最優(yōu)化理論，水力檢測(cè)信號(hào)處理理論，以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)字三維視景仿真等高新科技。修建調(diào)水工程的實(shí)質(zhì)是通過對(duì)水力的控制改變水流的自然流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的重新分配。修建水庫(kù)、渠道、管涵、泵站，建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的目的，都是為了更好地實(shí)施對(duì)水流的水力控制，所以建設(shè)、管理調(diào)水工程的工作主線是水力控制。對(duì)工程的水力控制，可以采用水工結(jié)構(gòu)措施，如增高水庫(kù)大壩，加大水庫(kù)、渠道尺寸；采用不同的輸水方式，如采用水泵加壓輸水；也可以采用先進(jìn)的運(yùn)行自動(dòng)控制措施。問題是采用不同的措施，工程的投資、運(yùn)行效益、可靠性差別很大。調(diào)水工程的水力控制主要研究?jī)深惷}：正命題，在已知水工、機(jī)電、自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)配置的條件下，研究水力控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性及其最優(yōu)控制策略和方法；反命題，在已知調(diào)水工程水力控制要求的條件下，研究水工、機(jī)電、自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的最優(yōu)配置。調(diào)水工程的設(shè)計(jì)思路有兩種。一是根據(jù)規(guī)范，按照常規(guī)的設(shè)計(jì)思路：先水工，然后機(jī)電，最后自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的常規(guī)程序?，F(xiàn)有的一些調(diào)水工程實(shí)踐已經(jīng)證明，按照這一方法經(jīng)常發(fā)生水工、機(jī)電、自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)不配套的問題，最后不得不對(duì)原工程設(shè)計(jì)，甚至已建工程進(jìn)行改造。另一是將設(shè)計(jì)過程轉(zhuǎn)換為水力控制研究的反命題，即根據(jù)目前或者近期可以達(dá)到的理想調(diào)水工程水力控制系統(tǒng)要求，有目的地對(duì)調(diào)水工程的水工設(shè)施、機(jī)電設(shè)備、自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)配置，以達(dá)到預(yù)期目的。應(yīng)用水力控制理論規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)水工程的關(guān)鍵：首先是科研必須貫穿全過程，包括前期的總體規(guī)劃，中期的技術(shù)設(shè)計(jì)，以及后期的實(shí)時(shí)運(yùn)行調(diào)度研究；其次是建立工程的整體水力控制模型，全面的、系統(tǒng)的建立水壩、水庫(kù)、泵站機(jī)組、渠道、管涵、調(diào)壓設(shè)施、自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的有機(jī)聯(lián)系，進(jìn)行多方案的綜合效益比較，以達(dá)到安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的綜合目的。由于水工、機(jī)電、自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是按照水力控制最優(yōu)運(yùn)行的要求配置的，所以工程投資效益可以得到最大程度的發(fā)揮。從目前國(guó)內(nèi)情況看，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)距離輸水工程設(shè)計(jì)思想正處于一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。以前只重視輸水工程的建設(shè)，而對(duì)工程完成后的運(yùn)行調(diào)節(jié)考慮不足，致使工程投入運(yùn)行后存在控制困難，功能嚴(yán)重欠缺的現(xiàn)象。此外，在以前的輸水工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，由于缺乏對(duì)全系統(tǒng)水力控制的研究，對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)位置、數(shù)量及儀表儀器性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)常常是科學(xué)依據(jù)不足，不能有效的發(fā)揮安裝設(shè)備的作用。目前這一現(xiàn)象已經(jīng)引起人們的注意，如在萬(wàn)家寨引黃入晉輸水工程設(shè)計(jì)中，為了避免工程建成后系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，采取了在設(shè)計(jì)階段就對(duì)全系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，研究對(duì)系統(tǒng)的水力控制，達(dá)到驗(yàn)證和指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行的目的。調(diào)水工程運(yùn)行的水力控制計(jì)算機(jī)仿真可分為兩個(gè)階段：工程設(shè)計(jì)階段的離線計(jì)算機(jī)仿真和建成后的在線計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真。前者主要為設(shè)計(jì)服務(wù)，后者主要為實(shí)時(shí)水力控制及運(yùn)行管理人員的培訓(xùn)服務(wù)。一般說來，后者軟件比前者復(fù)雜得多，需要考慮的因素更多、更細(xì)致，它可以完成前者的任務(wù)。我國(guó)在引黃入晉的設(shè)計(jì)階段首次開展了為工程設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)備和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的國(guó)際招標(biāo)服務(wù)的水力控制計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)研究，但尚未開展系統(tǒng)建成后的在線計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的研究。目前國(guó)外對(duì)于調(diào)水工程的運(yùn)行在線計(jì)算機(jī)仿真非常關(guān)注，正在開發(fā)與控制管理系統(tǒng)配套的水力控制在線計(jì)算機(jī)仿真軟件，但價(jià)格昂貴，以丹麥為我國(guó)開發(fā)的引黃入晉輸水工程運(yùn)行仿真軟件為例，價(jià)格高達(dá)數(shù)百萬(wàn)美元。但我國(guó)目前在這方面還是空白。由于我國(guó)在21世紀(jì)將修建大量的調(diào)水工程,如果我國(guó)不從現(xiàn)在開始獨(dú)立自主的開展攻關(guān)研究,繼續(xù)購(gòu)買的代價(jià)將十分昂貴，并且會(huì)大大阻礙我國(guó)調(diào)水工程水力控制學(xué)科的發(fā)展。綜上所述，開發(fā)南水北調(diào)中線工程水力控制的計(jì)算機(jī)數(shù)字三維實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，不僅具有重要的科學(xué)意義，而且具有巨大的政治經(jīng)濟(jì)意義。目前隨著國(guó)外先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)字三維設(shè)備和軟件建模工具在我國(guó)的應(yīng)用，我們已經(jīng)基本具備了自主的開展這方面研究的能力。2水力控制數(shù)字三維實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及內(nèi)涵南水北調(diào)中線工程水力控制計(jì)算機(jī)數(shù)字三維實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由瀏覽界面、基于ARC/INFO地理信息系統(tǒng)（GIS）的數(shù)據(jù)庫(kù)、全系統(tǒng)水力控制動(dòng)態(tài)過程仿真模塊、優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)模塊、系統(tǒng)模型特性辨識(shí)模塊、運(yùn)行故障診斷系統(tǒng)模塊、數(shù)字三維視景仿真模塊等組成，其中全系統(tǒng)水力控制動(dòng)態(tài)過程仿真模塊是核心。瀏覽界面：不同分辨率尺度下的可視化的瀏覽界面，是與用戶交流的接口，包括各種操作幫助、說明的圖表、文件和信息。通過瀏覽界面、鍵盤、打印機(jī)、培訓(xùn)終端、語(yǔ)音報(bào)警裝置和大屏幕投影等設(shè)備進(jìn)行人機(jī)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)設(shè)定、程序修改、技術(shù)開發(fā)及技術(shù)培訓(xùn)?；贏RC/INFO地理信息系統(tǒng)（GIS）的數(shù)據(jù)庫(kù)：建立一個(gè)基于ARC/INFO9.0地理信息技術(shù)（GIS），面向工程管理和決策層的可視化動(dòng)態(tài)信息管理系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)管理與空間地理信息融為一體。多層次、多方位直觀地顯示相關(guān)數(shù)據(jù)、圖形和多媒體等信息，提供各種管理工作元素在空間的分布狀況和實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，分析其內(nèi)在聯(lián)系，提高各業(yè)務(wù)部門的快速響應(yīng)能力和協(xié)同處理能力，提高管理的科學(xué)化、規(guī)范化水平。數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)包括：空間數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)庫(kù)。空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)工程中水庫(kù)、泵站、總干渠等空間數(shù)據(jù)及其屬性；運(yùn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)各檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，如流量、水位、降雨量、機(jī)組轉(zhuǎn)速、閘門開度等；應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)各應(yīng)用軟件的專用原始數(shù)據(jù)，以及從空間數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)得到的數(shù)據(jù)。全系統(tǒng)水力控制動(dòng)態(tài)過程仿真模塊包括：渠道或無(wú)壓隧洞或涵管的非恒定流計(jì)算模塊；管道水擊計(jì)算模塊；北京段變速泵的自動(dòng)控制的動(dòng)態(tài)仿真模塊；管道閥門調(diào)節(jié)模塊；明渠閘門調(diào)節(jié)模塊等。全系統(tǒng)水力控制動(dòng)態(tài)過程仿真將全面、系統(tǒng)地考慮南水北調(diào)中線工程仿真對(duì)象的分布性及事件發(fā)生的并發(fā)性，既有連續(xù)水力控制問題的動(dòng)態(tài)仿真，又有各仿真對(duì)象出現(xiàn)故障時(shí)的離散事件仿真。同時(shí)，考慮實(shí)用性，還要求仿真系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性。通過仿真模擬進(jìn)行明渠調(diào)節(jié)閘門的優(yōu)化配置及控制規(guī)律的最優(yōu)化研究。優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)模塊：以工程為系統(tǒng)建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，目標(biāo)是降低輸水能耗，減少棄水和閘門起閉機(jī)頻繁操作，延長(zhǎng)相關(guān)水利設(shè)施、設(shè)備使用壽命，提高水資源利用率，減少系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本，提高水利工程管理效率，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法確定明渠各調(diào)節(jié)閘門開度、泵站機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)和變速機(jī)組的轉(zhuǎn)速等。系統(tǒng)模型特性辨識(shí)模塊：系統(tǒng)模型特性數(shù)據(jù)，如管道、明渠水頭損失系數(shù)、閘閥特性、機(jī)組效率等，是水力控制動(dòng)態(tài)仿真、優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行決策的基礎(chǔ)。根據(jù)水力檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的水位、水壓、流量等參數(shù)，采用最小二乘法對(duì)系統(tǒng)模型特性數(shù)據(jù)進(jìn)行在線和離線辨識(shí)。運(yùn)行故障診斷模塊：開發(fā)智能專家系統(tǒng)和實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的辨識(shí)和濾波軟件，利用全系統(tǒng)水力控制動(dòng)態(tài)過程仿真結(jié)果和檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)（如水壓/水位、流量、閘