當今，洪水仍然是自然界對人類的主要威脅之一。據(jù)統(tǒng)計，從1991~1995年間由洪水造成的平均年經濟損失為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，更高效地利用科學的方法進行防洪規(guī)劃設計與防洪預報調度一直是防汛部門探索的問題。Nelson認為從實時洪水預報系統(tǒng)過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[1]。美國在20世紀80年代初就在這一領域開展了系統(tǒng)研究，之后建立的科羅拉多河流域水庫群運行DSS的系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能監(jiān)控和記錄水電站運行、大壩前水庫水位、庫尾水庫水位、緊急報警等[2]。
    我國在20世紀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)的分析和設計[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)的設計和開發(fā)[5]等。這些研究在防汛指揮決策的模型庫建設方面取得了不少成果，對于各流域、地區(qū)的防汛指揮決策起到了一定的輔助決策作用。總體來說，對于防汛決策已有的研究主要是針對水庫多目標調度研究，而對于油田區(qū)域水泡子與低洼地較少，作用相對單一的排澇系統(tǒng)調度研究基本沒有，因此開展油田防汛決策支持系統(tǒng)研究，結合油田具體情況有效地對洪水進行優(yōu)化調度已成為防汛工作中的一項刻不容緩的任務，這也是本文所要研究和解決的重點問題。
1 系統(tǒng)設計
    油田防汛智能決策支持系統(tǒng)的設計依據(jù)為：《國家防汛指揮系統(tǒng)工程項目建議書》、《國家防汛指揮系統(tǒng)工程總體設計大綱》、《國家防汛指揮系統(tǒng)工程總體設計指導書》、《國家防汛指揮系統(tǒng)工程總體設計實施綱要》、《防洪工程數(shù)據(jù)庫整編手冊》、《防洪工程數(shù)據(jù)設計報告》。本系統(tǒng)的設計采用DSS決策支持理論，在開發(fā)過程中綜合應用計算機網絡、數(shù)據(jù)庫、實時通信、地理信息(GIS)技術、ActiveX控件技術以及Agent 理論等。結合該油田防汛的具體情況給出了分布式硬件組成和相應的體系結構設計方案。
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)則是防汛調度的執(zhí)行機構。根據(jù)油田區(qū)域防汛的具體情況，結合已有的工程措施來設計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個子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集與通信子系統(tǒng)(現(xiàn)場子系統(tǒng))、分調度子系統(tǒng)、主調度子系統(tǒng)和信息訪問子系統(tǒng)(客戶端子系統(tǒng))。硬件系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

    (1)數(shù)據(jù)采集與通信子系統(tǒng)位于整個系統(tǒng)的底層，由現(xiàn)場檢測測量儀器完成對雨量及水位的檢測，其中距離局域網較近(100 m以內的)采用光纖接入的TCP/IP的網絡技術，距離局域網較遠的(10 km以上的但手機通信較好)采用GSM模塊無線接入的短信息技術。數(shù)據(jù)傳輸采用自報加應急召測方式動態(tài)召測現(xiàn)場最新水位和雨量數(shù)據(jù)。
　 (2)分調度子系統(tǒng)屬于二級監(jiān)控子系統(tǒng)，按照匯水面積和排水干渠劃分為可獨立調度的Agent子系統(tǒng)。根據(jù)降水預測得到的徑流量預測出各水庫水泡子的水位變化，按本區(qū)域損失最小的原則計算排水量，將結果送入主調度服務器。其最終執(zhí)行機構利用現(xiàn)有的排澇站泵房和涵閘。
　 (3)主調度子系統(tǒng)位于整個系統(tǒng)的頂層，根據(jù)各分調度系統(tǒng)送來的數(shù)據(jù)并結合相關排水干渠上下游分調度系統(tǒng)的調度數(shù)據(jù)進行協(xié)調。按照全區(qū)損失最小的原則進行調度。
    (4)信息訪問子系統(tǒng)用于客戶端訪問調監(jiān)系統(tǒng)，以GIS技術平臺為支撐，實時直接將后臺調度數(shù)據(jù)顯示出來，為決策者提供支持，并對調度實施和人工干預進行控制。
1.2系統(tǒng)的體系結構
　參考多種防汛決策支持系統(tǒng)后,該系統(tǒng)采用模型庫、方法庫、方案庫和文檔庫四庫協(xié)同的結構設計方案。采用良好的人機交互可視化界面，系統(tǒng)體系結構如圖2 所示(對話邏輯表：實現(xiàn)結構化人機對話；可視化模型：修改參數(shù)算法調用計算)。

    一個合理有效的防汛決策和減災方案應體現(xiàn)出汛情和災情預報的可靠性，水利工程調度的合理性，防災減災決策的正確性；而其關鍵是根據(jù)各區(qū)域防汛具體要求選擇和開發(fā)一套適宜的預報、調度和仿真模型。本系統(tǒng)根據(jù)油田防汛工作的要求、油井分布特點，在對國內外流域防汛水文模型充分調研的基礎上選用了一些適用的數(shù)學模型，作為系統(tǒng)模型庫的組成[3]。
2 決策支持系統(tǒng)設計
    本系統(tǒng)采用比較通用的GIS開發(fā)平臺Mapinfo進行了地理信息系統(tǒng)的二次開發(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)場的水泡子水位信息以及地理信息數(shù)據(jù)庫中的相關信息進行計算，將當前現(xiàn)場的信息可視地顯示出來為決策者提供直觀的決策依據(jù)。現(xiàn)將本系統(tǒng)核心功能模塊的設計介紹如下。
2.1多Agent技術在水泡子群防洪優(yōu)化調度中的研究
    目前已有的多水泡子聯(lián)合調度模型已經基本成熟，但是在計算速度上還存在不盡人意的地方。基于此，通過分析多水泡子聯(lián)合調度計算的算法特點和Agent技術的優(yōu)點[5]，設計了基于移動Agent和協(xié)作Agent的兩級多水泡子聯(lián)合調度模型。首先將多水泡子聯(lián)合調度模型按控制區(qū)域分解為各水泡子獨立調度任務和區(qū)域協(xié)同調度任務,各水泡子獨立調度任務交由不同的移動Agent并遷移到局域網中不同的目標主機上去完成相應水泡子的調度計算，最后將計算的結果返回給相關的區(qū)域元主機，由各區(qū)域進行協(xié)商實現(xiàn)全局優(yōu)化調度。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)化調度模型，然后結合模型特點和Aglet、Zeus等Agent軟件包的特點提出了兩級Agent的調度方法并給出仿真結果。
    目標函數(shù)的建立：采用系統(tǒng)分析的方法，考慮到流域洪水預報預見期較短，洪水的長期預報還不夠準確，系統(tǒng)運行的目標是在確保防護區(qū)防洪安全的前提下，使水泡子調蓄一場洪水所需的庫容最小。這樣，不僅可以最大限度地減少庫區(qū)淹沒損失，而且盡可能地留出一定庫容，準備調蓄可能出現(xiàn)的更大洪水。因此，水泡子群的洪水調度的目標函數(shù)可表述為：
 
式中：Vt為各水泡子占用防洪庫容(m3),NAlert為對應水泡子受到威脅的油井數(shù)，(NAlert+1)表示防洪權重，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數(shù)為零時系數(shù)為0。W為目標函數(shù)，即在符合約束條件下分洪量和受威脅油井數(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
    在洪水調度中，采用馬司京根分段連續(xù)演算方程來描述各庫入流、出流之間的相互耦合關系。而排干渠總泄洪量不能超過主江道許可進水量，各排干渠之間的約束為:

    由水泡子群防洪優(yōu)化調度模型可以看出聯(lián)入三條干渠的不同水泡子之間相對獨立，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。每條干渠由多個水泡子聯(lián)入，水泡子之間需要統(tǒng)一指定排水計劃以便保證各水泡子受降水影響時能進行全區(qū)優(yōu)化調度使得損失最小。每個水泡子都有自己獨立的庫容-損失模型，其模型數(shù)據(jù)較大，而彼此間調度算法相對簡單,根據(jù)這個特點，結合移動Agent可在不同網絡節(jié)點之間移動程序的優(yōu)點來減少不同水泡子采集子站之間數(shù)據(jù)的交互,避免網絡負載過重。而不同的干渠之間則采用協(xié)作Agent來完成排水的協(xié)商。模型如圖4所示。

    使用具有移動能力的Aglet來進行各水泡子內的洪水推延,根據(jù)庫容模型計算出單個水泡子的安全排水量，之后移動到下一個水泡子調度分站點進行同樣的計算并累計排水量，這樣， 把計算移到數(shù)據(jù)上去，在數(shù)據(jù)量大而計算相對簡單的情況下減輕了網絡負擔，從而大大降低系統(tǒng)的通信開銷。而使用協(xié)作能力較強的Zeus Agent來進行各干渠排水約束的協(xié)商。這樣更有利于實現(xiàn)全局的優(yōu)化調度，并為系統(tǒng)提供了良好的擴展性。
    系統(tǒng)運行時首先由水泡子分調度Agent計算各水泡子的調水量然后在各分調度子站之間遷移，計算出所在宿主子站的調水量并累計出該分干渠所聯(lián)接的所有水泡子的總調水量，通知該干渠的協(xié)作Agent。各排干渠將自己的調水量與其他干渠相協(xié)商,按照全區(qū)損失最小的原則來改變自己的排水量。并用此排水量通知移動Agent，使其按干渠損失最小的原則來減少相應水泡子的排水量。如此反復地遷移與協(xié)商最終得出全區(qū)的優(yōu)化調度方案。
　 用該地區(qū)2004年7月8日的降雨量為例調度結果見表1所示。

    結果表明了應用多Agent技術實現(xiàn)水泡子群防洪優(yōu)化調度的實用性和有效性。所提出的基于多Agent技術的防汛決策調度方案，可以實現(xiàn)分布式智能處理，降低復雜任務的協(xié)作難度，提高決策調度的能力。
2.2 降雨量的時延分式線性神經網絡預測模型
    某地區(qū)是一個時常受到旱澇災害的地區(qū)。根據(jù)該地區(qū)部分年份降雨量變化情況表數(shù)據(jù)進行以下分析。

    本系統(tǒng)實現(xiàn)了油田水情、雨情、工情實時監(jiān)控，系統(tǒng)投入運行兩年多來，獲得了很大的經濟效益和社會效益，并通過了黑龍江省水利廳組織的成果鑒定，被認為“達到了當前國際防洪指揮決策支持系統(tǒng)方面的先進水平”。但是，由于所收集到的當?shù)厮谋O(jiān)測資料還不太多，所建立的數(shù)學模型尚需要在實際應用中不斷充實修正。因此，在今后的研究工作中要做好如下幾點工作： (1)跟蹤防洪防汛技術發(fā)展，使系統(tǒng)及時得到升級；(2)做好水文數(shù)據(jù)的收集錄入整理，使已經建立的系統(tǒng)模型更好地與實際密切結合；(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)方面的應用。
參考文獻
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