杜 文，張夢(mèng)初，段丹丹

(1.黃河水利委員會(huì) 信息中心，河南 鄭州 450003； 2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064)

0 引 言

國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出推進(jìn)構(gòu)建智慧水利體系，以流域?yàn)閱卧?，提升水情測(cè)報(bào)和智能調(diào)度能力。國(guó)家“十四五”新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃要求推動(dòng)大江大河大湖數(shù)字孿生、智慧化模擬和智能業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)。當(dāng)前，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)快速發(fā)展，水利發(fā)展向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)變的技術(shù)條件已經(jīng)基本具備。水利部提出了推進(jìn)智慧水利建設(shè)，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為途徑，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有“四預(yù)”(預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案)功能的智慧水利體系[1]。

當(dāng)前，促進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已上升為國(guó)家戰(zhàn)略，提出讓黃河成為造福人民的幸福河的總體目標(biāo)[2]。國(guó)務(wù)院印發(fā)的《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》明確提出強(qiáng)化對(duì)水文、氣象、地災(zāi)、雨情、凌情、旱情等狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和科學(xué)分析，搭建綜合數(shù)字化平臺(tái)，建設(shè)智慧黃河，加強(qiáng)防洪減災(zāi)、排水防澇等公共設(shè)施建設(shè)，增強(qiáng)其抵御自然災(zāi)害能力的工作要求。

受連續(xù)強(qiáng)降雨影響，2021年9月下旬至10月上旬，黃河接連出現(xiàn)3次編號(hào)洪水，秋汛期間降雨過(guò)程長(zhǎng)，雨量大，水庫(kù)河道水位高[3]，支流渭河、汾河、伊洛河、沁河均發(fā)生有實(shí)測(cè)資料以來(lái)同期最大洪水。秋汛期間，黃河水利委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱“黃委”)已通過(guò)水旱災(zāi)害信息化系統(tǒng)，有效支撐了各級(jí)水旱災(zāi)害防御單位防汛業(yè)務(wù)工作，但同時(shí)也暴露出了“四預(yù)”支撐能力不足的問(wèn)題。針對(duì)2021年黃河秋汛工作中暴露出的工作短板，黃委明確提出了建設(shè)黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)的工作目標(biāo)，在已有“黃河一張圖”基礎(chǔ)上，搭建數(shù)字孿生黃河數(shù)據(jù)底板，進(jìn)一步提升“四預(yù)”能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)黃河流域降雨、洪水預(yù)報(bào)、水庫(kù)調(diào)度、洪水演進(jìn)、洪水淹沒(méi)等水旱災(zāi)害防御工作的實(shí)時(shí)預(yù)警、預(yù)報(bào)分析、調(diào)度決策、精準(zhǔn)化預(yù)案和數(shù)字化仿真模擬。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

按照水利部數(shù)字孿生流域和“四預(yù)”工作要求，以黃委防汛會(huì)商工作為業(yè)務(wù)支撐目標(biāo)，構(gòu)建黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)。黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)是數(shù)字孿生黃河智慧應(yīng)用的重要組成部分，系統(tǒng)框架由基礎(chǔ)設(shè)施、云平臺(tái)、數(shù)字孿生平臺(tái)、智慧應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與保障體系組成。

通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各類監(jiān)測(cè)信息的感知采集，主要包括黃委采集感知網(wǎng)和黃委水利信息網(wǎng)。采集感知網(wǎng)是在黃委已有水利監(jiān)測(cè)體系基礎(chǔ)上，充分利用智能感知技術(shù)和通信技術(shù)，從航天、航空、地面、地下、水下等空間維度，對(duì)點(diǎn)、線、面等尺度范圍涉水對(duì)象屬性及其環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和智能分析，是系統(tǒng)獲取全面、真實(shí)、客觀與動(dòng)態(tài)水利數(shù)據(jù)的渠道。水利信息網(wǎng)包括黃委工控網(wǎng)、水利業(yè)務(wù)網(wǎng)、電子政務(wù)內(nèi)網(wǎng)(非涉密域)等網(wǎng)絡(luò)資源設(shè)施，可支撐保障系統(tǒng)各類基礎(chǔ)、空間、監(jiān)測(cè)、監(jiān)視和業(yè)務(wù)等信息網(wǎng)絡(luò)傳輸和通信?；邳S河水利委員會(huì)現(xiàn)有的私有云和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體系，為系統(tǒng)運(yùn)行提供可靠的算力支撐。數(shù)字孿生平臺(tái)是系統(tǒng)運(yùn)行的服務(wù)支撐，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬仿真等技術(shù)，以時(shí)空數(shù)據(jù)為底座、水利模型為核心、水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，對(duì)物理流域全要素和水利治理管理活動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化映射與智慧化模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)黃委水旱災(zāi)害防御會(huì)商工作中，各類相關(guān)水利對(duì)象和業(yè)務(wù)工作環(huán)節(jié)的同步仿真、虛實(shí)交互，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化決策目標(biāo)提供算法、數(shù)據(jù)和功能服務(wù)，包含數(shù)據(jù)底板、通用支撐、模型平臺(tái)和知識(shí)平臺(tái)等建設(shè)內(nèi)容。流域智慧應(yīng)用包括流域防洪、水資源管理與調(diào)配、N項(xiàng)治黃業(yè)務(wù)智慧應(yīng)用。黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)是流域防洪領(lǐng)域先試先行的數(shù)字孿生應(yīng)用?；谛畔⒒A(chǔ)設(shè)施和數(shù)字孿生平臺(tái)提供的算據(jù)、算法與算力資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演和預(yù)案能力。網(wǎng)絡(luò)安全體系依托黃委現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全軟硬件資源，為系統(tǒng)建設(shè)提供安全管理、防護(hù)、監(jiān)督等方面的支撐。依據(jù)黃河防汛會(huì)商工作場(chǎng)景特點(diǎn)，制定規(guī)范和指導(dǎo)系統(tǒng)建設(shè)，為系統(tǒng)運(yùn)行建設(shè)提供實(shí)施指南和管理規(guī)范。

系統(tǒng)根據(jù)降雨預(yù)報(bào)和水工程上游來(lái)水預(yù)報(bào)，調(diào)用模型平臺(tái)和知識(shí)平臺(tái)服務(wù)對(duì)水庫(kù)與蓄滯洪區(qū)等水工程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度。針對(duì)生成的不同調(diào)度方案，對(duì)水工程下游水文斷面洪水過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào)，并對(duì)來(lái)水、蓄水、調(diào)水、演進(jìn)等洪水變化過(guò)程進(jìn)行預(yù)演，為黃委防汛會(huì)商工作提供氣象預(yù)報(bào)、水雨情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、水雨情預(yù)報(bào)預(yù)警、水工程調(diào)度、洪水演進(jìn)、洪水淹沒(méi)、工程出險(xiǎn)搶險(xiǎn)、防汛工作部署等多維度、全方位的會(huì)商決策支撐。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Framework of the Yellow River flood control consultation and emulation system

2 建設(shè)任務(wù)

黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)服務(wù)于黃河防汛會(huì)商工作，遵循水利部智慧水利建設(shè)總體要求，利用數(shù)字孿生技術(shù)，基于“黃河一張圖”搭建黃河流域數(shù)據(jù)底板，收集黃河防汛工作中已有降水預(yù)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度和洪水演進(jìn)等模型的計(jì)算成果，為汛期黃委防汛抗旱會(huì)商工作提供具備“四預(yù)”功能的全方位、多視角、跨時(shí)空的決策支撐。系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)主要分為數(shù)據(jù)底板、預(yù)警、預(yù)報(bào)、調(diào)度、預(yù)演與預(yù)案6個(gè)部分。

(1) 數(shù)據(jù)底板。在“黃河一張圖”的基礎(chǔ)上，建設(shè)黃河中下游重點(diǎn)河段、重點(diǎn)區(qū)域的二級(jí)數(shù)據(jù)底板，集成匯聚流域管理范圍省區(qū)和工程管理單位基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)等成果。通過(guò)數(shù)據(jù)治理，為流域防汛會(huì)商工作提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字化場(chǎng)景，滿足河道洪水演進(jìn)、水工程調(diào)度和洪水淹沒(méi)分析等會(huì)商場(chǎng)景二三維一體化預(yù)演仿真需求。

(2) 預(yù)警。建立流域防汛綜合預(yù)警庫(kù)，匯聚融合國(guó)家預(yù)警信息發(fā)布中心氣象預(yù)警數(shù)據(jù)。依據(jù)黃防總辦〔2016〕10號(hào)《黃河水情預(yù)警發(fā)布管理辦法》文件，搭建黃河防汛水情動(dòng)態(tài)預(yù)警規(guī)則引擎。根據(jù)閾值指標(biāo)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生成黃河流域河道主要水文測(cè)站水情預(yù)警信息。在“黃河一張圖”開(kāi)發(fā)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)底板基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)監(jiān)視跟蹤流域氣象與水情預(yù)警信息。

(3) 預(yù)報(bào)。集成已有流域降雨預(yù)報(bào)、河道中短期洪水預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)流域降雨落區(qū)和降雨強(qiáng)度的中短期精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，對(duì)自然徑流條件下河道水文斷面洪水過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)演算。系統(tǒng)與水工程調(diào)度模型進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工程調(diào)度方案實(shí)施后，下游主要河道水文斷面洪水預(yù)報(bào)的演算。

(4) 調(diào)度。集成黃河中下游水工程調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)三門峽、小浪底、故縣、陸渾等黃河中下游重要水庫(kù)工程、北金堤與東平湖兩個(gè)蓄滯洪區(qū)內(nèi)，不同洪水量級(jí)調(diào)度方案的動(dòng)態(tài)調(diào)度。可通過(guò)控制水庫(kù)下泄策略和調(diào)控水庫(kù)下游目標(biāo)測(cè)站流量策略，動(dòng)態(tài)編制水庫(kù)調(diào)度方案。通過(guò)水庫(kù)調(diào)度方案對(duì)比，提供對(duì)最優(yōu)化調(diào)度方案的決策建議。

(5) 預(yù)演?；凇包S河一張圖”二三維一體化場(chǎng)景，對(duì)來(lái)水預(yù)報(bào)、水工程調(diào)度和河道洪水演進(jìn)的場(chǎng)景進(jìn)行仿真預(yù)演，計(jì)算在黃河下游主槽及灘地內(nèi)洪水的水深與流速變化過(guò)程，判斷典型水文斷面(水文站洪水演進(jìn)變化過(guò)程和可能上灘及淹沒(méi)地區(qū)的范圍)。

(6) 預(yù)案。結(jié)合黃河中下游主要水工程運(yùn)行狀況、工程及河道周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀等，對(duì)預(yù)演結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估，根據(jù)分析評(píng)估結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整水工程運(yùn)行、應(yīng)急調(diào)度、人員防災(zāi)避險(xiǎn)等應(yīng)對(duì)措施，科學(xué)合理制定水工程運(yùn)行和調(diào)度等黃河防洪方案，有效提高預(yù)案的科學(xué)性和可操作性。

3 業(yè)務(wù)流程分析

黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)核心功能在于實(shí)現(xiàn)對(duì)黃河中下游河道來(lái)水預(yù)報(bào)、工程調(diào)度和洪水演進(jìn)過(guò)程的預(yù)演，主要包括水雨情監(jiān)視及預(yù)報(bào)、水工程調(diào)度和洪水演進(jìn)3個(gè)業(yè)務(wù)流程。

水雨情監(jiān)視及預(yù)報(bào)指的是對(duì)氣象及水雨情實(shí)況的監(jiān)視、氣象及降雨情況的預(yù)報(bào)和對(duì)河道洪水發(fā)展變化情況的預(yù)報(bào)。通過(guò)氣象和洪水預(yù)報(bào)兩類模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)演算，其中洪水預(yù)報(bào)模型通過(guò)調(diào)用氣象預(yù)報(bào)模型和水工程調(diào)度模型成果進(jìn)行調(diào)整計(jì)算。具體來(lái)說(shuō)，氣象模型主要包括歐洲中心、中央氣象臺(tái)和黃委水文局人工預(yù)報(bào)調(diào)算模型成果。洪水預(yù)報(bào)模型基于水情實(shí)況、氣象預(yù)報(bào)模型中的降雨實(shí)況和預(yù)報(bào)成果，利用原有黃河洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中馬斯京根、新安江等模型，對(duì)自然條件下黃河中下游主要水文斷面的洪峰流量與峰現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)降雨預(yù)報(bào)發(fā)生改變或通過(guò)水工程對(duì)河道洪水進(jìn)行控制后，洪水預(yù)報(bào)模型可根據(jù)降雨預(yù)報(bào)修正值或水工程調(diào)度成果，對(duì)洪水預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

水工程調(diào)度環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)及蓄滯洪區(qū)的實(shí)時(shí)調(diào)度。調(diào)度模型包括單庫(kù)調(diào)度和庫(kù)群規(guī)則調(diào)度。單庫(kù)調(diào)度模型包括完全自由敞泄、維持汛限水位敞泄、進(jìn)出庫(kù)平衡和泄流過(guò)程控制四類調(diào)度策略。庫(kù)群規(guī)則調(diào)度模型可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)置的調(diào)度算法插值，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)水庫(kù)與蓄滯洪區(qū)等水工程的聯(lián)合調(diào)度演算。水庫(kù)調(diào)度方案包括對(duì)黃河中下游主要水庫(kù)出入庫(kù)、庫(kù)水位和蓄水量變化過(guò)程的預(yù)測(cè)，以及對(duì)東平湖和北金堤兩個(gè)蓄滯洪區(qū)水位、蓄水量和退水過(guò)程的預(yù)測(cè)。水工程調(diào)度運(yùn)用后，可將結(jié)果反饋給洪水預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)水工程下游水文斷面洪水預(yù)報(bào)結(jié)果的動(dòng)態(tài)更新。

圖2 黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)流程邏輯Fig.2 Consultation process of the Yellow River flood controlcon sultation and emulation system

洪水演進(jìn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水演進(jìn)過(guò)程的仿真預(yù)演及對(duì)洪水引發(fā)洪災(zāi)情況的分析。通過(guò)預(yù)置不同洪水量級(jí)下水動(dòng)力模型，對(duì)應(yīng)洪水在黃河下游主槽及灘地內(nèi)水深與流速變化演進(jìn)的過(guò)程，對(duì)洪水演進(jìn)過(guò)程中洪水淹沒(méi)范圍及災(zāi)情損失情況進(jìn)行分析。根據(jù)洪水預(yù)報(bào)和水工程調(diào)度情況，采用插值法對(duì)自然條件下和不同水工程調(diào)度方案下河道洪水演進(jìn)、洪水淹沒(méi)及受災(zāi)情況進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)計(jì)算及分析。黃河防汛會(huì)商系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)流程邏輯如圖2所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 數(shù)據(jù)底板構(gòu)建技術(shù)研究

數(shù)據(jù)底板構(gòu)建技術(shù)通過(guò)匯集整理相關(guān)基礎(chǔ)、地理空間、監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)管理和跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)，建設(shè)多維多尺度時(shí)空數(shù)據(jù)模型，將水利對(duì)象實(shí)體作為數(shù)據(jù)表達(dá)與分類組織的基本單元，以時(shí)空屬性為紐帶融合和重組各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多級(jí)嵌套的時(shí)空數(shù)據(jù)底板[4]。在實(shí)施層面，以水利部L1級(jí)數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)，根據(jù)黃河流域防汛會(huì)商工作需要，匯聚流域自然地理、干支流水系、水利工程、經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息，對(duì)物理流域全要素?cái)?shù)據(jù)化映射[5]，基于“黃河一張圖”構(gòu)建下游小花區(qū)間流域L2級(jí)數(shù)據(jù)底板，以小浪底水庫(kù)、東壩頭治河工程為試點(diǎn)開(kāi)展L3級(jí)數(shù)據(jù)底板建設(shè)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)底板構(gòu)建邏輯如圖3所示。

圖3 黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)數(shù)據(jù)底板構(gòu)建邏輯Fig.3 Logic process of building up the database board of the Yellow River flood control consultation and emulation system

4.2 洪水預(yù)報(bào)技術(shù)研究

近年來(lái)，伴隨著系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展，洪水預(yù)報(bào)方法也逐漸從相關(guān)圖、謝爾曼單位線、馬斯京根法為代表的傳統(tǒng)方法過(guò)渡到系統(tǒng)與傳統(tǒng)方法相結(jié)合的不斷創(chuàng)新過(guò)程[6]。目前，開(kāi)展洪水預(yù)報(bào)的方法主要分為基于機(jī)理的水文模型、基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和基于規(guī)則的預(yù)測(cè)模型。在黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)中采用的洪水預(yù)報(bào)模型主要包括基于機(jī)理的水文模型和基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。其中，基于機(jī)理的水文模型采用流域降雨產(chǎn)匯流模型和馬斯京根流量演算等河道匯流模型?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)方法的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的河道洪水預(yù)測(cè)模型。

4.3 調(diào)度洪水實(shí)時(shí)演算算法

傳統(tǒng)洪水預(yù)報(bào)模型在處理水工程調(diào)度下游水文斷面洪水預(yù)報(bào)時(shí)，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿足防汛會(huì)商實(shí)時(shí)性決策需要，針對(duì)此問(wèn)題提出了調(diào)度洪水實(shí)時(shí)演算算法。算法包括以下步驟。

(1) 根據(jù)黃河中下游某重點(diǎn)水庫(kù)給定的調(diào)度過(guò)程，對(duì)該重點(diǎn)水庫(kù)工程以下至某重點(diǎn)水文斷面區(qū)間有關(guān)預(yù)報(bào)水文斷面進(jìn)行預(yù)報(bào)，并將洪水預(yù)報(bào)過(guò)程結(jié)果進(jìn)行預(yù)置存儲(chǔ)。水庫(kù)出庫(kù)至下游預(yù)報(bào)水文斷面采用逐斷面演算的方式，洪水演進(jìn)模型采用馬斯京根河道流量演算模型。

(2) 在調(diào)度洪水實(shí)時(shí)演算時(shí)，先將預(yù)置給定的水庫(kù)出庫(kù)過(guò)程進(jìn)行河道洪水演進(jìn)計(jì)算，計(jì)算出在下游各預(yù)報(bào)水文斷面的洪水貢獻(xiàn)，并將其流量過(guò)程作為計(jì)算基準(zhǔn)。

(3) 水庫(kù)出庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)整時(shí)，按照調(diào)整的出庫(kù)流量過(guò)程再次計(jì)算下游水文斷面的流量過(guò)程。

(4) 對(duì)水庫(kù)出庫(kù)流量調(diào)整前后步驟(2)和(3)中流量過(guò)程進(jìn)行差值計(jì)算。

(5) 將水庫(kù)計(jì)算流量過(guò)程差值與對(duì)應(yīng)預(yù)報(bào)水文斷面的預(yù)置洪水預(yù)報(bào)過(guò)程進(jìn)行疊加，進(jìn)而計(jì)算出調(diào)整出庫(kù)流量后各預(yù)報(bào)水文斷面的計(jì)算流量過(guò)程。

4.4 規(guī)則引擎技術(shù)研究

規(guī)則引擎由規(guī)則庫(kù)、工作內(nèi)存和推理引擎三部分組成。規(guī)則庫(kù)是對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)規(guī)則的定義集合，儲(chǔ)存在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和XML文件中。進(jìn)行規(guī)則應(yīng)用匹配時(shí)，在工作內(nèi)存中動(dòng)態(tài)產(chǎn)生推理引擎定義的邏輯。工作內(nèi)存是規(guī)則引擎進(jìn)行邏輯判定的生產(chǎn)環(huán)境，臨時(shí)存儲(chǔ)規(guī)則引擎產(chǎn)生匹配判斷和推理推演時(shí)所需的待處理數(shù)據(jù)、規(guī)則緩存數(shù)據(jù)和計(jì)算參數(shù)數(shù)據(jù)。推理引擎是規(guī)則引擎的核心部件，由模式匹配器、沖突處理器和執(zhí)行引擎3個(gè)部分組成。模式匹配器負(fù)責(zé)將規(guī)則庫(kù)中定義的規(guī)則與工作內(nèi)存中的待處理數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配和推理。沖突處理器負(fù)責(zé)處理模式匹配器上匹配的多個(gè)規(guī)則，按照對(duì)規(guī)則沖突時(shí)預(yù)先制定的執(zhí)行邏輯進(jìn)行仲裁，并選取最優(yōu)化的匹配項(xiàng)。執(zhí)行引擎負(fù)責(zé)將待處理數(shù)據(jù)按照模式匹配器和沖突處理器匹配或推理的規(guī)則進(jìn)行執(zhí)行，從而產(chǎn)生規(guī)則應(yīng)用后的結(jié)果。

黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)在預(yù)警的工作環(huán)節(jié)，需要對(duì)黃河中下游流域氣象、水雨情等情況實(shí)時(shí)預(yù)警，對(duì)信息實(shí)時(shí)性要求較高。對(duì)于系統(tǒng)生產(chǎn)預(yù)警數(shù)據(jù)的需求，傳統(tǒng)處理方法通過(guò)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編制與預(yù)警閾值，對(duì)比程序控制腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)。規(guī)則引擎技術(shù)對(duì)比傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)，具備預(yù)警規(guī)則易于維護(hù)、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)。通過(guò)利用規(guī)則引擎對(duì)洪水預(yù)警規(guī)則進(jìn)行系統(tǒng)化定義，根據(jù)系統(tǒng)重要水文斷面(水位、流量)、水庫(kù)(庫(kù)水位)動(dòng)態(tài)的預(yù)報(bào)數(shù)值，可實(shí)時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生重要水文斷面、水庫(kù)等水情預(yù)警信息。黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)效果見(jiàn)圖4。

圖4 黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)效果Fig.4 Design sketch of the Yellow River flood controlcon sultation and emulation system

5 系統(tǒng)建設(shè)成效

系統(tǒng)嚴(yán)格落實(shí)黃委黨組工作要求，針對(duì)黃河防汛會(huì)商工作，基于水利部數(shù)字孿生流域技術(shù)框架，聚焦黃河流域中下游區(qū)域，對(duì)水雨工險(xiǎn)情進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，對(duì)洪水預(yù)報(bào)、水工程調(diào)度方案、洪水演進(jìn)和洪水風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真預(yù)演，對(duì)洪水實(shí)況、歷史洪水和預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析展示。系統(tǒng)按照水利部“四預(yù)”的工作要求對(duì)黃委防汛會(huì)商工作進(jìn)行了系統(tǒng)化的分析、組織和梳理，集成了流域監(jiān)測(cè)、預(yù)警、預(yù)報(bào)、調(diào)度、演進(jìn)、淹沒(méi)、工程基礎(chǔ)、遙感、視頻等各類防汛相關(guān)基礎(chǔ)、空間、監(jiān)測(cè)及業(yè)務(wù)信息，為黃委防汛會(huì)商工作提供了可靠的信息化支撐工具。系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富，對(duì)比原有防汛會(huì)商相關(guān)應(yīng)用，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)資料查詢能力。系統(tǒng)中流域數(shù)據(jù)底板匯聚了各類預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案相關(guān)數(shù)據(jù)資源。系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景明確，功能實(shí)用，聚焦黃河中下游流域，達(dá)到了“四預(yù)”工作目標(biāo)，貼合當(dāng)前黃委防汛會(huì)商工作實(shí)際需求。

系統(tǒng)已于2022年4月上線試運(yùn)行，6月底正式上線運(yùn)行，目前是汛期黃委防汛會(huì)商工作的核心應(yīng)用。系統(tǒng)試運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了水雨情監(jiān)視、水庫(kù)調(diào)度方案、水雨情預(yù)報(bào)分析、數(shù)學(xué)模型計(jì)算、洪水演進(jìn)情況等的在線查看，支撐了調(diào)度方案研判、工作安排部署、調(diào)度指令簽發(fā)等各項(xiàng)會(huì)商調(diào)度工作全流程數(shù)字化辦公，解決了以往會(huì)商中不同信息在不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間反復(fù)切換、數(shù)據(jù)資料不全、調(diào)度預(yù)案無(wú)法動(dòng)態(tài)調(diào)算對(duì)比、洪水演進(jìn)過(guò)程無(wú)法形象化展現(xiàn)等問(wèn)題。系統(tǒng)投入使用后，有力支撐了2022年黃河防御大洪水調(diào)度演練和汛期黃委防汛會(huì)商工作，黃委防汛會(huì)商工作效率顯著提升。

6 總結(jié)與展望

習(xí)近平主席在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上指出“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展是重大國(guó)家戰(zhàn)略”[7]?！包S河平，天下寧”，黃河水旱災(zāi)害安全防御工作是黃河高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)。當(dāng)前，中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展已邁入新時(shí)代，對(duì)做好水旱災(zāi)害防御工作、保障防洪和供水安全提出了新的更高要求。隨著時(shí)代發(fā)展、科技進(jìn)步，水旱災(zāi)害防御離不開(kāi)現(xiàn)代化和信息化的支撐[8]。對(duì)于水旱災(zāi)害防御工作，“智慧黃河規(guī)劃”中明確要求整合已有資源，提升數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化水平，著力提升“四預(yù)”能力。黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)作為2022年黃委重點(diǎn)督查督辦建設(shè)任務(wù)，是水利部信息化“四預(yù)”總體工作要求在黃委的典型應(yīng)用。系統(tǒng)服務(wù)于黃河汛期防汛會(huì)商工作，針對(duì)黃河防汛會(huì)商工作重點(diǎn)環(huán)節(jié)，可提供具備“預(yù)警、預(yù)報(bào)、預(yù)演、預(yù)案”功能的綜合性會(huì)商決策支撐，進(jìn)一步提升黃委水旱災(zāi)害防御現(xiàn)代化會(huì)商和管理工作能力。

本文探討了水利信息化“四預(yù)”工作目標(biāo)，提出了黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)的建設(shè)任務(wù)。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體框架，重點(diǎn)分析了黃河中下游河道來(lái)水預(yù)報(bào)、工程調(diào)度與洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行預(yù)演工作的邏輯和業(yè)務(wù)流程，詳細(xì)討論了系統(tǒng)在構(gòu)建過(guò)程中存在的業(yè)務(wù)難點(diǎn)和技術(shù)解決方案，對(duì)相關(guān)數(shù)字孿生流域及“四預(yù)”信息化應(yīng)用開(kāi)發(fā)建設(shè)具有一定參考意義。

數(shù)字孿生流域及具備“四預(yù)”功能的信息化系統(tǒng)建設(shè)是龐大的水利行業(yè)性工程，涉及人工智能、大數(shù)據(jù)分析、5G、三維、BIM等多類高新尖信息化技術(shù)，對(duì)比傳統(tǒng)水利信息化工程，具有建設(shè)及推廣應(yīng)用周期相對(duì)較長(zhǎng)的特點(diǎn)。黃河防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)作為黃委“智慧水利”和“數(shù)字孿生流域”建設(shè)的先試先行任務(wù)，建設(shè)周期短、開(kāi)發(fā)任務(wù)量大，配套管理機(jī)制后續(xù)需要不斷完善。按照水利部“需求牽引，應(yīng)用至上”的信息化系統(tǒng)建設(shè)要求，系統(tǒng)的實(shí)用性至關(guān)重要。為此，后續(xù)工作將緊密圍繞水利部智慧水利和數(shù)字孿生流域建設(shè)總體要求，根據(jù)當(dāng)前黃委防汛會(huì)商工作實(shí)際需要，在實(shí)用性上多加研究。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用情況進(jìn)一步完善系統(tǒng)數(shù)據(jù)和功能短板，補(bǔ)充完善下游重點(diǎn)防洪工程偎水情況等成果，完善工情險(xiǎn)情、淤地壩、水庫(kù)基礎(chǔ)信息等數(shù)據(jù)，優(yōu)化水工程調(diào)度模型算法計(jì)算效率，不斷優(yōu)化系統(tǒng)“四預(yù)”功能，真正讓系統(tǒng)做到實(shí)用、好用。