CN111652529A - 一种水工程联合调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水工程联合调度方法，包括步骤一：形势分析；步骤二：断面来水预报计算；步骤三：根据断面来水情况进行水工程联合调度计算：以水工程联合调度***进行计算，以具体的来水预报及调度规则为输入条件，输出调度方案；水工程联合调度***中包含多个调度规则，任一调度规则包括调度条件和调度操作两部分，调度条件采用条件表达式来表示；在调度规则计算之前，将任意多个的调度规则按照指定计算模式和程序接口动态编译为可执行代码，可执行代码为一系列函数对，函数对由调度条件函数和调度操作函数组成；调度条件和调度操作中的对象属性值在编译时直接替换为内存中的对象索引。本方法可以实现调度规则的动态管理及高效计算。

Description

一种水工程联合调度方法
技术领域
本发明涉及一种水工程联合调度方法，本发明属于水利工程技术领域，尤其涉及特定洪水条件下对流域内的水工程进行调度控制，以避免或最大限度的减少洪水灾害带来的损失。
背景技术
水工程联合调度是在特定的洪水条件下对水工程进行调度，以避免或最大限度限度的减少洪水灾害带来的损失。相应的信息化手段即水工程联合调度***的实现，以及调度方案的优化计算结果对防洪减灾调度决策提供支撑信息具有重要的意义。
在水工程联合调度***中调度规则的管理和实现是***实现的难点之一，传统的水工程联合调度***中，多数是通过程序硬编码的方式来实现调度规则的，即通过程序逻辑来实现调度规则计算，硬编码方式的调度规则实现防洪不能在后期任意增、减和修改调度规则，不能有效地研判不同水工程运用场景下的调度效果，不能有效地满足水工程联合调度的实际应用需要，调度应用***的实用性大大降低。比如水库达到汛限水位泄洪1000m3/s是默认的调度规则，该规则通过硬编码方式写入程序中，用户如果想知道泄洪500m3/s的调度运用效果，则需要通过修改程序代码来调整调度规则，显然在实际应用中是不现实的。
调度规则的表达和解析与计算也是调度***实现的难点。在已有类似的应用***中有将调度规则的“条件”部分按照逻辑树(如DHI公司的一维洪水分析软件MIKE11中的调度规则管理)方式来实现，该方法表示调度规则存在用户难以理解和***难以实现的问题，同时由于需要在每次调度计算时都要解析逻辑条件，存在计算效率不够高的问题，当需要进行水库工程联合优化调度计算时(可能需要进行上万次的调度规则计算)，计算效率难以满足实际应用需求。在调度条件表达方面，类似Esri公司ArcMap软件的字段查询的功能使用了“条件表达式”方式来表达检索条件，用表达式的方式来表达调度规则的“条件”部分，该方法在表达形式上容易理解且***易于实现，但同样需要每次调度计算时进行条件表达式的解析，在大规模调度规则计算时同样存在计算效率不高的问题，所以还需要解决其计算效率问题。
综上，现有技术方案中至少存在以下问题：
①传统基于表达式的调度规则“条件”表达，需要在每次调度计算时解析表达式，计算效率低，无法支持水工程联合优化调度计算；②基于逻辑树表达的调度规则，当调度规则比较复杂时，用户难以理解调度规则，***也较难实现；③传统基于硬编码的调度规则，其调度规则无法动态增、减与修改，不能模拟多场景调度方案，应用***适用性不强，应用***不易推广应用。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种水工程联合调度方法，该方法可以实现调度规则的动态管理，其调度规则的“条件”部分表达方式容易理解和易于通过应用***实现，相应的调度规则计算效率高，可支持水工程联合调度方案的优化计算。
具体而言，本发明包括以下的技术方案：
一种水工程联合调度方法，包括以下三个步骤:
步骤一：形式分析：采集天气预报及洪水预报数据，判断是否需要进行水工程联合调度，如果有需要则依次执行步骤二、步骤三；
步骤二：断面来水预报计算：通过降雨条件、上游来水条件计算断面的来水情况；
步骤三：根据断面来水预报进行水工程联合调度计算；
步骤三中通过水工程联合调度***进行水工程联合调度计算分析，所述水工程联合调度***以具体的来水情况及调度规则为输入条件，输出调度方案；水工程联合调度***中包含多个调度规则，任一调度规则包括调度条件和调度操作两部分，调度条件采用条件表达式来表示；在调度规则计算之前，将任意多个的调度规则按照指定计算模式和程序接口动态编译为可执行代码，所述可执行代码为一系列函数对，所述函数对由调度条件函数和调度操作函数组成；调度条件和调度操作中的对象属性值在编译时直接替换为内存中的对象索引。
进一步的，水工程联合调度***在调度规则加载时通过反射机制加载所有的调度规则程序。
进一步的，调度规则的计算过程包括：1)通过反射机制加载程序集；2)获取调度规则列表；3)执行调度规则的函数对，先调用调度条件函数，当条件函数满足条件时，***调用调度操作函数，实现相应的水工程调度计算。
进一步的，步骤3)中如果调度条件为空，则直接执行调度操作函数。
进一步的，所述任意多个的调度规则指两个或两个以上的多个调度规则。
本发明的优点和有益效果是：
本发明通过动态编译技术将调度规则按照指定的接口动态编译为可调用代码程序，通过接口定义了一种通用的调度规则计算模式(“条件—操作”的调度计算模式)，支持调度规则的任意增、减和修改，支持调度规则的动态管理。
本发明通过动态编译技术实现调度规则(包括调度“条件”部分的表达式)的高效计算，并将“调度条件”和“调度操作”中的对象属性值在编译时直接替换为内存中的对象索引，这些方法大大提高了水工程联合调度规则的计算效率，可支持大规模的水工程联合优化调度计算。
本发明中基于表达式的调度“条件”表达的实现，将水工程调度的调度规则的“条件”部分以条件表达式的方式表达，通过动态编译的方式将条件表达式编译为可执行代码，无须在调度计算时解析条件表达式，计算效率高，该方法实现的调度“条件”表达方式用户易于理解，***也容易实现。
综上，本发明的方法提高了水工程联合调度***的可用性，大大的提高了调度规则计算的效率，为水工程联合调度优化计算提供了技术支撑，为水工程联合调度应用***的推广应用奠定了基础。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明采用水工程联合调度***实现调度规则动态管理和高效计算的整体流程图。
图2为本发明—逻辑树形式的调度规则管理示意图。
图3为本发明—调度规则表达形式示意图。
图4为本发明—调度规则程序结构设计。
图5调度规则动态编译程序集与相关对象之间的关系。
图6为本发明—调度规则动态编译实现流程。
具体实施方式
实施例一：
一种水工程联合调度方法，包括以下三个步骤:
步骤一：形式分析：采集天气预报及洪水预报数据，判断是否需要进行水工程联合调度，如果有需要则依次执行步骤二、步骤三；
步骤二：断面来水预报计算：通过降雨条件、上游来水条件计算断面的来水情况；
步骤三：根据断面来水预报进行水工程联合调度计算：通过水工程联合调度***进行水工程联合调度计算分析，所述水工程联合调度***以具体的来水情况及调度规则为输入条件，输出调度方案；水工程联合调度***中包含多个调度规则，任一调度规则分为调度条件和调度操作两部分，调度条件采用条件表达式来表示；在调度规则计算之前，将任意多个的调度规则按照指定计算模式和程序接口动态编译为可执行代码，所述可执行代码为一系列函数对，所述函数对由调度条件函数和调度操作函数组成；调度条件和调度操作中的对象属性值在编译时直接替换为内存中的对象索引。
步骤三中采用水工程联合调度***进行水工程联合调度计算分析，为了实现调度规则动态管理和高效计算，对调度规则部分的改进包括三个主要步骤，即调度规则的动态化表达与管理、调度规则的动态编译、和动态调度规则的计算。实施方式整体流程图如图1所示。
1、调度规则的表达与管理：本发明将水工程联合调度***中任意一个调度规则定义为“条件—操作”两部分，当“条件”满足时***执行相应的“操作”，条件不满足则不执行“操作”，对应实际水工程联合调度业务的调度规则。如“某水库水位达到汛限水位时开启泄洪闸泄流200m3/s”，其条件为“某水库水位达到汛限水位”，对应的操作为“开启泄洪闸泄流200m3/s”，调度应用***中获取对应对象的属性进行判断(即“条件”判断)，并对工程的状态值进行设置(即调度“操作”)。在实际业务中，有可能调度条件会比较复杂，如“当上游水库低于防洪高水位同时下游水位高于警戒水位，或上游水库高于警戒水位时，水库保持泄流量为300m3/s”，此时调度“条件”为若干基本“条件”的逻辑组合。还有无条件的调度规则，如“水库水位保持在150m以下”，其“条件”为空，表示“条件”判断始终为真。所以调度规则可以规范的表示为“条件—操作”两个部分，其中“操作”的形式比较固定，是对调度对象的状态的修改，“条件”部分会比较复杂，可能是多个基本“条件”的组合。
本实施例定义了调度规则的规范化形式表达，一个水工程联合调度计算方案中包含任意多个调度规则，一个调度规则可分为条件表达式和调度控制(即调度操作，下同)两部分，形式如下：
R＝{Ce，{O，Ao，OP，V}} 公式1
其中R代表一个调度规则，Ce是调度条件，{O，Ao，OP，V}代表调度控制，O表示被控制对象，如某个水库；Ao被控制对象的属性(或状态)，如水库的当前水位；OP代表操作符号，比如控制水库的泄量在某个值以下(其数学符号为“<”)；V表示具体的操作值，如控制泄量不高于1000m3/s，则1000就是这个操作值。Ce作为调度条件可能会比较复杂，所以本发明采用表达式的形式来表达，一个调度条件表达式的示例如下：
([#横排头|50700401#)].[水位]>56或[#六安水文站|958311QX#)].[水位]>67)
并且([#佛子岭水库|50701000#)].[水位]<120)
其中“[#横排头|50700401#)]”表示横排头断面对象，“|”符号后的编码是为了保证水工程对象的唯一性(防止水工程对象名可能重复的情况)；“[水位]”表示横排头的“水位”属性。整个调度规则的条件表达式的含义是“当横排头的水位高于76m或者六安水文站的水位高于67m时，且佛子岭水库水位低于120m时”时“条件”成立执行相应的操作。该模式下条件表达式可以通过括号及逻辑表达式进行任意组合，实现各类复杂调度条件的表达。条件表达式可以借助应用***的工具软件的实现来方便用户的调度规则管理(如图2)，此时对象和属性可以通过选择的方式录入。相对于基于逻辑树(如图3)的管理方式(此方式需要通过逻辑层次关系、条件和条件组合关系、条件和条件分组的组合关系等来管理调度条件，界面复杂，用户难以理解)，此种调度规则的管理方式更容易让用户理解和应用***也较容易实现。
2、调度规则的动态编译：调度规则的动态编译分为两个作用，其中一个作用是对条件表达式的动态编译主要解决计算效率的问题，另外一个作用是按照一定接口进行动态编译形成调度规则的计算模式，从而支持调度规则的动态管理。
本方法在调度规则计算之前通过动态编译的方式将条件表达式编译为可执行代码，将调度“条件”中相关对象编译为对象的内存索引，这样无须在调度计算时解析条件表达式以及查找对象的值，计算效率高。这种模式下，编译时可以将条件表达式简单的转换为程序语句(逻辑表达式和程序语句基本一样)，支持复杂的调度“条件”的应用，计算效率也很高(不用计算时解析表达式)，满足水工程联合调度应用***功能和性能的需求。
本方法将调度规则按照一定程序接口形式动态编译为可执行代码，形成一种调度规则的计算模式，从而支持调度规则的动态管理和高效计算。程序接口是指***的一类对象按照一定的规范具有相同的函数或属性，可以被***按照一定的模式识别和调用(如果通过反射机制加载和调用)。因为调度规则可分为条件表达式和调度控制(即调度操作)两部分，所以调度规则可以按照一定接口定义为一系列对象(本发明为“函数对”，即成对的两个函数分别对应“条件”和“操作”部分)，这样就支持任意多个类似对象的加载和执行，从而支持任意多个调度规则的加载和执行，形成支持调度规则的增、减和修改，而不用修改代码的计算模式。动态编译后的调度规则在应用***内形成如下模式的可执行代码(程序集)和结构。
{Gf，OPf，{Rk}},其中k为1,2……n 公式2
上式中，Gf与OPf是本实施方式软件装置预置的两个方法，Gf为获取对象属性值的统一函数方法，每个调度规则计算时通过该方法获取水工程对象及属性(为内存中固定格式的对象及属性索引)；OPf为调度操作统一函数方法，其调用水工程联合调度***相关调度操作业务方法(应用***会根据不同水工程对象定义不同的调度操作业务方法，不属于本发明覆盖的范围)；{Rk}是动态编译后形成调度规则集，每个调度规则对应一个Rk。每个Rk包含一对函数，分别是调度条件函数(Fconditionk)和调度操作函数(Fcontrolk)，如下面公式所示。
Rk＝{Fcontrolk，Fconditionk} 公式3
调度条件函数(Fconditionk)的代码由条件表达式解析后生成(其中对象和属性替换为Gf方法)，调度操作函数(Fcontrolk)的代码有调度操作相关信息解析生成(主要通过调用OPf方法来实现)。
为了更好的说明计算模式和及软件设置，以实现的动态调度规则程序为例。编译后的一系列调度规则的“函数对”封装在名称为RuleExcutorRuntime的类中(如图4)，每个调度规则生成一个“函数对”(Rk)，所以生成的Fcontrolk方法和Fconditionk方法也有一个编号，实际代码中函数如ControlFunction1()和RuleFunction1()，为了让调度规则的相关函数实现和调用对象的高效调用(即调度规则部分与其他部分程序的通信，比如获取调度对象及属性值)。本发明定义了IRuleProcessor接口，该接口需要实现Gf与OPf两个方法，分别是用来获取调度相关水工程对象属性值和控制调度相关水工程对象，在调用RuleExcutorRuntime对象将实现IRuleProcessor的对象传入，RuleExcutorRuntime对象可以通过IRuleProcessor两个方法(Gf与OPf)获取内存中对象的属性值以及控制相关调度对象，从而实现调度规则程序与主调程序通信。
调度规则的动态编译需要程序语言支持动态编译功能，而现在大多数高级语言都支持动态编译技术，如C#,Java等语言，本实施例是用了C#语音进行实现。通过上述调度规则的管理和编译机制，可以在应用***中添加任意数量的调度规则，从而实现了调度规则的动态化管理；编译后的代码在调度计算不用再解析调度条件，计算效率也将十分高。
3、调度规则的计算：如上所叙，在水工程联合调度方案计算之前调度规则已经编译为可执行代码(RuleExcutorRuntime对象)。在图4的实例中IRuleProcessor接口的实现对象包含GetConditionVal和ControlAction两个方法,方法GetConditionVal(即Gf)的参数objid表示内存中对象编号，参数attributeid表示对象的属性编号，可以获取指定水工程对象的指定属性值；方法ControlAction(即OPf)的参数ojbid表示要控制对象的编号，attributeid表示要控制对象的属性编号，optype表示控制操作类型(如“大于”、“小于”等)，valpara表示具体控制的值，可以实现对水工程对象的调度控制。调度条件函数RuleFunction(即Fconditionk)将根据传入的IRuleProcessor实现的对象调用GetConditionVal(即Gf)获取条件表达式中所需对象的值；调度操作函数ControlFunction(即Fcontrolk)将根据传入的IRuleProcessor实现的对象调用ControlAction(即OPf)进行调度控制。通过相互调用的机制，实现调用者和被调用对象之间的通信，从而实现调度规则“函数对”从内存中快速获取对象值及进行相关控制。调度规则动态编译后的程序集与调用者之间的关系如图5所示。
在水工程调度方案计算时，在每个计算步骤内将嵌入执行调度规则的计算，即每次计算过程中会调用调度规则的计算。调度规则的计算过程主要包括：①加载程序集，通过反射机制(反射机制是指在程序的运行状态中，可以构造任意一个类的对象，可以了解任意一个对象所属的类，可以了解任意一个类的成员变量和方法，可以调用任意一个对象的属性和方法。C#,Java等高级语言具有反射机制)；②获取调度规则列表；③执行调度规则的“函数对”。调度规则整个执行流程如图6所示。需要说明的是，执行调度规则“函数对”时要区分两类调度规则，一类是有条件调度规则，一类是无条件调度规则。有条件调度规则是具有条件表达式的调度规则，当条件判断成立时，执行调度控制方法。无条件调度规则是无调度条件的调度规则，此时直接执行该调度控制方法(比如任何情况下必须控制水库水位在校核洪水位以下，则是无条件调度规则)。在多次调度规则计算时，以及水工程联合调度优化计算需要百万次计算时，①、②只需在第一次计算时执行一次，并将调度规则列表存储在内存中，其他时候直接调用列表的“函数对”进行计算。
通过调度条件的表达式表示方法、调度规则的动态编译和调度规则计算方法的实现，支持了水工程联合调度方法调度规则的动态配置与高效计算。通过应用***实际使用，安徽省淠河流域的水工程联合调度方案所有调度规则计算10000次约需要3秒，计算结果经过验证符合调度规则设置。可见基于动态水工程联合调度规则的实现方法，既能够实现调度规则的动态管理，又能够实现调度规则的高效计算，也为水工程联合调度方案的优化计算奠定了基础，具有较好的应用推广价值。
上述的实施方式仅是本发明的部分体现，并不能涵盖本发明的全部，在上述实施方式以及附图的基础上，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下可获得更多的实施方式，因此这些不付出创造性劳动的前提下获得的实施方式均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种水工程联合调度方法，包括以下三个步骤:
步骤一：形式分析：采集天气预报及洪水预报数据，判断是否需要进行水工程联合调度，如果有需要则依次执行步骤二、步骤三；
步骤二：断面来水预报计算：通过降雨条件、上游来水条件计算断面的来水预报；
步骤三：根据断面来水预报进行水工程联合调度计算；
其特征在于：步骤三中通过水工程联合调度***进行水工程联合调度计算分析，所述水工程联合调度***以具体的来水预报及调度规则为输入条件，输出调度方案；水工程联合调度***中包含多个调度规则，任一调度规则包括调度条件和调度操作两部分，调度条件采用条件表达式来表示；在调度规则计算之前，将任意多个的调度规则按照指定计算模式和程序接口动态编译为可执行代码，所述可执行代码为一系列函数对，所述函数对由调度条件函数和调度操作函数组成；调度条件和调度操作中的对象属性值在编译时直接替换为内存中的对象索引。
2.根据权利要求1所述的水工程联合调度方法，其特征在于：水工程联合调度***在调度规则加载时通过反射机制加载所有的调度规则程序。
3.根据权利要求1所述的水工程联合调度方法，其特征在于：调度规则的计算过程包括：1）通过反射机制加载程序集；2）获取调度规则列表；3）执行调度规则的函数对，先调用调度条件函数，当条件函数满足条件时，***调用调度操作函数，实现相应的水工程调度计算。
4.根据权利要求1所述的水工程联合调度方法，其特征在于：步骤3）中如果调度条件为空，则直接执行调度操作函数。
5.根据权利要求1所述的水工程联合调度方法，其特征在于：所述任意多个的调度规则指两个或两个以上的调度规则。
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