武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室管光華團(tuán)隊(duì)在《水利學(xué)報(bào)》發(fā)表論文《南水北調(diào)中線工程冬季輸水動(dòng)態(tài)目標(biāo)水位控制算法研究》。該研究針對(duì)南水北調(diào)中線工程冰期輸水時(shí)，傳統(tǒng)“小流量、低流速”模式雖有利于形成平封冰蓋，但顯著降低輸水能力的問題，創(chuàng)新性地提出了一種基于模型預(yù)測(cè)控制與動(dòng)態(tài)目標(biāo)水位的調(diào)度算法。該算法旨在保證工程安全的前提下，盡量延長冬季大流量常規(guī)輸水時(shí)間，僅在必要時(shí)快速切換至冰期模式，從而最大限度縮短“入冬過渡期”、提升冬季整體輸水效益。仿真驗(yàn)證表明，新方法可將過渡期縮短34%，目標(biāo)水位變幅滿足工程要求，為實(shí)現(xiàn)冰期安全高效輸水提供了先進(jìn)可靠的技術(shù)方案。

　　南水北調(diào)中線工程冬季運(yùn)行面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為確保冰蓋平穩(wěn)形成，需提前數(shù)日將流量降至“平封流量”(僅為設(shè)計(jì)流量的30%-47%)，這直接導(dǎo)致輸水能力大幅下降。研究指出，僅安陽倒虹吸閘縮短冰期輸水5天，即可多調(diào)水約5788萬立方米，凸顯了從時(shí)間維度挖掘冬季輸水潛力的巨大價(jià)值。因此，研究核心目標(biāo)轉(zhuǎn)化為：如何實(shí)現(xiàn)從常規(guī)輸水到冰期輸水模式的高效、平穩(wěn)、快速切換。

　　傳統(tǒng)的“下游常水位”運(yùn)行方式響應(yīng)慢、過渡期長，難以滿足應(yīng)急快速切換需求。為此，研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了響應(yīng)更快的“控制蓄量法”，但該方法在多級(jí)串聯(lián)渠道中的應(yīng)用存在挑戰(zhàn)。本研究提出了一種創(chuàng)新的“間接控制蓄量”策略：它不直接控制水體體積，而是通過動(dòng)態(tài)調(diào)整下游目標(biāo)水位來實(shí)現(xiàn)對(duì)渠池蓄量的間接控制。具體而言，算法根據(jù)渠道進(jìn)口流量與各取水口流量的實(shí)時(shí)差值，結(jié)合各渠池的水面面積和允許水位變幅，將需要調(diào)整的蓄量“智能分配”到沿線各個(gè)渠池，從而計(jì)算出每個(gè)渠池實(shí)時(shí)更新的動(dòng)態(tài)目標(biāo)水位。

　　為實(shí)現(xiàn)上述策略，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了先進(jìn)的“MPC動(dòng)態(tài)目標(biāo)水位控制算法”。該算法以經(jīng)典的積分時(shí)滯(ID)模型為基礎(chǔ)，建立整個(gè)輸水渠系的狀態(tài)空間方程。其核心創(chuàng)新在于，將動(dòng)態(tài)計(jì)算出的水位偏差目標(biāo)值作為一個(gè)新的狀態(tài)變量引入模型，并對(duì)模型預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)修改。這使得算法在每一次滾動(dòng)優(yōu)化時(shí)，追求的不僅是水位穩(wěn)定在某個(gè)固定值，更是要快速、平滑地追蹤這條隨流量實(shí)時(shí)變化的動(dòng)態(tài)目標(biāo)水位軌跡。這相當(dāng)于為渠道系統(tǒng)預(yù)設(shè)了一條最優(yōu)過渡路徑，從而顯著加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

　　為驗(yàn)證算法有效性，研究以南水北調(diào)中線冰情最嚴(yán)重的“京石段”(13個(gè)串聯(lián)渠池)為對(duì)象進(jìn)行仿真。在模擬冰期應(yīng)急過渡的“大流量減小工況”(流量從設(shè)計(jì)值的79%線性降至40%)下，將新算法與目前工程中廣泛采用的下游常水位PID控制算法進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示，新算法展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)：系統(tǒng)水位提前35小時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，整個(gè)過渡期時(shí)間縮短了34%。同時(shí)，各渠池動(dòng)態(tài)目標(biāo)水位的變化范圍被嚴(yán)格控制在0至0.078米之間，完全滿足工程運(yùn)行允許的±0.15米變幅要求，且形成的“小流量、高水位”運(yùn)行狀態(tài)正是形成穩(wěn)定平封冰蓋的理想條件。

　　在模擬常規(guī)擾動(dòng)的“小流量增加工況”下，新算法相較于另一種先進(jìn)的“水位軟約束MPC”方法，趨穩(wěn)時(shí)間也縮短了41小時(shí)(提升54%)，且過渡過程更為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)頻繁的水位小幅波動(dòng)。

　　研究表明，該動(dòng)態(tài)目標(biāo)水位MPC算法通過“目標(biāo)牽引、提前動(dòng)作”的機(jī)制，在幾乎不犧牲水位控制平穩(wěn)性的前提下，大幅壓縮了水力過渡時(shí)間。這為南水北調(diào)中線工程應(yīng)對(duì)冬季冰情、實(shí)現(xiàn)“盡量晚切換、盡量早恢復(fù)”的優(yōu)化調(diào)度提供了強(qiáng)有力的理論工具和決策依據(jù)。該研究成果不僅能直接提升工程冬季輸水效益，其提出的“動(dòng)態(tài)目標(biāo)軌跡”控制思想，也為其他大型調(diào)水工程的智能化調(diào)度與應(yīng)急響應(yīng)提供了有益的范式參考。