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摘要：工程设计是一门综合性的学科，情况复杂，影响因素众多。本文阐述了系统论、信息论和控制论在水利工程设计中的指导运用。对比传统工程设计的目标单一、阶段割裂的做法，运用“三论”的工程设计，吸收行之有效的技术，提高工程设计的创新能力，完善规划设计与运用管理的联系，使工程设计达到全局优化。
关键词：工程设计；系统论；信息论；控制论；全局优化
The guiding application of system theory，information theory and cybernetics in Engineering Design
Abstract：Engineering design is a comprehensive discipline，complex and affected by many factors.This paper expounds the the application of system theory，information theory and cybernetics in water conservancy engineering design.Compared to traditional engineering design，whose state is single-target and fragementation，using system theory，information theory and cybernetics to create engineering design，can absorpt effective technology，improve the innovative ability of engineering design，bring the planning design and management closer，and achieve global optimization in engineering design.
Key words：engineering design；systems theory；information theory；cybernetics；global optimization
1、引言
设计对于一项工程具有十分重要的意义。以水利工程来说，最基本的两个作用，一则防灾，二则兴利。传统的水利工程以防洪排涝、调水灌溉、引水补水等项目为主，主要为农业、工业提供基础设施支持，很少以水利工程本身作为出发点来研究，传统水利工程也一直是为功能为第一，甚少关注自身颜值以及与周边环境的协调，通常给人一种傻大笨粗的形象。随着生产力的发展，除了最基本的功能诉求，人们对于环境、生态、市容等各方面都有了更高的要求，水利工程也不仅仅是为了满足某一单一需求的工程，通常既有防洪排涝功能，又同时改善生态、提升环境、成为一道独特的风景线。这就要求工程设计需从传统的设计思维中解放出来，寻求更全面、更先进、更综合的设计理念和设计思路。系统论、信息论、控制论主要用于系统分析，并用优化技术进行优化控制，实际上是综合运用了现代科学技术。将工程设计看做一个复杂系统，将系统论、信息论、控制论用于工程设计中，寻求工程设计的创新，提升设计的层次，使之更融入于现代社会中。
2、现代社会对工程设计新的要求
在当前经济大潮的背景下，已经确立的社会主义市场经济体制，经过不断完善，不仅推动了基础设施建设的攀升，而且对于工程的规范设计也提出了许多新的机遇和挑战。
2.1节能设计的要求
工程设计不仅要满足基本的功能需求，更要强调低碳节能，以更好的适应社会发展的需要。随着时代的不断迈进，人们渐渐感知到了传统经济发展方式的负面效应。而经济长远发展的最大阻碍，实际是以牺牲环境为代价的盲目发展。对此，可持续发展理念随之产生，自然的相互协调更是发展中的关键。工程节能设计的出发点，是使人与自然的和谐共处。通过节能设计，第一，可以缓解资源紧缺的局面。从我国现行发展情况来看，改革开放以来，经济实现大幅攀升，不过这种成就却是以过度使用资源造就的，现如今资源短缺问题十分棘手。而工程行业的高耗能，会在一定程度上使资源紧缺，但通过节能设计，可以减弱能源消耗，缓解趋于紧张的能源局面；第二，可以为工程行业增添发展活力。工程节能设计的开展，是一个巨大的挑战，要求必须有丰富的经验和过硬的专业功底。随着节能设计的不断深入，可以使节能材料的利用率得到大幅提升，还可以提升节能设计水平，有利于水务行业的不断发展。
2.2环保设计的要求
水利工程虽然是一项利民生的工程，但因工程建设过程中不可避免地将产生大气、噪声、污水、水土流失、人群健康等方面的环境问题，在传统水利工程建设过程中，以工程进度和工程造价为主，环境问题重视不够，对周边居民的日常生活造成了一些困扰。在党的十九大之后，对环境问题提出了新的要求，截至 12 月 22 日，已有四批中央环境保护督察组陆续向各省区反馈督察意见，并责令整改并追究责任。虽然近年来环保问题取得进展，但一些问题仍然比较突出，中央对于环境问题毫不松懈。例如，大气污染防治重点防治不到位，黑臭水体治理严重滞后等；城市环境基础设施建设严重缺失，重地上、轻地下，污水直排、垃圾乱堆等现象普遍等。在现今水利工程建设过程中，环保设计作为其中重要的一环，具有一票否决权，环保审批不过关，整个工程将不能立项。在工程设计的整个全寿命周期内，环保设计都贯穿始终，从设计方案、工程材料、施工方法、施工组织设计、运行维修管理等各个方面影响工程设计的细节。
2.3结合生态景观设计的要求
传统的生态景观主要以自然为优先，但随着经济社会的发展，单纯以自然为主的原则已经不能适应当前的社会环境。随着社会低碳发展理念提出并被广泛接受，如何保持人与自然和谐发展已经成为当前人们生活的主要追求。传统的水利工程设计，只有在满足了本身的防灾和兴利功能的需求之后，才会考虑景观优化，存在局限性和审美上的差距。如今的水利工程，防灾、兴利同样是必要条件，但生态景观作为城市生态化建设的重要方式，使之成为不可或缺的考量指标。一项水利工程，如果与城市生态景观格格不入，无法融入，很可能全盘推翻原有方案重新设计。这是由于，生态景观对于人们生活环境的净化以及城市发展品质的提高都具有十分重要的意义。对于当今城市生态文明发展的目标来说，生态景观设计已成为不亚于防灾和兴利设计的水利设计的重要指标之一，有时甚至是决定性的指标。
2.4创意设计的要求
创意设计是一个复杂的概念，包括美学、工学、建筑学、经济学、社会学、心理学，生活、社区营造、城市景观、工业生产、高端制造等等，包罗并且绝不止于这些。设计是个生态圈，在创新过程中与全社会资源结合起来。现代水利工程，已经不仅仅局限于传统大水利建筑按部就班的建设，需要的是创造性的设计理念和创新性的方案和材料。在高等院校中，常常有大批的实验成果，甚至有模型和样品，但出于多方面的原因，市场未必接受，实际工程中未必能了解到哪里有这些样品或技术；另一方面，一些不具备自主研发能力但需要创新技术的设计施工企业需要什么产品，需要迫切解决什么样的实际问题，有着现成技术的科研机构却未必知道。这其实是技术的生产方和使用方“背对背”，信息和资源不对称造成的局面。在经济发展的新形势下，让“背对背”变成“面对面”，让科技成果能够进入市场，也为工程企业解决实际的问题，使得从高校或科研机构到一线建设队伍之间的联系更为主动，创意设计的精神才能落到实处。
2.5现代监控设计的要求
人工智能对社会发展造成了深远的影响。水利工程行业也与人工智能接轨，现地管理站实现“无人值班，少人值守”，水利管理部门成立信息管理中心，所有现场数据经过实时传输至控制中心的服务器内，一方面通过远程控制系统实现对现场的实时监控；另一方面，实时数据收集、分析、整合形成数据库，为“智慧水务”的发展提供资料基础。
3、系统论对工程设计的指导运用
3.1各片区系统规划，资源优化
将一项水利工程不仅仅看做一个点，而是站高站远，将之视作一个面中的一个点，这整个面就是一个大系统，拟建工程是系统中的一份子，那么拟建工程的设计就不能只考虑眼前的利益与损失，需要将与之有直接联系的整个系统放到一起分析。例如研究月牙河的治理，只考虑月牙河本身的污染与防治治标不治本，因为月牙河是属于海河流域，与海河以及金钟河、永定河等支流都存在水量交换与循环[1]，只治理月牙河，甚至只治理月牙河中的一小段，作用是暂时的，效果也很有限。但作为工程立项，河道治理是按年度计划逐段治理的，那么目前治理的月牙河就不仅仅分析这一段治理段，而是将整个海河流域纳入分析，水量水质模型都以整个流域为对象，得到的治理数据才是比较经济和准确的。否则，只能做到月牙河或月牙河某一河段的局部最优，甚至，该局部最优化往往使上下河段交界处产生矛盾，产生纠纷，就是经济损失不明确引起的。目前，国家推行“河长制”，水是流动的，治水想要独善其身绝不可能，各河段只有紧密结合，共同参与，采用系统分析的方法，以整体利益为诉求，综合权衡，得出最优结论，并将之写成推行方案或导则，各河段治理思路尊此施行，经济有效，避免纠纷。
3.2各阶段、各部门系统优化治理
一项工程，有规划、设计、管理、运行四个步骤，分属不同部门管理，工作的先后次序也不分明，浪费很大。水利工程通常都是多目标多用途的，但是，多个目标之间以哪个为主，哪个目标是配合的，不甚分明。有的工程，规划阶段以防洪为主，设计阶段遇到枯水年，为解决实际问题，以灌溉为主，到建设阶段，因遇到降水丰盈，又转而以排涝为主。如此，设计框架不能固定下来，设计上将造成较大的浪费。将工程的各阶段当做同一系统内的不同分工来考虑，就可以设定以经济指标或其他合适的指标来分析最优化的问题，避免频繁的变更。
另一方面，在工程中，因防洪、灌溉、排涝、发电、航运等各功能的主管部门各不相同，并且也不存在交叉，若要治理某一流域，则防洪主管部门做防洪规划、灌溉主管部门做灌溉规划、排涝主管部门做排涝规划，其他主管部门也做专门的规划，互相不交流不沟通，规划审查也不同时，担任不同部门规划工作的常常是不同的单位，信息不对称的现象非常严重。那么，运行系统论的思想，将之作为一整个系统来分析，则各功能都属于该系统下的不同部门，运用系统论的方法，根据实际情况，合理分配各功能之间的比重，实现系统整体最优化。各分部规划以此为准则，避免矛盾和纠纷。
3.3结合已有工程系统最优化分析
从系统最优化的角度出发，进行系统规划时，应分析已有工程的情况，能发挥的作用，拟建工程的选址、规模，拟发挥的作用，以及拟建工程的开发次序。在国外有过类似的案例，因开发次序的颠倒，造成施工过程非常被动。例如河道治理，通常自上游向下游进行，若自下游治理，则上游的污染仍顺流至下游，治理效果事倍功半[2]；水利工程通常需要干地施工，建立围堰，若下游治理工程已完成，需完成上游治理工程时，围堰的建设条件将受到制约，需要牺牲一部分下游治理河道的效益，这在系统整体上是不优的。因此，运用系统化思维，工程建设中的任何环节，任何因素都应纳入考量，以取得效益最优。
4、信息论和控制论对工程设计的指导运用
4.1智慧水务背景
随着科技的高速发展，城市信息化由数字化城市向更高阶段的城市智慧化发展俨然成为城市发展的必经之路。新时期的“智慧城市”可以对信息与通信技术手段的感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息的功能进行极大程度的利用，从而在环保、民生、城市服务、公共安全、旅游等方面存在需求时能够给予智能化响应，为人类创造更美好的城市生活
[3]。2011 年起，智慧城市的理念在国内得到广泛认同，我国已经把智慧城市提高到了关乎国家科技与经济的重要战略层面，水务管理作为城市管理中核心的内容之一，发展智慧水务更是建设智慧城市的拓展与必经之路。“智慧水务”理念的提出，目的在于以科技引领现代化水务工作新进展，极大改善水务行业的管理职能与服务水平，保障水务可持续发展[4.5]。
宏观上来讲，我国水务部门信息化进程可以分为三个阶段，即：自动化、数字化和智慧化。当下，我国相当数量的水务部门的信息化发展正在走一条由数字化水务阶段向智慧化水务阶段跨越的路线。智慧水务是水务部门信息化的高级阶段。以经过处理的感知数据为基础，实现大数据时代下对数据的智能分析，进而实现水务管理工作中各环节的准确化、细致化，也就是所说的“智能”化。
4.2天津市水务信息控制化现状
“十二五”时期，天津水务以经济社会发展大局为中心，不断深化改革、锐意进取，一直保持着良好的发展态势，累计完成投资 800 亿元，总共实施了 8 大类 53 项工程，水环境与水生态、防洪减灾、水资源及城乡供水、农村水利、水务社会管理、水资源管理等 6 大水务体系初步建成，保障了天津市经济社会的良性快速发展。
天津市水务信息化建设和管理进一步加强，建成了较为完善的通信与网络体系，开发了综合办公、防汛抗旱指挥、工程建设、供水、城市排水、农村水利、水文水资源等多项业务管理信息系统。
4.3运用信息论和控制论优化工程设计
区别于传统水利工程设计，现代水利不仅止步于改造自然，更重视对人文、社会的影响和促进。一方面为响应“智慧城市”的发展，另一方面也是新型水利适应社会快速发展的内部需求，水利信息化和远程控制迅速发展。将信息论和控制论运用于工程设计领域，建立一系列数据库，使得工程设计过程中的资料搜集、分析、整理工作简明、准确、实时；运用云计算和智能算法，使得模型优化快速、合理；利用大数据和远程控制技术，优化管理调度准则，达到系统效益最优。
随着“十三五”水专项的开展，一系列研究课题已经展开，根据水专项的大纲，在不远的将来，有望充分利用已有信息化建设成果，按照“深度融合、全面共享”的指导思想，以物联网、云计算、大数据等高新技术为主导，以“自然-人工”二元水循环理论为指导，以计算机通信网络和各采集控制终端为基础，建设基于云计算大数据中心的、一体的智能化水务综合管理体系，基本实现信息数字化、控制自动化、决策智能化，使得感知内容全覆盖，采集信息全掌握，传输时间全天候，应用贯穿全过程，服务形式全途径。
5、结论
随着社会的发展，工程设计，特别是水利工程设计，与自然、社会各方面的联系密不可分，是一个多方面互相影响的复杂系统。运用系统论、信息论和控制论的观点来分析，新时期下的水利工程设计将达到以下目标：进一步提升水资源配置利用水平，全面推进节水型社会建设；加快推进水生态文明建设，加强水资源保护，完善城市大生态体系，改善城乡水体环境，加快推进水生态文明建设，将水务工程建设与生态环境和城市文化有机融合；保障与改善民生，洪涝兼治，蓄泄兼筹，“防得固、蓄得住、排得出”；加强和创新管理水平，提高运行管理的效率和水平。
参考文献：
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[2]王超.海河流域地下水资源管理问题及对策研究[D].天津大学，2013.
[3]徐静，陈秀万.数字城市与智慧城市比较研究[J].图书馆理论与实践，2013（11）：13-15.
[4]刘梅，闫健卓，于涌川.北京“智慧水务”框架下的数据资源体系研究[J].水利信息化，2014（4）：5-10.
[5]李树石.智慧水务建设方案探讨[J].硅谷，2015（1）：187-188.