嫩江右側(cè)主要支流洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黎世忠，楊斌斌

（1.德惠市水利局，吉林 德惠 130300；2.松遼水利委員會(huì)水文局（信息中心），吉林 長春 130021）

0 引言

嫩江右側(cè)主要支流水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)的主要目的是為了滿足尼爾基水庫補(bǔ)償湊泄預(yù)報(bào)調(diào)度的要求以及嫩江下游蓄滯洪區(qū)洪水調(diào)度的需要，為松花江流域和尼爾基水庫防洪調(diào)度提供科學(xué)的決策依據(jù)。

嫩江右側(cè)主要支流洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是：基于現(xiàn)有報(bào)汛站、新建站，以實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫、歷史水情數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，選用適合流域特點(diǎn)的水文模型，編制實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)方案，同時(shí)以DEM數(shù)字高程模型、先進(jìn)的雨量查補(bǔ)技術(shù)、實(shí)時(shí)校正技術(shù)為輔助手段，依托計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，遵循水利部統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)，開發(fā)集預(yù)報(bào)與調(diào)洪演算為一體的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，有效提高嫩江右側(cè)主要支流洪水預(yù)報(bào)的精度和預(yù)見期，為松遼委防汛抗旱和水資源管理提供科學(xué)、合理的洪水預(yù)測預(yù)報(bào)和調(diào)洪成果。

1 系統(tǒng)的總體框架

在洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)和客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）結(jié)構(gòu)混合的異構(gòu)軟件體系結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的C/S體系結(jié)構(gòu)（無論是二層還是多層）和新興的B/S體系結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中揚(yáng)長避短，由單位內(nèi)部人員使用的模塊采用C/S結(jié)構(gòu)，由各級領(lǐng)導(dǎo)及查詢?nèi)藛T使用的模塊采用B/S結(jié)構(gòu)。

外部用戶不直接訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，能保證數(shù)據(jù)庫的相對安全。內(nèi)部用戶的交互性較強(qiáng)，數(shù)據(jù)查詢和修改的響應(yīng)速度較快。同時(shí)，C/S與B/S混合軟件體系結(jié)構(gòu)，能節(jié)省開發(fā)和維護(hù)成本，使系統(tǒng)具有良好的開放性，易擴(kuò)展性，便于移植等優(yōu)點(diǎn)。

嫩右洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的總體邏輯結(jié)構(gòu)框架可分以為3個(gè)層次：人機(jī)交互層、系統(tǒng)應(yīng)用層和系統(tǒng)支撐層。人機(jī)交互層是嫩右洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)與業(yè)務(wù)分析人員、決策分析人員和高層決策者進(jìn)行交互的層；系統(tǒng)應(yīng)用層完成洪水預(yù)報(bào)作業(yè)過程中各個(gè)階段、各個(gè)環(huán)節(jié)的多種信息需求和分析處理；系統(tǒng)支撐層主要是對各種水雨工情數(shù)據(jù)、模型、方法、知識、圖形、空間信息等進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)的總體邏輯結(jié)構(gòu)框架見圖1。

圖1 系統(tǒng)的總體邏輯結(jié)構(gòu)框架

2 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)

面向?qū)ο缶幊淌强紤]要開發(fā)的問題空間的一種方法，是把系統(tǒng)分解到組件，考慮組件之間的相互交互，這些組件稱為對象，包括與系統(tǒng)中其他組件交互所需的數(shù)據(jù)與編程邏輯分開考慮。面向?qū)ο缶幊痰幕舅悸肥窍到y(tǒng)中的一切都是對象，這些對象具有封裝性、繼承性、可復(fù)用性，極大地提高了面向?qū)ο笙到y(tǒng)的可擴(kuò)充性和可復(fù)用性。在全面分析洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用抽象、聚類、分解等信息建模方法，定義了水文模型及其參數(shù)率定方法。

水文模型的選擇是洪水預(yù)報(bào)的關(guān)鍵問題，目前廣泛使用的概念性模型主要有新安江模型、API模型、Tank模型、大伙房模型等等，系統(tǒng)目前使用的模型是三水源新安江模型。但是為了保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可移植性，必須使系統(tǒng)兼容不同的水文模型，而每種模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)卻有很大差別，不可能用同一模型函數(shù)加以實(shí)現(xiàn)，因此需要對各種水文模型的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行抽象，從接口的層面上定義模型。系統(tǒng)定義了HydrologicModel接口，其靜態(tài)UML如圖2，不同的水文模型只需要實(shí)現(xiàn)此接口中的各個(gè)方法。開發(fā)者只需要對HydrologicModel接口進(jìn)行編程，而并不需要關(guān)心模型的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，通過這種方法水文模型可以被輕易地移植、重用和擴(kuò)展。

系統(tǒng)在進(jìn)行參數(shù)自動(dòng)率定時(shí)，常用的參數(shù)率定方法主要有SCE-UA算法、遺傳算法、離子群算法、Rosenbroke算法等。該系統(tǒng)采用的是SCE-UA算法，在對三水源新安江模型進(jìn)行參數(shù)率定時(shí)效果比較理想。但是由于不同的率定算法對于不同的水文模型在計(jì)算效率和精度上差別較大，為了使開發(fā)者今后能夠?qū)β识ǚ椒ㄟM(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展以便進(jìn)行比較分析，系統(tǒng)仍然在算法結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了抽象接口設(shè)計(jì)。系統(tǒng)定義了CalibrateMethod接口，其靜態(tài)UML如圖3。編程者如果今后要對率定算法進(jìn)行擴(kuò)展只需要實(shí)現(xiàn)此接口。

圖2 水文模型對象描述

圖3 率定方法對象描述

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)原則

數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，為所有功能提供信息支撐，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫要從上到下，從高到低，從整體到局部，采用面向?qū)ο蟮姆椒▉碓O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，使數(shù)據(jù)庫模塊化，降低耦合性，方便以后的功能擴(kuò)展或功能模塊的移植。本次開發(fā)從便于處理大量水文時(shí)間序列，支持多用戶、多方案操作的角度對數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)，主要遵循了以下原則：

1）實(shí)用性原則：滿足各工作環(huán)節(jié)的需求，充分考慮用戶的一般要求和特殊要求，數(shù)據(jù)的取舍、關(guān)系的建立應(yīng)符合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)際需求。

2）可靠性原則：數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)、屬性(字段)的定義完整、明確、界限清晰，保證用戶能方便、準(zhǔn)確地采集和查詢數(shù)據(jù)。盡可能遵從第三范式要求，減少數(shù)據(jù)冗余度，確保數(shù)據(jù)一致性，提高查詢速度和系統(tǒng)的可靠性。

3）先進(jìn)性原則：盡可能采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫技術(shù)，保證設(shè)計(jì)的先進(jìn)性。必要時(shí)，適當(dāng)放寬規(guī)范化要求和冗余度要求。

4）標(biāo)準(zhǔn)化原則：類別界定清晰，定義明確(無二義性)，字段說明翔實(shí)。術(shù)語的采用，定義盡可能符合有關(guān)國家和行業(yè)規(guī)范，對沒有國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是使用頻繁、數(shù)據(jù)量多的字段，或經(jīng)常需要進(jìn)行排序、統(tǒng)計(jì)的字段，定義本系統(tǒng)內(nèi)統(tǒng)一的代碼規(guī)則和代碼表。

5）開放性原則：數(shù)據(jù)庫能夠靈活地進(jìn)一步擴(kuò)展，滿足洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)的發(fā)展。

4 結(jié)語

1）系統(tǒng)堅(jiān)持實(shí)用性、可靠性、先進(jìn)性、開放性的原則，做到通用性強(qiáng)，界面清晰，接口標(biāo)準(zhǔn)，操作簡便；系統(tǒng)充分吸收國內(nèi)外成熟的經(jīng)驗(yàn)，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想和應(yīng)用技術(shù)；系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊要結(jié)構(gòu)化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，形成標(biāo)準(zhǔn)組件。

2）在軟件的開發(fā)過程中，將具有一定功能的程序模塊按照規(guī)范的格式封裝在一個(gè)組件中，并提供給其它的程序使用。在洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，中間件技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)庫之間的同步和一致采用中間件編程的方式實(shí)現(xiàn)；洪水預(yù)報(bào)和調(diào)洪演算模型的調(diào)用采用中間件構(gòu)建。

3）適用于水庫群、多水文模型，避免重復(fù)開發(fā)，節(jié)約成本，達(dá)到資源優(yōu)化配置，同時(shí)也為了便于將來擴(kuò)展到流域管理，系統(tǒng)需要能適用于流域水庫群環(huán)境，而且對于每個(gè)水庫需集成多套水文模型。

4）采用交互式界面設(shè)計(jì)，采用直觀的圖形用戶界面技術(shù)（GUI），信息表達(dá)形象、簡潔、直觀；以電子地圖作為系統(tǒng)背景，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分布式表達(dá)和專業(yè)信息查詢；各模型與系統(tǒng)界面控制程序之間平滑連接；系統(tǒng)操作以菜單、圖形、標(biāo)像等形象化的界面元素為基礎(chǔ)，大多數(shù)操作可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊完成，操作步驟和操作方法更加方便快捷。