水庫(kù)預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)軟件框架研究

李 丹

(湖北省水利水電科學(xué)研究院 信息技術(shù)部，湖北 武漢 430070)

水庫(kù)預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)軟件框架研究

李 丹

(湖北省水利水電科學(xué)研究院 信息技術(shù)部，湖北 武漢 430070)

水庫(kù)湖泊在防洪、灌溉、發(fā)電、城鄉(xiāng)供水、航運(yùn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面發(fā)揮著重要作用，是防汛工程體系和水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。對(duì)水庫(kù)預(yù)警平臺(tái)進(jìn)行研究，力爭(zhēng)提高水庫(kù)湖泊管理能力，有效防御洪水災(zāi)害，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全和水資源安全，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

B/S；C/S；預(yù)警平臺(tái)；動(dòng)態(tài)監(jiān)控

0 引言

為了加強(qiáng)對(duì)水庫(kù)湖泊的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，保證通信暢通，防汛命令能迅速下達(dá)，重要汛情及時(shí)查詢或上報(bào)各級(jí)三防部門(mén)，及時(shí)發(fā)布洪水警報(bào)與收集反饋信息，最大限度避免或較少發(fā)生水庫(kù)湖泊失事，同時(shí)在出現(xiàn)旱情時(shí)，能夠及時(shí)掌握水庫(kù)庫(kù)容信息，為抗旱提供決策參考，建設(shè)水庫(kù)預(yù)警平臺(tái)是非常必要的[1]。

1 水庫(kù)預(yù)警平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)劃分為信息采集系統(tǒng)、通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)報(bào)預(yù)警平臺(tái)等4部分。各水庫(kù)現(xiàn)地測(cè)站將水庫(kù)水位、雨量等測(cè)站數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS/CDMA/GSM傳輸至水情分中心，經(jīng)數(shù)據(jù)接收服務(wù)器接收后存儲(chǔ)在水情分中心監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份；各水庫(kù)、湖泊現(xiàn)地測(cè)站將水庫(kù)滲流滲壓、水質(zhì)、湖泊等測(cè)站數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS/CDMA/GSM傳輸至中心站，經(jīng)數(shù)據(jù)接收服務(wù)器接收后存儲(chǔ)在中心站監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份；水雨情信息在水情分中心通過(guò)水利專(zhuān)網(wǎng)傳輸至中心站。

2 水庫(kù)預(yù)警平臺(tái)總體框架

水庫(kù)預(yù)警平臺(tái)建設(shè)涉及到水雨情、大壩監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、湖泊監(jiān)測(cè)等信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)，以及信息管理系統(tǒng)建設(shè)等，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)各種采集數(shù)據(jù)的整合與各類(lèi)分析方法的融合，為水庫(kù)防汛、抗旱預(yù)警提供支持信息等。其總體框架結(jié)構(gòu)組成包括信息采集傳輸、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用支撐、業(yè)務(wù)應(yīng)用、應(yīng)用交互等6個(gè)層面。系統(tǒng)由信息采集與傳輸系統(tǒng)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以網(wǎng)絡(luò)、安全、存儲(chǔ)、操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟硬件為基礎(chǔ)，以建設(shè)和開(kāi)發(fā)各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，以統(tǒng)一應(yīng)用支撐平臺(tái)為框架，以開(kāi)發(fā)各類(lèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)為關(guān)鍵，以信息安全體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系為保障，為各級(jí)管理部門(mén)、社會(huì)公眾提供服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)水庫(kù)管理工作的互聯(lián)互通、信息共享、業(yè)務(wù)協(xié)同。這6個(gè)層面、兩大保障體系共同構(gòu)成系統(tǒng)的總體框架，如圖1所示。

3 水庫(kù)預(yù)警平臺(tái)軟件主要技術(shù)

從應(yīng)用角度看，目前的主要應(yīng)用體系架構(gòu)包括C/S架構(gòu)、B/S架構(gòu)以及B/S和C/S混合架構(gòu)3種主流應(yīng)用體系，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)[2]。在選擇應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，主要從本系統(tǒng)的用戶地理分布、應(yīng)用系統(tǒng)功能要求以及運(yùn)行維護(hù)等幾方面綜合考慮。從目前應(yīng)用系統(tǒng)的需求看，采用B/S體系架構(gòu)完全能勝任應(yīng)用系統(tǒng)各功能的實(shí)現(xiàn)。因此，根據(jù)本系統(tǒng)的具體應(yīng)用特點(diǎn)，系統(tǒng)的應(yīng)用體系架構(gòu)選擇采用B/S模式[3]。

4 水庫(kù)預(yù)警平臺(tái)軟件架構(gòu)

水庫(kù)預(yù)警平臺(tái)分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層訪問(wèn)層，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

圖2 系統(tǒng)軟件邏輯結(jié)構(gòu)

5 水庫(kù)預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)功能

平臺(tái)包括6個(gè)模塊，分別是實(shí)時(shí)信息、基本信息、調(diào)度管理、洪水預(yù)報(bào)、運(yùn)行管理、系統(tǒng)管理，這些模塊共同完成相應(yīng)的監(jiān)視和信息展示功能，系統(tǒng)功能總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能總體結(jié)構(gòu)

(1)實(shí)時(shí)信息。實(shí)現(xiàn)地圖瀏覽，在登錄用戶權(quán)限的轄區(qū)查詢水庫(kù)空間信息。默認(rèn)地圖區(qū)域?yàn)橐瞬型暾貓D，并標(biāo)識(shí)所有水庫(kù)點(diǎn)，地圖左側(cè)區(qū)域顯示按行政區(qū)劃及水庫(kù)類(lèi)型的水庫(kù)列表導(dǎo)航。單擊列表中的水庫(kù)，地圖窗口區(qū)域自動(dòng)定位到該水庫(kù)位置，并彈出窗口顯示水庫(kù)名稱(chēng)、所在位置、最新水庫(kù)監(jiān)控照片、基本信息(承雨面積、總庫(kù)容、正常蓄水位、汛限水位、死水位)，以及實(shí)時(shí)信息(24小時(shí)降雨、實(shí)時(shí)庫(kù)容、實(shí)時(shí)庫(kù)水位、汛限水位、死水位)。點(diǎn)擊“更多信息”，系統(tǒng)可跳轉(zhuǎn)到水庫(kù)信息查看功能[4]。

(2)基本信息。具體包括：①水庫(kù)介紹。顯示水庫(kù)基本情況介紹，包括水庫(kù)的全貌照片、水庫(kù)工程情況等。同時(shí)實(shí)現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；②水庫(kù)基本信息。以水庫(kù)注冊(cè)登記表模板來(lái)顯示水庫(kù)基本信息，包括：工程概況、所在地點(diǎn)、所在河流、集水面積、建設(shè)情況、加固情況、水文特征、水庫(kù)特征、主壩、副壩、效益、管理情況、工程觀測(cè)、運(yùn)行管理等。同時(shí)實(shí)現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；③監(jiān)測(cè)設(shè)備信息。顯示水庫(kù)水雨情監(jiān)測(cè)、大壩安全監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝布置情況。同時(shí)實(shí)現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；④除險(xiǎn)加固。主要是對(duì)規(guī)劃內(nèi)病險(xiǎn)水庫(kù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、加固進(jìn)度、投資情況、資金落實(shí)情況、設(shè)計(jì)變更情況、安全鑒定情況進(jìn)行填報(bào)、核查和查詢；⑤安全鑒定。主要是顯示水庫(kù)的安全鑒定信息，包括安全鑒定日期、報(bào)告內(nèi)容、安全鑒定結(jié)論等。同時(shí)實(shí)現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；⑥調(diào)度信息。包括調(diào)度規(guī)程、防汛調(diào)度、防汛搶險(xiǎn)、安全管理等信息。同時(shí)實(shí)現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；⑦曲線圖。主要是顯示水庫(kù)庫(kù)容關(guān)系、水位泄流關(guān)系曲線圖。同時(shí)實(shí)現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；⑧圖件資料。主要是顯示水庫(kù)平面布置圖、大壩橫斷面圖、大壩縱斷面圖、溢洪道縱斷面圖、輸水管縱斷面圖等圖件。同時(shí)實(shí)現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；⑨照片。主要是顯示水庫(kù)全景照片、關(guān)鍵部位照片等。同時(shí)實(shí)現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能。

(3)洪水預(yù)報(bào)。水庫(kù)上游無(wú)重要的蓄水工程，來(lái)水主要考慮上游降雨和水庫(kù)集雨面積范圍內(nèi)的降雨量，并考慮蒸發(fā)及其它影響因子，建立各水庫(kù)的降雨—徑流經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型或單位線匯流模型，對(duì)水庫(kù)來(lái)水量進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；根據(jù)水庫(kù)調(diào)洪演算調(diào)度規(guī)則與入庫(kù)來(lái)水過(guò)程，制定水庫(kù)防洪方案。

水庫(kù)來(lái)水預(yù)報(bào)的任務(wù)是分析研究、掌握運(yùn)用水文氣象的客觀規(guī)律，預(yù)測(cè)未來(lái)河道或水庫(kù)徑流變化。實(shí)際上，待預(yù)測(cè)的期間來(lái)水量成因十分復(fù)雜，受天氣、氣象、自然地理特性和人類(lèi)活動(dòng)等因素影響，既有確定性規(guī)律，又有隨機(jī)性和模糊性規(guī)律。采用南方地區(qū)運(yùn)用較為成熟的新安江水文模型、降雨—徑流經(jīng)驗(yàn)關(guān)系以及單位線匯流等方法進(jìn)行來(lái)水量預(yù)測(cè)也取得了較好效果。預(yù)測(cè)效果主要取決于歷史資料是否充分。因此，在大量收集分析歷史資料的基礎(chǔ)上，利用產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)模型計(jì)算水庫(kù)上游來(lái)水過(guò)程，編制洪水預(yù)報(bào)方案，最后形成水庫(kù)防洪調(diào)度決策方案。

洪水預(yù)報(bào)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)，內(nèi)嵌新安江模型和降雨徑流預(yù)報(bào)模型，其模型參數(shù)可以通過(guò)人機(jī)交互設(shè)置，具有分析和處理信息的能力，集專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)、人工智能和數(shù)學(xué)模型于一體，既具備信息、數(shù)據(jù)的通訊與交換功能，又具有優(yōu)化決策管理的高級(jí)功能。

洪水預(yù)報(bào)還具有整點(diǎn)自動(dòng)預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、假設(shè)預(yù)報(bào)、結(jié)果輸出、資料檢索等功能：①整點(diǎn)自動(dòng)預(yù)報(bào)：根據(jù)遙測(cè)系統(tǒng)測(cè)量得到的區(qū)域降雨量(時(shí)段為1小時(shí))，預(yù)報(bào)系統(tǒng)不需人工干預(yù)，自動(dòng)作出各個(gè)預(yù)報(bào)斷面的洪水預(yù)報(bào)；②實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)：根據(jù)用戶需要和遙測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的區(qū)域降雨量(時(shí)段為1小時(shí)或用戶確認(rèn)的其它時(shí)段)作出各個(gè)預(yù)報(bào)斷面的洪水預(yù)報(bào)；③假設(shè)預(yù)報(bào)：用戶可以根據(jù)氣象預(yù)報(bào)或假設(shè)未來(lái)的降雨形勢(shì)，包括總降雨量及其時(shí)空分布情況，在當(dāng)前土壤含水量及其河道底水的條件下，作出各個(gè)預(yù)報(bào)斷面的洪水預(yù)報(bào)，為應(yīng)急系統(tǒng)提供決策支持；④結(jié)果輸出：對(duì)預(yù)報(bào)成果進(jìn)行圖形和報(bào)表顯示，并打印輸出，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以及暴雨、徑流、洪峰流量的頻率估計(jì)；⑤資料檢索：具有較為完善的實(shí)時(shí)水雨情信息、天氣信息與歷史洪水資料檢索功能，實(shí)現(xiàn)了圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)的密切結(jié)合。

水庫(kù)來(lái)水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型主要由模型輸入數(shù)據(jù)、模型計(jì)算方法、模型輸出結(jié)果等部分組成。模型輸入數(shù)據(jù)主要包括計(jì)算分區(qū)劃定、計(jì)算分區(qū)內(nèi)控制站分布、流域水文數(shù)據(jù)、區(qū)域氣象因子以及流域其它因子等；預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法主要包括新安江水文模型及水庫(kù)入庫(kù)流量預(yù)報(bào)模型；模型輸出主要為各計(jì)算單元、控制站的預(yù)報(bào)流量過(guò)程。其模型參數(shù)的設(shè)置與獲得過(guò)如下：

(1)模型參數(shù)設(shè)置。根據(jù)水庫(kù)需求設(shè)置新安江模型初始值、模型參數(shù)、各個(gè)測(cè)點(diǎn)權(quán)重系數(shù)、日蒸發(fā)參數(shù)、平均蒸發(fā)參數(shù)。日蒸發(fā)系數(shù)和平均蒸發(fā)系數(shù)的選定是根據(jù)水庫(kù)的具體情況進(jìn)行選擇。水庫(kù)安排專(zhuān)管人員每天進(jìn)行蒸發(fā)記錄錄入，即是采用日蒸發(fā)參數(shù)，否則利用統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得出該流域每月的平均蒸發(fā)量，采用對(duì)應(yīng)的平均值參與模型計(jì)算[5]。

(2)模型參數(shù)獲得。具體方式如下：①以年為單位率定：以年為單位率定模型參數(shù)。當(dāng)水庫(kù)歷史洪水記錄是歷年連續(xù)的，且比較完整，則使用當(dāng)前的預(yù)報(bào)模型和模型參數(shù)，對(duì)每年的洪水歷史記錄進(jìn)行洪水模擬計(jì)算，比較分析當(dāng)前模型計(jì)算結(jié)果和歷史洪水記錄結(jié)果，對(duì)模型的初始參數(shù)和模型參數(shù)進(jìn)行校核率定，使計(jì)算結(jié)果和歷史記錄相接近或吻合，從而提高預(yù)報(bào)精確度；②以洪水場(chǎng)次率定：當(dāng)水庫(kù)歷史洪水記錄不是很完整，則使用當(dāng)前的預(yù)報(bào)模型和模型參數(shù)，對(duì)特定場(chǎng)次的洪水進(jìn)行模擬計(jì)算。比較分析當(dāng)前模型的計(jì)算結(jié)果和歷史洪水記錄結(jié)果，對(duì)模型的初始參數(shù)和模型參數(shù)進(jìn)行校核率定，使計(jì)算結(jié)果和歷史記錄相接近或吻合，從而提高預(yù)報(bào)精確度。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著云計(jì)算應(yīng)用的普及，水庫(kù)預(yù)警平臺(tái)是對(duì)水庫(kù)管理平臺(tái)的進(jìn)一步提升[6-7]，其主要功能是對(duì)水庫(kù)水位及未來(lái)洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)。然而，受到現(xiàn)有數(shù)據(jù)精確性、歷史數(shù)據(jù)完整性和模型精度的影響，其預(yù)測(cè)往往不是非常準(zhǔn)確。因此，提升模型的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度將是后續(xù)工作的研究重點(diǎn)。

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(責(zé)任編輯：黃 健)

李丹(1981-)，男，湖北武漢人，碩士，湖北省水利水電科學(xué)研究院信息技術(shù)部高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗畔⒒夹g(shù)及應(yīng)用。

10.11907/rjdk.171168

TP319

A

1672-7800(2017)003-0080-03