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)

水庫預(yù)警平臺系統(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)

水庫湖泊在防洪、灌溉、發(fā)電、城鄉(xiāng)供水、航運和水產(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。對水庫預(yù)警平臺進行研究，力爭提高水庫湖泊管理能力，有效防御洪水災(zāi)害，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，保障人民生命財產(chǎn)安全和水資源安全，促進區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

B/S；C/S；預(yù)警平臺；動態(tài)監(jiān)控

0 引言

為了加強對水庫湖泊的動態(tài)監(jiān)控，保證通信暢通，防汛命令能迅速下達，重要汛情及時查詢或上報各級三防部門，及時發(fā)布洪水警報與收集反饋信息，最大限度避免或較少發(fā)生水庫湖泊失事，同時在出現(xiàn)旱情時，能夠及時掌握水庫庫容信息，為抗旱提供決策參考，建設(shè)水庫預(yù)警平臺是非常必要的[1]。

1 水庫預(yù)警平臺設(shè)計思路

系統(tǒng)劃分為信息采集系統(tǒng)、通信及計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、自動測報預(yù)警平臺等4部分。各水庫現(xiàn)地測站將水庫水位、雨量等測站數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA/GSM傳輸至水情分中心，經(jīng)數(shù)據(jù)接收服務(wù)器接收后存儲在水情分中心監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫中，同時對數(shù)據(jù)進行備份；各水庫、湖泊現(xiàn)地測站將水庫滲流滲壓、水質(zhì)、湖泊等測站數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA/GSM傳輸至中心站，經(jīng)數(shù)據(jù)接收服務(wù)器接收后存儲在中心站監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫中，同時對數(shù)據(jù)進行備份；水雨情信息在水情分中心通過水利專網(wǎng)傳輸至中心站。

2 水庫預(yù)警平臺總體框架

水庫預(yù)警平臺建設(shè)涉及到水雨情、大壩監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、湖泊監(jiān)測等信息的采集、傳輸、存儲，以及信息管理系統(tǒng)建設(shè)等，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)各種采集數(shù)據(jù)的整合與各類分析方法的融合，為水庫防汛、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個層面。系統(tǒng)由信息采集與傳輸系統(tǒng)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，以網(wǎng)絡(luò)、安全、存儲、操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟硬件為基礎(chǔ)，以建設(shè)和開發(fā)各類數(shù)據(jù)庫為核心，以統(tǒng)一應(yīng)用支撐平臺為框架，以開發(fā)各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)為關(guān)鍵，以信息安全體系、標準規(guī)范體系為保障，為各級管理部門、社會公眾提供服務(wù)，從而實現(xiàn)水庫管理工作的互聯(lián)互通、信息共享、業(yè)務(wù)協(xié)同。這6個層面、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 水庫預(yù)警平臺軟件主要技術(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[2]。在選擇應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)時，主要從本系統(tǒng)的用戶地理分布、應(yīng)用系統(tǒng)功能要求以及運行維護等幾方面綜合考慮。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)各功能的實現(xiàn)。因此，根據(jù)本系統(tǒng)的具體應(yīng)用特點，系統(tǒng)的應(yīng)用體系架構(gòu)選擇采用B/S模式[3]。

4 水庫預(yù)警平臺軟件架構(gòu)

水庫預(yù)警平臺分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層訪問層，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 水庫預(yù)警平臺系統(tǒng)功能

平臺包括6個模塊，分別是實時信息、基本信息、調(diào)度管理、洪水預(yù)報、運行管理、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)實時信息。實現(xiàn)地圖瀏覽，在登錄用戶權(quán)限的轄區(qū)查詢水庫空間信息。默認地圖區(qū)域為宜昌市完整地圖，并標識所有水庫點，地圖左側(cè)區(qū)域顯示按行政區(qū)劃及水庫類型的水庫列表導(dǎo)航。單擊列表中的水庫，地圖窗口區(qū)域自動定位到該水庫位置，并彈出窗口顯示水庫名稱、所在位置、最新水庫監(jiān)控照片、基本信息(承雨面積、總庫容、正常蓄水位、汛限水位、死水位)，以及實時信息(24小時降雨、實時庫容、實時庫水位、汛限水位、死水位)。點擊“更多信息”，系統(tǒng)可跳轉(zhuǎn)到水庫信息查看功能[4]。

(2)基本信息。具體包括：①水庫介紹。顯示水庫基本情況介紹，包括水庫的全貌照片、水庫工程情況等。同時實現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；②水庫基本信息。以水庫注冊登記表模板來顯示水庫基本信息，包括：工程概況、所在地點、所在河流、集水面積、建設(shè)情況、加固情況、水文特征、水庫特征、主壩、副壩、效益、管理情況、工程觀測、運行管理等。同時實現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；③監(jiān)測設(shè)備信息。顯示水庫水雨情監(jiān)測、大壩安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備的安裝布置情況。同時實現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；④除險加固。主要是對規(guī)劃內(nèi)病險水庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、加固進度、投資情況、資金落實情況、設(shè)計變更情況、安全鑒定情況進行填報、核查和查詢；⑤安全鑒定。主要是顯示水庫的安全鑒定信息，包括安全鑒定日期、報告內(nèi)容、安全鑒定結(jié)論等。同時實現(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、安全管理等信息。同時實現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；⑦曲線圖。主要是顯示水庫庫容關(guān)系、水位泄流關(guān)系曲線圖。同時實現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；⑧圖件資料。主要是顯示水庫平面布置圖、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。同時實現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能；⑨照片。主要是顯示水庫全景照片、關(guān)鍵部位照片等。同時實現(xiàn)編輯、導(dǎo)入等功能。

(3)洪水預(yù)報。水庫上游無重要的蓄水工程，來水主要考慮上游降雨和水庫集雨面積范圍內(nèi)的降雨量，并考慮蒸發(fā)及其它影響因子，建立各水庫的降雨—徑流經(jīng)驗關(guān)系模型或單位線匯流模型，對水庫來水量進行預(yù)測預(yù)報；根據(jù)水庫調(diào)洪演算調(diào)度規(guī)則與入庫來水過程，制定水庫防洪方案。

水庫來水預(yù)報的任務(wù)是分析研究、掌握運用水文氣象的客觀規(guī)律，預(yù)測未來河道或水庫徑流變化。實際上，待預(yù)測的期間來水量成因十分復(fù)雜，受天氣、氣象、自然地理特性和人類活動等因素影響，既有確定性規(guī)律，又有隨機性和模糊性規(guī)律。采用南方地區(qū)運用較為成熟的新安江水文模型、降雨—徑流經(jīng)驗關(guān)系以及單位線匯流等方法進行來水量預(yù)測也取得了較好效果。預(yù)測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)報模型計算水庫上游來水過程，編制洪水預(yù)報方案，最后形成水庫防洪調(diào)度決策方案。

洪水預(yù)報基于實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和模型庫，內(nèi)嵌新安江模型和降雨徑流預(yù)報模型，其模型參數(shù)可以通過人機交互設(shè)置，具有分析和處理信息的能力，集專家經(jīng)驗、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)化決策管理的高級功能。

洪水預(yù)報還具有整點自動預(yù)報、實時預(yù)報、假設(shè)預(yù)報、結(jié)果輸出、資料檢索等功能：①整點自動預(yù)報：根據(jù)遙測系統(tǒng)測量得到的區(qū)域降雨量(時段為1小時)，預(yù)報系統(tǒng)不需人工干預(yù)，自動作出各個預(yù)報斷面的洪水預(yù)報；②實時預(yù)報：根據(jù)用戶需要和遙測系統(tǒng)測量的區(qū)域降雨量(時段為1小時或用戶確認的其它時段)作出各個預(yù)報斷面的洪水預(yù)報；③假設(shè)預(yù)報：用戶可以根據(jù)氣象預(yù)報或假設(shè)未來的降雨形勢，包括總降雨量及其時空分布情況，在當前土壤含水量及其河道底水的條件下，作出各個預(yù)報斷面的洪水預(yù)報，為應(yīng)急系統(tǒng)提供決策支持；④結(jié)果輸出：對預(yù)報成果進行圖形和報表顯示，并打印輸出，進行統(tǒng)計分析，以及暴雨、徑流、洪峰流量的頻率估計；⑤資料檢索：具有較為完善的實時水雨情信息、天氣信息與歷史洪水資料檢索功能，實現(xiàn)了圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)的密切結(jié)合。

水庫來水預(yù)測預(yù)報模型主要由模型輸入數(shù)據(jù)、模型計算方法、模型輸出結(jié)果等部分組成。模型輸入數(shù)據(jù)主要包括計算分區(qū)劃定、計算分區(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)測預(yù)報方法主要包括新安江水文模型及水庫入庫流量預(yù)報模型；模型輸出主要為各計算單元、控制站的預(yù)報流量過程。其模型參數(shù)的設(shè)置與獲得過如下：

(1)模型參數(shù)設(shè)置。根據(jù)水庫需求設(shè)置新安江模型初始值、模型參數(shù)、各個測點權(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)水庫的具體情況進行選擇。水庫安排專管人員每天進行蒸發(fā)記錄錄入，即是采用日蒸發(fā)參數(shù)，否則利用統(tǒng)計計算，得出該流域每月的平均蒸發(fā)量，采用對應(yīng)的平均值參與模型計算[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)。當水庫歷史洪水記錄是歷年連續(xù)的，且比較完整，則使用當前的預(yù)報模型和模型參數(shù)，對每年的洪水歷史記錄進行洪水模擬計算，比較分析當前模型計算結(jié)果和歷史洪水記錄結(jié)果，對模型的初始參數(shù)和模型參數(shù)進行校核率定，使計算結(jié)果和歷史記錄相接近或吻合，從而提高預(yù)報精確度；②以洪水場次率定：當水庫歷史洪水記錄不是很完整，則使用當前的預(yù)報模型和模型參數(shù)，對特定場次的洪水進行模擬計算。比較分析當前模型的計算結(jié)果和歷史洪水記錄結(jié)果，對模型的初始參數(shù)和模型參數(shù)進行校核率定，使計算結(jié)果和歷史記錄相接近或吻合，從而提高預(yù)報精確度。

6 結(jié)語

隨著云計算應(yīng)用的普及，水庫預(yù)警平臺是對水庫管理平臺的進一步提升[6-7]，其主要功能是對水庫水位及未來洪水進行預(yù)報。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)測往往不是非常準確。因此，提升模型的預(yù)測精準度將是后續(xù)工作的研究重點。

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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)部高級工程師，研究方向為水利信息化技術(shù)及應(yīng)用。

10.11907/rjdk.171168

TP319

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1672-7800(2017)003-0080-03