陳瑜彬 鄒冰玉 牛文靜 秦昊

摘要：針對目前我國主要流域防洪預報調(diào)度信息化平臺建設中普遍存在的數(shù)據(jù)處理效率低下、資源共享能力偏弱、軟件通用程度欠缺、立體化功能不全等不足，基于面向大數(shù)據(jù)平臺的網(wǎng)絡化服務理念，設計開發(fā)了流域防洪預報調(diào)度一體化系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的總體設計方案，并重點闡述了面向?qū)ο蟮拇髷?shù)據(jù)封裝、河網(wǎng)空間拓撲關系概化、契約模式的網(wǎng)絡服務構(gòu)建以及基于JSON的海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P鍵技術。系統(tǒng)在長江流域防洪預報調(diào)度決策中的成功應用驗證了其可靠性、實用性和擴展性。

關 鍵 詞：洪水預報; 防洪調(diào)度; 預報調(diào)度一體化; 大數(shù)據(jù); 網(wǎng)絡服務; 陸氣耦合

作為國家信息化的重要組成部分、水利現(xiàn)代化的基礎和標志，伴隨著計算機技術的推廣和應用，水利信息化近年來取得了飛速發(fā)展，全國主要流域的防洪預報與水庫調(diào)度系統(tǒng)日益健全、完善，逐步邁向自動化[1-4]。然而，隨著水文氣象數(shù)據(jù)種類繁多且逐年增多、業(yè)務對象不斷擴展且日趨復雜、系統(tǒng)用戶與日劇增且形式多樣，已有信息化平臺建設逐步顯現(xiàn)出數(shù)據(jù)處理效率低下、資源共享能力偏弱、軟件通用程度欠缺、立體化功能不全等不足[5-7]。具體表現(xiàn)在：① 數(shù)據(jù)處理能力偏弱，且缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理標準，而且水利部、流域機構(gòu)以及?。ㄊ校┓姥床块T各自為政，信息共享程度不高，形成了許多信息孤島，難以滿足當前水利信息建設工作中的一體化整體調(diào)控要求;② 兩大業(yè)務系統(tǒng)（洪水預報、防洪調(diào)度）平行式獨立建設，彼此業(yè)務耦合度低，無法滿足水利工程大規(guī)模投產(chǎn)后多阻隔河流防洪調(diào)度業(yè)務需求;③ 系統(tǒng)整體功能不健全、可擴展性不強、用戶處理單一，無法滿足不斷增多且復雜多變的管理層級、業(yè)務對象擴展需求。綜上，如何建設滿足流域洪水預報調(diào)度實際工作需求的一體化集成系統(tǒng)成為我國水利相關從業(yè)人員無法回避的重大實際問題[8-12]。

本次研究基于大數(shù)據(jù)平臺的網(wǎng)絡化服務理念，設計開發(fā)了流域防洪預報調(diào)度一體化系統(tǒng)。通過面向?qū)ο蟮拇髷?shù)據(jù)封裝、河網(wǎng)空間拓撲關系概化、契約模式的網(wǎng)絡服務構(gòu)建以及基于JSON的海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P鍵技術實現(xiàn)了洪水預報與防洪調(diào)度兩大業(yè)務相關海量數(shù)據(jù)的快速處理、分享與分析，提升了調(diào)度方案的在線編制能力，實現(xiàn)了公眾服務的實時擴展。目前，該系統(tǒng)已在長江流域投入使用，為長江流域防洪調(diào)度決策提供了強有力的技術支撐，并推廣應用至廣東省西江、北江、東江、珠江三角洲等10個流域。實例應用表明，該系統(tǒng)有效實現(xiàn)了資源整合與業(yè)務協(xié)同，具有擴展性好、數(shù)據(jù)處理能力強、深度耦合陸氣信息源等特點和優(yōu)勢，可為我國流域防洪調(diào)度管理工作提供切實可行的技術支撐平臺。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

流域防洪預報調(diào)度一體化系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為基礎，以預報調(diào)度計算為核心，以輔助防汛抗旱決策為目標，集中服務于變化環(huán)境下的流域防洪預報調(diào)度管理工作。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、業(yè)務層、應用層和信息安全管理體系等4個部分組成。

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的“地基”，主要負責基礎資料和運行數(shù)據(jù)的存儲、修改等工作，同時為外部數(shù)據(jù)交互提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫訪問接口，并分別通過優(yōu)化前端緩存與連接池來加快數(shù)據(jù)傳輸速度;業(yè)務層是系統(tǒng)中連接“應用層”與“數(shù)據(jù)層”的中間紐帶，負責所有的數(shù)據(jù)處理交換以及業(yè)務規(guī)則的制定調(diào)整，主要功能包括模型計算服務、GIS類服務和資源管理類服務（如短信服務、郵件服務、傳真服務、推送服務）;應用層是系統(tǒng)的“窗口”，主要用于展現(xiàn)相關的用戶管理、業(yè)務計算結(jié)果與信息交互等業(yè)務邏輯，主要功能包括水雨情監(jiān)視、防洪形勢分析、調(diào)度方案生成與評價等;信息安全管理是系統(tǒng)的“護衛(wèi)隊”，通過物理安全、網(wǎng)絡安全、信息安全及安全管理等多方面，為系統(tǒng)可能面臨的病毒泛濫、惡意軟件、信息失控、數(shù)據(jù)中斷等復雜應用環(huán)境提供相應的應急防御措施與安全保障[13-16]。此外，為進一步保障預報調(diào)度決策的信息安全，系統(tǒng)采用細粒度授權(quán)訪問模式與數(shù)據(jù)加密控制等手段，實現(xiàn)用戶權(quán)限與角色、功能緊密掛鉤，切實保障信息服務的可追溯性和底層數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。各模塊彼此關聯(lián)且相對獨立，有效實現(xiàn)邏輯計算業(yè)務與基礎單元的自主劃分與個性化調(diào)整，有效保證系統(tǒng)的安全性、魯棒性與穩(wěn)健性。

1.2 系統(tǒng)部署

為提高多用戶并發(fā)訪問時的計算速度和處理效率，系統(tǒng)采用圖2所示的分布式部署方案，所有服務均部署在分布式計算節(jié)點并利用集群進行統(tǒng)一管理，通過負載均衡機制保證實時響應用戶請求。其中，計算服務器是所有服務的總訪問入口，主要負責分發(fā)服務與管理集群;各計算節(jié)點是具體的處理單元，主要負責相關的洪水預報、防洪調(diào)度及查詢服務。實際應用時，用戶通過客戶端將相關需求傳遞到計算服務器，由計算服務器實時監(jiān)視所有節(jié)點當前運行狀況并從中找到負載最小的節(jié)點分發(fā)請求，當節(jié)點完成計算后逐層將結(jié)果返回用戶。

1.3 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)嚴格遵循國家、行業(yè)技術標準和規(guī)范，利用SOA架構(gòu)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、接口及預報調(diào)度模型方案等多個業(yè)務的松散式集成，具體體現(xiàn)在4個方面：① 結(jié)合《實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標識符》、水情專用數(shù)據(jù)庫以及其他數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，完成了數(shù)據(jù)的標準化集成工作;② 對于需要海量數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)分析的應用，以及自動計算的定時任務，采用數(shù)據(jù)交互的方式，通過消息隊列（MQ）發(fā)送數(shù)據(jù)處理請求，待計算完成后，直接從數(shù)據(jù)庫中獲取計算結(jié)果; ③ 對業(yè)務應用系統(tǒng)中的短信、傳真、郵件等業(yè)務進行應用接口集成，實現(xiàn)了各類業(yè)務的統(tǒng)一管理發(fā)布;④ 在分別開發(fā)完成各業(yè)務功能模塊后，首先按照系統(tǒng)總體架構(gòu)和菜單體系進行無縫集成，然后完成預報模型和方案（主要為模型或方案的參數(shù)）的深度集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源管理類、應用拓展類、業(yè)務支撐類的相對獨立且有彼此耦合。

2 系統(tǒng)構(gòu)建關鍵技術

2.1 面向?qū)ο蟮拇髷?shù)據(jù)封裝技術

水文數(shù)據(jù)體量龐大、來源廣泛、類型繁多，通常涉及水文、氣象、水庫等多個部門，既包括水位、流量、雨量、蒸發(fā)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，又包括輸沙率、河道地形、水文年鑒等半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[17-20]。如目前長江流域每天接收來自長江水利委員會水文局15個分中心、14個?。ㄖ陛犑校┧木?、中國氣象局、湖北省氣象局、三峽梯調(diào)中心、金沙江調(diào)控中心以及各支流集控中心等數(shù)十家單位（部門）的實時觀測數(shù)據(jù)約97萬條，年接收數(shù)據(jù)量約3.54億條。為高效合理使用這些數(shù)據(jù)，滿足預報調(diào)度的使用需求，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)清洗、分析、歸類，采用面向?qū)ο蠹夹g將水文信息封裝為河道、水庫和雨量3個差異較大且彼此關聯(lián)的對象，并在此基礎上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。具體來講，首先將各個對象劃分為相對獨立的基礎單元（如變量數(shù)目、內(nèi)在方法、單元屬性），然后隱蔽數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘、模型計算等技術細節(jié)，只保留有限數(shù)據(jù)接口與外部進行數(shù)據(jù)交互。以圖3所示河道對象為例，通過個性化地封裝其成員屬性基本信息（如站名、站號、站別、防洪信息、歷史信息、實時信息、預報模型）與成員方法（如觸發(fā)式預報計算、專家交互式預報計算、成果保存、成果發(fā)布），既能直觀清晰地描述河道類水文信息，又可協(xié)助系統(tǒng)用戶以按圖索驥的方式快速獲得相關信息，進而顯著增強數(shù)據(jù)信息的可讀性與交互性。

2.2 基于河網(wǎng)空間拓撲關系概化圖的預報調(diào)度一體化技術? 隨著水庫群等水利工程的興建，河流的天然狀態(tài)已逐漸改變，河流上的預報點與調(diào)度點已成為緊密相連、密不可分的兩個關聯(lián)體，以串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)方式存在，相互制約影響，形成牽一發(fā)而動全身的局面。因此，系統(tǒng)針對當前預報與調(diào)度業(yè)務分離信息與模型共享困難、人機交互缺乏人性化、重復開發(fā)難以管理以及實時預報調(diào)度方案制作時效差等一系列弊端，研究提出了基于河網(wǎng)空間拓撲關系概化圖的預報調(diào)度一體化技術，以滿足變化環(huán)境下流域防洪預報調(diào)度的業(yè)務需求。以流域大型水庫、重要水文站、防汛節(jié)點等為關鍵控制斷面，利用空間位置與水力聯(lián)系構(gòu)建形成水庫、湖泊、防洪對象有序關聯(lián)的拓撲關系概化圖，采用通用數(shù)據(jù)接口對數(shù)值天氣預報、降雨徑流模型、洪水演進模型及調(diào)度模型進行無縫耦合處理，實現(xiàn)河系的河庫（湖）聯(lián)動、有序連續(xù)演算的預報調(diào)度一體化功能，從而形成了涵蓋河系概化圖構(gòu)建和預報調(diào)節(jié)點計算的預報調(diào)度一體化技術。詳細介紹如下。

（1） 河系概化圖構(gòu)建。通過分析流域預報節(jié)點、調(diào)度節(jié)點的拓撲關系，明確各節(jié)點對象的鏈接關系，采用對象符號抽象形成表達流域河網(wǎng)關系的有序樹，如圖4（a）所示，然后設置河系概化圖各節(jié)點對象的屬性（如基本信息、防洪信息以及預報調(diào)度模型選擇），并采用靜庫容調(diào)洪演算或水動力學模型實現(xiàn)關鍵控制節(jié)點的調(diào)度計算。

（2） 預報調(diào)度節(jié)點計算。采用樹形分層方法保證關鍵節(jié)點依據(jù)上下游拓撲關系順序計算，具體步驟為：首先根據(jù)樹形結(jié)構(gòu)劃分計算層次，此時計算層數(shù)與樹的深度相同;然后從最高級葉結(jié)點開始，按照從高到低的原則逐級計算至根結(jié)點，其中同一層次的所有節(jié)點同時完成相關計算，下一層次只能在上一層次結(jié)點全部計算完畢后開始。以圖4（b）所示的7層樹形結(jié)構(gòu)為例，將按照“7→6→5→4→3→2→1”次序逐層逐站由流域上游向下游演算。

需要說明的是，在開展預報調(diào)度作業(yè)時，系統(tǒng)可以提供自動、半自動及交互3種計算模式，實現(xiàn)流域內(nèi)河系所有預報、調(diào)度節(jié)點的連續(xù)預報或調(diào)度作業(yè)。其中，自動計算模式對各節(jié)點的中間計算過程不進行干預;半自動計算模式中用戶可以對指定節(jié)點的中間計算過程進行交互式修正;交互計算模式則可對所有節(jié)點的中間計算過程進行人工調(diào)整。

2.3 面向水文預報的網(wǎng)絡服務構(gòu)建技術

為了滿足SOA無狀態(tài)和獨立自治的原則，實現(xiàn)傳統(tǒng)的水文預報程序能夠服務化，系統(tǒng)通過對預報計算模型進行解耦并重新封裝，具體流程為：① 預報計算模型解耦。按照水文預報的流程，將計算過程分解成各個子單元，每個子單元作為單獨的功能封裝成服務進行發(fā)布。每個子單元完全獨立，子單元之間沒有功能和調(diào)用關系上的依賴，同時具有高復用性。② 預報計算模型封裝。封裝的目的是為了讓相互依賴的功能能夠獨立運行。預報模型計算需要進行大量的數(shù)據(jù)庫操作，所以封裝的重點之一是所有模塊都可以獨立的訪問數(shù)據(jù)庫。為提高效率避免數(shù)據(jù)庫連接占用大量時間，采用數(shù)據(jù)庫連接池分配數(shù)據(jù)庫資源，在系統(tǒng)初始化時統(tǒng)一建立連接，當服務需要使用數(shù)據(jù)庫時，直接從連接池中獲取資源，使用完后由連接池回收以便循環(huán)利用。在封裝時，選用了WCF作為服務框架，引入契約模式對預報計算模型進行封裝。WCF是Windows平臺上開發(fā)分布式應用最佳的實踐方式，該框架使用.NET環(huán)境，能夠很好地集成原有C號以及Visual Basic的預報計算程序，同時提供廣泛的網(wǎng)絡服務協(xié)議支持，在安全性上也有相應的模塊作為保證。

所構(gòu)建的網(wǎng)絡服務既可為跨平臺操作系統(tǒng)（如Windows、IOS、Android）提供通用的數(shù)據(jù)接口、確保預報計算的一致性和通用性，又可利用分布式部署方式來確保核心業(yè)務的計算效率，顯著增強系統(tǒng)的擴展性和安全性。

2.4 基于JSON的海量數(shù)據(jù)傳輸技術

考慮到絕大多數(shù)操作系統(tǒng)和硬件設備均支持HTTP協(xié)議，系統(tǒng)選用報文交互方便且支持多終端接口的HTTP協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用類表述性狀態(tài)傳遞（Representational State Transfer，REST）風格調(diào)用服務，即通過URL鏈接發(fā)布相關服務;同時，考慮到標準REST風格無法滿足復雜結(jié)構(gòu)的服務請求，系統(tǒng)采用GET和POST兩種請求完成所需服務操作，其中GET表示發(fā)送參數(shù)僅包含基本數(shù)據(jù)類型的服務，POST表示發(fā)送參數(shù)包含復雜數(shù)據(jù)類型的服務。此外，引入JSON格式傳遞規(guī)模巨大的數(shù)據(jù)以減小不必要的信息量，加快請求的響應速度。在實際應用中，用戶只需向相應URL地址輸入所需參數(shù)，系統(tǒng)將首先對原始數(shù)據(jù)集進行序列化操作，然后將所得字節(jié)流進行壓縮運算傳遞給用戶，客戶端對相關數(shù)據(jù)進行解碼操作便可得到預報站點信息，數(shù)據(jù)傳輸流程見圖5。

3 工程應用

3.1 應用實例

流域防洪預報調(diào)度一體化系統(tǒng)依托國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程建設項目，以滿足長江防洪興利調(diào)度實際需要為目標開發(fā)設計。系統(tǒng)以大型水庫、重要水文站、防汛節(jié)點等為控制斷面，構(gòu)建了長江流域27個預報調(diào)度體系，囊括9 200余個遙測報汛站點、341個預報節(jié)點、695套預報方案、35個調(diào)度節(jié)點、100余套調(diào)度方案，實現(xiàn)了水雨情在線監(jiān)視、洪水預報實時調(diào)度、防洪形勢動態(tài)分析、預警風險安全評估及洪水演進多層級模擬等復雜功能，為長江流域水文氣象預報、洪水演算、優(yōu)化調(diào)度和決策會商提供了強有力的技術支撐。

系統(tǒng)自2015年投運以來，運行安全穩(wěn)定。尤其是在應對2016～2017年長江流域大洪水時，成功服務國家防總與長江防總聯(lián)合會商近300次，發(fā)布各類分析材料、預報成果及調(diào)度方案近2 000期。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了長江流域防洪興利綜合調(diào)度全覆蓋，而且實現(xiàn)了國家防總、長江防總、省市防指與干支流控制性水庫間遠程異地協(xié)同會商和決策分析，為長江防洪科學調(diào)度指揮決策提供了有效支撐。此外，依托廣東省中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)建設洪水預報預警系統(tǒng)I標項目，成功實現(xiàn)該系統(tǒng)技術的推廣應用。

3.2 典型功能

3.2.1 水雨情監(jiān)視功能

系統(tǒng)以WebGIS、過程線和表格等方式在3D地圖上動態(tài)展示各監(jiān)測站點的空間分布特征，并在站點名稱附近標注實時水雨情信息，方便防汛人員及時掌握最新動態(tài)。同時，系統(tǒng)采用Tab頁展示水庫站、水文站、雨量站等不同監(jiān)測對象的詳細信息。

3.2.2 洪水預報調(diào)度功能

針對洪水預報調(diào)度這一核心業(yè)務，系統(tǒng)提供了符合實際河網(wǎng)拓撲關系的河系概化圖，分別采用不同幾何圖形代表水庫站、水文站、虛擬站等不同對象，采用矢量箭頭表征對象之間的水力聯(lián)系，直觀展示流域各控制斷面的連接關系。在此基礎上，用戶既可以通過自動、半自動或交互式操作方式來制作發(fā)布河系洪水預報調(diào)度方案，又能夠?qū)蝹€節(jié)點或任意斷面的預報結(jié)果進行精細化調(diào)整。

3.2.3 三維洪水模擬功能

系統(tǒng)采用建筑信息建模技術構(gòu)建了基于WebGIS的三維場景，融合實時水雨情及預報調(diào)度信息，實現(xiàn)了重點區(qū)域關鍵信息的三維展示，并利用信息框、圖表、過程線、分級圖或剖面圖等手段綜合展示了實時及預報調(diào)度成果信息。

4 結(jié) 論

重大水旱災害一直是制約我國流域用水安全、沿岸人民安康的重要因素，科學高效地實現(xiàn)流域防洪預報調(diào)度意義重大。本研究基于面向大數(shù)據(jù)平臺的網(wǎng)絡化服務理念，設計開發(fā)了流域防洪預報調(diào)度一體化系統(tǒng)，并詳細介紹了系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術及典型功能。該系統(tǒng)在長江流域長期實踐應用中運行穩(wěn)定可靠，尤其是在2016～2017年長江流域大洪水防洪中，為防汛減災實時聯(lián)動決策提供了強有力的信息支撐和科學依據(jù)，社會和經(jīng)濟效益顯著。此外，該系統(tǒng)以其良好的技術支撐能力，已成功推廣應用至廣東西江、東江、北江及珠江三角洲等地區(qū)。

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（編輯：常漢生）