李明宏，劉曙光，金輝明

（1.嵊州市水文站，浙江 嵊州 312400；2.江山市水文站，浙江 江山 324100；3.杭州知水科技有限公司，浙江 杭州 310009）

1 問題的提出

洪水預報系統(tǒng)建設是一項重要的防洪減災非工程措施。先進的洪水預報系統(tǒng)研究建設將有效提高洪水預報精度，增長有效洪水預見期，提高防汛抗旱指揮決策的科學性，更充分地發(fā)揮水利工程的減災效益[1]。但與此同時，洪水預報系統(tǒng)是各項洪水預報技術的集成，是進行洪水預報工作的軟件平臺。由于洪水預報本身復雜性，要使系統(tǒng)在洪水預見期、預報精度和預報范圍方面能達到防洪減災對精度的要求，系統(tǒng)開發(fā)和維護難度大。隨著當前社會經(jīng)濟水平的提高，基層災害防御部門對日常化的洪水預報服務需求日益迫切，如何為當?shù)靥峁┲庇^可靠的水文預報服務成為水文部門當前亟需解決的問題。而在現(xiàn)有的體制下，基層水文部門資金和人力投入不足，部門人員結構單一，技術人員缺乏，單靠基層水文部門的技術力量和資金實力很難建立一個可穩(wěn)定運行的洪水預報系統(tǒng)。本文將研究充分運用當前先進的互聯(lián)網(wǎng)技術，搭建基于云服務的洪水預報平臺，為基層水文部門提供統(tǒng)一的洪水預報平臺，從而大大提高基層水文部門的洪水預報服務水平。

基層水文部門信息化建設是水文信息化建設的基石，特別是洪水預報能力建設，是有效衡量基層水文部門水文服務能力的重要指標，是水文行業(yè)發(fā)展的重要基礎。但由于基層水文部門的技術薄弱，建設資金不足，建立獨立的洪水預報平臺技術和維護難度大。將通過建立通用的洪水預報服務平臺，可快速提升基層水文部門的服務水平。建設的系統(tǒng)應具有通用性強、用戶管理簡便、系統(tǒng)配置靈活、運行穩(wěn)定可靠及系統(tǒng)兼容性強等特點。基層用戶通過平臺可構建自己的預報方案，并進行實時洪水預報。

2 系統(tǒng)架構

平臺采用4層的系統(tǒng)架構，分別為數(shù)據(jù)服務層、服務支撐層、應用層和角色層，具體框架見圖1[2-5]。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

數(shù)據(jù)服務層：為系統(tǒng)提供基礎性的數(shù)據(jù)服務，實時準確地為系統(tǒng)提供各類水文應用相關數(shù)據(jù)，其中包括實時水雨情數(shù)據(jù)、氣象未來降雨數(shù)據(jù)、水利工程調(diào)度數(shù)據(jù)、臺風路徑數(shù)據(jù)等。

服務支撐層：該層為應用層提供基礎性的信息服務，其中包括在線預報服務、數(shù)據(jù)統(tǒng)計服務、方案創(chuàng)建服務、模型掛接服務以及后續(xù)為應用提供的其它服務。

應用層：系統(tǒng)通過調(diào)用基礎性的服務，為用戶提供預報方案管理、預報模型管理、預報終端管理、實時洪水預報及其它系統(tǒng)功能。

角色層：平臺的前面角色主要分為2類，一是管理人員，可以對各個預報終端進行管理，其中包括權限的分配和管理；二是預報終端，可以在預報終端進行方案的構建和管理，并可根據(jù)預報方案進行洪水實時預報。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)關鍵技術

3.1 基于云服務的大數(shù)據(jù)存儲技術[3]

本平臺所需的數(shù)據(jù)會涉及到各類數(shù)據(jù)，如水文部門的實時水雨情數(shù)據(jù)、氣象部門的未來降雨數(shù)據(jù)、水利部門的水利工程運行數(shù)據(jù)、防汛部門的洪水調(diào)度數(shù)據(jù)、來自網(wǎng)絡的雷達云圖和臺風路徑數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)經(jīng)過長時間運行，數(shù)據(jù)量會達到PB級別，采用常規(guī)的結構化數(shù)據(jù)存儲技術無法滿足實際應用需求。本次建設基于大數(shù)據(jù)存儲技術，建立海量并發(fā)數(shù)據(jù)并行接收處理和同步技術，提高系統(tǒng)訪問和處理能力，保障系統(tǒng)的高效可靠地運行。

3.2 基于微服務的數(shù)據(jù)訪問技術

洪水預報平臺的基礎是數(shù)據(jù)，在洪水預報的過程中會涉及到各個數(shù)據(jù)，其中包括水雨情數(shù)據(jù)、未來降雨數(shù)據(jù)、工程運行數(shù)據(jù)、工程調(diào)度數(shù)據(jù)、臺風路徑數(shù)據(jù)以及歷史洪水數(shù)據(jù)等。在一個全省性的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)種類繁多，為了有效地隔離數(shù)據(jù)和業(yè)務，采用微服務技術，對外提供各種高效方便數(shù)據(jù)服務，各個應用只需通過調(diào)用指定的服務就可以獲取各種數(shù)據(jù)，大大提高應用開發(fā)的效率，并利于系統(tǒng)后期維護。

3.3 預報模型動態(tài)加載技術

該平臺將面向所有基層的水文部門，隨著應用的深入，各個水文部門會有自己的洪水預報模型。本次研究的平臺可實現(xiàn)預報模型動態(tài)增減。通過組件注冊信息和對象工廠，利用C#的反射機制創(chuàng)建出模型類的一個對象，實現(xiàn)模型調(diào)用，而不同硬編碼的將模型名稱寫在程序中調(diào)用，大大提高系統(tǒng)的可擴展性和通用性。

3.4 實現(xiàn)預報方案和作業(yè)預報的可配置

該平臺為開放性的洪水預報平臺，各個水文專業(yè)人員都可以在平臺上構建方案，實現(xiàn)洪水預報方案和作業(yè)的動態(tài)可配置。系統(tǒng)采用作業(yè)配置文件配置預報任務，動態(tài)控制預報流程，不修改程序編碼便可修改預報業(yè)務邏輯流程；采用預報引擎控制預報執(zhí)行邏輯。作業(yè)配置文件中包含預報站的執(zhí)行順序、預報站所使用模型名稱以及多模型綜合等信息。

4 平臺應用與實踐

4.1 平臺應用簡介[6 - 9]

平臺主要由2部分組成，分別為預報平臺管理中心軟件和洪水預報系統(tǒng)客戶端。預報平臺管理中心軟件是對洪水預報的管理平臺，可對各個客戶端信息進行有效地管理，包括客戶端用戶管理、用戶權限管理、預報結果的共享等；洪水預報系統(tǒng)客戶端主要由水雨情監(jiān)視、預報方案構建及實時洪水預報3部分組成。系統(tǒng)以高精度地圖為基礎，并結合列表、過程線等多種形式靜態(tài)、動態(tài)展示水情信息。系統(tǒng)提供可配置的方案構建、實時作業(yè)預報和預報過程展示功能。

以江山港流域洪水預報的構建為例，對系統(tǒng)作簡要介紹。根據(jù)洪山港流域洪水預報方案，流域的預報控制站為江山站，方案輸入主要由峽口水庫、碗窯水庫以及區(qū)間流域的輸入，輸出為江山站的預報流量和水位。系統(tǒng)需要接入未來降雨和水庫實時調(diào)度信息。

4.2 洪水預報流程

對于某一流域或水庫進行洪水預報，需要經(jīng)歷前期流域調(diào)查、預報方案編制、預報方案專家審查、平臺預報方案搭建、實時洪水預報以及洪水方案修正的過程。并根據(jù)洪水預報和實時洪水的對比情況，對洪水預報方案進行定期修正，保證洪水預報的準確性。具體洪水預報流程見圖2。

圖2 洪水預報流程圖

4.3 預報用戶創(chuàng)建及權限配置

平臺為開放性的通用平臺，需要對客戶端用戶進行統(tǒng)一管理。開發(fā)預報平臺管理中心軟件對所有預報用戶進行管理，其中包括預報人員的增刪改查、預報人員的啟停、預報人員是否可構建方案、預報人員對站點的查詢權限等，同時系統(tǒng)可對不同的預報用戶設置不同的預警站點和預報斷面，從而有效地管理各個預報用戶的站點預警和預報斷面范圍。

4.4 預報方案創(chuàng)建

系統(tǒng)提供預報方案的構建功能，預報用戶可以根據(jù)前期編制的預報方案，在系統(tǒng)上構建洪水預報方案。功能包括預報方案增加、修改和刪除。并可在對方案的基本信息進行修改，如輸出類型、計算時段長、預熱期、預見期以及曲線名稱等。預報方案創(chuàng)建界面見圖3。

圖3 預報方案創(chuàng)建界面圖

4.5 方案輸入?yún)?shù)配置

對于一個預報方案，方案輸入是最重要的一部分，用戶可以任意增加預報輸入，并可動態(tài)設定輸入類型（包括流域輸入、水庫輸入、河道輸入和閘壩輸入），系統(tǒng)根據(jù)不同的輸入類型，提供不同的模型和輸入框，同時根據(jù)不同模型，從動態(tài)模型中讀取模型參數(shù)，并生成模型參數(shù)頁面。

4.6 實時作業(yè)預報

用戶構建好洪水預報方案后，就可以進行實時作業(yè)預報。在進行作業(yè)預報時，用戶需要設定降雨的啟止時間，并進行作業(yè)預報界面，系統(tǒng)將根據(jù)用戶設定的時間從數(shù)據(jù)服務中讀取各種實時降雨數(shù)據(jù)、未來降雨數(shù)據(jù)以及工程調(diào)度運行數(shù)據(jù)，同時用戶可以對實時數(shù)據(jù)查看分析，發(fā)現(xiàn)問題可在線進行修正（見圖4），系統(tǒng)根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行作業(yè)預報分析計算，并生成洪水預報過程。

圖4 實時作業(yè)界面圖

5 結 語

緊扣行業(yè)應用需求和基層水文部門的現(xiàn)實，提出建設基于云服務的洪水預報服務平臺，并對其中的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)服務、預報模型掛接以及方案動態(tài)構建等關鍵技術進行探討。主要取得以下研究成果：

（1）隨著社會經(jīng)濟水平的提高，社會災害防御部門對基層水文服務能力提出的新的要求，而采用通用的洪水預報平臺可有效地解決當前基層技術能力弱，維護力量不足的現(xiàn)狀。

（2）采用大數(shù)據(jù)技術，可適應大數(shù)據(jù)量和大吞吐量的應用場景，為平臺的持續(xù)高效運行提供新的解決方案。

（3）采用微服務技術可實現(xiàn)系統(tǒng)間服務級通信，應用集成即為服務集成，為洪水預報平臺的高效運行和系統(tǒng)的后期運維提供技術支持。

（4）通過建立通用的洪水預報服務平臺，實現(xiàn)各基層水文部門的云平臺洪水預報，為水文信息化建設提供新的思路和解決方案。