王 凱，錢名開，徐時進，胡友兵，陳邦慧

（淮河水利委員會水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001）

0 引言

淮河流域水系復雜，中游河道比降小，行蓄洪區(qū)多且運用頻繁，中小型水庫/閘壩眾多，干支流交互頂托明顯，歷來是我國洪水預報和工程調度高度復雜的典型地區(qū)之一[1]。防洪調度是水工程綜合調度的重點和難點，洪水預報調度系統(tǒng)是當前防洪作業(yè)預報調度實施有效的技術支撐手段[2]。長期以來，洪水預報調度系統(tǒng)多基于 C/S 模式構建[3–4]，隨著需求的不斷拓展，此類系統(tǒng)在安全性、通用性、跨平臺等方面存在明顯不足。隨著計算機技術的發(fā)展，基于 B/S 構架的洪水預報調度系統(tǒng)在安全性等方面有著明顯的優(yōu)勢[5–7]。

本研究采用 B/S 架構，引入具有面向對象設計思想和 MVC（模型-視圖-控制器）設計模式的Spring Boot 框架體系[8–9]，建設淮河洪水預報調度系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)），實現具有防洪形勢分析、多模式洪水預報和調度等功能的跨平臺架構業(yè)務應用。2020 年淮河發(fā)生了流域性較大洪水，沂沭泗水系發(fā)生了 1960 年以來最大洪水。依托系統(tǒng)成果，在流域防洪工程預報調度作業(yè)實踐中進行了實例研究，以期為流域洪水預報和水工程調度管理提供科學依據。

1 系統(tǒng)總體架構

1.1 設計理念

洪水預報調度系統(tǒng)是一個面向多角色、多用戶的智能服務平臺，既要關注總體架構，又要關注其各子功能服務對象和需求特點，以期獲得可靈活擴展的框架結構[10–12]。因此，系統(tǒng)設計理念如下：

1）安全性。為保障預報調度決策信息和系統(tǒng)運行的安全，系統(tǒng)遵循水利信息化系統(tǒng)建設三級等保要求，納入淮河水利委員會（以下簡稱淮委）綜合應用中心進行統(tǒng)一安全管理。

2）穩(wěn)定性。首先，采用成熟可靠的技術，加強系統(tǒng)運行各環(huán)節(jié)的故障分析、容錯及恢復能力，保障系統(tǒng)不間斷穩(wěn)定運行。其次，系統(tǒng)開發(fā)主要采用的 Java，Python 及 Fortran 語言均可跨平臺運行，受操作系統(tǒng)更新迭代影響小。

3）易用性。系統(tǒng)界面風格設計去繁就簡，功能設置合理，操作便捷易用，能夠較好地滿足不同層次、專業(yè)用戶的不同需求。

4）敏捷性。通過緩存數據庫、多線程并發(fā)編程等關鍵技術，實現海量雨情、水情、工情數據的快速查詢和計算，極大縮短了用戶提交事務的響應時間。

5）實用性。系統(tǒng)充分考慮淮河流域洪水發(fā)生特點及水利工程運用特色，實現預報調度多模型、多方法集成計算，通過人工交互接口充分考慮專家經驗，完全滿足淮河洪水防御工作的實踐需要。

6）擴展性。系統(tǒng)采用模塊化設計，結合模型對象構建、水文模型元單元分解與集成等技術，在演算范圍、模型方法、功能需求等方面可自由組合擴展，集成的異種語言模型庫進一步增強了開放性和可擴展性。

1.2 層次結構

系統(tǒng)采用 B/S 架構，分為應用層、業(yè)務層和數據層等 3 個層次，整體架構如圖1 所示。

3 個層次具體分析如下：

1）數據層。數據層為整個預報調度業(yè)務平臺的應用提供基礎數據生態(tài)環(huán)境，具有數據讀取、檢查、融合處理與修正等功能。平臺的數據資源主要包括歷史基礎水文、實時雨水情監(jiān)測、預報方案庫、調度規(guī)則庫等數據，這些數據來自關系型水文數據庫表、水文預報方案集、水利工程調度運用方案等文件。

本研究根據防洪預報調度業(yè)務平臺需求，專門建設了綜合數據倉庫。為實現業(yè)務邏輯和數據訪問邏輯分離，系統(tǒng)設計更清晰，更易維護，更易進行單元測試。引入持久層數據框架 MyBatis，完成數據倉庫的統(tǒng)一鏈接、查詢、寫入等管理工作。同時為保障系統(tǒng)響應高效吞吐，采用高性能的 NoSQL 型Redis 數據庫作為專用緩存數據庫。

2）業(yè)務層。業(yè)務層也稱業(yè)務邏輯層，是系統(tǒng)架構中核心價值的體現，通過對具有高復用性的類模塊和模型庫的集成，實現對數據的業(yè)務邏輯處理，并封裝成統(tǒng)一的服務接口對用戶提交的事務進行響應，在數據層和應用層的數據交換中起到承上啟下的作用。

本研究基于低耦合、高內聚設計思想，依托Spring Boot 技術架構，設計標準對外接口和服務組件，保障平臺高效、穩(wěn)定運行。在業(yè)務層核心模塊中，為突破流域河系洪水預報調度業(yè)務中水文斷面眾多、水工程交互影響復雜度高帶來的時效瓶頸，采用流水線、生產者-消費者等多種設計模式，研發(fā)了流域多節(jié)點洪水預報調度并發(fā)計算技術，從算法底層為 B/S 架構下預報調度核心模塊高效響應提供技術保障。

3）應用層。應用層直接面向用戶，也是系統(tǒng)與用戶交互的界面層，用于顯示數據和接收用戶輸入的數據，提供防洪形勢自動分析、多模式洪水預報和調度等三大類應用功能模塊。應用層底圖由 SVG矢量圖形技術實現，可以提供豐富的圖文交互信息展示功能。

圖1 淮河洪水預報調度系統(tǒng)整體架構

2 系統(tǒng)功能模塊組成及特色

2.1 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)以電子地圖、實時雨水情數據庫、專用數據庫、洪水預報和調度模型為基本支撐，實現模型與系統(tǒng)的緊密集成和協(xié)同耦合，通過智能的交互方式，實現防洪形勢自動分析、多模式河系洪水預報、多模式洪水聯(lián)合調度等業(yè)務功能，整體實現預報調度一體化功能，可有效支持流域水工程調度決策新需求。

根據防洪預報調度業(yè)務需求，系統(tǒng)設計有 5 個功能模塊，結構如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊結構圖

5 個功能模塊具體分析如下：

1）防洪形勢分析模塊。基于氣象、水雨情、洪水預報、工情和險情等實時防汛和降水預報信息，綜合運用納雨能力、相似洪水、徑流系數法等速算方法，快速自動進行洪水預報，得到不同預見期的洪水預報成果，實現當前和未來防洪形勢的分析，研判洪水調度重點對象，形成洪水調度預案。

2）多模式河系預報模塊。該模塊主要利用降雨徑流相關、新安江、水箱、TopModel、水動力學等多種模型進行流域河系洪水預報計算。根據淮河水文預報方案實際應用情況，選取應用較為成熟、預報精度較高的降雨徑流相關和新安江 2 種模型進行全流域通盤洪水預報計算。主要功能模塊有模型選擇、氣象預報降水提取、自動預報（一鍵式自動計算）和交互預報（預報成果人機交互校正修訂）等模塊。為提升用戶體驗和系統(tǒng)響應效率，構建了專用預報方案信息庫，對傳統(tǒng)紙質預報方案進行規(guī)則化存儲，實現了河系洪水一鍵式計算。采用 Java 并發(fā)工具包，設計實現一套流水線模式的高效并發(fā)算法，有效提升了河系預報計算效率。

3）多模式聯(lián)合調度模塊。依據防洪調度規(guī)則和專家經驗，以有效運用防洪工程，減少洪災損失為目標，對會商中提出的多個調度方案進行分析論證，即通過反復調整河道、水庫、行蓄洪區(qū)、湖泊、閘壩等工程的運用參數，對各種非確定性因素進行分析判斷，合理確定工程啟用時機，提出最優(yōu)調度方案。一套完整的調度方案除具體運行方案（水庫、閘壩、行蓄洪區(qū)等工程啟用過程）外，還包括工程運用前后的水情比較、災情估算分析數據。

調度方案的制定有以下 2 種模式：a.人機交互。根據會商決策的意見以交互方式修改，設置有關參數，如啟用行蓄洪區(qū)的時間，行蓄洪區(qū)分洪流量等。人機交互模式是制定，分析修改、仿真計算、會商評價，再制定，直至決策者滿意的多次反復過程。b.智能模式。首先在防洪形勢分析的基礎上，針對洪水調度預案，經過分析、研判，理出各防洪決策的具體內容、目標、約束條件等；然后依據決策目標和可使用的防洪手段智能生成 1 個或多個可實現決策目標的可行方案集，并對每個可行方案的風險及影響進行評價。

4）成果分析決策模塊。該模塊根據河系洪水預報和工程群調度成果，完成水工程調度運用方式的分析決策。主要實現以下功能：各種調度方案信息的展示，包括重點控制斷面水情、工程啟用等情況；不同調度方案間調度成果的平行對比，如重點控制斷面水位差、工程運用差別等情況，水庫、湖泊超汛限數量對比等；不同調度方案防洪效益估算、方案推薦等功能。

5）系統(tǒng)管理模塊。該模塊是防洪預報調度系統(tǒng)運行的基礎，包括用戶類別、權限和運行日志等的管理模塊。

2.2 系統(tǒng)特色

預報調度一體化和智能化是系統(tǒng)的兩大特色功能。預報調度一體化具體特色包括：對洪水預報和調度業(yè)務流程進行深度優(yōu)化和有機融合，在一個系統(tǒng)里提供深度耦合的預報調度服務；構建預報調度對象有序關聯(lián)的拓撲關系概化圖，在一張圖上建立無縫關聯(lián)的預報調度體系；提高預報調度模型互動反饋的自動化水平，在一個系統(tǒng)里進行預報調度的自動協(xié)同耦合和有序連續(xù)計算。

預報調度智能化具體特色包括：依據實時雨水工情和預報信息自動判斷流域防洪形勢，并自動生成防洪形勢分析報告；根據結構化的調度規(guī)則和目標，結合模擬優(yōu)化算法，自動生成聯(lián)合調度方案集；按照調度指標排序，自動優(yōu)選并智能推送防洪調度推薦方案。

3 系統(tǒng)應用

系統(tǒng)以大型水庫、行蓄洪區(qū)、分洪河道、重要水文站、防汛節(jié)點等為控制斷面，構建了淮河和沂沭泗河 2 個水系的預報調度體系，包括 5 000 多個報汛站點、212 個預報節(jié)點、435 套預報方案、67 個調度目標節(jié)點、47 套調度方案，在 1 個系統(tǒng)內實現防洪形勢自動分析、多模式洪水預報和調度等多個復雜耦聯(lián)功能。系統(tǒng)在 2020 年淮河流域性較大洪水防洪調度中的應用表明：系統(tǒng)可以在 60 s 內生成淮河全流域洪水預報計算結果，30 s 內生成包括水庫、閘壩、行蓄洪區(qū)等在內的所有水利工程調度計算結果；對各預報調度方案計算成果的查詢展示基本可以做到即時響應，即響應時間小于 1 s。

2020 年 7 月，受持續(xù)降雨影響，淮河發(fā)生了流域性較大洪水（編號為 2020 年淮河 1 號洪水），其中正陽關以上發(fā)生區(qū)域性大洪水?；春雍樗A報調度系統(tǒng)自動接收、分析、處理流域內 5 000 多個站點的雨水情信息 5 674 萬余條，接收處理氣象衛(wèi)星云圖4.4 萬張、雷達圖40.4 萬張，在防汛關鍵期，每 6 min 測報 1 次王家壩站水位，每隔 1 h 滾動預報1 次，共發(fā)布王家壩站實時洪水預報 16 次。

圖3 為系統(tǒng)在 2020 年淮河流域性較大洪水過程中的預報調度一體化計算分析成果，包括關鍵節(jié)點的預報和建議啟用工程的調度等成果，圖中：橢圓形圖例代表水庫群，其中藍色標注的為計算完成后超汛限狀態(tài)水庫群；三角形圖例代表河道重要水文控制斷面，其中藍色標注的為超警戒水位斷面，紅色標注的為超保證水位斷面；長方形、半圓形圖例分別代表蓄洪區(qū)和行洪區(qū)，其中黃色標注的為計算完成后建議啟用的工程，通過填充度樣式可直觀顯示計算分洪水量占設計水量的比例（如南潤段、邱家湖全部為土黃色，表示全部蓄滿；蒙洼只有一部分為土黃色，表示部分蓄洪）。由圖3 可知：不開閘分洪的王家壩洪峰水位高達 29.9 m，超過保證水位0.6 m，為歷史第二高水位，同時受淮南山區(qū)集中來水影響，下游王家壩至正陽關河段將全線超保證水位，10 座大型水庫群將超汛限水位，淮河干流正陽關以上需要啟用蒙洼、南潤段、邱家湖、姜唐湖和上下六方堤等 6 個行蓄洪區(qū)，并提供每個行蓄洪區(qū)的最大分洪流量和分洪總量計算結果。預報調度和實際調度完全一致，為科學應對此次迅猛洪水過程提供了重要關鍵性支撐。

圖3 淮河洪水預報調度系統(tǒng)預報調度一體化分析界面（2020 年淮河流域性較大洪水）

2020 年 8 月，淮河流域沂沭泗水系發(fā)生了1960 年以來最大洪水，期間應用系統(tǒng)不斷滾動，開展了沂沭河區(qū)洪水預報調度一體化計算，預報沂河臨沂站洪峰流量為 11 000 m3/s 左右，沭河重溝站洪峰流量為 6 000 m3/s 左右，臨沂站實測洪峰流量為 10 900 m3/s，重溝站實測洪峰流量為 5 940 m3/s，預報與實測值誤差在 1% 以內。通過洪水預報調度一體化計算，對沂河劉家道口閘、分沂入沭彭道口閘、沭河新沭河閘及人民勝利堰閘、駱馬湖嶂山閘等骨干樞紐工程調度滾動進行模擬分析，預報調度分析成果如圖4 所示，圖中帶對角線的長方形圖例代表分洪樞紐工程，其中黃色標注區(qū)域代表系統(tǒng)建議啟用的樞紐工程。根據系統(tǒng)模擬分析計算，淮委及時啟用駱馬湖嶂山閘、沂河劉家道口、沭河大官莊等重點樞紐工程，避免了邳蒼分洪道分洪，實現了人員傷亡、工程重大險情“雙零”目標，經濟、社會、生態(tài)效益顯著。

圖4 淮河洪水預報調度系統(tǒng)預報調度一體化分析界面（2020 年沂沭泗大洪水）

4 結語

淮河洪水預報調度系統(tǒng)集洪水預報與工程調度為一體，采用跨平臺的 B/S 開發(fā)架構，實現防洪形勢自動分析、河系洪水預報、多模式洪水調度、方案成果分析決策等多種功能，在系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性、敏捷性、通用性、跨平臺和國產化等方面具備顯著優(yōu)勢。

系統(tǒng)建成后，在 2020 年淮河流域性較大洪水和沂沭河大洪水中接受了實際考驗。應用結果表明：系統(tǒng)為 2020 年淮河流域性洪水防御工作提供了有力的分析計算和決策支持工具，通過科學預報調度，洪水過程中人員無一傷亡，水庫無一跨壩，主要堤防未出現重大險情，有效減輕了洪澇災害損失。但在實際應用中也暴露出一些問題，如系統(tǒng)的智能化水平、預報調度過程的可視化和成果的多樣化等仍需提檔升級。今后須針對淮河洪水預報調度系統(tǒng)中的短板，繼續(xù)加強系統(tǒng)建設，不斷完善系統(tǒng)功能。