黎穎智，李 勇，李有華，史彩霞

(1.廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心，南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，南寧 530022)

引言

暴雨洪澇災(zāi)害是廣西影響范圍最廣、持續(xù)時間最長、造成損失最大的自然災(zāi)害之一，近年來呈現(xiàn)多發(fā)態(tài)勢。洪澇造成洪水源短流急，陡漲陡落，匯流快，洪峰高，水量大，不利于水電站的電網(wǎng)調(diào)度，常造成巨大的損失。水電站庫區(qū)流量預(yù)報是一個跨學(xué)科、交叉的研究領(lǐng)域，氣象預(yù)報與水文預(yù)報的結(jié)合能為防洪和水庫調(diào)度提供有力支撐，是水文預(yù)報發(fā)展的必然趨勢［1-10］。

以前水文氣象資料查詢方式主要是通過表格向用戶進(jìn)行反饋，此數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)是將研究指標(biāo)或統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及其取值以特定表格的形式列出，方便計(jì)算機(jī)下一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、篩選等操作。但缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)不夠直觀，不利于人工分析判斷和對比不同變量之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)太多時，則此方式可能使用戶對數(shù)據(jù)本身或數(shù)據(jù)的含義感到難以研判而導(dǎo)致無法有效地向服務(wù)對象傳達(dá)信息。

統(tǒng)計(jì)圖是根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)字，用幾何圖形、事物形象和地圖等繪制的各種圖形，它具有直觀、形象等特點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)圖可以使復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)數(shù)字簡單化、形象化，使人一目了然，便于理解和比較。此外，統(tǒng)計(jì)圖可以為用戶提供快速參考，通過大尺度時間范圍的水文氣象數(shù)據(jù)圖表可以很好地揭示表格難以呈現(xiàn)的趨勢、模式或關(guān)系。百度開發(fā)的ECharts 可通過增量渲染技術(shù)支持Cavas 或svg 的形式渲染圖表，從而能更直觀地展現(xiàn)數(shù)據(jù)。中科院的劉斌等利用Echarts 實(shí)現(xiàn)了FerryBox 水文數(shù)據(jù)的可視化，從而使多種水文參數(shù)能在同一時間統(tǒng)計(jì)圖表中進(jìn)行直觀的折線展示［11］。ECharts 在氣象方面也有應(yīng)用，但用于同時監(jiān)測水文數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)的系統(tǒng)方案尚未報道。本文通過HTML5、ECharts 的新技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)出同時具有表格和圖表數(shù)據(jù)顯示功能的庫區(qū)水文及氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，方便用戶對同樣的數(shù)據(jù)既可進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析，也可進(jìn)行人工研判，為進(jìn)一步提高水文氣象科技服務(wù)提供有益的參考。

1 技術(shù)路線

1.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與框架

基于B/S 架構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，IIS＋ASP.NET＋Oracle.ManagedDataAccess 建設(shè)模式，利用成熟的WEB 技術(shù)，通過VS2010、html5 等開發(fā)工具，結(jié)合瀏覽器支持的C#、JavaScript、ActiveX 技術(shù)等多種語言進(jìn)行程序開發(fā)，采用多層服務(wù)結(jié)構(gòu)體系，表示層、業(yè)務(wù)層、服務(wù)層、組件層、數(shù)據(jù)層分開，以滿足系統(tǒng)松耦合性、位置透明性以及協(xié)議無關(guān)性的要求，提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性和柔韌性，方便系統(tǒng)遷移、修改和升級。

1.2 ECharts 可視化技術(shù)

通過引入ECharts 開源可視化庫，可以流暢的運(yùn)行在PC 和移動設(shè)備上，兼容當(dāng)前絕大部分瀏覽器，ECharts 的底層依賴矢量圖形庫ZRender，能為用戶提供直觀，交互豐富，可高度個性化定制的數(shù)據(jù)可視化圖表，ECharts 由數(shù)據(jù)驅(qū)動，數(shù)據(jù)的改變驅(qū)動圖表展現(xiàn)的改變。因此動態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)也會變得簡單，只需導(dǎo)入所獲取的數(shù)據(jù)，ECharts 會找到不同組別數(shù)據(jù)之間的差異然后經(jīng)由合適的動畫去展現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化。配合組件能夠在更高的時間維度上去表現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息［11-14］。從而實(shí)現(xiàn)為用戶提供各庫區(qū)氣象、水文信息的數(shù)據(jù)查詢、圖表生成、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、在線統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)的展示等功能。

1.3 Oracel 數(shù)據(jù)庫與相關(guān)開發(fā)技術(shù)

采用成熟的Oracel 數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)后臺的數(shù)據(jù)庫管理引擎，并支持對各種類型數(shù)據(jù)庫的訪問和存儲；實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的安全身份認(rèn)證和授權(quán)管理，保證系統(tǒng)完整性與安全性；采用先進(jìn)的開發(fā)平臺和技術(shù)，確保系統(tǒng)環(huán)境的先進(jìn)性。早期C# 項(xiàng)目都使用.Net Framework 自帶的System.Data.OracleClient 對Oracle數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問。此方式在.Net4.0 中被認(rèn)為已過時，且Oracle Client 安裝包有600 多M，如果用戶數(shù)量巨大的時候，會導(dǎo)致工作量過大，耗費(fèi)資源。在查閱網(wǎng)上的資料后，發(fā)現(xiàn)Oracle 官方推出的驅(qū)動Oracle.ManagedDataAccess.dll，該動態(tài)鏈接庫的優(yōu)點(diǎn)是可隨oracle 數(shù)據(jù)庫更新，不必考慮過時無法使用問題；安裝方便，從網(wǎng)上下載后直接引用即可，無需安裝Oracle Client，耗費(fèi)資源少，運(yùn)行時的文件小于4M。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

結(jié)合廣西水利氣象服務(wù)行業(yè)的實(shí)際情況，構(gòu)建各流域水庫徑流量的實(shí)時監(jiān)測與預(yù)測情況，實(shí)現(xiàn)對降水量、徑流量的實(shí)況數(shù)據(jù)，降水量、徑流的預(yù)報數(shù)據(jù)，按照時間軸的方式進(jìn)行查詢、分析等全方面的信息系統(tǒng)。能使用戶快速查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，通過相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析，徑流量實(shí)時計(jì)算，用戶能有更明確的工作方向，做出有針對性的決策，減少災(zāi)害，加強(qiáng)防范。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，分為5 大模塊，具體設(shè)計(jì)如下：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)系統(tǒng)登錄模塊。該模塊采用分級管理模式和嚴(yán)格的安全身份認(rèn)證，用戶通過用戶名密碼方式登錄系統(tǒng)，并根據(jù)權(quán)限進(jìn)入到相對應(yīng)的功能頁面：管理用戶進(jìn)入后臺管理頁，前臺用戶則進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示頁面，并且將該前臺用戶關(guān)聯(lián)的水庫以Cookie 的形式傳送到數(shù)據(jù)顯示頁面中，當(dāng)網(wǎng)站中用戶需要跨多個頁面表單時可以用它來保持用戶狀態(tài)。模塊可自動生成隨機(jī)驗(yàn)證碼圖片，可防止惡意程序的暴力破解登錄。

(2)日數(shù)據(jù)展示模塊。該模塊位于數(shù)據(jù)顯示頁面下，通過引入ECharts 開源可視化庫，建立可動態(tài)顯示的曲線/柱狀圖表。該模塊可根據(jù)登陸用戶所關(guān)聯(lián)的水庫生產(chǎn)列表，用戶選擇需要查看的水庫、起始日期后點(diǎn)擊“查詢”按鈕，可顯示該時間段內(nèi)的該水庫每天的雨量實(shí)況、預(yù)報(柱狀)和入庫流量實(shí)況、預(yù)報(曲線)。界面分成上下兩個顯示區(qū)，上部為雨量，下部為流量，數(shù)據(jù)的時間間隔以日為單位。上下顯示區(qū)的數(shù)據(jù)按日期同步聯(lián)動，鼠標(biāo)在任一顯示區(qū)滑動時，其右下角會有一浮動標(biāo)簽顯示當(dāng)前鼠標(biāo)所在日期上的實(shí)況和預(yù)報數(shù)據(jù)。在最底部設(shè)置有獨(dú)立滑動條的區(qū)域放縮組件，可進(jìn)行拖動或縮放操作，能任意查看細(xì)節(jié)的數(shù)據(jù)信息，或概覽數(shù)據(jù)的整體走勢。點(diǎn)擊工具欄中的數(shù)據(jù)視圖選項(xiàng)可將數(shù)據(jù)以表格形式呈現(xiàn)。

(3)小時數(shù)據(jù)展示模塊。該模塊通過引入ECharts開源可視化庫，建立可動態(tài)顯示的曲線/柱狀圖表。可根據(jù)選擇時間段顯示該時間段內(nèi)的所選水庫每小時的雨量實(shí)況、預(yù)報(柱狀)和入庫流量實(shí)況、預(yù)報(曲線)。其界面設(shè)計(jì)與日數(shù)據(jù)展示模塊基本一致，只是時間選擇組件需要精確至小時位，數(shù)據(jù)的時間間隔以小時為單位。

(4)系統(tǒng)用戶管理模塊。該模塊主要為系統(tǒng)管理用戶使用，采用表單形式提供對用戶的添加刪除、角色設(shè)置、權(quán)限設(shè)置(為用戶關(guān)聯(lián)一個或多個水庫)、密碼修改、日志查看等功能。

(5)后臺數(shù)據(jù)傳輸模塊。該模塊與前臺網(wǎng)站不直接對接，對用戶是透明的?？勺詣荧@取大唐公司傳輸過來的流域流量實(shí)況數(shù)據(jù)并自動入庫，可自動獲取氣象局雨量實(shí)況及制作的相關(guān)流域預(yù)報數(shù)據(jù)并入庫。由于雨量數(shù)據(jù)來自氣象局內(nèi)部，而流量實(shí)況數(shù)據(jù)來自外部門，兩者獲取渠道不同，且數(shù)據(jù)生成時間具有不確定性。為解決此問題，模塊采用控制臺程序作為開發(fā)模式，優(yōu)點(diǎn)是比較節(jié)省系統(tǒng)資源，處理大量數(shù)據(jù)時，不會因線程被阻塞而停止響應(yīng)，可全天候自動監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

信息庫采用Oracel 數(shù)據(jù)庫，包含逐小時流量預(yù)測表、24h 流量預(yù)測表、水電站日表、水電站小時表、大唐傳輸對應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)號表、91 個流域面雨量實(shí)況表、91 個流域面雨量7d 預(yù)報表、91 個流域逐時面雨量預(yù)報數(shù)據(jù)表(如表1)、用戶信息表。

2.3 提取預(yù)報功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于預(yù)報員每天做未來7d 的雨量和流量預(yù)報，一天對應(yīng)一組數(shù)據(jù)，表結(jié)構(gòu)如表1，所以當(dāng)查詢某起始日X1至終結(jié)日Xm(Md)內(nèi)的預(yù)報數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)庫返回的數(shù)據(jù)其實(shí)是一個M 乘以7 的一個矩陣：［X00，X01…X06；X10，X11…X16；……；X(M-1)0，X(M-1)1…X(M-1)6；］。當(dāng)Xm小于或等于用戶進(jìn)行查詢操作當(dāng)日時，程序返回結(jié)果為各行第一個元素所組成數(shù)組：［X00，X10，X20，…，X(M-1)0］；當(dāng)Xm大于用戶進(jìn)行查詢操作當(dāng)日Xj 時，程序返回結(jié)果為各行第一個元素及最后一行前(Xm-Xj)個元素所組成數(shù)組：［X00，X10，X20，…，X(M-1)0，…X(Xm-Xj) 0］，操作過程如圖2。

表1 91 個流域面雨量7d 預(yù)報表結(jié)構(gòu)

圖2 提取預(yù)報查詢結(jié)果流程圖

ECharts 提供了包括折線圖、柱狀圖等常規(guī)圖表，這些圖表以構(gòu)建文件的形式引入項(xiàng)目后可直接使用，但為了符合用戶實(shí)際需求，有些功能的實(shí)現(xiàn)需開發(fā)者自定義編碼進(jìn)行配置，本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)兩個圖表顯示區(qū)可聯(lián)動操作的解決方式：在Echarts 代碼設(shè)置項(xiàng)中添加axisPointer：｛ link：［ ｛xAxisIndex：［0，1］，｝］｝，表示所有xAxisIndex 為0＼1 的坐標(biāo)軸聯(lián)動；在series 中將實(shí)況降水、預(yù)測降水的xAxisIndex、yAxisIndex 均設(shè)為0，實(shí)況流量、預(yù)測流量的則設(shè)為1；最后將dataZoom 中 的xAxisIndex 設(shè)置為［0，1］。這樣上下顯示區(qū)的數(shù)據(jù)就能按日期同步聯(lián)動，并且在最底部設(shè)置有區(qū)域放縮組件。在toolbox 設(shè)置項(xiàng)中添加dataView：｛show：true，readOnly：true｝，則工具欄中可添加數(shù)據(jù)視圖按鈕，點(diǎn)擊按鈕可將圖表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為表格數(shù)據(jù)，方便下載保存。關(guān)鍵代碼如下：

3 結(jié)論與討論

通過探討ECharts 在庫區(qū)水文及氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中對數(shù)據(jù)可視化方面的應(yīng)用，形成可在同一時空分布圖表中展示多個參數(shù)，從而更加靈便地表達(dá)水文氣象數(shù)據(jù)的解決方案，幫助用戶能快速地從不同的維度和角度觀察雨量及流量數(shù)據(jù)的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)特殊的現(xiàn)象，挖掘有用信息，總結(jié)出氣象對水文影響的相關(guān)規(guī)律，進(jìn)一步提高水電氣象服務(wù)的質(zhì)量和水庫水情監(jiān)控能力。廣西是水電大省，境內(nèi)擁有大量水電站，本系統(tǒng)可向全區(qū)推廣。ECharts 還提供了地理數(shù)據(jù)的可視化功能，但尚未應(yīng)用到本系統(tǒng)當(dāng)中，在今后的系統(tǒng)擴(kuò)展中有待進(jìn)一步完善和提高。隨著廣西省級“天擎”的部署完成，未來可探索本系統(tǒng)如何接入“天擎”系統(tǒng)，利用其“數(shù)據(jù)、算力、算法”三位一體的平臺化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)廣西水文氣象服務(wù)模型的智能化發(fā)展，進(jìn)而取得更好的服務(wù)效益。