基于Web的水库洪水预报调度系统的关键技术_程春田

基于Web 的水库洪水预报调度系统的关键技术程春田,廖胜利,李　刚,李向阳(大连理工大学水电与水信息研究所,辽宁省大连市116024)摘要:在重大洪水预报、洪水调度决策过程中,如何有效地获取分布的遥远水库、水文站点的动态水雨情信息,让相关利益部门和防洪专家积极主动地参与决策过程中的模型分析计算和重要决策过程讨论,迅速形成正确结论,实现科学、高效的防洪调度决策,是Web 环境下水库洪水预报调度系统需要解决的重大关键技术问题。

文中简要介绍了Web 应用环境下该系统的体系结构,重点阐述了支持多用户多方案的洪水预报模型、洪水调度模型抽象设计技术及数据库表设计方法,给出了多库联调交互方案生成设计的解决方案。

上述思想已经体现在所开发的基于Web 的洪水预报调度系统中,在实际应用中取得了很好的效果。

关键词:水库;洪水预报;洪水控制;洪水预报调度系统;Web 中图分类号:TV122;TV697.1收稿日期:2006212208;修回日期:2007201225。

辽宁省自然科学基金资助项目(20032114)。

0　引言近10多年来,随着以互联网为主的通信技术在水库防洪调度系统工程中广泛深入的应用,以互联网为主的通信方式已经和正在深刻改变传统的防汛调度方式,给流域防洪调度带来前所未有的挑战。

面对全新的以宽带网络数字技术为特征的防汛系统工程网络,如何有效地组织和利用分散在各个防汛部门的计算和信息资源,支持跨流域、多部门、异地防汛会商与决策,建立科学、高效、智能化的流域洪水调度系统,是我国各级防汛部门和水库调度管理人员非常关心的问题。

需要解决的突出问题是,在重大洪水预报、洪水调度决策过程中如何有效地获取分布在遥远地区的水库、水文站点的动态水雨情信息,让相关利益部门和防洪专家积极主动地参与决策过程中的模型分析计算和重要决策过程讨论,迅速形成正确的结论,实现科学、高效的防洪调度决策[122]。

传统的客户/服务器(C/S )或者C/S +浏览器/服务器(B/S )的洪水预报系统,不支持分布式洪水调度计算,计算过程在洪水发生地局域网完成,计算结果通过网上发布供上级主管和相关部门查询[223]。

采用上述方法,上级主管和其他部门不能主动进行洪水过程分析的详细计算,信息只能单向、被动地接受,缺乏主动分析,不能充分利用更多专家的经验、知识,难以做到有效的防汛会商决策。

因此,研究和开发能更多地利用和反映新技术特点的洪水预报调度系统,是非常有意义的[4]。

本文重点介绍分布式洪水预报调度系统的体系结构、支持多用户多方案的洪水预报模型的抽象设计、调度模型设计、库群洪水联合调度方案设计等关键技术,目的在于建立高效、可靠的群决策信息支持平台,为防汛系统会商提供重要的技术支持。

1　分布式洪水预报调度系统结构基于Web 的洪水预报系统主要包括遥测数据提取、水文模型参数率定、洪水预报、洪水调度、信息查询、数据维护等几大模块,其总体结构见图1。

图1　基于Web 的洪水预报调度系统总体结构该系统在实时库、预报库、历史库、系统库的支持下工作,Web 服务器由J SP ,Servlet 等生成动态交互式Web 页面,普通用户、授权用户、水文专家、管理员等通过交互式Web 页面向Web 服务器提交相关请求,Web 服务器接受浏览器端发送的请求,并将复杂的业务计算或数据库操作提交给业务逻辑层处理,最后将处理结果以图表或者文字的形式返51第31卷　第2期2007年4月20日 Vol.31　No.2Apr.20,2007回给浏览器端。

各类授权用户在客户端通过浏览器访问Web 服务器即可完成从遥测数据提取、分析、处理到实时洪水预报、成果管理等所有预报相关的业务操作。

业务逻辑层包括遥测数据提取、水文模型参数率定、洪水预报、洪水调度等功能模块,每个模块由1个组件或者多个协同工作的组件组成。

这些组件通常具有很高的性能,例如新安江模型组件、水库调洪数值计算组件等,在J 2EE 框架下称之为E JB (Enterp rise J avaBean )组件。

E JB 组件是包含业务逻辑的可复用软件单元,其工作流程如图2所示。

图2　E JB 组件的工作流程首先,用户通过浏览器向服务器提出请求,Web 服务器提供适合于Servlet 和J SP 的运行环境,由它们接受请求,并通过J NDI (一种命名和目录服务接口)在网络中检索到分布式E JB 对象的引用(过程2～过程6),Servlet 或J SP 只有通过该引用(远程接口)才能调用E JB 的业务方法。

J DBC 是数据库访问接口,提供了访问关系型数据库的标准———应用程序接口(A PI )。

运行在应用服务器(E JB 容器)中的E JB 组件是系统的核心部件,其内部封装了许多具有简单功能的本地、远程方法,它们共同完成复杂的业务,如实时洪水预报计算、洪水调度方案生成等。

各EJB 组件合理组织、协调工作,从而组成功能强大、易于扩展的洪水预报系统。

2　洪水预报模型抽象设计洪水预报模型是洪水预报系统的关键部件,概念性流域水文模型是一种由一系列函数关系按流域降雨径流形成的物理过程组合起来的模拟结构,用以根据流域的降雨输入确定流域出口断面流量过程线。

目前的流域水文模型主要有新安江模型、大伙房模型、萨克拉门托模型、水箱模型、斯坦福模型等,这些模型具有较好的结构形式和良好的模拟预报精度,因此在洪水预报中得到广泛应用。

由于种类繁多的流域水文模型都是针对不同流域的气候、地形、地貌、植被等条件建立起来的,其模型结构、参数都有很大的差别,为了避免重复劳动、节约成本,必须保证洪水预报系统能应用于使用不同水文模型的不同流域,而无需对系统进行大规模的改动。

但是,针对上述众多的流域水文模型,逐一提供它们的模型函数是不现实的,只能是在系统分析设计的基础上,根据系统开发平台工具的特点,为各种模型的移植和扩展定义一个统一的接口。

因此,需要对所有的流域水文模型的实现过程进行抽象,从接口的层面上定义水文模型。

通过研究发现,虽然各种流域水文模型的结构和参数各异,实现方式也多种多样,但都可将其整个过程定义为产流、汇流、河道演进等几个函数。

因此,定义了Hydrologic Model 接口,各水文模型分别实现Hydrologic Model 接口,其静态统一建模语言(UML )图如图3所示。

图3　水文模型和接口的关系不同的水文模型,根据其概念性模型算法分别继承和实现Hydrologic Model 接口,应用开发者(模型使用者)只需对该接口编程,而无需关心模型的实现细节。

通过这种方式,水文模型组件可以轻易地被移植、重用和扩展。

如果将来针对不同的流域,系统提供的水文模型不适用于其水文、气候、植被条件,因而需要增加适用于该流域的新的水文模型时,开发者只需依照该模型的算法设计一个新的水文模型组件,实现Hydrologic Model 接口,而无需修改系统其他部分,更无需对系统结构进行调整。

这种处理方式大大方便了系统的扩展和移植,便于成果的推广。

3　洪水调度模型抽象设计调洪计算中用到的调度规则在整个调度系统中扮演了一个非常重要的角色。

流域内每个水库都有适应于自身特点的调度规则,这也是水库运行多年的经验总结。

根据调度规则概念、原理、功能的一致61 2007,31(2)性,将每个水库的调度规则设计成单独的一个组件,所有的组件实现同样一个接口Principle ,如图4所示。

接口中定义了几个所有的规则类都必须实现的方法如routing (),set …,get …,等。

每个调度规则的细节都被封装在各自的类中,系统开发者只需对接口编程即可,而无需关心具体实现,因此系统的复杂性降低,移植性和扩展性大大增强。

图4　洪水调度规则抽象设计4　数据层设计Web 环境下一个重要的应用就是要支持多用户、多方案操作,便于充分发挥网上水文预报调度专家的经验。

为此,要求系统识别不同用户制定的洪水预报方案、洪水调度方案,并关注每一个方案的细节。

由于洪水预报、洪水调度方案涉及到大量时间序列信息,对于众多的用户,这样的信息量大得惊人,而网上运行的交互信息量很大,必然影响系统效率。

因此,必须针对网络的特点,对数据库表进行精心设计。

本着减少数据冗余和方便系统多用户、多方案管理的原则,对洪水预报、洪水调度数据库表进行了精心设计,图5和图6给出了洪水预报方案数据库表设计的一个例子。

图5　与洪水预报相关的组织信息数据库表实体2关系图图6　支持多用户、多方案的洪水预报成果信息数据库表实体2关系图71　・水电站运行与水库调度技术交流会论文选・　程春田,等　基于Web 的水库洪水预报调度系统的关键技术 洪水预报成果主要涉及预报方案说明、预报流量过程和预报结果特征信息3个数据库表。

其中:预报方案说明表FOREDESC 主要用于存储所采用的水文模型类别、预报时间、预报入流、洪峰流量、峰现时间及用户等与某次预报相关的信息;特征信息表FOREFREQU ENC Y 用于存储预报洪水频率信息,如3d 洪量及其重新期等;预报流量过程表Result Fore 用于存储预报流量过程,如每时段流域平均降雨、平均净雨、预报流量、实测流量等。

图6给出了预报成果管理相关数据库表的2种不同的E 2R 模型,FOREDESC 和其他表都是(1,n )关系。

传统的预报系统数据库表采用图6(a )所示的E 2R 模型,表FOREFREQU ENC Y 和表Result Fore 的每条记录都包含字段STCD ,FLOODNO 和FORENO ,造成存储空间的极大浪费,而且还增加了检索、增加、删除等操作的复杂性。

针对Web 环境,为表FOREDESC 定义了字段SN ,作为每个预报方案的唯一标识符,这样,图6(a )中表FOREFREQU ENC Y 和表Result Fore 中的字段STCD ,FLOODNO 和FORENO 即可以字段SN 代替,大大缩减了存储空间,同时简化了预报方案管理的复杂性。

字段SN 代替STCD 等字段作为预报方案的标识,使得水库站代码的修改和更新不会影响系统的运行,保证了系统的稳定性。

5　多库联调动交互方案生成设计多库联调是流域洪水调度系统的重要组成部分,如何快速生成可行的洪水联合调度方案,是实时洪水调度决策过程中非常重要的工作,它直接关系到洪水调度决策支持系统的效率。

国内目前现行的大多数洪水调度系统普遍基于单库洪水调度方案设计,系统联合方案的产生是一个反复的单库交互过程,应用起来不是很方便,决策效率低。

本文设计的系统基于联调的思想,将一个流域关联的多个水库洪水调度方案生成集中在一张表上,对于上游水库任何时刻的决策变化,系统自动根据关联水库的水力联系,通过洪水过程演进,直接反映在下游水库入流变化表上,从而相应影响下游关联方案的水库水位(泄流)变化过程,易于联合调度方案的生成。