基于人工輔助的水文自動(dòng)定線推流報(bào)汛軟件研究與開發(fā)

董明軍，李慶金，王德芳，丁慧敏

（1.河南水文水資源局，河南鄭州450003；2.山東水文水資源局，山東濟(jì)南250100）

基于人工輔助的水文自動(dòng)定線推流報(bào)汛軟件研究與開發(fā)

董明軍1，李慶金2，王德芳1，丁慧敏1

（1.河南水文水資源局，河南鄭州450003；2.山東水文水資源局，山東濟(jì)南250100）

為提高黃河水文水情報(bào)汛的技術(shù)水平，利用C#、SQL Server2005和.Net3.5開發(fā)了人工輔助定線推流報(bào)汛軟件，改變了傳統(tǒng)人工定線水文工作方式，建立了自動(dòng)擬合與人工輔助相結(jié)合的交互方式擬定推流曲線的工作模式，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)水情報(bào)汛，軟件應(yīng)用有助于提升黃河水文信息化水平。

定線；推流；水情報(bào)汛；精度評(píng)估

1 軟件開發(fā)必要性

根據(jù)實(shí)測(cè)流量測(cè)點(diǎn)擬定水位～流量關(guān)系曲線（推流曲線）進(jìn)行推流報(bào)汛，是黃河水文主要工作方式。受水位～流量關(guān)系復(fù)雜多變影響，截至目前，仍無成熟、穩(wěn)定可用的自動(dòng)定線、推流、報(bào)汛軟件在黃河水文得到應(yīng)用，基層水文測(cè)點(diǎn)仍多采用人工繪制推流曲線，通過水位查算流量，手工擬定水情報(bào)文進(jìn)行報(bào)汛的方式，工作量大，出錯(cuò)機(jī)率高，難以滿足日益提高的水情信息時(shí)效性要求，且與信息化發(fā)展現(xiàn)狀不符。

因此，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)擬合與人工干預(yù)相結(jié)合的方式進(jìn)行水位～流量關(guān)系曲線的擬定，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行推流、報(bào)汛、成果計(jì)算，對(duì)于減輕水文職工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高水情報(bào)汛工作效率，提升黃河水文信息化水平，是十分必要和迫切的。

2 軟件開發(fā)目標(biāo)

在對(duì)水文測(cè)報(bào)工作進(jìn)行分析、研究的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，開發(fā)人工輔助定線推流報(bào)汛軟件，采用自動(dòng)擬合與人工干預(yù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)推流曲線擬定，軟件內(nèi)置水情報(bào)汛任務(wù)管理模塊，根據(jù)水位變化過程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)汛，滿足流含表、水沙月報(bào)等成果表的計(jì)算需求，提高水文測(cè)報(bào)技術(shù)水平。

3 軟件需求分析

擬定符合測(cè)站水沙特性的水位～流量關(guān)系曲線是開展黃河水文測(cè)報(bào)工作的基礎(chǔ)，推流曲線、推流時(shí)段都需要根據(jù)實(shí)測(cè)流量測(cè)點(diǎn)分布及水位變化過程確定，本軟件通過計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，采用圖形化人機(jī)交互界面，操作簡(jiǎn)便、快捷、直觀，盡量貼合基層水文職工的工作習(xí)慣，既能夠模擬傳統(tǒng)水文定線工作方式，同時(shí)還能夠充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力。

軟件應(yīng)具有實(shí)測(cè)流量、含沙量、人工水位等交互輸入功能，同時(shí)可讀取文本格式、Excel格式數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)批量輸入。根據(jù)水文規(guī)范要求，需要對(duì)推流曲線進(jìn)行曲線檢驗(yàn)和精度評(píng)估；能夠讀取自記水位計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)水位變化過程和水情報(bào)汛任務(wù)管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)汛；能夠進(jìn)行流含表、水沙月報(bào)等成果表的計(jì)算，生成各種日、旬、月、年平均成果表；軟件可采用圖、表方式進(jìn)行各種成果的輸出與打印。

4 軟件功能開發(fā)

4.1 軟件開發(fā)環(huán)境

軟件基于C/S（客戶端/服務(wù)器端）進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)選用微軟公司SQL Server 2005，軟件采用C#、.NET3.5進(jìn)行開發(fā)，軟件開發(fā)操作系統(tǒng)為Windows7.0。在軟件中還使用了.Net開源項(xiàng)目，如圖表類庫(kù)ZedGraph、數(shù)值分析和數(shù)據(jù)處理函數(shù)類庫(kù)Alglib，提高了軟件開發(fā)的效率，在開發(fā)過程中，還根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)開源類庫(kù)進(jìn)行了一定程度的修改、完善。

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件功能需求，在“基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)和標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)”（SL324-2011）、“實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符”（SL323-2011）有關(guān)表結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了必要的擴(kuò)充。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了專用數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)，如推流曲線表、推流節(jié)點(diǎn)表、推流時(shí)段表等，建立了完整的推流曲線和水情報(bào)汛任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，為軟件功能的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

4.3 軟件總體結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流程

軟件基于結(jié)構(gòu)化、模塊化的原則進(jìn)行開發(fā)，各功能模塊相互獨(dú)立，又相互銜接，具有高度可擴(kuò)展性。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖1，數(shù)據(jù)流程如圖2。

圖1 軟件總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 軟件主要數(shù)據(jù)流程圖

4.4 軟件界面設(shè)計(jì)

該軟件主要面向基層水文職工，因此，軟件以用戶為中心進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，在充分滿足功能需求的前提下，盡可能簡(jiǎn)潔，易于上手，易于操作，以提高軟件的可用性。軟件界面采用Windows風(fēng)格，可隨時(shí)右鍵以執(zhí)行相應(yīng)快捷操作。

4.5 軟件主要功能設(shè)計(jì)

4.5.1 數(shù)據(jù)輸入模塊

軟件可采用交互方式或批量讀取方式輸入實(shí)測(cè)流量、含沙量、人工觀測(cè)水位等水文數(shù)據(jù)。既可實(shí)時(shí)自動(dòng)同步自記水位計(jì)數(shù)據(jù)，也可讀取已經(jīng)摘錄的水位數(shù)據(jù)。

同步自記水位計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，軟件根據(jù)當(dāng)前推流曲線自動(dòng)進(jìn)行流量推算，如果超出當(dāng)前推流曲線的水位范圍，軟件會(huì)進(jìn)行提醒，以便于工作人員及時(shí)對(duì)推流曲線進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)軟件會(huì)檢索內(nèi)置的水情報(bào)汛任務(wù)，如果符合水情拍報(bào)條件，則會(huì)自動(dòng)發(fā)報(bào)，見圖3。

圖3 自記水位計(jì)數(shù)據(jù)同步流程圖

4.5.2 推流曲線管理模塊

1）推流曲線管理

軟件采用4種方式建立推流曲線，分別為實(shí)測(cè)流量擬合、來自高水報(bào)汛曲線、讀取水位流量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)文件、交互方式建立。實(shí)測(cè)流量擬合是由實(shí)測(cè)流量測(cè)點(diǎn)，采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合方式建立推流曲線。來自高水報(bào)汛線則截取汛前所制定的高水報(bào)汛曲線用于建立新的推流曲線。讀取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)則是讀取測(cè)站經(jīng)傳統(tǒng)方式人工定線、摘錄水位流量節(jié)點(diǎn)并保存成的文本文件。交互方式則是發(fā)揮計(jì)算機(jī)圖形顯示、處理的作用，通過雙擊、拖動(dòng)等所見即所得、交互方式建立推流曲線。推流曲線采用圖形化管理，鼠標(biāo)懸停顯示相關(guān)信息，具有豐富的右鍵操作功能，可對(duì)推流曲線進(jìn)行節(jié)點(diǎn)拖曳、光滑處理。

推流曲線擬合、光滑處理均采用最小二乘法多項(xiàng)式擬合，假設(shè)給定數(shù)據(jù)點(diǎn)（xi，yi）（i=0，1，…，m），φ為所有次數(shù)不超過n(n≤m)的多項(xiàng)式構(gòu)成的函數(shù)類，現(xiàn)求一個(gè)函數(shù)Pn（x）：

使得：

當(dāng)擬合函數(shù)為多項(xiàng)式時(shí)，稱為多項(xiàng)式擬合，滿足上式的Pn（x）稱為最小二乘擬合多項(xiàng)式。特別地，當(dāng)n=1時(shí)，稱為線性擬合或直線擬合。

2）推流時(shí)段管理

受河道沖淤、洪水漲落等因素影響，擬定的推流曲線僅在一定時(shí)段內(nèi)使用，當(dāng)河段水段特性變化時(shí)，需要根據(jù)水位變化過程、實(shí)測(cè)流量測(cè)點(diǎn)分布等情況，確定各推流曲線的可用時(shí)段。推流時(shí)段采用圖形化方式進(jìn)行管理，通過在繪制有水位變化過程和實(shí)測(cè)流量測(cè)點(diǎn)界面，采用單擊、雙擊及右鍵等操作，實(shí)現(xiàn)推流時(shí)段可視化管理，不同推流時(shí)段以不同顏色加以區(qū)分，操作直觀、快捷，便于測(cè)站人員科學(xué)、合理確定推流時(shí)段，保證水情信息的準(zhǔn)確、合理。

3）推流曲線精度評(píng)估

推流曲線精度評(píng)估是為了確定所擬定曲線是否合理的依據(jù)，根據(jù)規(guī)范要求，曲線精度評(píng)估包括符號(hào)、適線和偏離數(shù)據(jù)檢驗(yàn)以及系統(tǒng)誤差、測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差、隨機(jī)不確定度等參數(shù)，以評(píng)定定線精度。

4.5.3 水情報(bào)汛模塊

根據(jù)軟件功能需求及水文工作特點(diǎn)，采用自動(dòng)報(bào)汛、無干預(yù)人工報(bào)汛和人工報(bào)汛等3種水情報(bào)汛模式。

軟件內(nèi)置水情報(bào)汛任務(wù)管理模塊，不同測(cè)站可根據(jù)本站水情報(bào)汛任務(wù)書進(jìn)行增加、啟用。同時(shí)可添加臨時(shí)報(bào)汛任務(wù)，如調(diào)水調(diào)沙期間，根據(jù)黃河防總指令，臨時(shí)增加水情報(bào)汛任務(wù)。

水情報(bào)汛任務(wù)定義包括任務(wù)開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、檢查時(shí)間點(diǎn)、是否啟用、是否允許執(zhí)行條件、最大流量、最小流量、是否臨時(shí)等屬性。檢查時(shí)間點(diǎn)表示在指定時(shí)間要進(jìn)行檢查，如“8,20”表示在8時(shí)、20時(shí)會(huì)檢查該任務(wù)。旬月平均、徑流輸沙量的檢查時(shí)間格式為“108，1108，2108”表示分別在1日、11日、21日的8時(shí)檢查該任務(wù)。“508，1508，2508”表示逢5日8時(shí)執(zhí)行該任務(wù)。

在讀取自記水位計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，軟件自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前推流曲線推算流量，同時(shí)進(jìn)行水情報(bào)汛任務(wù)檢查，如果有滿足要求的任務(wù)，即生成相應(yīng)報(bào)文，根據(jù)水情報(bào)汛設(shè)置，采用相應(yīng)報(bào)汛方式進(jìn)行報(bào)汛。

4.5.4 成果管理模塊

可進(jìn)行水、旬、月、年平均水位、平均流量、平均輸沙率、平均含沙量的計(jì)算以及任意時(shí)段徑流量、輸沙量的計(jì)算，生成流含表、水沙月報(bào)和水位、流量、含沙量、輸沙率平均表，輸出EXCEL格式的成果文件，實(shí)現(xiàn)成果表打印。

5 結(jié) 語

人工輔助定線推流報(bào)汛軟件的開發(fā)、應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)人工定線、推流的水文工作方式，建立了完善的推流曲線和水情報(bào)汛數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助定線和自動(dòng)水情報(bào)汛，能夠?qū)ν屏髑€進(jìn)行精度評(píng)估，能夠生成各種水文成果圖、表，軟件自2015年汛期開始在西霞院、小浪底水庫(kù)站進(jìn)行試運(yùn)行，系統(tǒng)功能穩(wěn)定，定線、推流精度滿足規(guī)范要求，功能完善，運(yùn)行情況良好，能夠滿足日常水文測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)工作的需求。軟件的投產(chǎn)應(yīng)用，將有助于提升黃河水文測(cè)報(bào)工作信息化水平。

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1002－0624（2016）12－0062－03

黃委水文局科技計(jì)劃項(xiàng)目（文H1410）

2016-02-23