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      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)

      2016-12-27 02:33:41董明軍李慶金王德芳丁慧敏
      東北水利水電 2016年12期
      關(guān)鍵詞:定線水文情報(bào)

      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。

      [1](美)恭德羅依,等.SQL Server 2005從入門到精通[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

      [2](美)Karli Watson,等.C#入門經(jīng)典(第6版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2014.

      [3]戴凌全,戴會(huì)超,蔣定國(guó),李華,陳小燕.基于最小二乘法的河流水位流量關(guān)系曲線推算[J].人民黃河,2010,32(9):37-39.

      [4]張善余,程小春,洪濤.以標(biāo)準(zhǔn)差判斷水位流量關(guān)系曲線的定線精度[J].水利水電科技進(jìn)展,1999,19(2):51-52.

      [5]劉東生,陳松生,趙蜀漢,林來照,等.SL247-2012,水文資料整編規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2013.

      P333.9

      B

      1002-0624(2016)12-0062-03

      黃委水文局科技計(jì)劃項(xiàng)目(文H1410)

      2016-02-23

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