河南黃河水文信息綜合平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭 凱，毛文迪，張宏愿，李國良

（黃河水利委員會(huì)河南水文水資源局，河南 鄭州 450004）

0 引言

近年來，黃河水利委員會(huì)河南水文水資源局（以下簡稱黃委河南水文局）始終堅(jiān)持“以需求為導(dǎo)向，以實(shí)用為目標(biāo)”的原則，穩(wěn)步推進(jìn)水文測報(bào)能力提升工作。在提升過程中，黃河河南測區(qū)各測站已先后安裝了視頻監(jiān)控、雷達(dá)水位計(jì)、稱重式雨量計(jì)、側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)、RG30 雷達(dá)在線測流系統(tǒng)、同位素測沙儀等先進(jìn)儀器設(shè)備，強(qiáng)化了水文監(jiān)測、預(yù)測預(yù)報(bào)和服務(wù)支撐的能力。然而這些先進(jìn)儀器設(shè)備測得的水文數(shù)據(jù)分散于各業(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)，形成了一個(gè)個(gè)信息孤島，無法形成水文大數(shù)據(jù)環(huán)境。在深入分析黃委河南水文局業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)測區(qū)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的有效整合與共享，進(jìn)一步推進(jìn)信息技術(shù)與水文業(yè)務(wù)的深度融合，構(gòu)建河南黃河水文信息化新格局，打造智慧水文新模式，河南黃河水文信息綜合平臺（以下簡稱綜合平臺）應(yīng)運(yùn)而生[1]。

1 設(shè)計(jì)思路

綜合平臺遵循“系統(tǒng)穩(wěn)定性，技術(shù)先進(jìn)性，系統(tǒng)完整性，結(jié)構(gòu)開放性，網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性”的設(shè)計(jì)思想，在設(shè)計(jì)和開發(fā)中堅(jiān)持“系統(tǒng)大眾化、業(yè)務(wù)服務(wù)人性化、應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)化、接口開放化、管理工具實(shí)用化”的原則，平臺邏輯結(jié)構(gòu)遵循數(shù)據(jù)層、邏輯層、表示層和用戶交互層四層結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)在建設(shè)過程中既能統(tǒng)一部署，又能分階段實(shí)施，保證系統(tǒng)建設(shè)的系統(tǒng)性和可執(zhí)行性。

綜合平臺覆蓋了數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、應(yīng)用、決策支持等各個(gè)環(huán)節(jié)，符合水利信息化系統(tǒng)建設(shè)一般框架[2–3]。綜合平臺的邏輯結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 綜合平臺邏輯構(gòu)架

綜合平臺采用 B/S（瀏覽器/服務(wù)器）技術(shù)架構(gòu)體系，由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、UI 顯示層和應(yīng)用層組成[4–6]，大量的業(yè)務(wù)處理都在服務(wù)器端通過調(diào)用相應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)完成，技術(shù)架構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 綜合平臺技術(shù)構(gòu)架

技術(shù)架構(gòu)具體分析如下：

1）數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要包括表、視圖、存儲(chǔ)過程、觸發(fā)器等數(shù)據(jù)庫對象。

2）數(shù)據(jù)訪問層。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對各種所需信息資源的獲取，為 UI 顯示層各應(yīng)用服務(wù)的搭建和運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。

3）業(yè)務(wù)邏輯層。主要指對用戶提交的指令及數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，再加工后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，或?qū)?shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)提取后返回給 UI 顯示層。

4）UI 顯示層。UI 顯示層是指用戶所見的那部分界面，主要功能是為用戶提供信息，以及翻譯用戶的指令。

5）應(yīng)用層。提供用戶調(diào)用相應(yīng)服務(wù)的 API 接口。

綜合平臺以 Web Server IIS 服務(wù)器和 SQL Server 數(shù)據(jù)庫為支撐，以內(nèi)網(wǎng)為主，兼容 VPN 模式下的外網(wǎng)，通過瀏覽器進(jìn)行訪問。

綜合平臺應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）綜合平臺框架及插件盡量使用免費(fèi)開源代碼，可根據(jù)需求靈活拓展功能，后期易維護(hù)。

2）打造“一站式”登錄、“一鍵式”查詢管理模式，只用登錄綜合平臺，即可免登錄查看其他所屬網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊測站標(biāo)識，即可查詢到該測站所有數(shù)據(jù)、圖表信息。

3）面向基層測站人員，實(shí)用性強(qiáng)。

4）采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)充性和容錯(cuò)性。

綜合平臺通過數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)和服務(wù)一體化封裝機(jī)制，向用戶提供水文監(jiān)測業(yè)務(wù)服務(wù)，測驗(yàn)人員使用移動(dòng)端或 PC 端通過用戶名和密碼，經(jīng)身份驗(yàn)證后登錄平臺，通過被授予的相應(yīng)權(quán)限訪問相應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)，業(yè)務(wù)流程如圖 3 所示。

圖3 業(yè)務(wù)流程圖

2 功能模塊

綜合平臺包括數(shù)據(jù)查詢等四大模塊，功能結(jié)構(gòu)組成如圖 4 所示。

圖4 綜合平臺功能結(jié)構(gòu)組成

2.1 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢模塊以 GIS 地圖為支撐，各類站點(diǎn)（水文站、水庫站和雨量站）為標(biāo)識，進(jìn)行功能的擴(kuò)展和延伸[7–9]，可以實(shí)現(xiàn)測站簡介、測洪方案、測站任務(wù)書等文檔數(shù)據(jù)，高水報(bào)汛曲線、瞬時(shí)水位-流量過程線、大斷面圖、年特征值等圖表數(shù)據(jù)，視頻監(jiān)控等視頻數(shù)據(jù)，站點(diǎn)分布、數(shù)字高程模型、全景照片等三維數(shù)據(jù)的查詢功能，以及雨水情信息預(yù)警功能。

1）雨水情信息預(yù)警功能。在 GIS 地圖上顯示測區(qū)雨量站當(dāng)前 2 h 累積雨量數(shù)據(jù)，且會(huì)根據(jù)累積雨量大小，通過不同顏色圖標(biāo)加以標(biāo)識，當(dāng)超過設(shè)置的閾值后，進(jìn)行語音告警，并向值班人員推送告警短信[10–11]。

2）視頻監(jiān)控功能。通過對 WebComponentsKit的二次開發(fā)，內(nèi)置代碼即可加載監(jiān)控視頻，顯示測站硬盤錄像機(jī)上所有的視頻圖像，點(diǎn)擊相應(yīng)視頻，即可放大該圖像，實(shí)現(xiàn)黃委河南水文局、勘測局對測站測驗(yàn)及測驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行等情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控[12–13]。

2.2 數(shù)據(jù)審查

數(shù)據(jù)審查模塊實(shí)現(xiàn)了時(shí)段、旬月降水量校核，水位-流量、庫水位-蓄水量關(guān)系校核，上下游水位、流量、含沙量過程線對照等功能。

1）旬月降水量校核功能。自動(dòng)對旬降水量與一旬的日降水量累加值，月降水量與三旬降水量累加值進(jìn)行校核，對差值超過閾值的雨量站，自動(dòng)向值班人員告警[14–15]。

2）上下游流量過程線對照功能?？商桌L指定時(shí)間內(nèi)上下游測站的流量過程線，并標(biāo)注相應(yīng)的實(shí)測點(diǎn)，通過流量過程線，值班人員可查看上下游流量過程是否一致。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊實(shí)現(xiàn)了斷面沖淤變化、時(shí)段內(nèi)水文特征值、上下游水量和沙量的統(tǒng)計(jì)，以及水流沙誤差分析等功能。

1）斷面沖淤變化統(tǒng)計(jì)功能。可套繪顯示測站相應(yīng)斷面的實(shí)測流量成果，通過測點(diǎn)河底高程和斷面流速，分析不同測次間流速分布與河底沖淤變化情況，在“水位”文本框輸入某一水位，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，可計(jì)算該水位下歷次測驗(yàn)后的斷面沖淤變化量，使測驗(yàn)人員實(shí)時(shí)了解測驗(yàn)斷面的沖淤變化情況[16]。

2）上下游水量統(tǒng)計(jì)功能?？筛鶕?jù)套繪的上下游流量過程線，通過鼠標(biāo)拖動(dòng)任意時(shí)段，統(tǒng)計(jì)該時(shí)段的上下游測站的徑流總量，并對上下游測站的水量平衡進(jìn)行分析[17]。

2.4 防汛決策

防汛決策模塊實(shí)現(xiàn)了洪水演進(jìn)模擬、風(fēng)險(xiǎn)圖生成、防汛調(diào)度指令發(fā)布等功能。

洪水演進(jìn)模擬功能可根據(jù)某一水位或典型歷史洪水的水位，模擬在現(xiàn)行河道狀況下洪水的演進(jìn)過程，繪制洪水出槽后下游灘區(qū)的淹沒范圍，自動(dòng)生成風(fēng)險(xiǎn)防控圖[18–19]。

3 結(jié)語

綜合平臺以水文基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)為依托，采用微軟 C# 開發(fā)語言、SQL Server 數(shù)據(jù)庫及 Layui 前臺框架等技術(shù)，開發(fā)完成了 GIS 地圖、雨水情數(shù)據(jù)、測站檔案、小浪底水庫淤積測驗(yàn)、伊洛夾灘淤積測驗(yàn)等應(yīng)用模塊，打造了“一站式”登錄、“一鍵式”查詢的管理模式，初步實(shí)現(xiàn)了河南測區(qū)信息共享化、數(shù)據(jù)傳輸自動(dòng)化、動(dòng)態(tài)監(jiān)測一體化。

測站日常測流期間，如遇水位變化幅度大時(shí)，測驗(yàn)人員只需登錄綜合平臺，即可通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控監(jiān)測水位，節(jié)省人員開支；通過大斷面、斷面-流速套繪，可分析對比沖淤變化及水面流速分布情況，通過開啟統(tǒng)計(jì)功能，可得到時(shí)間段內(nèi)最大、最小數(shù)據(jù)特征值及相應(yīng)時(shí)間，提高工作效率；每日報(bào)汛后，可通過河道水情功能，獲知是否已發(fā)報(bào)成功；上級部門在獲取測站測驗(yàn)數(shù)據(jù)及設(shè)施設(shè)備信息時(shí)，只需通過導(dǎo)出功能，即可得到相應(yīng)數(shù)據(jù)及已繪制好的圖表。

在 2020 年小浪底水庫防洪控泄期間：河南測區(qū)干流四站通過綜合平臺數(shù)據(jù)，可分析實(shí)測點(diǎn)在水位-流量關(guān)系曲線位置分布，審查報(bào)汛曲線走向趨勢，隨時(shí)修訂報(bào)汛曲線，合理選擇換線時(shí)機(jī)；通過流速斷面套圖、河底高程，檢驗(yàn)測量垂線布設(shè)是否合理、單次流量測深是否正確及河底沖淤變化幅度；分析上下游測站水情變化及水庫蓄水過程，推算洪水到達(dá)時(shí)間，精準(zhǔn)把握測驗(yàn)時(shí)機(jī)。

目前綜合平臺不僅已在黃河河南測區(qū)全面推廣應(yīng)用，覆蓋了兩級機(jī)構(gòu)和 25 個(gè)所屬水文站，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在測區(qū)水文測報(bào)和業(yè)務(wù)管理工作中發(fā)揮了重要作用，且已推廣至黃委中游測區(qū)。但綜合平臺能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)據(jù)共享及服務(wù)調(diào)用還處于初級階段，不夠完善，涉及查詢數(shù)據(jù)量大的數(shù)據(jù)庫表反應(yīng)速度可能相對緩慢，對數(shù)據(jù)安全性方面的考慮也有諸多不足，有待今后進(jìn)一步研究和完善。