基于人工辅助的水文自动定线推流报汛软件研究与开发

董明军，李庆金，王德芳，丁慧敏

（1.河南水文水资源局，河南郑州450003；2.山东水文水资源局，山东济南250100）

基于人工辅助的水文自动定线推流报汛软件研究与开发

董明军1，李庆金2，王德芳1，丁慧敏1

（1.河南水文水资源局，河南郑州450003；2.山东水文水资源局，山东济南250100）

为提高黄河水文水情报汛的技术水平，利用C#、SQL Server2005和.Net3.5开发了人工辅助定线推流报汛软件，改变了传统人工定线水文工作方式，建立了自动拟合与人工辅助相结合的交互方式拟定推流曲线的工作模式，实现了自动水情报汛，软件应用有助于提升黄河水文信息化水平。

定线；推流；水情报汛；精度评估

1 软件开发必要性

根据实测流量测点拟定水位～流量关系曲线（推流曲线）进行推流报汛，是黄河水文主要工作方式。受水位～流量关系复杂多变影响，截至目前，仍无成熟、稳定可用的自动定线、推流、报汛软件在黄河水文得到应用，基层水文测点仍多采用人工绘制推流曲线，通过水位查算流量，手工拟定水情报文进行报汛的方式，工作量大，出错机率高，难以满足日益提高的水情信息时效性要求，且与信息化发展现状不符。

因此，利用计算机技术，实现自动拟合与人工干预相结合的方式进行水位～流量关系曲线的拟定，并在此基础上进行推流、报汛、成果计算，对于减轻水文职工劳动强度，提高水情报汛工作效率，提升黄河水文信息化水平，是十分必要和迫切的。

2 软件开发目标

在对水文测报工作进行分析、研究的基础上，利用计算机编程技术和数据库技术，开发人工辅助定线推流报汛软件，采用自动拟合与人工干预相结合的方式，实现推流曲线拟定，软件内置水情报汛任务管理模块，根据水位变化过程，实现自动报汛，满足流含表、水沙月报等成果表的计算需求，提高水文测报技术水平。

3 软件需求分析

拟定符合测站水沙特性的水位～流量关系曲线是开展黄河水文测报工作的基础，推流曲线、推流时段都需要根据实测流量测点分布及水位变化过程确定，本软件通过计算机编程技术，采用图形化人机交互界面，操作简便、快捷、直观，尽量贴合基层水文职工的工作习惯，既能够模拟传统水文定线工作方式，同时还能够充分发挥计算机的强大运算能力。

软件应具有实测流量、含沙量、人工水位等交互输入功能，同时可读取文本格式、Excel格式数据文件，实现数据批量输入。根据水文规范要求，需要对推流曲线进行曲线检验和精度评估；能够读取自记水位计数据，根据水位变化过程和水情报汛任务管理，实现自动报汛；能够进行流含表、水沙月报等成果表的计算，生成各种日、旬、月、年平均成果表；软件可采用图、表方式进行各种成果的输出与打印。

4 软件功能开发

4.1 软件开发环境

软件基于C/S（客户端/服务器端）进行开发，数据库选用微软公司SQL Server 2005，软件采用C#、.NET3.5进行开发，软件开发操作系统为Windows7.0。在软件中还使用了.Net开源项目，如图表类库ZedGraph、数值分析和数据处理函数类库Alglib，提高了软件开发的效率，在开发过程中，还根据实际需求，对开源类库进行了一定程度的修改、完善。

4.2 数据库表设计

根据软件功能需求，在“基础水文数据库表结构和标识符标准”（SL324-2011）、“实时水雨情数据库表结构与标识符”（SL323-2011）有关表结构的基础上进行了必要的扩充。同时，还设计了专用数据库表结构，如推流曲线表、推流节点表、推流时段表等，建立了完整的推流曲线和水情报汛任务数据结构模型，为软件功能的实现提供了可能。

4.3 软件总体结构及数据流程

软件基于结构化、模块化的原则进行开发，各功能模块相互独立，又相互衔接，具有高度可扩展性。软件总体结构如图1，数据流程如图2。

图1 软件总体结构图

图2 软件主要数据流程图

4.4 软件界面设计

该软件主要面向基层水文职工，因此，软件以用户为中心进行人机交互界面设计，在充分满足功能需求的前提下，尽可能简洁，易于上手，易于操作，以提高软件的可用性。软件界面采用Windows风格，可随时右键以执行相应快捷操作。

4.5 软件主要功能设计

4.5.1 数据输入模块

软件可采用交互方式或批量读取方式输入实测流量、含沙量、人工观测水位等水文数据。既可实时自动同步自记水位计数据，也可读取已经摘录的水位数据。

同步自记水位计数据时，软件根据当前推流曲线自动进行流量推算，如果超出当前推流曲线的水位范围，软件会进行提醒，以便于工作人员及时对推流曲线进行调整，同时软件会检索内置的水情报汛任务，如果符合水情拍报条件，则会自动发报，见图3。

图3 自记水位计数据同步流程图

4.5.2 推流曲线管理模块

1）推流曲线管理

软件采用4种方式建立推流曲线，分别为实测流量拟合、来自高水报汛曲线、读取水位流量节点数据文件、交互方式建立。实测流量拟合是由实测流量测点，采用最小二乘法进行曲线拟合方式建立推流曲线。来自高水报汛线则截取汛前所制定的高水报汛曲线用于建立新的推流曲线。读取节点数据则是读取测站经传统方式人工定线、摘录水位流量节点并保存成的文本文件。交互方式则是发挥计算机图形显示、处理的作用，通过双击、拖动等所见即所得、交互方式建立推流曲线。推流曲线采用图形化管理，鼠标悬停显示相关信息，具有丰富的右键操作功能，可对推流曲线进行节点拖曳、光滑处理。

推流曲线拟合、光滑处理均采用最小二乘法多项式拟合，假设给定数据点（xi，yi）（i=0，1，…，m），φ为所有次数不超过n(n≤m)的多项式构成的函数类，现求一个函数Pn（x）：

使得：

当拟合函数为多项式时，称为多项式拟合，满足上式的Pn（x）称为最小二乘拟合多项式。特别地，当n=1时，称为线性拟合或直线拟合。

2）推流时段管理

受河道冲淤、洪水涨落等因素影响，拟定的推流曲线仅在一定时段内使用，当河段水段特性变化时，需要根据水位变化过程、实测流量测点分布等情况，确定各推流曲线的可用时段。推流时段采用图形化方式进行管理，通过在绘制有水位变化过程和实测流量测点界面，采用单击、双击及右键等操作，实现推流时段可视化管理，不同推流时段以不同颜色加以区分，操作直观、快捷，便于测站人员科学、合理确定推流时段，保证水情信息的准确、合理。

3）推流曲线精度评估

推流曲线精度评估是为了确定所拟定曲线是否合理的依据，根据规范要求，曲线精度评估包括符号、适线和偏离数据检验以及系统误差、测点标准差、随机不确定度等参数，以评定定线精度。

4.5.3 水情报汛模块

根据软件功能需求及水文工作特点，采用自动报汛、无干预人工报汛和人工报汛等3种水情报汛模式。

软件内置水情报汛任务管理模块，不同测站可根据本站水情报汛任务书进行增加、启用。同时可添加临时报汛任务，如调水调沙期间，根据黄河防总指令，临时增加水情报汛任务。

水情报汛任务定义包括任务开始时间、结束时间、检查时间点、是否启用、是否允许执行条件、最大流量、最小流量、是否临时等属性。检查时间点表示在指定时间要进行检查，如“8,20”表示在8时、20时会检查该任务。旬月平均、径流输沙量的检查时间格式为“108，1108，2108”表示分别在1日、11日、21日的8时检查该任务。“508，1508，2508”表示逢5日8时执行该任务。

在读取自记水位计数据时，软件自动根据当前推流曲线推算流量，同时进行水情报汛任务检查，如果有满足要求的任务，即生成相应报文，根据水情报汛设置，采用相应报汛方式进行报汛。

4.5.4 成果管理模块

可进行水、旬、月、年平均水位、平均流量、平均输沙率、平均含沙量的计算以及任意时段径流量、输沙量的计算，生成流含表、水沙月报和水位、流量、含沙量、输沙率平均表，输出EXCEL格式的成果文件，实现成果表打印。

5 结 语

人工辅助定线推流报汛软件的开发、应用，改变了传统人工定线、推流的水文工作方式，建立了完善的推流曲线和水情报汛数据结构模型，实现了计算机辅助定线和自动水情报汛，能够对推流曲线进行精度评估，能够生成各种水文成果图、表，软件自2015年汛期开始在西霞院、小浪底水库站进行试运行，系统功能稳定，定线、推流精度满足规范要求，功能完善，运行情况良好，能够满足日常水文测报业务工作的需求。软件的投产应用，将有助于提升黄河水文测报工作信息化水平。

［1］（美）恭德罗依，等．SQL Server 2005从入门到精通［M］．北京：电子工业出版社，2006．

［2］（美）Karli Watson，等．C#入门经典（第6版）［M］．北京：清华大学出版社，2014．

［3］戴凌全，戴会超，蒋定国，李华，陈小燕．基于最小二乘法的河流水位流量关系曲线推算［J］．人民黄河，2010，32（9）：37-39．

［4］张善余，程小春，洪涛．以标准差判断水位流量关系曲线的定线精度［J］．水利水电科技进展，1999，19（2）：51-52．

［5］刘东生，陈松生，赵蜀汉，林来照，等.SL247-2012，水文资料整编规范［S］．北京：中国水利水电出版社，2013.

P333.9

B

1002－0624（2016）12－0062－03

黄委水文局科技计划项目（文H1410）

2016-02-23