浙江省中小河流水文预报服务平台设计实现

邱 超 ，张 兰 ，王 浩

（1.浙江省水文局，浙江 杭州 310009；2.浙江省环境监测中心，浙江 杭州 310012）

1 问题的提出

浙江省地处我国东南沿海，位于长江三角洲经济发达地区，由于特殊的气候条件和地理位置，浙江省又是一个水、旱、台风、大潮多种灾害频繁交错发生的地区，容易发生小流域旱涝灾害[1]，其造成的经济损失因经济要素集中而相对严重。近年来，由于局部地区强降雨造成的中小流域突发性洪水频繁发生，引发的山洪、泥石流、滑坡等次生灾害防不胜防，已成为造成人员伤亡的主要灾种[2]。据统计，在1949 — 2008的60 a中，共发生较大影响的梅雨洪水、台风、干旱等自然灾害达100多次，全省洪涝台灾害所带来的直接经济损失高达2 100亿元，年平均35亿元，占历年全省平均国内生产总值的2.2%[3]，洪涝台旱灾害已成为浙江经济社会发展的制约因素之一。长期的抗洪减灾实践证明：仅仅依靠工程措施难以最大限度地减轻洪水灾害，还须逐步完善与之配套的非工程措施，充分发挥其在防洪减灾和水资源利用中的重大作用[4]。非工程措施已经成为现代防洪减灾体系中的一个重要组成部分。

水情信息采集系统是防洪减灾工作中最基础、最重要的非工程措施[5]。早在20世纪80年代浙江省就开始水情信息采集系统建设，到目前为止，全省水情信息采集站点达4 000余个，站网密度达到前所未有的程度，且实时水情信息的采集从过去的几小时缩短为5 min，为及时掌握全省的实时水情信息提供良好的信息源基础。但是，伴随着水情信息采集站点尤其是中小河流采集站点的迅速扩展和站网密度的急剧增加，实时水情信息的信息量也大大增加，对信息的管理和分析难度也在加大。大量的水情信息需要快速的进行数据甄别、预处理、流转、分析及数据挖掘。同时，实际工作中还存在洪水预报系统管理平台不统一、预报依据数据源多样化、预报结果会商缺失和部分技术人员相应素质得不到满足等问题[6]。因此，急需建立一个基于网络模式的统一的中小河流水文预报服务体系平台，以实现水文预测预报成果在各级水文部门和其他相关单位之间的共享，并及时进行水文预报网络会商，同时形成一个统一的水文信息发布窗口。

2 系统总体设计

2.1 系统目标

对于浙江省中小河流预警预报软件平台，应该包括预报基础信息收集整理、实时水情网络数据中心建设、预报流程设计及规划、预报方案制定及模型参数确定、预报模型研制及方法研究、预报系统功能集成及数据同步管理、预报成果展示及发布共享、平台日常管理和预报分级负责等几个部分。主要涉及浙江省水情中心和11个地市水情分中心，预报对象则包括是全省120条中小河流。该系统的用户主要包括系统管理员、建模工程师、预报员和预报校核员，各个用户通过登录系统可以完成不同的工作。

本系统主要针对当前水文洪水预警预报的实际情况，致力于解决洪水预报的准确性和效率问题，研究深化预报成果产品，拓展预报服务项目，融合水文气象预报成果，设计研发集水文预测分析、服务发布及一体化管理的综合性行业服务平台。

2.2 系统架构

系统的架构主要有6层，其中系统层是硬件基础，数据层与数据中心层是数据基础，基础服务层是中间件，业务层与应用层则是系统的展现形式（见图1）。

图1 系统整体架构图

（1）系统层：是整个预报平台的最底层，可以认为是硬件层，它为上层子系统提供硬件支持与支撑。系统层的硬件支持主要体现在数据存储、网络连接、网络数据传输、操作系统、服务器等几个方面。

（2）数据层：基于系统硬件层，直接负责为数据中心提供源数据，是“硬盘中存储的数据”。

（3）数据中心层：以数据层为基础，对数据层的数据库数据以及文档数据进行封装、集成、水文数据建模以及数据管理等等。数据中心层的工作，就是管理数据层的数据，相当于是数据层的一层膜，用户以及外部子系统通过这层“数据中心膜”与数据层进行数据交互。

（4）基础服务层：数据中心层与数据层奠定了系统的数据基础。在此基础上，构建系统的业务支撑子系统，称之为基础服务层。主要职责是为上层具体应用提供基础服务。在本预报软件平台中将基础服务层的内容和洪水预报结合起来。主要有：工作流引擎、仿真引擎、GIS、数据同步、数据共享、以及数据交换、多核并行计算框架以及通用数据仿真核心引擎等。

（5）业务层：职责是具体处理洪水预报相关业务。与基础服务层相比，业务层服务更加特色化。利用基础服务层提供的各种服务，来完成业务逻辑，最终提供给用户就是各种不同形式的功能与服务。在本系统中，业务层主要包含洪水预报、模型管理、预报校核、预报会商、统计服务、报表服务、地图服务、数据访问和权限服务等。

（6）应用层：直接面向用户的一层。整个预报系统在这一层上的表现，就是用户看到的所有内容。应用层将下面各层整合为一个个的应用模块，这些应用模块就是交付给用户的一个子系统，每一个子系统或完成用户需求中的一个或多个任务，或对系统进行综合管理。在本系统中，应用层的子系统包括移动应用子系统、建模子系统、水情综合信息平台、洪水预报子系统以及综合管理子系统。

本文着重介绍水情综合信息平台与洪水预报子系统。

2.3 平台部署及安全保障

在省水情中心机房内部署2台高性能的VPN网关设备，2台千兆防火墙，1套入侵防御系统软件，形成双路互备。同时，在11个地市分中心各部署1套VPN网关设备，并通过互联网建立IPSECVPN隧道，通过VPN隧道实现省市两级水情中心数据的互联互通。整个应该系统全部部署在省中心，市县级用户通过互联网以网页的方式进行应用，提升了用户的系统应用体验。

省中心和地市分中心之间，通过IPSEC VPN网关，构建虚拟网。IPSEC是一套比较完整成体系的VPN技术，它规定了一系列的协议标准，引进了完整的安全机制，包括加密、认证和数据防篡改功能，具有很好的安全保障。与此同时，在网络结构上还依靠硬件防火墙和入侵防御系统软件进行实时在线检测和隔离，在网络架构上实现安全保护；此外，在系统软件设计研发时，充分采用权限系统、APP安全访问、防SQL注入等措施进行系统软件的研发，在软件程序层面实现安全保障。

3 关键技术与创新

3.1 组态化洪水预报仿真引擎

组态化建模和仿真采用成熟的软件平台，面向科研和教学目标，具有高度灵活、易于实验调试的特点，能够对复杂系统进行仿真。该平台用于流程工业仿真研究，已成功应用于包含数千个微分方程的实际工艺流程仿真。通过变量的定义（类似于洪水预报的雨量、水位等变量）、算法的组态（算法相当于洪水预报中的构件，模型就是算法组成）、数据的连接（反应方程的前后衔接，洪水预报中则是上下流域的衔接）、结果的展现（运行监控和曲线对比）等环节的串联，实现建模和优化。

组态化的本质是数据化。传统的洪水预报模型采用程序方式，对开发人员的计算机专业要求高，对模型的修改需要修改程序，开发、部署迭代周期复杂。对于一个面向全省用户的预报平台，很难采用编程模式推广应用。模型数据化之后，预报模型通过组态的数据模型进行定义和描述，建模、配置和运行都以数据中心所管理的组态模型为基础，不仅界面直观易用，而且从根本上解决部署和应用问题，是WEB洪水预报平台建设的重要技术保障。

3.2 基于GIS的大规模实时数据监控

GIS空间分析在实时监控类应用中具有重要的实用价值。地图是监控和仿真信息的最佳展现平台。借助二维、三维GIS，对全省水、雨情和洪水预报结果进行展示。目前结合GIS进行的大范围实时监控已有大量成功案例。

此外GIS还有助于提高洪水预报分析水平。例如GIS的三维地形分析，可以用于流域自动划分，可以对洪水的淹没范围进行计算；泰森多边形是集水区计算的重要方法；GIS叠加分析可以用于事故和灾害评估，根据仿真和监测结果，统计受影响的人口和设施；GIS网络分析可以用于应急指挥中的路径规划等。

4 系统主要功能

本系统的功能结构包括洪水预报的统一平台、组态化洪水预报模型设计、水情信息管理与展现、系统维护与管理、移动终端、共享交换与数据同步以及其他实用功能（见图2）。

图2 总体功能结构图

4.1 面向全省的洪水预报统一平台

系统是一个面向全省的洪水预报统一平台。“面向全省”是指全省用户都可以通过Web来使用本平台，不同的用户具有不同的权限，如系统管理员跟预报员的权限差距较大。将用户的权限细分为系统管理员、建模工程师、校核员和预报员。从用户地域上，有省中心用户、分中心用户以及地方用户之分，称之为三级协同工作。这三级的权限不同，通常省中心用户权限＞分中心用户权限＞地方用户权限。

“统一平台”侧重于洪水预报专业的内容，即整个洪水预报流程，都可以在本平台下统一完成，包括数据录入、流域划分、模型构建、方案配置、洪水预报以及结果展现等。

“洪水预报”指系统具有定时自动预报和人工交互预报的功能。定时自动预报是系统可定时根据预先所设定的预报方案和预报顺序自动完成预报，人工交互预报可通过表格和图形交互处理技术对洪水预报过程中的所有信息（实时数据、模型参数状态、模型中间计算结果、预报结果等）进行人工干预，为提高洪水预报精度创造作业软件环境（见图3）。

图3 预报平台建模架构图

4.2 组态化的洪水预报模型设计

洪水预报模型设计是整个系统的核心，包含系统的业务处理部分，包括流域、算法、模型、方案、洪水预报以及结果展现等内容。

4.2.1 流域划分

流域划分是将一块区域划分为几个小流域的过程。系统支持自动流域划分与人工输入流域划分。

自动流域划分是指用户可以通过在地图上圈化，系统就可以自动的生成所圈化的流域，主要是内部的站点关系。

人工输入划分则是用户手动的从键盘输出流域内站点的名称（或者ID），系统根据输入的站点来生成流域。

4.2.2 构建模型

模型可组态化，即使用者可以方便的利用系统提供的构件，根据流域特征来构建所需要的模型。这里的构件，是一种算法，具有输入输出接口以及内部算术逻辑。因此，需要一套稳定的、高效的、可扩展的算法构件来支撑模型组态。

4.2.3 单步跟踪

在进行构件设计的时候，需要充分考虑用户的交互性，即由构件组成的模型，可以跟用户进行充分的交互，这就需要单步跟踪功能。

单步跟踪功能是指在预报模型构建的过程中，用户可以看见模型中间每一步的状态。单步跟踪可以方便用户更快的了解建模过程中的内部具体数据变化，以此反馈修正构建的模型，可以大大增加预报模型的准确性。

4.2.4 模型参数率定

系统可通过人机界面以半自动和自动优选2种耦合方式完成预报方案中预报模型参数的率定，并可进行多模型多参数同时自动优选。

设计数学优化方法同预报模型的通用接口，只与各种预报模型的待优化参数和选定的目标函数发生联系，使优化率定软件离析为方法软件，更具通用性、独立性和便于升级换代。

系统具有确定性系数和水量平衡2种目标函数可供选择，可设定计算目标函数的阈值，可设定任何连续或间断历史水文资料系列用于率定，可根据预报方案属性自动从专用数据库中获取并生成用于模型率定的历史数据文件。模型率定完成后，所保存的率定结果即可用于实时作业预报。

4.2.5 构建方案

方案是针对流域而言的。对于一个指定流域，首先要得出其流域拓扑结构，这部分工作由“流域划分”完成，接下来要为其分配模型，并指定输入输出。

系统通过人机界面简单、快速地构建常用的预报方案，管理大量预报方案，进行多流域、河系连续预报。通过相应的预报模型和方法与预报断面河段及流域特性结合做出对应预报断面方案。在人机交换界面中定义、输入预报方案的属性，包括预报方案代码，预报断面站号、站名，方案输入数量、类型、代码，方案输入采用的站点、流量组合关系，雨量站权重，方案输入采用的模型代码、参数、状态，方案区域输入边界，方案自然预见期，模型计算时段长、预热期，方案输出类型，方案采用的水位流量关系曲线，方案告警阈值，方案文字说明。

4.2.6 作业预报及精度评定

系统将全省中小河流预报断面进行有机地整合，基于B/S模式开展网络在线作业预报，用户只需要核对预报相关基础信息，通过简单的人工输入便可以快捷的生成初步预报成果，并进行人工修正后实时在网上进行保存和发布，极大的简化预报流程，提升预报效率，实现成果的全省共享。系统还可以对共享预报成果的洪峰流量、洪峰水位、峰现时间等分别进行在线统计，并实时进行精度评定分析，以精度统计表的形式进行结果输出。

系统将有关的预报各要素进行统一采集、存储和管理维护，并通过GIS方式进行时空监控，对预报模块进行整合和优化，提升预报系统的通用性和可靠性。

4.3 水情信息管理与展现

4.3.1 水情信息管理

水情信息管理包括预报相关数据的管理，主要是实时信息和历史信息的管理。

一般来说，实时信息是最近1 a的水情信息，而历史信息是超过1 a的水情信息。实时信息主要用作实时预报，而历史信息主要用于参考以及参数率定。实时信息跟历史信息之间存在着模糊性，如13个月之前的数据很可能仍然被当作实时数据。因此，系统应该根据一定的算法，定时的将一些实时信息转变为历史信息。

在水情信息管理中还有一个非常重要的方面就是水情数据的检验，即合理性检验和真实性检验。合理性检验是指获取的水情数据是否合理，比如雨量数据超出合理范围，即可被认为是可疑数据；真实性检验是指获取的水情数据是否真实，比如水位数据超出有效范围，即可被认为是错误数据。

4.3.2 水情信息展现

对于水情数据而言，都是结构化的数据，因此报表展现是一种必需的展现手段。为了增加系统的用户友好型，需要支持地图展现，即用户可以通过鼠标移动在地图上直接获取所需要的信息，比如水文站点的雨量、水位、流量等。具体展现有：①报表展现：将水情数据以数据报表的形式展现给用户。这种形式简单，但是用户体验不好；②曲线展现：将水情数据以曲线的形式展现给用户。这种形式比较直观，但是用户不能迅速的获得具体的数值；③GIS地图展现：在地图上将水情数据展现给用户。这种形式直观性强，并且能够方便的获取所需要的具体数值。以上展现形式都可在Web上实现。

4.4 其他实用功能

系统除提及上述主要功能外，具有管理功能、配置功能、可维护性以及大量人机交互功能，可将预报员的丰富经验与系统的先进交互技术相结合。在降雨量输入交互、预见期降雨处理、流量输入交互、模型状态交互、模型参数交互、方案输入贡献分析、成果综合优选交互、水位流量关系曲线交互等交互式洪水预报方面开发相应交互界面，在后台技术层上开发退水图形处理技术和过程线橡皮筋技术。另外，在参数的率定计算中加入大量图形交互技术，以提高率定参数可靠性。

5 结 语

浙江省中小河流水文预报服务体系平台采用多层架构，支持开放协议和开放接口，符合行业标准规范，满足水文信息化建设的整体要求，具备高可靠性，能够24 h持续稳定运行，满足用户的应用需求。在近几年的防汛实际工作中经受了实践考验，特别是在实现四级水情成果共用共享、提升水文预报预警时效、拓宽预警预报研究范围、实现集总式建设和任务分级的新型管理模式、注重成果积累和整合、增长预见期和提高作业预报速度等方面作用明显，为浙江省防御暴雨洪水和防台等工作提供坚实的技术支撑，全面提升浙江省水文的防灾减灾服务能力。

参考文献：

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