引江济汉工程会商决策支撑系统的开发研究

2021-03-26邸国辉梁二鹏

地理空间信息 2021年3期

陆鑫，邸国辉*，梁二鹏

（1.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430064；2.北京国遥新天地信息技术有限公司，北京 100101）

会商决策支撑系统的应用在我国始于20世纪80年代，胡四一[1]等开发的全国防洪调度系统是一个国家级防洪管理的决策支撑系统原型，以数据库、知识库为信息基础，实现了信息查询和防洪调度等功能。信息查询功能可实现对实时水雨工情、洪水预报结果等信息的快速查询；防洪调度功能可对预案进行水情仿真，为决策者提供汛情发展事态信息。20世纪80年代至90年代的会商决策支撑系统尚未采用GIS技术处理基础地理信息[1-4]。20世纪90年代末，水利决策支撑系统中开始引入GIS技术，一般采用二维GIS平台[5-6]。近年来，三维GIS平台逐渐成熟，其直观性强，可实现空间分析的可视化，在会商决策支撑系统中的应用效果较好[7]。

针对灌区管理、防汛调度等方面的会商决策支撑系统研究较多[5-6]；而由于水量调度、与交叉河流相互影响以及建筑物数量多，针对大型引水工程方面的会商决策支撑系统尚在初步研究阶段。

引江济汉工程的引水口位于湖北省荆州市龙洲垸，出水口位于潜江市高石碑。干渠线路地跨荆州、荆门两个地级市所辖的荆州区和沙洋县以及省直管市潜江市和仙桃市。干渠全长67.23 km，沿线涉及各类建筑物82座，其中各种水闸13座、泵站1座、船闸2座、东荆河橡胶坝3座、倒虹吸30座（河渠交叉26座、渠渠交叉4座）、公路桥32座、铁路桥1座。引江济汉工程以改善汉江下游河道内生态用水为主，改善航运、供水和灌溉为辅，其引水规模由汉江兴隆枢纽下泄流量而定，引水方式取决于引水口长江水位的高低。

为了保证引江济汉工程的正常输水，需对工程安全、水质安全、运营管理等进行监控。针对引江济汉工程地域分布广、交叉水系多、交叉建筑物多等特点，采用先进的信息采集技术、信息处理技术、自动化控制技术、计算机网络技术、通信技术以及现代化的运行、维护、管理技术与理念，建设一套完善的先进的自动化调度运行的管理支撑系统，对引江济汉工程进行运行、维护和管理是十分必要的。会商决策支撑系统作为引江济汉自动化调度运行管理系统的一个重要子系统，以三维GIS平台（EV-Globe）为基本平台，通过二次开发达到了系统设计要求。作为国产的新一代GIS平台，EV-Globe在安全性、可靠性、运行效率和数据支持上都具有一定的优势，能实现海量多源影像的无缝集成和管理，并能提供多种技术手段以提高三维环境的仿真渲染效率与渲染效果。

1 会商决策支撑系统功能设计

会商决策支撑系统主要负责引江济汉工程总体情况以及各类监控监测信息的三维直观展示，包括地理信息展示、工程信息展示、工程三维展示、属性信息查询、水利调度监控、水闸泵站监控、视频监控、安全监测和水质水情监测9个模块。系统采用EV-Globe网络平台进行搭建。

1.1 地理信息展示模块

该模块主要是对引江济汉工程67.23 km水渠以及水利工程附近精细的三维地形地貌、地理信息进行展示，具有平移、缩放、旋转等手动漫游功能以及飞行浏览、图层控制等功能。三维地形模型参数是各专题模型计算软件正常运行必不可少的部分，模型参数维护是引水调度集成系统中各模型正确调用和运行的基础和前提。高石碑船闸和出水闸如图1所示。EV-Globe利用LOD技术结合影像金字塔技术，实现了不同层次下快速、高仿真度的三维场景表现；还支持模型的动态加载，不仅可以快速加载模型，而且降低了对计算机的要求。

图1 高石碑船闸和出水闸

1.2 会商决策管理模块

该模块将调度事件的获取、保存、查询和信息展示在相应的地理位置上，并利用三维仿真系统对GIS和综合信息服务系统所提供的相关信息进行展示，以提供会议辅助决策。会议管理主要包括会议主题管理、会议过程管理和会议结果管理，即对整个会议决策进行管理[3]（图2）。会商决策管理模块根据调度系统提供的接口来获取调度数据。根据流量调度管理子系统提供的接口，按照不同的方式（不同时间段、不同渠段等）进行调度事件（各水闸的流量、不同渠段的水位等信息）的查询，并在三维平台上进行工程调度仿真。

图2 调度事件的获取和查询流程图

1.3 水利工程仿真模块

系统采用BIM和实景摄影贴图技术[8]，对13座水利枢纽工程进行了三维建模，实现了仿真场景组织、图层控制、快速定位、内外部自由浏览、属性查询以及水体仿真等功能，可漫游不同天气的特效渲染场景。EV-Globe系统以特效渲染引擎为基础，提供了大量的特效模拟效果，以提高不同地理环境、不同天气状况、不同视角高度下的系统仿真效果。进口泵站运行中的仿真效果如图3所示。

图3 动态水体仿真

1.4 三维空间量算模块

该模块实现了三维空间的距离量算、面积量算、点量算和高度量算等功能，为会商决策提供了准确的空间信息。

1.5 三维空间分析模块

该模块实现了三维淹没分析、地形断面分析、通视分析、坡度分析等三维空间分析功能，为会商决策提供了防洪推演结果。通过选择淹没点和设置水面海拔，自动计算附近区域内的淹没面积以及水体体积等信息，获取选定路径的断面分析数据和剖面图信息，并在地图窗口中形象展示相应的效果。如图4所示，引水渠道溃堤水位为33.49 m时，汇水体积可达到365.4万m3，并给出了淹没的区域。

图4 三维空间分析

1.6 辅助决策模块

在三维场景中，该模块为调度系统提供了建筑物、渠道、内部设备的属性查询、浏览以及调度方案标绘等功能（图5），可为会商决策提供所需的工水情信息。

图5 属性信息查询

2 接口与数据库设计

2.1 外部接口

2.1.1 用户界面

系统的用户界面是标准的Windows图形界面，全部为中文菜单。界面设计时，按照Windows应用程序设计习惯，从菜单设计到工具栏布置尽量遵循用户的操作习惯，并为用户界面提供详尽的使用说明。用户通过鼠标和键盘可轻松完成所有系统操作，每一步都提供相应的提示，指示用户正确的操作步骤，提示系统目前的状态。

2.1.2 软件接口

系统使用的三维模型OBJ、DOM和DEM存储在服务器中，各用户终端通过向服务器请求数据，在客户端上加载三维模型OBJ、DOM和DEM。系统通过网络实现客户端与服务器之间的通信。

2.1.3 硬件接口

系统运行于湖北省南水北调管理局的内部网络中，网络中的各终端与服务器通过网卡和hub相连，利用TCP/IP协议完成信息传输和文件打印共享。

2.2 数据库设计

系统数据库采用Oracle数据库进行建设，主要包括基础地理数据库、三维模型数据库、工程信息数据库和多媒体数据库。根据数据特性，数据可划分为属性数据、空间矢量数据、影像数据、调度数据和多媒体数据等。

3 系统的实现

3.1 系统总体架构

系统采用以数据库技术为基础、GIS为支撑的模式，即在系统软件、支撑软件的基础上，建立数据库层、平台与服务层、应用层的3层结构。其中，应用层包括用户交互与操作界面，主要提供信息化处理应用的操作界面，并实现各专业模块的应用需求；平台与服务层的基础是GIS平台、EV-Globe、DBMS管理平台等，能提供基本的数据服务和应用服务（组件），如地图数据服务、三维浏览与表现服务和基本空间分析服务等，应用系统基于这些平台与服务组件完成其专业展现和分析计算；数据库层负责系统数据库的组织和集成建库[9]。系统总体架构如图6所示。

3.2 系统技术路线

3.2.1 基础平台

系统采用国产三维地理信息平台EV-Globe进行搭建，其安全度、成熟度较高，采购的基础平台软件包括服务器端软件EVGlobe-Server（负责发布影像、DEM和模型数据，IIS发布）和网络插件EVGlobe PlugIn（负责嵌入网页，安装在客户端进行三维场景高效渲染）。

图6 系统总体架构

3.2.2 项目开发说明

系统采用B/S架构，分为服务器端和前端。服务器端采用的EarthView 空间信息服务共享平台（EV-Server），是以网络为中心、面向用户的 Web 服务平台，使用Java语言开发，依赖Tomcat服务器。网页内部嵌入插件EVGlobe PlugIn对调水区域进行三维展示和应用。三维展示的相关代码都封装在插件内部，不影响系统技术框架的应用。

系统采用高可靠、高可用、可扩展的分布式系统结构和面向服务架构（SOA）统一存储和管理空间信息，统一发布和管理地理信息服务。前端采用C#语言的AcitveX插件进行开发，采用面向对象的建模方式，分为数据处理层、业务处理层、三维渲染处理层和用户页面处理层4层结构，以达到快速开发和重组的要求，同时能提供灵活的集成方式，如增量部署、热部署等。

3.2.3 系统网络拓扑

三维平台服务器端软件需部署到Windows Server上，将EVGlobe-Server和EVGlobe PlugIn两个服务端软件统一部署在Windows Server上，并采用IIS进行发布。前端采用大项目确定的客户端软件环境Windows7即可支撑会商决策信息系统（包括页面和插件）运行。