黄河水文测验数据在线处理系统设计与应用

郑 凯，张 健，毛文迪，李国良

（黄河水利委员会河南水文水资源局，河南 郑州 450004）

0 引言

水文测验数据的数字化是水文信息化的基础，尤其是水文人工测验数据的数字化。目前黄河测区水文人工测验原始资料基本采用纸质或 Excel 电子文档记载，没有形成水文大数据环境[1]，无法实时在线进行数据的提取、审查和整编；同时，随着水文自动监测设备的推广使用，海量的自动监测数据没有进行摘录和整编格式转换，无法直接用于资料整编[2-3]。这种状况导致黄河测区水文测验数据出错率较高，成果时效性低，数据无法深度融合和共享，不能满足新时期黄河水文信息化、现代化发展的需求。

因此，基于网络协同的方式，构建黄河水文测验数据在线处理系统（以下简称在线处理系统），实现水文测验数据的实时、动态处理和存储，提升水文资料在站整编的工作效率和成果质量迫在眉睫。

1 系统设计

1.1 数据库设计

水文测验原始资料数据库是构建在线处理系统的基石，在线处理系统基于 SQL Server 数据库，按照 SL/T 324—2019《水文数据库表结构及标识符》和 SL 323—2010《实时雨水情数据库表结构与标识符》等规范，进行黄河水文测验原始资料库表结构的设计，包括水准、水位、流量、输沙率、泥沙水样、降水量、蒸发量、水温、气温等 50 个数据表，具体如表 1 所示。

表 1 黄河水文测验原始资料数据表

1.2 技术架构设计

在线处理系统采用 B/S 技术架构体系，用户可通过浏览器实现对服务器的访问。系统由采集层、数据层、应用层、显示层组成，前端浏览器实现部分业务逻辑，大量的业务处理都在服务器端通过调用相应的业务服务完成，具体技术架构如图 1所示[4-5]。

图 1 系统技术构架

1）采集层。主要指在线处理系统相关数据收集途径。

2）数据层。主要指水文测验原始资料数据库，存储各类测验及计算的数据。

3）应用层。主要指对用户提交的指令，以及水位、流量、含沙量等要素数据，进行校验、处理和计算等再加工后，将数据存储到数据库中，或将数据库中的数据提取后返回给显示层。

4）显示层。是指用户所见的人机交互界面，主要功能是为用户提供水位、流量、含沙量等测验项目的人机交互。

1.3 业务流程设计

测验人员使用移动端或 PC 端通过用户名和密码，经身份验证后登录在线处理系统，不同的用户被赋予不同的角色，而不同的角色被赋予不同的权限，因此用户通过被授予的相应权限访问相应的业务服务。管理员用户可以进行用户、角色、权限等的管理，以及菜单设置等操作；测站用户可以进行数据查询、修改与删除、录入与计算、审查，以及错情登记、成果表打印等操作；勘测局或水文局用户可以进行审查规则设置、任务制订等操作。具体业务流程如图 2 所示。

2 功能模块设计

在线处理系统功能模块包括数据查询、录入与计算、审查和系统设置等模块，功能组成如图 3所示。

2.1 数据查询

数据查询模块实现水位、流量、含沙量等水文要素记载表的详情查看，修改，删除和打印等功能。

经用户登录认证，不同的用户具有不同的数据查询权限：测站用户仅能查询本站的水文要素数据，可以进行数据的修改和删除；勘测局或水文局用户可以查询到所辖所有水文站的数据，但无法修改和删除数据。

记载表打印基于 Print.js 插件，实现系统前端报表页面的在线打印。

2.2 数据录入与计算

数据录入与计算模块可实现以下功能：

1）数据人工在线填报与计算功能。对水位、流量、含沙量等人工测验项目数据，在线处理系统基于 handsontable.js 插件，在前端网页设计了测验数据记载表格，对单元格进行数据类型、有效位数的校验，并通过单元格响应事件，设置了计算公式，实现数据的在线处理。

2）数据导入功能。对水位、流量、含沙量等人工测验项目的 Excel 数据文档进行上传，文档经过字段解析后，解析结果保存到水文测验原始资料数据库。

3）数据摘录与整编格式转换功能。对水位、降水量等自动监测数据，在线处理系统可根据极值、弦差、变幅等因素制定摘录方案，选取摘录方案后，进行数据摘录，可进行原始数据和摘录数据的过程对比，生成摘录评估报告，还可进行不同摘录方案下摘录数据的对比。数据摘录后，在线处理系统会按照整编成果数据表的形式，对自动监测数据进行整编格式转换。

2.3 数据审查

数据审查模块通过绘制图形和设置审查规则对水位、流量、含沙量等水文要素数据进行合理性检查，主要包括以下功能：

图 2 业务流程图

图 3 在线处理系统功能结构组成

1）审查规则制定与功能设置。将黄河水文资料成果汇刊技术规程和整汇编专家的审查经验数学化，建立数学模型，以审查项目为单元，细化成一系列的审查规则。

2）自动审查功能。根据审查规则，对某一时段内的水文要素数据进行批量自动审查，对审查结果进行选取和保存，自动生成错情登记表。

3）图形化审查功能。基于 ECharts 可视化图表库，绘制断面流速图、水位流量关系图、实测大断面图等图形，测站人员可借助图形进行人工审查[6]。

2.4 系统设置

在线处理系统设置模块包括用户、组织机构、角色、权限的管理及测站设置等功能，主要用于用户注册、组织机构管理、权限授予、测站信息管理等操作，基于 RBAC（Role-Based Access Control）进行设计，可通过对用户赋予不同的角色，实现对用户访问数据的有效控制和隔离[7-8]。

3 系统应用及成效

测验人员登录在线处理系统后，对水准、流量、含沙量等人工测验项目数据进行实时填报，数据经格式校验后，采用对应的计算公式进行数据处理，计算结果保存到水文测验原始资料数据库中。而针对水位、降水量等自动监测数据，测验人员可按照摘录算法进行摘录选取，并进行整编格式转换[9]，其结果保存到水文测验原始资料数据库中，参与水文资料实时在线整编。水文要素数据入库后，测验人员选取起止时间，可实时在线查询该时间段内的水文要素记载表，单击“详情”“修改”“删除”和“打印”等按钮，可进行相关操作，如查看某测次的流速仪法测流记载表等，还可根据预先设置的审查规则进行某一时段内水位、流量、含沙量等水文要素数据的批量自动审查。

在线处理系统于 2020 年 5 月在黄河水文河南测区投入运行，测区 27 处水文站、203 处雨量站均采用该系统进行水文测验数据的处理。在线处理系统符合基层水文站的测算需求和使用习惯，能满足测站、勘测局、基层局对水文测验数据实时及动态处理的要求，能同步查看测验结果，并将数据存入水文测验原始资料数据库中，以备实时进行水文资料在线整编。

在线处理系统应用后，对于人工测验数据，实现输沙率测验记载表和泥沙水样处理记载表等表间数据的相互调用，避免了数据重复录入产生的错误，对测站原始录入数据的格式、有效位数等进行自动审查，可发现并提示数据录入中存在的问题。对于水位、降水量等自动监测数据，数据摘录和整编格式转换过程费时费力，通常人工处理需要近半个月的时间，而应用在线处理系统后，仅需 1 d 即可完成。

4 结语

在线处理系统以水文测验数据为依托，采用微软 C# 开发语言、SQL Server 数据库及 ECharts 可视化图表库等技术，开发完成了水位、流量、含沙量等水文要素数据的查询，录入，计算，摘录与整编格式转换，合理性审查，图表显示，成果打印等应用模块，构建了水文测验原始资料数据中心，把碎片化的单一水文要素数据处理软件有效地融合到一个系统中，从而通过网络协同的方式进行水文测验数据的在线计算和处理，并实时存储到数据中心，实现了数据的融合与共享及测区自下而上数据的互联互通。

在线处理系统应用后，不但提高了测区内水文人工测验数据的准确率与记载格式的规范度，也解决了自动监测数据的摘录与数据格式转换等资料整编难题，节省了大量时间和人力，实现了水文测验数据的“日清月结”，提升了水文资料在站整编的工作效率和成果质量，满足了黄河水文现代化建设的要求。但系统尚未开发水位流量关系辅助定线功能，水文数据审查规则的制定还处于初级阶段，不够全面，一些经验性的审查规则尚无法形成数学模型，系统日志方面的设计也有诸多不足，有待今后进一步研究和完善。