房山水库洪水预报系统建设方案.docx
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房山水库洪水预报系统建设方案
房山水库洪水预报调度系统
建设方案
连云港市防汛防旱指挥部办公室
南京航空航天大学
南京师范大学
2021年07月
1.引言
.系统建设意义
目前,国内已有大中型水库预报调度系统建设并投入利用,但由于受模型理论基础限制,大多数应用系统只适用于集水面积较大(1000平方千米以上乃至数千或上万平方千米)的水库,对集水面积较小,汇流时刻短的大中型水库尚未发觉有应用良好的此类系统。
基于我省大部份水库汇水面积小,汇流时刻短,边界条件难以集中处置等客观情形,经连年业务实践说明,直接基于新安江等模型研发的水库洪水预报系统应用于小流域时存在预报精度不高、模型参数偏多、操作复杂等问题,不便于在我省小流域的水库洪水预报调度治理中直接应用。
房山水库位于东海县东南部的房山山麓下,白沙河上游。
集水面积平方千米(其中石安河以上平方千米)。
50年一遇设计洪水位10.66米,1000年一遇校核洪水位11.54米,总库容2593万立方米,其中兴利库容1156万立方米。
目前,房山水库建设有自动测报系统,有1个雨量站,1个水位站。
通过该系统的研究建设可为我省类似集水面积较小的水库洪水预报系统提供研究基础和建设体会。
同时,房山水库的洪水预报系统的建设可弥补房山水库预报工作的空白,确保当前水库防洪平安及日常监管工作的迫切需要。
.系统建设目标
1.2.1.系统整体目标
水库洪水预报调度系统的整体目标在于研究成立小流域洪水预报调度系统。
系统可查询治理水库各类大体信息;对后续预报降雨量及不同水库调度方案,可预报水库水情,提供水库水位的预报预警;并可演示水库水位变化,为我省小流域的水库洪水预报调度治理提供决策支持,保证当前水库防洪平安及日常监管工作的需要。
1.2.2.系统具体目标
(1)分析降雨进程与水库水位转变之间的相关关系,成立降雨与水库水位转变的关系模型,成立与水库水位关联的预报系统。
(2)研究成立水库信息化治理的数据标准与水库库区可视化建模的数据标准与数据模型,包括支撑水库库区与水工建筑物的二维可视化的数据模型。
(3)依照水库大体信息数据库,开发水库大体信息、水雨情信息、工情信息治理等模块,提供方便的水库各类大体信息阅读、录入、查询手腕。
.系统建设任务
依照系统建设目标,水库洪水预报调度系统建设任务有:
(1)研究降雨与水库水位转变的相关关系,成立小流域洪水预报模型。
实现成立降雨进程与水库水位转变之间的动态相关关系。
并可直观显示,成立与水库水位关联的预报系统。
(2)研究水库信息化治理的数据标准及其水库的数据标准与数据模型。
(3)研究支持水库二维可视化治理的数据库结构,基于数据标准成立水库二维仿真模拟通用的数据库。
(4)开发水库大体信息、水雨情信息、工情信息等治理系统。
(5)基于WebGIS平台,研究水库库区及其水库所在流域范围的三维数字高程模型(包括地形与地面建筑物)的构建方式,开发数字高程模型治理系统。
2.系统建设方案
.系统整体需求
2.1.1.功能需求
通过对水库洪水预报调度系统建设内容的供需初步分析,系统的整体功能需求如表2-1所示。
表2-1系统功能需求一览表
功能模块
功能需求
水库基本信息
管理
(1)对水库信息进行日常管理维护,具体包括水库基本信息、水库雨情信息、水库工情信息等内容。
(2)显示水库基本信息,包括:
日供水规模、当前库容、调度日志、调度知识等信息。
水库水位、雨量及特征值查询
可查询水库历史水位、雨量、库容、水位历史最高和最低等信息。
洪水预报与调度模拟
建立降雨过程与水库水位变化之间的动态相关关系,根据预报降水量和水库调度方案,可预报最高水位。
水库二维地图管理
建立并发布具有一定精度要求的水库二维地图。
地图包括水库库区、水库工情信息等。
预警预报信息
管理与发布
建立水库预警预报信息数据库,能够对水库信息进行日常管理维护,包括预警预报标志水位、应急方案、人员单位资料等内容。
2.1.2.时刻特性要求
系统运行效率要紧以系统处置能力、运行时刻和响应时刻来衡量。
设计人员要在必然资源的条件下,选择合理的设计方案,设计较优的算法。
在确保系统靠得住性和可保护性的前提下,尽可能地提高系统的执行效率和响应时刻。
系统时刻特性要求要紧包括:
(1)阅读器界面下数据检索或输出平均响应时刻应少于10秒;
(2)数据的转换和传送时刻一样不超过2分钟。
2.1.3.灵活性
(1)为了适应系统运行硬件环境与软件技术、用户需求转变,和系统本身功能需要不断提高和完善的要求。
系统必需具有灵活性和可移植性,对外界环境条件的转变有很强的适应性。
(2)制定有关数据互换标准和开发数据互换软件,以方便整合整个水库治理的数据。
(3)开发元数据表,提供数据精度和有效时限的详细描述,有效地对数据进行相应约束和验证,并提供数据精度和有效时限的配置功能,适应数据精度和有效时限的转变。
2.1.4.故障处置要求
(1)应用系统具有高靠得住性和高容错能力,保证局部犯错不阻碍全系统的正常工作。
(2)应用系统对用户的操作顺序、输入的数据进行正确性检查,并以显著方式提供错误信息。
(3)应用系统采纳犯错处置机制,明确提示错误信息并指导用户依照系统操作手册进行处置。
(4)应用系统提供运行监视和故障恢复机制,成立系统运行的日记文件,跟踪应用系统的所有操作。
2.1.5.系统数据需求
水库洪水预报与调度系统建设所需数据要紧有:
(1)水库及其所在流域大体信息数据;
(2)水库水情、雨情系列动态监测数据;
(3)库区1:
1万的基础地理信息(矢量数据);
(4)库区1:
1万的数字高程模型(DEM);
2.1.6.系统经济性需求
系统充分利用现有的软硬件资源,以降低整个系统的投入,幸免浪费,提高资金的利用效益。
2.1.7.系统可扩展需求
可扩展性是系统的重要特点之一。
系统的设计充分考虑到网络扩容和功能深切的要求。
设计时采纳模块化设计,以保证系统具有很强的可扩展性。
.系统组成与架构
2.2.1.系统组成
依据水库洪水预报与调度系统的整体建设目标与具体功能需求,本系统由水库大体信息治理子系统、水雨情信息治理子系统、工情信息治理子系统、洪水预报治理子系统、水库调度治理子系统与系统保护子系统组成(如图2-1)。
图2-1水库洪水预报与调度系统组成图
(1)大体信息治理子系统:
对所在流域、水库特点作一样性介绍,要紧包括地理概况、气候概况、地形地貌、河流湖库、社会经济、水库结构与组成、建库、测站信息等。
(2)水雨情信息治理子系统:
对流域、水库水雨情信息进行治理,水情信息治理包括最新水库水情、最新河道水情的检索和水库水位、库容曲线自动绘制等;而雨情信息治理要紧包括最新雨情和雨情检索等。
(3)工情信息治理子系统:
是对流域、水库工情信息进行治理和查询,包括水库工程信息治理和流域工情信息治理。
(4)洪水预报治理子系统:
要紧功能是对入库洪水进行专家体会预报。
该子系统包括降雨与水库水位转变关系模型的治理和水库水位预报。
(5)水库调度治理子系统:
本系统以实时洪水预报结果为基础,在保证水库自身平安的同时,从水库综合防灾的角度动身,确信水库溢洪道泄流进程与库水位的相应转变,为防洪调度决策提供科学依据与技术支撑。
(6)系统保护子系统:
包括水库大体信息、水库雨情信息、水库工情信息等内容的保护,和洪水预报模型参数的率定等。
2.2.2.系统架构
水库洪水预报与调度系统为WebGIS应用系统,系统采纳阅读器/效劳器(B/S)体系架构。
采纳数据与应用系统集中,内网发布,散布式应用模式。
水库洪水预报与调度系统要紧为知足库区地形展现与发布,集成降雨汇水与水库水位转变量关系等模型的WebGIS应用系统。
在知足水库大体应用的基础上,需留有接口,以便其他水库依照需要拓展开发符合自身实际情形的GIS应用系统并集成相关模型;同时,为了实现与其它系统的数据共享与数据传输,系统设计和开发时,还需留有数据共享与数据查询的接口。
阅读器/效劳器(B/S)体系架构是针对江苏省水库洪水预报与调度系统中需要水库行政治理部门功能利用以辅助决策的业务而设计,基于阅读器/效劳器(B/S)体系架构的系统要紧包括空间数据库、属性数据库与模型库层、Web效劳器与GIS效劳器的中间层、阅读器端的用户与IE阅读器,及其政府内网连接,系统的具体结构如图2-2所示。
图2-2水库洪水预报与调度系统框架
2.2.3.系统整体结构
图2-3系统具体整体结构图
水库洪水预报与调度系统整体结构划分三层,即系统支持层、系统应用层与人机交互层。
其中系统支持层由描述水库的属性数据库、空间数据库与模型库组成;系统应用层由降雨与水库水位实时监控、水库信息效劳、水雨情预报、洪水预报及调度等应用组成;人机交互层是基于水库治理实现水库信息的可视化查询、水库洪水预报与调度专题应用等组成。
系统具体整体结构如图2-3所示。
2.2.4.系统集成应用体系
基于B/S体系结构的应用系统与传统基于C/S和单机软件应用方式的一个显著的不同是系统间消息和数据传递是构建在开放的标准通信协议基础上的,这也为不同应用系统通过Internet/Intranet实现综合应用制造了条件。
随着基于Internet/Intranet构建的应用系统的不断增加,为了方便用户对系统利用,需要成立一个标准开放的系统应用平台,一方面提供给用系统集成的框架,另一方面提供友好的界面方便用户快速定位所需应用。
系统集成应用平台的内容包括:
系统集成框架,提供给用系统开发大体标准、基础类库;系统治理及其配置系统,提供系统集成标准和集成工具;系统验证效劳系统,提供统一的用户治理和用户验证授权效劳;系统日记和平安系统,提供系统运行跟踪工具和效劳系统,和平安配置治理工具;门户网站系统,为用户提供快速进入系统,定位具体应用的界面和向导工具;个性化效劳系统,为系统每一名用户提供将个性化信息和私有信息集成的界面和环境,方便用户查询自己所需信息。
水库洪水预报调度系统的建设框架包括遥测及人工观测雨水情信息输入接口、系统数据标准与数据库、应用支撑平台、水库监测系统、应用系统,和基于模型的参数自动修订与水库治理标准标准体系(图2-4)。
图2-4水库洪水预报与调度系统建设框架
2.2.5.信息治理与共享体系
信息共享是水库洪水预报调度系统建设的一个重要方面,信息共享体系包括三个方面的内容:
一是共享信息的具体内容;二是共享信息内容的平安;三是共享信息的共享方式和信息获取方式。
系统是基于Internet/Intranet技术的网络应用,内容包括治理信息系统、地理信息系统、空间辅助支持系统等。
为了便于信息共享,和信息的综合应用,设计采纳Web效劳(WebServices)作为系总共享的方式和信息获取方式。
通过制定数据共享标准和标准,明确数据共享的内容和信息共享接口及获取方式,然后实现水库信息共享。
在水库信息共享进程中,可能会显现数据丢失现象,为了幸免该现象的显现,设计从爱惜连接平安和对交互操作进行身份验证与授权这两个方面保证共享信息内容的平安。
依照网络的范围和交互操作的活动配置文件,能够通过量种技术来达到这一目的,目前最流行也最普遍利用的三种技术为:
基于防火墙的规那么、平安套接字层(SSL)和虚拟专用网络(VPN)。
对交互操作进行身份验证和授权是在XMLWebService中实现身份验证的一个简单而直接的方式,关于大多数XMLWebService而言,利用HTTP的身份验证功能,将MicrosoftInternetInformationServer(IIS)和ISA效劳器与Windows2000/WindowsXP效劳器配合利用,为HTTP提供多种身份验证机制的集成支持,即大体身份验证、SSL上的大体身份验证、简要身份验证、集成Windows身份验证。
另外也能够利用XMLWebService平安语言(WS-Security)来保证共享信息平安,它为SOAP消息提供了三种增强功能:
凭据传送、消息集成和消息保密。
.系统开发与运行环境
2.3.1.系统开发方式与开发环境
(1)设计工具
对象建模将采纳支持UML建模语言的建模工具,如:
BorlandTogether、RationalRose、MicrosoftVisio等。
可视化建模工具BorlandTogether。
在程序设计进程中采纳Borland公司的面向对象的可视化建模工具Together进行面向对象的程序设计,采纳UML对模型进行形式化描述有助于对模型进行合理的抽象、优化和便于开发人员之间进行彼此交流。
数据库设计工具采纳SybasePowerDesigner。
在数据库设计中,利用Sybase公司的闻名CASE工具PowerDesigner,利用该工具进行面向对象的数据库设计。
(2)开发平台
依照水库洪水预报调度系统的应用需求和软件技术的进展,B/S结构的系统采纳.NET平台开发,开发工具选择MicrosoftVisualStudio.NET2020。
2.3.2.负载平稳实现方式
依照水库洪水预报调度系统的需求,采纳纯软件群集技术实现负载平稳。
这主若是因为:
软件群集系统比硬件群集系统性价比高、发生故障时软件群集系统比硬件群集系统恢复快、软件群集系统可扩展性高。
软件集群分为应用效劳器集群和数据库集群两个方面。
依照水库洪水预报调度系统的业务分析,系统要紧负载是在数据库效劳器上,因此能够采纳数据库集群来提高系统性能。
2.3.3.系统支持软件
(1)操作系统
依照水库洪水预报与调度系统的应用需求,设计采纳支持系统群集的操作系统WindowsAdvanceServer2020。
(2)数据库系统
依照江苏省水利厅目前信息化建设现状,兼顾与已有系统资源和数据共享的具体情形,水库洪水预报与调度系统的平台建议采纳SQLServer2020。
SQLServer2020具有平安性、可恢复性、可扩展性、易用性的特点。
同时,SQLServer2020为在基于空间的应用程序中消耗、扩展和利用位置信息提供了普遍的空间支持。
内置的地理数据类型能够存储符合行业空间标准例如开放地理空间联盟(OpenGeospatialConsortium,OGC)的平面的空间数据。
几何数据类型,能够存储地理空间数据并对其执行操作。
(3)GIS软件平台
ArcGISServer是功能壮大的基于效劳器的GIS产品,用户构建集中治理、支持多用户的、具有高级GIS功能的企业级GIS应用与效劳,包括空间数据治理、二维三维地图可视化、数据编辑、空间分析等即拿即用的应用和类型丰硕的效劳。
ArcGISServer要紧功能包括提供通用的框架在企业内部成立和分发GIS应用;提供操作简单、易于配置的Web应用;提供普遍的基于Web的空间数据获取功能;提供通用的GIS数据治理框架;支持在线的空间数据编辑和专业分析;支持二维三维地图可视化;除标准阅读器外,还支持ArcGISDesktop和ArcGISExplorer等桌面客户端;能够集成多种GIS效劳;支持标准的WMS、WFS;提供配置、发布和优化GIS效劳器的治理工具;提供.NET和Java软件开发工具包;为移动客户提供给用开发框架。
系统中的空间数据存取建议采纳ArcGISSED存储在SQLServer2020数据库中,系统采纳ArcGIS软件平台下的该款产品。
ArcSDE是ArcGIS与关系数据库之间的GIS通道。
许诺用户在多种数据治理系统中治理地理信息,并使所有的ArcGIS应用程序都能够利用这些数据。
ArcSDE是多用户ArcGIS系统的一个关键部件。
它为DBMS提供了一个开放的接口,许诺ArcGIS在多种数据库平台上治理地理信息。
这些平台包括Oracle,MicrosoftSQLServer,IBMDB2,Informix。
通过ArcSDE,可使ArcGIS在DBMS中轻而易举地治理一个共享的、多用户的空间数据库。
2.3.4.系统开发拟用方案
依照上述分析,水库洪水预报调度系统开发拟采纳以下两种方案,并在实施时依如实际情形确信:
方案一:
(1)开发平台:
(2)开发语言:
C#
(3)GIS平台:
ArcGIS10系列(ArcEngine-AE)
(4)数据库平台:
Oracle10G
方案二:
(1)开发平台:
(2)开发语言:
C#
(3)GIS平台:
ArcGIS10系列(ArcEngine-AE)+Skyline
(4)数据库平台:
Oracle10G
2.3.4.系统运行设备环境
系统运行设备环境包括应用效劳器和PC机等运算机硬件。
应用效劳器是应用系统与数据库之间的中间层,集成了公用或专用的事务处置中间构件,使应用系统的处置逻辑与表示逻辑分开,以减少应用系统分发与保护的负担,提高中间构件的共享,支持多层体系结构应用系统开发,应用效劳治理器对事务逻辑的中间构件进行组织与集成。
依照对水库洪水预报调度系统初步需求分析,本系统运行于内部局域网,各级用户具有能够通过链接访问外网(Internet)的功能,但外网不能访问内网。
水库洪水预报调度系统要紧为WebGIS应用系统,要紧于江苏省水利厅信息传输专网(Intranet)上运行。
在构建库区模型的基础上,集成水库汇水流域模型,达到必然降雨条件下水库水位预报与调度的功能需求,和与其他系统的数据互换与共享。
3.工作实施
.实施原那么
在本系统建设进程中,要紧遵循以下原那么:
(1)以业务单位利用人员的需求和业务适应为依据,开发有效性高的系统,以减轻业务人员的工作压力。
(2)考虑到省内其它大中型水库的地形、降雨与水库水位动态转变相关模型的通用性,本系统的模型治理设计具有必然的通用性,便于以后在纵向上增加业务模型,在横向上能够在本系统的基础上快速扩展到省内其它水库,为水库信息化治理统一平台奠定基础。
(3)合理运用运算机技术、GIS技术、数据库技术及网络技术,成立一个“基于B/S架构的,以业务为先导,分层次与组件式的,面向专业应用的”地理信息系统。
(4)需求调研和代码开发并重,采纳“原型系统-用户意见-系统修改-新的原型系统”的循环增量式开发方式,全力实现信息系统的易用性与有效性。
.项目组组成
项目由南京航空航天大学为主承担,南京师范大学配合实施。
南京航空航天大学:
负责水库水情、雨情数据分析,负责分析降水与水位的关系,研究与构建水库洪水预报模型,负责预报模型代码实现及研究报告编制;
南京师范大学:
负责水库二维仿真与水库预报调度模块的集成。
.工作实施步骤
系统建设工作要紧包括资料搜集与分析、数据库建设、系统功能调研、软件系统设计与开发、软件测试等工作内容。
整体部署如下:
3.3.1.资料搜集与分析
资料搜集包括房山水库基础数据、水雨情资料、空间数据、水工建筑物数据等。
水库基础数据包括水库大体信息、水库工情大体信息、水库特点水位、水库调度方案、治理单位情形等资料。
水雨情资料要紧包括水库所在小流域的降雨量监测数据与水库水位监测数据。
成立“降雨-入库”的同步数据。
水库空间数据库包括水库区域数字高程模型、遥感影像图,同时包括水库库区二维基础地图,其中包括水系、水工建筑、道路交通等重要要素图层。
水工建筑物数据要紧包括大坝主体和周围水工建筑的设计与现实数据。
3.3.2数据建库
依照数据标准,成立相应数据表结构,将数据按标准录入或导入到数据库中,并对入库的数据进行详细的数据检查。
3.3.3.系统功能需求调研
对水库治理部门展开需求调研,明确治理业务与专业应用上的具体需求,编制系统供需分析报告,为系统开发做好预备。
3.3.4.预报方案确信
在蓄满产流模型理论的基础上构建双层前期土湿模型,简化处置前期土湿对产流的阻碍。
并基于流域的降雨数据,构建双层前期土湿模型对水库的入库进行预报。
3.3.5.系统设计与开发
依照供需分析报告所提供的系统需求,进行系统详细设计与开发。
开发出原型系统,依照领导和专家提出的意见和建议对系统进行完善。
3.3.6.软件测试
为了保证软件的质量和靠得住性,在系统分析、设计、开发等时期终止前,对软件进行严格的技术评审。
依照软件工程要求,在软件投入运行前,进行软件测试。
依照传统软件工程要求,软件测试人员可按以下三个级别进行测试:
单元测试、集成测试和系统测试。
系统测试时对被测的软件结合需求分析做认真地测试分析,成立测试用例。
系统测试的具体内容包括:
功能测试、强度测试、性能测试、平安测试和可用性测试。
3.3.7.系统试运行
系统通过测试后,提交用户进行试运行,在实际运行中对系统进行查验,并完善。
3.3.8.培训与保护
组织系统利用人员进行用户培训。
培训内容包括系统安装、配置及软件利用等。
并依如实际利用情形对系统进行保护。
.实施时刻安排
依照项目实施部署,实际项目进度安排:
2021年12月10日-20日:
补充数据搜集(全景照相、放水记录数据);
2021年12月20日-2021年12月30日:
系统集成;
2014年1月1日~1月7日:
试运行;
2014年1月7日~1月14日:
模型修改与完善;
2014年1月中左右:
验收
4.预期功效
(1)水库洪水预报调度系统建设报告;
(2)水库洪水预报调度系统软件利用说明书;
(3)水库洪水预报调度系统(软件);
5.项目组织治理
本项目将成立项目开发小组。
项目组成员由具有水文水资源、运算机科学、地理信息系统等专业知识的技术人员组成。
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