房山泥石流 [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

2013年07月

目 录

1. 引言.............................................................................................................................................. 3

1.1. 系统建设意义 . .................................................................................................................. 3

1.2. 系统建设目标 . .................................................................................................................. 3

1.2.1. 系统总体目标 . ....................................................................................................... 3

1.2.2. 系统具体目标 . ....................................................................................................... 4

1.3. 系统建设任务 . .................................................................................................................. 4

2. 系统建设方案 . ............................................................................................................................. 5

2.1. 系统总体需求 . .................................................................................................................. 5

2.1.1. 功能需求 . ............................................................................................................... 5

2.1.2. 时间特性要求 . ....................................................................................................... 5

2.1.3. 灵活性 . ................................................................................................................... 6

2.1.4. 故障处理要求 . ....................................................................................................... 6

2.1.5. 系统数据需求 . ....................................................................................................... 7

2.1.6. 系统经济性需求 . ................................................................................................... 7

2.1.7. 系统可扩展需求 . ................................................................................................... 7

2.2. 系统组成与架构 . .............................................................................................................. 7

2.2.1. 系统组成 . ............................................................................................................... 7

2.2.2. 系统架构 . ............................................................................................................... 9

2.2.3. 系统总体结构 . ..................................................................................................... 10

2.2.4. 系统集成应用体系 . ............................................................................................. 11

2.2.5. 信息管理与共享体系 . ......................................................................................... 12

2.3. 系统开发与运行环境 . ...................................................................................................... 13

2.3.1. 系统开发方法与开发环境 . ................................................................................... 13

2.3.2. 负载平衡实现方法 . ............................................................................................... 14

2.3.3. 系统支持软件 . ....................................................................................................... 14

2.3.4. 系统开发拟用方案 . ............................................................................................... 16

2.3.4. 系统运行设备环境 . ............................................................................................... 16

3. 工作实施...................................................................................................................................... 17

3.1. 实施原则 . ........................................................................................................................ 17

3.2. 项目组组成 . .................................................................................................................... 18

3.3. 工作实施步骤 . .................................................................................................................. 18

3.3.1. 资料收集与分析 . ................................................................................................... 18

3.3.2 数据建库 . .............................................................................................................. 19

3.3.3. 系统功能需求调研 . ............................................................................................... 19

3.3.4. 预报方案确定 . ....................................................................................................... 19

3.3.5. 系统设计与开发 . ................................................................................................... 19

3.3.6. 软件测试 . ............................................................................................................... 19

3.3.7. 系统试运行 . ........................................................................................................... 20

3.3.8. 培训与维护 . ........................................................................................................... 20

3.4. 实施时间安排 . .................................................................................................................. 20

4. 预期成果...................................................................................................................................... 20

5. 项目组织管理 . ............................................................................................................................. 21

1. 引言

1.1. 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使用，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平方公里以上甚至数千或上万平方公里）的水库，对集水面积较小，汇流时间短的大中型水库尚未发现有应用良好的此类系统。基于我省大部分水库汇水面积小，汇流时间短，边界条件难以集中处理等客观情况，经多年业务实践表明，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管理中直接应用。

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54.6平方公里(其中石安河以上6.4平方公里) 。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经验。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，确保当前水库防洪安全及日常监管工作的迫切需要。

1.2. 系统建设目标

1.2.1. 系统总体目标

水库洪水预报调度系统的总体目标在于研究建立小流域洪水预报

调度系统。系统可查询管理水库各类基本信息；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管理提供决策支持，保证当前水库防洪安全及日常监管工作的需要。

1.2.2. 系统具体目标

（1）分析降雨过程与水库水位变化之间的相关关系，建立降雨与水库水位变化的关系模型，建立与水库水位关联的预报系统。

（2）研究建立水库信息化管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）根据水库基本信息数据库，开发水库基本信息、水雨情信息、工情信息管理等模块，提供方便的水库各类基本信息浏览、录入、查询手段。

1.3. 系统建设任务

根据系统建设目标，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变化的相关关系，建立小流域洪水预报模型。实现建立降雨过程与水库水位变化之间的动态相关关系。并可直观显示，建立与水库水位关联的预报系统。

（2）研究水库信息化管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管理的数据库结构，基于数据标准建立水库二维仿真模拟通用的数据库。

（4）开发水库基本信息、水雨情信息、工情信息等管理系统。

（5）基于Web GIS 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）的构建方法，开发数字高程模型管理系统。

2. 系统建设方案

2.1. 系统总体需求

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，系统的总体功能需求如表2-1所示。

表2-1 系统功能需求一览表

2.1.2. 时间特性要求

系统运行效率主要以系统处理能力、运行时间以及响应时间来衡量。设计人员要在一定资源的条件下，选择合理的设计方案，设计较

优的算法。在确保系统可靠性和可维护性的前提下，尽可能地提高系统的执行效率和响应时间。

系统时间特性要求主要包括：

（1）浏览器界面下数据检索或输出平均响应时间应少于10秒；

（2）数据的转换和传送时间一般不超过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、用户需求变化，以及系统本身功能需要不断提高和完善的要求。系统必须具有灵活性和可移植性，对外界环境条件的变化有很强的适应性。

（2）制定有关数据交换标准和开发数据交换软件，以方便整合整个水库管理的数据。

（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变化。

2.1.4. 故障处理要求

（1）应用系统具有高可靠性和高容错能力，保证局部出错不影响全系统的正常工作。

（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）应用系统采用出错处理机制，明确提示错误信息并指导用户按照系统操作手册进行处理。

（4）应用系统提供运行监视和故障恢复机制，建立系统运行的日志文件，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主要有：

（1）水库及其所在流域基本信息数据；

（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，避免浪费，提高资金的使用效益。

2.1.7. 系统可扩展需求

可扩展性是系统的重要特征之一。系统的设计充分考虑到网络扩容和功能深入的要求。设计时采用模块化设计，以保证系统具有很强的可扩展性。

2.2. 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总体建设目标与具体功能需求，本系统由水库基本信息管理子系统、水雨情信息管理子系统、工情信息管理子系统、洪水预报管理子系统、水库调度管理子系统与系统维

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) 基本信息管理子系统：对所在流域、水库特征作一般性介绍，主要包括地理概况、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) 水雨情信息管理子系统：对流域、水库水雨情信息进行管理，水情信息管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；而雨情信息管理主要包括最新雨情和雨情检索等。

(3) 工情信息管理子系统：是对流域、水库工情信息进行管理和查询，包括水库工程信息管理和流域工情信息管理。

(4) 洪水预报管理子系统：主要功能是对入库洪水进行专家经验预报。该子系统包括降雨与水库水位变化关系模型的管理以及水库水位预报。

(5) 水库调度管理子系统：本系统以实时洪水预报结果为基础，在保证水库自身安全的同时，从水库综合防灾的角度出发，确定水库溢洪道泄流过程与库水位的相应变化，为防洪调度决策提供科学依据与技术支撑。

(6) 系统维护子系统：包括水库基本信息、水库雨情信息、水库工情信息等内容的维护，以及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Web GIS应用系统，系统采用浏览器/服务器（B/S）体系架构。采用数据与应用系统集中，内网发布，分布式应用模式。水库洪水预报与调度系统主要为满足库区地形展现与发布，集成降雨汇水与水库水位变化量关系等模型的Web GIS应用系统。在满足水库基本应用的基础上，需留有接口，以便其他水库根据需要拓展开发符合自身实际情况的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。

浏览器/服务器（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管理部门功能使用以辅助决策的业务而设计，基于浏览器/服务器（B/S）体系架构的系统主要包括空间数据库、属性数据库与模型库层、Web 服务器与GIS 服务器的中间层、浏览器端的用户与IE 浏览器，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. 系统总体结构

图2-3 系统具体总体结构图

水库洪水预报与调度系统总体结构划分三层，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、

水库信息服务、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管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。系统具体总体结构如图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实现综合应用创造了条件。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使用，需要建立一个标准开放的系统应用平台，一方面提供应用系统集成的框架，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，提供应用系统开发基本标准、基础类库；系统管理及其配置系统，提供系统集成标准和集成工具；系统验证服务系统，提供统一的用户管理和用户验证授权服务；系统日志和安全系统，提供系统运行跟踪工具和服务系统，以及安全配置管理工具；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；个性化服务系统，为系统每一位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，以及基于模型的参数自动修订与水库管理标准规范体系（图

2-4）。

图2-4 水库洪水预报与调度系统建设框架

2.2.5. 信息管理与共享体系

信息共享是水库洪水预报调度系统建设的一个重要方面，信息共享体系包含三个方面的内容：一是共享信息的具体内容；二是共享信息内容的安全；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，内容包括管理信息系统、地理信息系统、空间辅助支持系统等。为了便于信息共享，以及信息的综合应用，设计采用Web 服务(Web Services)作为系统共享的方式和信息获取方式。

通过制定数据共享规范和标准，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。在水库信息共享过程中，可能会出现数据丢失现象，为了避免该现象的出现，设计从保护连接安全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安全。根据网络的范围和交互操作的活动配置文件，可以通过多种

技术来达到这一目的，目前最流行也最广泛使用的三种技术为：基于防火墙的规则、安全套接字层(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XML Web Service中实现身份验证的一个简单而直接的方法，对于大多数XML Web Service而言，利用HTTP 的身份验证功能，将Microsoft Internet Information Server(IIS)和ISA 服务器与Windows 2000/Windows XP 服务器配合使用，为HTTP 提供多种身份验证机制的集成支持，即基本身份验证、SSL 上的基本身份验证、简要身份验证、集成Windows 身份验证。另外也可以使用XML Web Service安全语言(WS-Security)来保证共享信息安全，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。

2.3. 系统开发与运行环境

2.3.1. 系统开发方法与开发环境

(1) 设计工具

对象建模将采用支持UML 建模语言的建模工具，如：Borland Together 、Rational Rose、Microsoft Visio等。

可视化建模工具Borland Together。在程序设计过程中采用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，采用UML 对模型进行形式化描述有助于对模型进行合理的抽象、优化以及便于开发人员之间进行相互交流。

数据库设计工具采用Sybase PowerDesigner。在数据库设计中，使

用Sybase 公司的著名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

根据水库洪水预报调度系统的应用需求和软件技术的发展，B/S结构的系统采用.NET 平台开发，开发工具选择Microsoft Visual Studio .NET 2010。

2.3.2. 负载平衡实现方法

根据水库洪水预报调度系统的需求，采用纯软件群集技术实现负载平衡。这主要是因为：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。软件集群分为应用服务器集群和数据库集群两个方面。根据水库洪水预报调度系统的业务分析，系统主要负载是在数据库服务器上，所以可以采用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

根据水库洪水预报与调度系统的应用需求，设计采用支持系统群集的操作系统Windows Advance Server 2008。

(2) 数据库系统

根据江苏省水利厅目前信息化建设现状，兼顾与已有系统资源以及数据共享的具体情况，水库洪水预报与调度系统的平台建议采用SQL Server 2008。

SQL Server 2008具有安全性、可恢复性、可扩展性、易用性的特点。同时，SQL Server 2008为在基于空间的应用程序中消耗、扩展和使用位置信息提供了广泛的空间支持。内置的地理数据类型可以存储符合行业空间标准例如开放地理空间联盟(Open Geospatial Consortium ，OGC) 的平面的空间数据。几何数据类型，可以存储地理空间数据并对其执行操作。

(3) GIS软件平台

ArcGIS Server是功能强大的基于服务器的GIS 产品，用户构建集中管理、支持多用户的、具备高级GIS 功能的企业级GIS 应用与服务，包括空间数据管理、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富的服务。ArcGIS Server主要功能包括提供通用的框架在企业内部建立和分发GIS 应用；提供操作简单、易于配置的Web 应用；提供广泛的基于Web 的空间数据获取功能；提供通用的GIS 数据管理框架；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；除标准浏览器外，还支持ArcGIS Desktop 和ArcGIS Explorer等桌面客户端；可以集成多种GIS 服务；支持标准的WMS 、WFS ；提供配置、发布和优化GIS 服务器的管理工具；提供.NET 和Java 软件开发工具包；为移动客户提供应用开发框架。

系统中的空间数据存取建议采用ArcGIS SED 9.3存储在SQL Server 2008数据库中，系统采用ArcGIS 9.3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。允许用户在多种数据管理系统中管理地理信息，并使所有的ArcGIS 应用程序都能够使

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，允许ArcGIS 在多种数据库平台上管理地理信息。这些平台包括Oracle ，Microsoft SQL Server, IBM DB2，Informix 。通过ArcSDE ，可使ArcGIS 在DBMS 中轻而易举地管理一个共享的、多用户的空间数据库。

2.3.4. 系统开发拟用方案

根据上述分析，水库洪水预报调度系统开发拟采用下列两种方案，并在实施时根据实际情况确定：

方案一：

(1) 开发平台：.net

(2) 开发语言：C#.net

(3) GIS平台：ArcGIS10系列（ArcEngine-AE ）

(4) 数据库平台：Oracle 10G

方案二：

(1) 开发平台：.net

(2) 开发语言：C#.net

(3) GIS平台：ArcGIS10系列(ArcEngine-AE)+Skyline 6.0

(4) 数据库平台：Oracle 10G

2.3.4. 系统运行设备环境

系统运行设备环境包括应用服务器和PC 机等计算机硬件。应用服务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

处理中间构件，使应用系统的处理逻辑与表示逻辑分开，以减少应用系统分发与维护的负担，提高中间构件的共享，支持多层体系结构应用系统开发，应用服务管理器对事务逻辑的中间构件进行组织与集成。

根据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，各级用户具有可以通过链接访问外网（Internet ）的功能，但外网不能访问内网。

水库洪水预报调度系统主要为Web GIS应用系统，主要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，达到一定降雨条件下水库水位预报与调度的功能需求，以及与其他系统的数据交换与共享。

3. 工作实施

3.1. 实施原则

在本系统建设过程中，主要遵循以下原则：

(1) 以业务单位使用人员的需求和业务习惯为依据，开发实用性高的系统，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变化相关模型的通用性，本系统的模型管理设计具有一定的通用性，便于将来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，为水库信息化管理统一平台奠定基础。

(3) 合理运用计算机技术、GIS 技术、数据库技术及网络技术，建立一个“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，采用“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实用性。

3.2. 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。

3.3. 工作实施步骤

系统建设工作主要包括资料收集与分析、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。总体部署如下：

3.3.1. 资料收集与分析

资料收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基本信息、水库工情基本信息、水库特征水位、水库调度方案、管理单位情况等资料。

水雨情资料主要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。建立“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，其中包含水系、水工建筑、道路交通等

重要要素图层。

水工建筑物数据主要包括大坝主体以及周围水工建筑的设计与现实数据。

3.3.2 数据建库

根据数据标准，建立相应数据表结构，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

对水库管理部门展开需求调研，明确管理业务与专业应用上的具体需求，编制系统供需分析报告，为系统开发做好准备。

3.3.4. 预报方案确定

在蓄满产流模型理论的基础上构建双层前期土湿模型，简化处理前期土湿对产流的影响。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

根据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，根据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可靠性，在系统分析、设计、开发等阶段结束前，对软件进行严格的技术评审。按照软件工程要求，在软件投入运行前，进行软件测试。按照传统软件工程要求，软件测试人员可

按下列三个级别进行测试：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仔细地测试分析，建立测试用例。系统测试的具体内容包括：功能测试、强度测试、性能测试、安全测试以及可用性测试。

3.3.7. 系统试运行

系统经过测试后，提交用户进行试运行，在实际运行中对系统进行检验，并完善。

3.3.8. 培训与维护

组织系统使用人员进行用户培训。培训内容包括系统安装、配置及软件使用等。并根据实际使用情况对系统进行维护。

3.4. 实施时间安排

根据项目实施部署，实际项目进度安排：

2013年12月10日-20日：补充数据采集（全景照相、放水记录数据）；

2013年12月20日-2013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. 预期成果

(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使用说明书；

(3) 水库洪水预报调度系统（软件）；

5. 项目组织管理

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、计算机科学、地理信息系统等专业知识的技术人员组成。 21