王 凱，錢名開，徐時(shí)進(jìn)，胡友兵，陳邦慧

（淮河水利委員會(huì)水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001）

0 引言

淮河流域水系復(fù)雜，中游河道比降小，行蓄洪區(qū)多且運(yùn)用頻繁，中小型水庫/閘壩眾多，干支流交互頂托明顯，歷來是我國洪水預(yù)報(bào)和工程調(diào)度高度復(fù)雜的典型地區(qū)之一[1]。防洪調(diào)度是水工程綜合調(diào)度的重點(diǎn)和難點(diǎn)，洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)是當(dāng)前防洪作業(yè)預(yù)報(bào)調(diào)度實(shí)施有效的技術(shù)支撐手段[2]。長期以來，洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)多基于 C/S 模式構(gòu)建[3–4]，隨著需求的不斷拓展，此類系統(tǒng)在安全性、通用性、跨平臺(tái)等方面存在明顯不足。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于 B/S 構(gòu)架的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)在安全性等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)[5–7]。

本研究采用 B/S 架構(gòu)，引入具有面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想和 MVC（模型-視圖-控制器）設(shè)計(jì)模式的Spring Boot 框架體系[8–9]，建設(shè)淮河洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)具有防洪形勢(shì)分析、多模式洪水預(yù)報(bào)和調(diào)度等功能的跨平臺(tái)架構(gòu)業(yè)務(wù)應(yīng)用。2020 年淮河發(fā)生了流域性較大洪水，沂沭泗水系發(fā)生了 1960 年以來最大洪水。依托系統(tǒng)成果，在流域防洪工程預(yù)報(bào)調(diào)度作業(yè)實(shí)踐中進(jìn)行了實(shí)例研究，以期為流域洪水預(yù)報(bào)和水工程調(diào)度管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)理念

洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)是一個(gè)面向多角色、多用戶的智能服務(wù)平臺(tái)，既要關(guān)注總體架構(gòu)，又要關(guān)注其各子功能服務(wù)對(duì)象和需求特點(diǎn)，以期獲得可靈活擴(kuò)展的框架結(jié)構(gòu)[10–12]。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念如下：

1）安全性。為保障預(yù)報(bào)調(diào)度決策信息和系統(tǒng)運(yùn)行的安全，系統(tǒng)遵循水利信息化系統(tǒng)建設(shè)三級(jí)等保要求，納入淮河水利委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱淮委）綜合應(yīng)用中心進(jìn)行統(tǒng)一安全管理。

2）穩(wěn)定性。首先，采用成熟可靠的技術(shù)，加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行各環(huán)節(jié)的故障分析、容錯(cuò)及恢復(fù)能力，保障系統(tǒng)不間斷穩(wěn)定運(yùn)行。其次，系統(tǒng)開發(fā)主要采用的 Java，Python 及 Fortran 語言均可跨平臺(tái)運(yùn)行，受操作系統(tǒng)更新迭代影響小。

3）易用性。系統(tǒng)界面風(fēng)格設(shè)計(jì)去繁就簡(jiǎn)，功能設(shè)置合理，操作便捷易用，能夠較好地滿足不同層次、專業(yè)用戶的不同需求。

4）敏捷性。通過緩存數(shù)據(jù)庫、多線程并發(fā)編程等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量雨情、水情、工情數(shù)據(jù)的快速查詢和計(jì)算，極大縮短了用戶提交事務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。

5）實(shí)用性。系統(tǒng)充分考慮淮河流域洪水發(fā)生特點(diǎn)及水利工程運(yùn)用特色，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)調(diào)度多模型、多方法集成計(jì)算，通過人工交互接口充分考慮專家經(jīng)驗(yàn)，完全滿足淮河洪水防御工作的實(shí)踐需要。

6）擴(kuò)展性。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合模型對(duì)象構(gòu)建、水文模型元單元分解與集成等技術(shù)，在演算范圍、模型方法、功能需求等方面可自由組合擴(kuò)展，集成的異種語言模型庫進(jìn)一步增強(qiáng)了開放性和可擴(kuò)展性。

1.2 層次結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用 B/S 架構(gòu)，分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層等 3 個(gè)層次，整體架構(gòu)如圖1 所示。

3 個(gè)層次具體分析如下：

1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層為整個(gè)預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)平臺(tái)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境，具有數(shù)據(jù)讀取、檢查、融合處理與修正等功能。平臺(tái)的數(shù)據(jù)資源主要包括歷史基礎(chǔ)水文、實(shí)時(shí)雨水情監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)方案庫、調(diào)度規(guī)則庫等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自關(guān)系型水文數(shù)據(jù)庫表、水文預(yù)報(bào)方案集、水利工程調(diào)度運(yùn)用方案等文件。

本研究根據(jù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)平臺(tái)需求，專門建設(shè)了綜合數(shù)據(jù)倉庫。為實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)訪問邏輯分離，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更清晰，更易維護(hù)，更易進(jìn)行單元測(cè)試。引入持久層數(shù)據(jù)框架 MyBatis，完成數(shù)據(jù)倉庫的統(tǒng)一鏈接、查詢、寫入等管理工作。同時(shí)為保障系統(tǒng)響應(yīng)高效吞吐，采用高性能的 NoSQL 型Redis 數(shù)據(jù)庫作為專用緩存數(shù)據(jù)庫。

2）業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層也稱業(yè)務(wù)邏輯層，是系統(tǒng)架構(gòu)中核心價(jià)值的體現(xiàn)，通過對(duì)具有高復(fù)用性的類模塊和模型庫的集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)邏輯處理，并封裝成統(tǒng)一的服務(wù)接口對(duì)用戶提交的事務(wù)進(jìn)行響應(yīng)，在數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)交換中起到承上啟下的作用。

本研究基于低耦合、高內(nèi)聚設(shè)計(jì)思想，依托Spring Boot 技術(shù)架構(gòu)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外接口和服務(wù)組件，保障平臺(tái)高效、穩(wěn)定運(yùn)行。在業(yè)務(wù)層核心模塊中，為突破流域河系洪水預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)中水文斷面眾多、水工程交互影響復(fù)雜度高帶來的時(shí)效瓶頸，采用流水線、生產(chǎn)者-消費(fèi)者等多種設(shè)計(jì)模式，研發(fā)了流域多節(jié)點(diǎn)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度并發(fā)計(jì)算技術(shù)，從算法底層為 B/S 架構(gòu)下預(yù)報(bào)調(diào)度核心模塊高效響應(yīng)提供技術(shù)保障。

3）應(yīng)用層。應(yīng)用層直接面向用戶，也是系統(tǒng)與用戶交互的界面層，用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，提供防洪形勢(shì)自動(dòng)分析、多模式洪水預(yù)報(bào)和調(diào)度等三大類應(yīng)用功能模塊。應(yīng)用層底圖由 SVG矢量圖形技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可以提供豐富的圖文交互信息展示功能。

圖1 淮河洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 系統(tǒng)功能模塊組成及特色

2.1 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)以電子地圖、實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫、專用數(shù)據(jù)庫、洪水預(yù)報(bào)和調(diào)度模型為基本支撐，實(shí)現(xiàn)模型與系統(tǒng)的緊密集成和協(xié)同耦合，通過智能的交互方式，實(shí)現(xiàn)防洪形勢(shì)自動(dòng)分析、多模式河系洪水預(yù)報(bào)、多模式洪水聯(lián)合調(diào)度等業(yè)務(wù)功能，整體實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化功能，可有效支持流域水工程調(diào)度決策新需求。

根據(jù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有 5 個(gè)功能模塊，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

5 個(gè)功能模塊具體分析如下：

1）防洪形勢(shì)分析模塊?；跉庀?、水雨情、洪水預(yù)報(bào)、工情和險(xiǎn)情等實(shí)時(shí)防汛和降水預(yù)報(bào)信息，綜合運(yùn)用納雨能力、相似洪水、徑流系數(shù)法等速算方法，快速自動(dòng)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，得到不同預(yù)見期的洪水預(yù)報(bào)成果，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前和未來防洪形勢(shì)的分析，研判洪水調(diào)度重點(diǎn)對(duì)象，形成洪水調(diào)度預(yù)案。

2）多模式河系預(yù)報(bào)模塊。該模塊主要利用降雨徑流相關(guān)、新安江、水箱、TopModel、水動(dòng)力學(xué)等多種模型進(jìn)行流域河系洪水預(yù)報(bào)計(jì)算。根據(jù)淮河水文預(yù)報(bào)方案實(shí)際應(yīng)用情況，選取應(yīng)用較為成熟、預(yù)報(bào)精度較高的降雨徑流相關(guān)和新安江 2 種模型進(jìn)行全流域通盤洪水預(yù)報(bào)計(jì)算。主要功能模塊有模型選擇、氣象預(yù)報(bào)降水提取、自動(dòng)預(yù)報(bào)（一鍵式自動(dòng)計(jì)算）和交互預(yù)報(bào)（預(yù)報(bào)成果人機(jī)交互校正修訂）等模塊。為提升用戶體驗(yàn)和系統(tǒng)響應(yīng)效率，構(gòu)建了專用預(yù)報(bào)方案信息庫，對(duì)傳統(tǒng)紙質(zhì)預(yù)報(bào)方案進(jìn)行規(guī)則化存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了河系洪水一鍵式計(jì)算。采用 Java 并發(fā)工具包，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套流水線模式的高效并發(fā)算法，有效提升了河系預(yù)報(bào)計(jì)算效率。

3）多模式聯(lián)合調(diào)度模塊。依據(jù)防洪調(diào)度規(guī)則和專家經(jīng)驗(yàn)，以有效運(yùn)用防洪工程，減少洪災(zāi)損失為目標(biāo)，對(duì)會(huì)商中提出的多個(gè)調(diào)度方案進(jìn)行分析論證，即通過反復(fù)調(diào)整河道、水庫、行蓄洪區(qū)、湖泊、閘壩等工程的運(yùn)用參數(shù)，對(duì)各種非確定性因素進(jìn)行分析判斷，合理確定工程啟用時(shí)機(jī)，提出最優(yōu)調(diào)度方案。一套完整的調(diào)度方案除具體運(yùn)行方案（水庫、閘壩、行蓄洪區(qū)等工程啟用過程）外，還包括工程運(yùn)用前后的水情比較、災(zāi)情估算分析數(shù)據(jù)。

調(diào)度方案的制定有以下 2 種模式：a.人機(jī)交互。根據(jù)會(huì)商決策的意見以交互方式修改，設(shè)置有關(guān)參數(shù)，如啟用行蓄洪區(qū)的時(shí)間，行蓄洪區(qū)分洪流量等。人機(jī)交互模式是制定，分析修改、仿真計(jì)算、會(huì)商評(píng)價(jià)，再制定，直至決策者滿意的多次反復(fù)過程。b.智能模式。首先在防洪形勢(shì)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)洪水調(diào)度預(yù)案，經(jīng)過分析、研判，理出各防洪決策的具體內(nèi)容、目標(biāo)、約束條件等；然后依據(jù)決策目標(biāo)和可使用的防洪手段智能生成 1 個(gè)或多個(gè)可實(shí)現(xiàn)決策目標(biāo)的可行方案集，并對(duì)每個(gè)可行方案的風(fēng)險(xiǎn)及影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4）成果分析決策模塊。該模塊根據(jù)河系洪水預(yù)報(bào)和工程群調(diào)度成果，完成水工程調(diào)度運(yùn)用方式的分析決策。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：各種調(diào)度方案信息的展示，包括重點(diǎn)控制斷面水情、工程啟用等情況；不同調(diào)度方案間調(diào)度成果的平行對(duì)比，如重點(diǎn)控制斷面水位差、工程運(yùn)用差別等情況，水庫、湖泊超汛限數(shù)量對(duì)比等；不同調(diào)度方案防洪效益估算、方案推薦等功能。

5）系統(tǒng)管理模塊。該模塊是防洪預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，包括用戶類別、權(quán)限和運(yùn)行日志等的管理模塊。

2.2 系統(tǒng)特色

預(yù)報(bào)調(diào)度一體化和智能化是系統(tǒng)的兩大特色功能。預(yù)報(bào)調(diào)度一體化具體特色包括：對(duì)洪水預(yù)報(bào)和調(diào)度業(yè)務(wù)流程進(jìn)行深度優(yōu)化和有機(jī)融合，在一個(gè)系統(tǒng)里提供深度耦合的預(yù)報(bào)調(diào)度服務(wù)；構(gòu)建預(yù)報(bào)調(diào)度對(duì)象有序關(guān)聯(lián)的拓?fù)潢P(guān)系概化圖，在一張圖上建立無縫關(guān)聯(lián)的預(yù)報(bào)調(diào)度體系；提高預(yù)報(bào)調(diào)度模型互動(dòng)反饋的自動(dòng)化水平，在一個(gè)系統(tǒng)里進(jìn)行預(yù)報(bào)調(diào)度的自動(dòng)協(xié)同耦合和有序連續(xù)計(jì)算。

預(yù)報(bào)調(diào)度智能化具體特色包括：依據(jù)實(shí)時(shí)雨水工情和預(yù)報(bào)信息自動(dòng)判斷流域防洪形勢(shì)，并自動(dòng)生成防洪形勢(shì)分析報(bào)告；根據(jù)結(jié)構(gòu)化的調(diào)度規(guī)則和目標(biāo)，結(jié)合模擬優(yōu)化算法，自動(dòng)生成聯(lián)合調(diào)度方案集；按照調(diào)度指標(biāo)排序，自動(dòng)優(yōu)選并智能推送防洪調(diào)度推薦方案。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)以大型水庫、行蓄洪區(qū)、分洪河道、重要水文站、防汛節(jié)點(diǎn)等為控制斷面，構(gòu)建了淮河和沂沭泗河 2 個(gè)水系的預(yù)報(bào)調(diào)度體系，包括 5 000 多個(gè)報(bào)汛站點(diǎn)、212 個(gè)預(yù)報(bào)節(jié)點(diǎn)、435 套預(yù)報(bào)方案、67 個(gè)調(diào)度目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、47 套調(diào)度方案，在 1 個(gè)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)防洪形勢(shì)自動(dòng)分析、多模式洪水預(yù)報(bào)和調(diào)度等多個(gè)復(fù)雜耦聯(lián)功能。系統(tǒng)在 2020 年淮河流域性較大洪水防洪調(diào)度中的應(yīng)用表明：系統(tǒng)可以在 60 s 內(nèi)生成淮河全流域洪水預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果，30 s 內(nèi)生成包括水庫、閘壩、行蓄洪區(qū)等在內(nèi)的所有水利工程調(diào)度計(jì)算結(jié)果；對(duì)各預(yù)報(bào)調(diào)度方案計(jì)算成果的查詢展示基本可以做到即時(shí)響應(yīng)，即響應(yīng)時(shí)間小于 1 s。

2020 年 7 月，受持續(xù)降雨影響，淮河發(fā)生了流域性較大洪水（編號(hào)為 2020 年淮河 1 號(hào)洪水），其中正陽關(guān)以上發(fā)生區(qū)域性大洪水。淮河洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)自動(dòng)接收、分析、處理流域內(nèi) 5 000 多個(gè)站點(diǎn)的雨水情信息 5 674 萬余條，接收處理氣象衛(wèi)星云圖4.4 萬張、雷達(dá)圖40.4 萬張，在防汛關(guān)鍵期，每 6 min 測(cè)報(bào) 1 次王家壩站水位，每隔 1 h 滾動(dòng)預(yù)報(bào)1 次，共發(fā)布王家壩站實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào) 16 次。

圖3 為系統(tǒng)在 2020 年淮河流域性較大洪水過程中的預(yù)報(bào)調(diào)度一體化計(jì)算分析成果，包括關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的預(yù)報(bào)和建議啟用工程的調(diào)度等成果，圖中：橢圓形圖例代表水庫群，其中藍(lán)色標(biāo)注的為計(jì)算完成后超汛限狀態(tài)水庫群；三角形圖例代表河道重要水文控制斷面，其中藍(lán)色標(biāo)注的為超警戒水位斷面，紅色標(biāo)注的為超保證水位斷面；長方形、半圓形圖例分別代表蓄洪區(qū)和行洪區(qū)，其中黃色標(biāo)注的為計(jì)算完成后建議啟用的工程，通過填充度樣式可直觀顯示計(jì)算分洪水量占設(shè)計(jì)水量的比例（如南潤段、邱家湖全部為土黃色，表示全部蓄滿；蒙洼只有一部分為土黃色，表示部分蓄洪）。由圖3 可知：不開閘分洪的王家壩洪峰水位高達(dá) 29.9 m，超過保證水位0.6 m，為歷史第二高水位，同時(shí)受淮南山區(qū)集中來水影響，下游王家壩至正陽關(guān)河段將全線超保證水位，10 座大型水庫群將超汛限水位，淮河干流正陽關(guān)以上需要啟用蒙洼、南潤段、邱家湖、姜唐湖和上下六方堤等 6 個(gè)行蓄洪區(qū)，并提供每個(gè)行蓄洪區(qū)的最大分洪流量和分洪總量計(jì)算結(jié)果。預(yù)報(bào)調(diào)度和實(shí)際調(diào)度完全一致，為科學(xué)應(yīng)對(duì)此次迅猛洪水過程提供了重要關(guān)鍵性支撐。

圖3 淮河洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化分析界面（2020 年淮河流域性較大洪水）

2020 年 8 月，淮河流域沂沭泗水系發(fā)生了1960 年以來最大洪水，期間應(yīng)用系統(tǒng)不斷滾動(dòng)，開展了沂沭河區(qū)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化計(jì)算，預(yù)報(bào)沂河臨沂站洪峰流量為 11 000 m3/s 左右，沭河重溝站洪峰流量為 6 000 m3/s 左右，臨沂站實(shí)測(cè)洪峰流量為 10 900 m3/s，重溝站實(shí)測(cè)洪峰流量為 5 940 m3/s，預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)值誤差在 1% 以內(nèi)。通過洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化計(jì)算，對(duì)沂河劉家道口閘、分沂入沭彭道口閘、沭河新沭河閘及人民勝利堰閘、駱馬湖嶂山閘等骨干樞紐工程調(diào)度滾動(dòng)進(jìn)行模擬分析，預(yù)報(bào)調(diào)度分析成果如圖4 所示，圖中帶對(duì)角線的長方形圖例代表分洪樞紐工程，其中黃色標(biāo)注區(qū)域代表系統(tǒng)建議啟用的樞紐工程。根據(jù)系統(tǒng)模擬分析計(jì)算，淮委及時(shí)啟用駱馬湖嶂山閘、沂河劉家道口、沭河大官莊等重點(diǎn)樞紐工程，避免了邳蒼分洪道分洪，實(shí)現(xiàn)了人員傷亡、工程重大險(xiǎn)情“雙零”目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益顯著。

圖4 淮河洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化分析界面（2020 年沂沭泗大洪水）

4 結(jié)語

淮河洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)集洪水預(yù)報(bào)與工程調(diào)度為一體，采用跨平臺(tái)的 B/S 開發(fā)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)防洪形勢(shì)自動(dòng)分析、河系洪水預(yù)報(bào)、多模式洪水調(diào)度、方案成果分析決策等多種功能，在系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性、敏捷性、通用性、跨平臺(tái)和國產(chǎn)化等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)建成后，在 2020 年淮河流域性較大洪水和沂沭河大洪水中接受了實(shí)際考驗(yàn)。應(yīng)用結(jié)果表明：系統(tǒng)為 2020 年淮河流域性洪水防御工作提供了有力的分析計(jì)算和決策支持工具，通過科學(xué)預(yù)報(bào)調(diào)度，洪水過程中人員無一傷亡，水庫無一跨壩，主要堤防未出現(xiàn)重大險(xiǎn)情，有效減輕了洪澇災(zāi)害損失。但在實(shí)際應(yīng)用中也暴露出一些問題，如系統(tǒng)的智能化水平、預(yù)報(bào)調(diào)度過程的可視化和成果的多樣化等仍需提檔升級(jí)。今后須針對(duì)淮河洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)中的短板，繼續(xù)加強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)，不斷完善系統(tǒng)功能。