湯河水庫信息管理自動化系統(tǒng)的集成技術(shù)

何占斌 ，馬福恒

（1. 遼寧省湯河水庫管理局，遼寧 遼陽 111000；2. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

0 引言

湯河水庫壩址位于遼陽市弓長嶺區(qū)境內(nèi)，太子河一大支流湯河干流上，是一座以防洪、工業(yè)和生活用水為主，兼顧灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的國家大Ⅱ型水利樞紐工程。水庫為多年調(diào)節(jié)，按百年一遇洪水設計，可能最大洪水校核。壩址以上的控制流域面積為 1228 km2，流域多年平均降雨量 771.2 mm，多年平均徑流量 2.89 億 m3。水庫總庫容 7.07 億 m3，調(diào)洪庫容 3.68 億 m3，興利庫容 3.59 億 m3，多年調(diào)節(jié)水量 2.15 億 m3，是鞍山、遼陽 2 座城市生活和工業(yè)用水的主要來源。

水庫樞紐工程由土壩、溢洪道、泄洪洞、水電站、引水建筑物等組成。工程 1959 年開始運行，目前各建筑物存在嚴重病險，已不能正常運行，2010年 10 月列入除險加固計劃，為實時掌握工程安全性態(tài)，合理利用水資源，湯河水庫除對原有大壩安全監(jiān)測、水雨情遙測預報、視頻監(jiān)視等系統(tǒng)更新改造外，另需新建閘門遠程控制、電站自動化、供水流量遙測及防汛會商等自動化系統(tǒng)。同時，為實現(xiàn)水利工程現(xiàn)代化管理需要，達到資源融合共享，提高水資源利用率，充分發(fā)揮工程效益，有必要對湯河水庫各子系統(tǒng)進行有機集成，形成一套自動化程度較高的管理調(diào)度系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）?；诖耍痉桨咐孟冗M的自動化監(jiān)控、視頻監(jiān)視和計算機網(wǎng)絡等技術(shù)，實現(xiàn)對工程的異地實時監(jiān)控和管理，基本達到少人值守、現(xiàn)場無人值班的管理水平[1]。

1 系統(tǒng)集成架構(gòu)及關鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)集成架構(gòu)

根據(jù)開發(fā)目標和當前最新的技術(shù)趨勢，在遵循先進性、實用性、安全可靠性等開發(fā)原則的基礎上，系統(tǒng)采用基于 B/S 模式的 3 層體系結(jié)構(gòu)[2-3]，分為客戶層、中間層和數(shù)據(jù)層，具體架構(gòu)如圖 1 所示。3 層結(jié)構(gòu)中，客戶端注重用戶交互和數(shù)據(jù)表征，后臺數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)訪問和管理，應用服務器專門進行業(yè)務處理，三者協(xié)調(diào)作用構(gòu)成一個有機的整體。采用 3 層體系結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是可以靈活地在客戶和服務器之間劃分數(shù)據(jù)和邏輯，并按照客戶的需要靈活修改系統(tǒng)配置，把系統(tǒng)的開發(fā)和部署劃分開來，提供跨平臺、多個異構(gòu)數(shù)據(jù)庫分布交互的全程保護，同時還具備對分布對象的實時管理和分析功能。

圖1 系統(tǒng)集成架構(gòu)圖

1.2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)優(yōu)化建模技術(shù)

數(shù)據(jù)庫是水庫運行管理系統(tǒng)的基礎，把系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)按照一定的模型組織起來，提供存儲、維護、檢索數(shù)據(jù)的功能，使系統(tǒng)可以方便、及時、準確地從數(shù)據(jù)庫中獲取所需的信息。系統(tǒng)的各個部分能否緊密的結(jié)合在一起及提高系統(tǒng)的性能，關鍵在于數(shù)據(jù)庫。傳統(tǒng)的水庫運行信息管理系統(tǒng)一般都是建立在實體聯(lián)系模型（E-R 數(shù)據(jù)模型）的基礎上的，E-R 模型能夠通過對復雜的數(shù)據(jù)布局進行規(guī)劃，創(chuàng)建大量關聯(lián)表反映大壩監(jiān)測信息業(yè)務流程，因此，E-R 模型主要是圍繞測點和數(shù)據(jù)之間的關系構(gòu)建的。如在監(jiān)測系統(tǒng)中，測點是處在最底層的對象，每個測點有一些共同的屬性，如測點編號、名稱、所屬的觀測項目、埋設位置（X、Y、Z 坐標）、監(jiān)測儀器類型、工作和建模狀態(tài)，以及是否為環(huán)境量等等。

由于事務被分解成簡單的可判決的過程，自然提高了事務處理系統(tǒng)操作的速度和精確性。但是，E-R 模型只反映數(shù)據(jù)規(guī)則，不能表示分析評價過程，對于關心預警過程的決策者而言，他們需要的是分析評價和預警過程。而 E-R 模型難以滿足這種過程的需要，因此需引入多維模型。

多維數(shù)據(jù)模型是預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模的最好方式，目前主要有星型和雪花 2 種模型?？紤]到湯河水庫管理系統(tǒng)信息的復雜性和動態(tài)性，對 E-R 模型進行改進，采用雪花模式進行數(shù)據(jù)建模，以提高數(shù)據(jù)倉庫應用的靈活性。根據(jù)水庫運行管理系統(tǒng)的基本情況，構(gòu)建雪花模式數(shù)據(jù)建?；窘Y(jié)構(gòu)圖，雪花模型包含有 7 個維表（測點維、時間維、部位維、監(jiān)測項目維、觀測方式維、建模維和報警維），除觀測方式維外其他幾個維表均包含有內(nèi)在的層次。維表和事實表通過主外鍵關系建立連接。通過這種設計，決策者可以靈活利用各個維之間的組合觀察實時數(shù)據(jù)的變化和趨勢，進行預警預報[4]。

與自頂向下的數(shù)據(jù)庫設計方法相比，多維建模機制根據(jù)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的 E-R 模型轉(zhuǎn)換得到多維模型，充分利用了原有 E-R 模型隱含的信息，提高預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)效率。

1.3 系統(tǒng)集成關鍵技術(shù)

由于湯河水庫信息自動化系統(tǒng)包含大壩安全監(jiān)測、水情自動測報調(diào)度、視頻監(jiān)視、閘門遠程監(jiān)控、電站自動化管理、流量實時遙測及防汛會商等子系統(tǒng)。怎樣實現(xiàn)信息相互共享，需要開展信息無縫集成與共享技術(shù)研究，包括分布式對象計算，商用數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫和通信中間件，面向?qū)ο?，Web，Java，XML，SOA，Web Services，網(wǎng)絡安全等技術(shù)，使得系統(tǒng)具有更高的性能、更多的功能、更大的應用范圍及更好的實用性[5]。

1.3.1 IBATIS 數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)

目前，很多水利工程信息管理軟件開發(fā)都采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，而數(shù)據(jù)仍然保存在關系數(shù)據(jù)庫中。由于對象模型和關系模型存在阻抗不匹配情況，因此，如何將復雜的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)持久化，并可以方便的查詢成為軟件開發(fā)的迫切需求。本系統(tǒng)選擇IBATIS 進行數(shù)據(jù)持久化，采用 O/R Mapping 和 XML技術(shù)及軟件分層的設計思想，實現(xiàn)一個有效的數(shù)據(jù)庫訪問中間件，從而使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問與應用邏輯分離開來，使系統(tǒng)具備可擴展性、可移植性、安全性、易維護性，滿足水庫大壩安全預警系統(tǒng)的開發(fā)需求。

1.3.2 DWR 在前臺 UI 和后臺業(yè)務邏輯 Bean 交互技術(shù)

由于 AJAX 請求通常被設置為異步，所以腳本不會在 AJAX 請求發(fā)送之后停止執(zhí)行，即腳本不會掛起等待服務器的響應。系統(tǒng)采用 DWR（一種遠程服務器端 AJAX 開源框架）自動將遠程方法調(diào)用的返回值傳入回調(diào)方法，不必直接從 XML Http Request對象中得到返回的數(shù)據(jù)；水庫管理人員向中間件發(fā)送消息，系統(tǒng)則利用消息驅(qū)動 Bean 從中間件接收消息，從而使客戶與消息驅(qū)動 Bean 實現(xiàn)異步傳輸消息，形成互動。

1.3.3 Ext JS 構(gòu)建 Web 富客戶端技術(shù)

系統(tǒng)采用 Ext JS（前端開發(fā)框架）技術(shù)，一方面使前后臺完全分離，只需定義好數(shù)據(jù)接口，前后臺開發(fā)相對獨立；另外，后臺程序開發(fā)語言可以移植到不同的平臺，如 Net，php（超級文本預處理語言）中，這樣前臺界面可以重用，大大提高效率；再者 Ext JS 界面功能非常強大，可在客戶端創(chuàng)建豐富多彩的 Web 應用程序界面，而且 IE 兼容性好。

2 管理系統(tǒng)功能設計

湯河水庫信息管理自動化系統(tǒng)功能主要包括信息獲得、業(yè)務處理和決策等方面[6-7]。

2.1 水庫安全信息采集、處理和服務功能

1）安全信息采集功能。實現(xiàn)大壩安全狀況、水雨情、視頻、閘門開啟度、發(fā)電量、供水灌溉量等基礎數(shù)據(jù)的遠程采集等功能。

2）信息處理功能。主要實現(xiàn)水庫各類安全信息的整編、處理、存儲、分析、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

3）信息服務功能。在計算機網(wǎng)絡的支持下，以各類數(shù)據(jù)庫和 GIS 為基礎，以圖表、文字、圖形、影像、聲音等方式，為防汛指揮提供信息服務。

2.2 業(yè)務處理功能

1）暴雨預報功能。在氣象部門提供的衛(wèi)星云圖、天氣實況、雷達測雨資料、數(shù)值預報產(chǎn)品的基礎上，綜合加工處理，進行降雨的短期和中期預報。

2）洪水預報功能。在天氣形勢分析和實測降雨的基礎上，進行流域內(nèi)主要河流、下游河道的洪水預報，為決策提供依據(jù)。

3）洪水調(diào)節(jié)演進功能。在三維 GIS 基礎之上，進行洪水預報及演進，對水庫、河道的洪水進行調(diào)節(jié)演算，為防洪方案的生成提供依據(jù)。

2.3 決策支持功能

1）防洪調(diào)度功能。以三維 GIS 為基礎，進行防洪形勢分析，根據(jù)水庫控制運用方案和河道洪水調(diào)度規(guī)程生成調(diào)度方案集（1 個或多個方案），同時對各個方案做出綜合評價、決策實施與調(diào)整。

2）災情預測、評估功能。依據(jù)各調(diào)度方案，采用網(wǎng)絡和 GIS 技術(shù)，迅速估算淹沒區(qū)水位、淹沒范圍和受淹地區(qū)的損失情況，并進行實際災情的統(tǒng)計。

3）汛情、旱情視頻監(jiān)視功能。提供具有報警功能的實時汛情監(jiān)視畫面。

4）旱情分析、評估功能。提供旱情監(jiān)視、分析、損失，以及抗旱效益、評估等功能。

5）防汛會商功能。以遼寧省大型水利信息骨干網(wǎng)為基礎平臺，進行防洪形勢和調(diào)度預案匯報，調(diào)度方案調(diào)整、模擬仿真和實施評價，進行本地與異地會商、方案的評價與提供，以及領導決策后防汛命令的發(fā)布等功能。

3 結(jié)語

在水庫安全管理和決策領域中，實時信息智能感知系統(tǒng)的研究正在不斷發(fā)展，充分利用現(xiàn)代先進的計算機技術(shù)，使得系統(tǒng)的設計與研制朝著更加智能化、可視化、交互性、網(wǎng)絡化和集成化的方向發(fā)展。通過采用計算機、網(wǎng)絡、安全監(jiān)控等多種技術(shù)手段，集成了湯河水庫水雨情遙測預報調(diào)度、大壩安全監(jiān)測與預警、視頻監(jiān)視、閘門遠程監(jiān)控、電站自動化、供水流量、防汛會商等子系統(tǒng)，對實現(xiàn)信息資源共享，確保工程安全，以及防范洪旱災害、提高水資源利用率有重要意義。

[1]馬福恒. 遼寧省湯河水庫綜合自動化系統(tǒng)集成方案[R]. 南京：南京水利科學研究院，2011: 2-5.

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[3]金燦，陳緒君，朱紹文，等. .NET 框架中三種數(shù)據(jù)訪問技術(shù)及效率比較[J]. 計算機應用研究，2003, 20 (4): 155-157.

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