基于云服務(wù)的洪水預(yù)報(bào)服務(wù)平臺(tái)在基層水文的應(yīng)用探討

李明宏，劉曙光，金輝明

（1.嵊州市水文站，浙江 嵊州 312400；2.江山市水文站，浙江 江山 324100；3.杭州知水科技有限公司，浙江 杭州 310009）

1 問(wèn)題的提出

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)是一項(xiàng)重要的防洪減災(zāi)非工程措施。先進(jìn)的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究建設(shè)將有效提高洪水預(yù)報(bào)精度，增長(zhǎng)有效洪水預(yù)見(jiàn)期，提高防汛抗旱指揮決策的科學(xué)性，更充分地發(fā)揮水利工程的減災(zāi)效益[1]。但與此同時(shí)，洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是各項(xiàng)洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的集成，是進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)工作的軟件平臺(tái)。由于洪水預(yù)報(bào)本身復(fù)雜性，要使系統(tǒng)在洪水預(yù)見(jiàn)期、預(yù)報(bào)精度和預(yù)報(bào)范圍方面能達(dá)到防洪減災(zāi)對(duì)精度的要求，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)難度大。隨著當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，基層災(zāi)害防御部門(mén)對(duì)日?；暮樗A(yù)報(bào)服務(wù)需求日益迫切，如何為當(dāng)?shù)靥峁┲庇^可靠的水文預(yù)報(bào)服務(wù)成為水文部門(mén)當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。而在現(xiàn)有的體制下，基層水文部門(mén)資金和人力投入不足，部門(mén)人員結(jié)構(gòu)單一，技術(shù)人員缺乏，單靠基層水文部門(mén)的技術(shù)力量和資金實(shí)力很難建立一個(gè)可穩(wěn)定運(yùn)行的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。本文將研究充分運(yùn)用當(dāng)前先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建基于云服務(wù)的洪水預(yù)報(bào)平臺(tái)，為基層水文部門(mén)提供統(tǒng)一的洪水預(yù)報(bào)平臺(tái)，從而大大提高基層水文部門(mén)的洪水預(yù)報(bào)服務(wù)水平。

基層水文部門(mén)信息化建設(shè)是水文信息化建設(shè)的基石，特別是洪水預(yù)報(bào)能力建設(shè)，是有效衡量基層水文部門(mén)水文服務(wù)能力的重要指標(biāo)，是水文行業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。但由于基層水文部門(mén)的技術(shù)薄弱，建設(shè)資金不足，建立獨(dú)立的洪水預(yù)報(bào)平臺(tái)技術(shù)和維護(hù)難度大。將通過(guò)建立通用的洪水預(yù)報(bào)服務(wù)平臺(tái)，可快速提升基層水文部門(mén)的服務(wù)水平。建設(shè)的系統(tǒng)應(yīng)具有通用性強(qiáng)、用戶管理簡(jiǎn)便、系統(tǒng)配置靈活、運(yùn)行穩(wěn)定可靠及系統(tǒng)兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)?；鶎佑脩敉ㄟ^(guò)平臺(tái)可構(gòu)建自己的預(yù)報(bào)方案，并進(jìn)行實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

平臺(tái)采用4層的系統(tǒng)架構(gòu)，分別為數(shù)據(jù)服務(wù)層、服務(wù)支撐層、應(yīng)用層和角色層，具體框架見(jiàn)圖1[2-5]。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

數(shù)據(jù)服務(wù)層：為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地為系統(tǒng)提供各類水文應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)，其中包括實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)、氣象未來(lái)降雨數(shù)據(jù)、水利工程調(diào)度數(shù)據(jù)、臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)等。

服務(wù)支撐層：該層為應(yīng)用層提供基礎(chǔ)性的信息服務(wù)，其中包括在線預(yù)報(bào)服務(wù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)服務(wù)、方案創(chuàng)建服務(wù)、模型掛接服務(wù)以及后續(xù)為應(yīng)用提供的其它服務(wù)。

應(yīng)用層：系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用基礎(chǔ)性的服務(wù)，為用戶提供預(yù)報(bào)方案管理、預(yù)報(bào)模型管理、預(yù)報(bào)終端管理、實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)及其它系統(tǒng)功能。

角色層：平臺(tái)的前面角色主要分為2類，一是管理人員，可以對(duì)各個(gè)預(yù)報(bào)終端進(jìn)行管理，其中包括權(quán)限的分配和管理；二是預(yù)報(bào)終端，可以在預(yù)報(bào)終端進(jìn)行方案的構(gòu)建和管理，并可根據(jù)預(yù)報(bào)方案進(jìn)行洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于云服務(wù)的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)[3]

本平臺(tái)所需的數(shù)據(jù)會(huì)涉及到各類數(shù)據(jù)，如水文部門(mén)的實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)、氣象部門(mén)的未來(lái)降雨數(shù)據(jù)、水利部門(mén)的水利工程運(yùn)行數(shù)據(jù)、防汛部門(mén)的洪水調(diào)度數(shù)據(jù)、來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)云圖和臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)，同時(shí)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，數(shù)據(jù)量會(huì)達(dá)到PB級(jí)別，采用常規(guī)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。本次建設(shè)基于大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，建立海量并發(fā)數(shù)據(jù)并行接收處理和同步技術(shù)，提高系統(tǒng)訪問(wèn)和處理能力，保障系統(tǒng)的高效可靠地運(yùn)行。

3.2 基于微服務(wù)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)技術(shù)

洪水預(yù)報(bào)平臺(tái)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，在洪水預(yù)報(bào)的過(guò)程中會(huì)涉及到各個(gè)數(shù)據(jù)，其中包括水雨情數(shù)據(jù)、未來(lái)降雨數(shù)據(jù)、工程運(yùn)行數(shù)據(jù)、工程調(diào)度數(shù)據(jù)、臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)以及歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)等。在一個(gè)全省性的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)種類繁多，為了有效地隔離數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)，采用微服務(wù)技術(shù)，對(duì)外提供各種高效方便數(shù)據(jù)服務(wù)，各個(gè)應(yīng)用只需通過(guò)調(diào)用指定的服務(wù)就可以獲取各種數(shù)據(jù)，大大提高應(yīng)用開(kāi)發(fā)的效率，并利于系統(tǒng)后期維護(hù)。

3.3 預(yù)報(bào)模型動(dòng)態(tài)加載技術(shù)

該平臺(tái)將面向所有基層的水文部門(mén)，隨著應(yīng)用的深入，各個(gè)水文部門(mén)會(huì)有自己的洪水預(yù)報(bào)模型。本次研究的平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)模型動(dòng)態(tài)增減。通過(guò)組件注冊(cè)信息和對(duì)象工廠，利用C#的反射機(jī)制創(chuàng)建出模型類的一個(gè)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)模型調(diào)用，而不同硬編碼的將模型名稱寫(xiě)在程序中調(diào)用，大大提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和通用性。

3.4 實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)方案和作業(yè)預(yù)報(bào)的可配置

該平臺(tái)為開(kāi)放性的洪水預(yù)報(bào)平臺(tái)，各個(gè)水文專業(yè)人員都可以在平臺(tái)上構(gòu)建方案，實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)方案和作業(yè)的動(dòng)態(tài)可配置。系統(tǒng)采用作業(yè)配置文件配置預(yù)報(bào)任務(wù)，動(dòng)態(tài)控制預(yù)報(bào)流程，不修改程序編碼便可修改預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)邏輯流程；采用預(yù)報(bào)引擎控制預(yù)報(bào)執(zhí)行邏輯。作業(yè)配置文件中包含預(yù)報(bào)站的執(zhí)行順序、預(yù)報(bào)站所使用模型名稱以及多模型綜合等信息。

4 平臺(tái)應(yīng)用與實(shí)踐

4.1 平臺(tái)應(yīng)用簡(jiǎn)介[6 - 9]

平臺(tái)主要由2部分組成，分別為預(yù)報(bào)平臺(tái)管理中心軟件和洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)客戶端。預(yù)報(bào)平臺(tái)管理中心軟件是對(duì)洪水預(yù)報(bào)的管理平臺(tái)，可對(duì)各個(gè)客戶端信息進(jìn)行有效地管理，包括客戶端用戶管理、用戶權(quán)限管理、預(yù)報(bào)結(jié)果的共享等；洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)客戶端主要由水雨情監(jiān)視、預(yù)報(bào)方案構(gòu)建及實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)3部分組成。系統(tǒng)以高精度地圖為基礎(chǔ)，并結(jié)合列表、過(guò)程線等多種形式靜態(tài)、動(dòng)態(tài)展示水情信息。系統(tǒng)提供可配置的方案構(gòu)建、實(shí)時(shí)作業(yè)預(yù)報(bào)和預(yù)報(bào)過(guò)程展示功能。

以江山港流域洪水預(yù)報(bào)的構(gòu)建為例，對(duì)系統(tǒng)作簡(jiǎn)要介紹。根據(jù)洪山港流域洪水預(yù)報(bào)方案，流域的預(yù)報(bào)控制站為江山站，方案輸入主要由峽口水庫(kù)、碗窯水庫(kù)以及區(qū)間流域的輸入，輸出為江山站的預(yù)報(bào)流量和水位。系統(tǒng)需要接入未來(lái)降雨和水庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度信息。

4.2 洪水預(yù)報(bào)流程

對(duì)于某一流域或水庫(kù)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，需要經(jīng)歷前期流域調(diào)查、預(yù)報(bào)方案編制、預(yù)報(bào)方案專家審查、平臺(tái)預(yù)報(bào)方案搭建、實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)以及洪水方案修正的過(guò)程。并根據(jù)洪水預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)洪水的對(duì)比情況，對(duì)洪水預(yù)報(bào)方案進(jìn)行定期修正，保證洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。具體洪水預(yù)報(bào)流程見(jiàn)圖2。

圖2 洪水預(yù)報(bào)流程圖

4.3 預(yù)報(bào)用戶創(chuàng)建及權(quán)限配置

平臺(tái)為開(kāi)放性的通用平臺(tái)，需要對(duì)客戶端用戶進(jìn)行統(tǒng)一管理。開(kāi)發(fā)預(yù)報(bào)平臺(tái)管理中心軟件對(duì)所有預(yù)報(bào)用戶進(jìn)行管理，其中包括預(yù)報(bào)人員的增刪改查、預(yù)報(bào)人員的啟停、預(yù)報(bào)人員是否可構(gòu)建方案、預(yù)報(bào)人員對(duì)站點(diǎn)的查詢權(quán)限等，同時(shí)系統(tǒng)可對(duì)不同的預(yù)報(bào)用戶設(shè)置不同的預(yù)警站點(diǎn)和預(yù)報(bào)斷面，從而有效地管理各個(gè)預(yù)報(bào)用戶的站點(diǎn)預(yù)警和預(yù)報(bào)斷面范圍。

4.4 預(yù)報(bào)方案創(chuàng)建

系統(tǒng)提供預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建功能，預(yù)報(bào)用戶可以根據(jù)前期編制的預(yù)報(bào)方案，在系統(tǒng)上構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)方案。功能包括預(yù)報(bào)方案增加、修改和刪除。并可在對(duì)方案的基本信息進(jìn)行修改，如輸出類型、計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)、預(yù)熱期、預(yù)見(jiàn)期以及曲線名稱等。預(yù)報(bào)方案創(chuàng)建界面見(jiàn)圖3。

圖3 預(yù)報(bào)方案創(chuàng)建界面圖

4.5 方案輸入?yún)?shù)配置

對(duì)于一個(gè)預(yù)報(bào)方案，方案輸入是最重要的一部分，用戶可以任意增加預(yù)報(bào)輸入，并可動(dòng)態(tài)設(shè)定輸入類型（包括流域輸入、水庫(kù)輸入、河道輸入和閘壩輸入），系統(tǒng)根據(jù)不同的輸入類型，提供不同的模型和輸入框，同時(shí)根據(jù)不同模型，從動(dòng)態(tài)模型中讀取模型參數(shù)，并生成模型參數(shù)頁(yè)面。

4.6 實(shí)時(shí)作業(yè)預(yù)報(bào)

用戶構(gòu)建好洪水預(yù)報(bào)方案后，就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)作業(yè)預(yù)報(bào)。在進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)，用戶需要設(shè)定降雨的啟止時(shí)間，并進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)界面，系統(tǒng)將根據(jù)用戶設(shè)定的時(shí)間從數(shù)據(jù)服務(wù)中讀取各種實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)、未來(lái)降雨數(shù)據(jù)以及工程調(diào)度運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)用戶可以對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看分析，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可在線進(jìn)行修正（見(jiàn)圖4），系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)分析計(jì)算，并生成洪水預(yù)報(bào)過(guò)程。

圖4 實(shí)時(shí)作業(yè)界面圖

5 結(jié) 語(yǔ)

緊扣行業(yè)應(yīng)用需求和基層水文部門(mén)的現(xiàn)實(shí)，提出建設(shè)基于云服務(wù)的洪水預(yù)報(bào)服務(wù)平臺(tái)，并對(duì)其中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)服務(wù)、預(yù)報(bào)模型掛接以及方案動(dòng)態(tài)構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。主要取得以下研究成果：

（1）隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，社會(huì)災(zāi)害防御部門(mén)對(duì)基層水文服務(wù)能力提出的新的要求，而采用通用的洪水預(yù)報(bào)平臺(tái)可有效地解決當(dāng)前基層技術(shù)能力弱，維護(hù)力量不足的現(xiàn)狀。

（2）采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可適應(yīng)大數(shù)據(jù)量和大吞吐量的應(yīng)用場(chǎng)景，為平臺(tái)的持續(xù)高效運(yùn)行提供新的解決方案。

（3）采用微服務(wù)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間服務(wù)級(jí)通信，應(yīng)用集成即為服務(wù)集成，為洪水預(yù)報(bào)平臺(tái)的高效運(yùn)行和系統(tǒng)的后期運(yùn)維提供技術(shù)支持。

（4）通過(guò)建立通用的洪水預(yù)報(bào)服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各基層水文部門(mén)的云平臺(tái)洪水預(yù)報(bào)，為水文信息化建設(shè)提供新的思路和解決方案。