小流域水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)雨水情監(jiān)控及預(yù)警程序的開發(fā)與應(yīng)用

蒲博文，趙 毅

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065；2.陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司，西安 710000)

0 前 言

當(dāng)前水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)在中國水利水電工程的建設(shè)過程中有著廣泛的應(yīng)用，在工程防洪度汛過程中發(fā)揮著重要作用。服務(wù)于小流域的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)大都結(jié)構(gòu)較為簡單且規(guī)模較小，遙測(cè)站網(wǎng)規(guī)模大多在幾個(gè)到十幾個(gè)不等，配置的作業(yè)軟件功能單一，雖然實(shí)現(xiàn)了雨水情數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸和處理，但中心站仍然主要靠人工查詢來獲取數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)后，還需進(jìn)行手動(dòng)處理，才能對(duì)外發(fā)布，這種模式下遇到暴雨洪水極端天氣很難做出快速反應(yīng)。

近年來極端天頻繁發(fā)生，短歷時(shí)和局部強(qiáng)降雨出現(xiàn)的次數(shù)也逐漸增多，這個(gè)現(xiàn)象在小流域上表現(xiàn)的更為突出。由于小流域面積小，匯流時(shí)間短，強(qiáng)降雨形成的洪水大多峰高量大且預(yù)見期短，嚴(yán)重影響工程汛期建設(shè)安全，甚至危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，在防汛值班過程中，工作人員需要在機(jī)房24 h連續(xù)值守監(jiān)控雨水情數(shù)據(jù)，工作量大、效率低、極大的浪費(fèi)人力物力。

為此已有不少水文工作者提出了很多解決方案[1-9]，比如通過短信、電話進(jìn)行預(yù)警信息推送[1,2,5]，這兩種方式雖在一定程度上提高了工作效率，但是在遙測(cè)站較多時(shí)，純文字和語音方式不夠直觀，在汛期高密度的雨水情數(shù)據(jù)和預(yù)警信息推送下，發(fā)送短信和電話通知的成本也將大大增加。

為了更好的解決這個(gè)問題，本文以位于陜南的在建鎮(zhèn)安抽水蓄能電站為例，依托電站已有水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，采用C/S架構(gòu)開發(fā)了一款基于VB.NET編程語言的windows桌面應(yīng)用程序[11]，通過程序界面對(duì)雨水情數(shù)據(jù)直觀展示和實(shí)時(shí)更新，通過設(shè)定雨量、水位(流量)預(yù)警閾值進(jìn)行自動(dòng)聲音、文字報(bào)警[6-9]，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息快速發(fā)布。

1 程序結(jié)構(gòu)模式

程序的運(yùn)行主要依靠水情數(shù)據(jù)庫的支持，當(dāng)業(yè)務(wù)模塊給程序下達(dá)指令后，程序通過服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫連接并獲取數(shù)據(jù)，之后程序通過自動(dòng)計(jì)算、預(yù)警閾值分析對(duì)比得到結(jié)果，最后將結(jié)果顯示在前端UI界面。程序?yàn)橛脩籼峁┲庇^的人機(jī)交互平臺(tái)，啟動(dòng)后完全自動(dòng)化運(yùn)行，有效減少了工作人員的頻繁操作,降低了工作強(qiáng)度，增加防汛過程中的反應(yīng)時(shí)間，大幅提升工作效率。程序結(jié)構(gòu)模式見圖1。

圖1 程序結(jié)構(gòu)模式

2 程序功能模塊

程序在滿足數(shù)據(jù)監(jiān)控和預(yù)警的基礎(chǔ)上，結(jié)合電站施工期的防汛要求和系統(tǒng)日常運(yùn)維要求，還增加了數(shù)據(jù)查詢、水情日、周報(bào)和通信監(jiān)控等模塊，程序主界面見圖2。

圖2 程序主界面

2.1 登錄和程序配置模塊

登錄模塊通過驗(yàn)證用戶賬號(hào)、密碼和類型，來決定是否能進(jìn)入程序主界面，同時(shí)針對(duì)不同類型的用戶，在主界面所擁有的權(quán)限也有所區(qū)別。

程序配置模塊主要包括數(shù)據(jù)庫配置和參數(shù)配置兩部分，數(shù)據(jù)庫配置方便了程序在水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)局域網(wǎng)和外網(wǎng)的使用，在外網(wǎng)端口開放的情況下，外網(wǎng)PC也可以安裝程序進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，方便調(diào)度指揮中心和施工單位的防汛值班人員獲取信息。

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊

程序主界面即數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，在數(shù)據(jù)庫已配置且驗(yàn)證連接成功后，按下啟動(dòng)按鈕開啟實(shí)時(shí)監(jiān)控。啟動(dòng)后會(huì)顯示包括雨情、水情以及氣象數(shù)據(jù)在內(nèi)的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且對(duì)雨情、水情數(shù)據(jù)二次加工以顯示不同時(shí)段降雨和水位變化趨勢(shì)。在程序參數(shù)設(shè)置中工作人員可自定義設(shè)置自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)頻率，最高可設(shè)置為每1 min獲取一次數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)查詢模塊

支持查詢遙測(cè)站任意時(shí)段的歷史數(shù)據(jù)，并有圖表顯示，同時(shí)支持查詢到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格。模塊界面見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)查詢模塊

2.4 實(shí)時(shí)過程線模塊

能自動(dòng)查詢系統(tǒng)內(nèi)遙測(cè)站最近24 h數(shù)據(jù)，通過圖表展示，并每5 min進(jìn)行一次更新。模塊界面見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)查詢模塊

2.5 通信監(jiān)控模塊

用于監(jiān)控遙測(cè)站傳送到中心站的數(shù)據(jù)量和實(shí)時(shí)電壓等狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過設(shè)定好的數(shù)據(jù)缺失和電壓閾值等參數(shù)來判斷遙測(cè)站運(yùn)行情況，模塊界面通過流域模型圖顯示各遙測(cè)站位置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)處置建議，該模塊有助于運(yùn)維管理人員快速查看并掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)能及早發(fā)現(xiàn)并處置，進(jìn)而保證系統(tǒng)在暴雨期間的運(yùn)行可靠性。模塊界面見圖5。

圖5 通信監(jiān)控模塊

2.6 水情日、周報(bào)模塊

這兩個(gè)模塊打開后默認(rèn)顯示經(jīng)過程序計(jì)算加工過的過去1 d、1周的雨水情信息，同時(shí)通過日期選擇功能可以查詢過去任意1 d、1周的信息。模塊界面見圖6。

圖6 水情日?qǐng)?bào)模塊

3 程序功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 開發(fā)軟件選用

程序開發(fā)采用微軟公司的Visual Studio2019開發(fā)軟件，利用VB.NET設(shè)計(jì)語言在Framework4.5框架基礎(chǔ)上完成開發(fā)，VB.NET是完全面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，其中包含了大量windows控件模塊，使得程序設(shè)計(jì)較為簡單，且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫訪問功能，非常適合該程序開發(fā)。

3.2 遙測(cè)數(shù)據(jù)獲取

程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控和預(yù)警等一系列功能的關(guān)鍵點(diǎn)在于數(shù)據(jù)獲取，只有在獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)后才能進(jìn)行其它功能的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。所以連接并訪問水情數(shù)據(jù)庫對(duì)整個(gè)程序來說是最重要的一步，該電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用微軟公司SQL Server2012數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)和管理各類型數(shù)據(jù)。ADO.NET[12]是一組包含在.NET框架中的類庫，用于.NET應(yīng)用程序各種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之間的通信。以下簡單展示VB.NET編程語言結(jié)合ADO.NET類庫實(shí)現(xiàn)連接數(shù)據(jù)庫并執(zhí)行查詢的代碼：

Imports System.Data.SqlClient '申明名稱空間(實(shí)現(xiàn)對(duì)SQL Sever7.0及以上版本數(shù)據(jù)庫程序訪問)Dim cn As SqlConnection '定義連接對(duì)象Dim da As SqlDataAdapter '定義DataAdapterDim ds As DataSet '定義DataSetDim cnStr As String ="Data Source=" & 數(shù)據(jù)源 & ";Initial Catalog=" & 數(shù)據(jù)庫 & ";Integrated Security=False;User ID=" & 用戶名 & ";Password=" & 密碼 & ";" '定義連接數(shù)據(jù)庫的字符串cn = New SqlConnection(cnStr) '實(shí)例化數(shù)據(jù)庫連接對(duì)象cn.Open() '打開連接報(bào)文查詢 = "select count(PointID) from dbo.RealAppData where PointID=" & Point-ID(i) & " and DataTime between '" &DateAdd("h", -24, 當(dāng)前時(shí)間) & "' and '" & 當(dāng)前時(shí)間 & "'" '數(shù)據(jù)庫查詢條件da = New SqlDataAdapter(報(bào)文查詢, cn) '新的數(shù)據(jù)適配實(shí)例ds = New DataSet() '新的數(shù)據(jù)集da.Fill(ds, "RealAppData") '將數(shù)據(jù)適配器查詢到的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)集cn.Close() '關(guān)閉連接

數(shù)據(jù)庫連接成功后就可以按需查詢數(shù)據(jù)，也可根據(jù)入庫數(shù)據(jù)量來判斷是否缺失數(shù)據(jù)，還可根據(jù)入庫的遙測(cè)站狀態(tài)參數(shù)來判斷遙測(cè)是否故障。獲取數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)按照需要的格式進(jìn)行計(jì)算加工，讓其顯示在程序界面上，最后增加定時(shí)查詢功能即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化更新。

3.3 預(yù)警指標(biāo)確定

預(yù)警指標(biāo)[10]確定是實(shí)現(xiàn)預(yù)警的重要環(huán)節(jié)，指標(biāo)過高或過低都會(huì)影響預(yù)警功能的發(fā)揮，因此指標(biāo)的合理性對(duì)預(yù)警功能是否發(fā)揮作用有很大影響。預(yù)警指標(biāo)主要有雨量指標(biāo)和水位指標(biāo)，一般按照兩項(xiàng)指標(biāo)相結(jié)合來設(shè)置，結(jié)合水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)歷史的實(shí)測(cè)水位資料設(shè)定水位指標(biāo)，結(jié)合國家暴雨應(yīng)急響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和工程設(shè)計(jì)暴雨標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定雨量指標(biāo)。

為了使預(yù)警更人性化，程序設(shè)置3個(gè)選項(xiàng)，分別為開始降雨報(bào)警、水位超閾報(bào)警和達(dá)到響應(yīng)報(bào)警，選中選項(xiàng)才會(huì)報(bào)警，報(bào)警會(huì)通過語音播報(bào)和底部狀態(tài)欄同步展示，這么做的目的是實(shí)現(xiàn)按需報(bào)警。比如某次降雨很大，起初3個(gè)選項(xiàng)全部勾選，當(dāng)開始降雨后通過報(bào)警消息值班人員已經(jīng)進(jìn)入值班狀態(tài)，就沒必要再報(bào)警提醒開始降雨了，可以關(guān)閉此選項(xiàng)，同理當(dāng)水位已經(jīng)超閾值或降雨量已經(jīng)到達(dá)啟動(dòng)防汛應(yīng)急響應(yīng)的指標(biāo)，觸發(fā)報(bào)警后也可以關(guān)閉選項(xiàng)，使得報(bào)警不那么頻繁。

3.4 雨水情及預(yù)警信息發(fā)布

通過以上功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雨水情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，但還未涉及信息的發(fā)布，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的日益進(jìn)步，智能手機(jī)越來越普及，由此興起的微信、QQ等即時(shí)通信軟件使用越來越廣泛，在鎮(zhèn)安抽水蓄能電站應(yīng)用過程中程序借助電站參建各方的微信防汛工作群，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)警信息自動(dòng)截圖發(fā)布到微信群中，實(shí)現(xiàn)了雨水情數(shù)據(jù)和預(yù)警信息的快速發(fā)布和共享，程序截圖數(shù)據(jù)相比短信和電話播報(bào)，具有簡明直觀，便于查看的特點(diǎn)，同時(shí)還省去以短信、電話為媒介傳遞信息的高昂費(fèi)用。

4 程序的應(yīng)用

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站工程所在的月河流域位于陜南暴雨中心，汛期經(jīng)常發(fā)生短歷時(shí)強(qiáng)降雨，壩址以上流域面積181 km2，由于陜南植被較好，土壤含水量較高易飽和，因此發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)雨水會(huì)快速順著坡面、溝壑匯入主河槽，形成的洪水峰高量大且預(yù)見期短，給工程防洪度汛增加了很大難度。

該程序于2020年汛前初步完成開發(fā)，2020年汛期開始試用，從試用結(jié)果來看，基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)雨水情監(jiān)控和預(yù)警的既定目標(biāo)，自動(dòng)化運(yùn)行有效緩解了值班人員的工作壓力，提升了工作效率，程序的通信情況監(jiān)控功能也為運(yùn)維人員檢查系統(tǒng)運(yùn)行工況提供了快速通道，數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)過程線和日?qǐng)?bào)、周報(bào)模塊也給值班人員查閱不同信息提供了便利。但也暴露了一些問題，由于最初設(shè)計(jì)時(shí)未引入多線程運(yùn)行方式[13]，在多界面同時(shí)打開時(shí)有概率出現(xiàn)運(yùn)行重疊，造成程序卡頓報(bào)錯(cuò)。對(duì)暴露的問題，在汛后也及時(shí)完成升級(jí)消缺。

2021年汛期陜南雨水充沛，月河流域暴雨頻發(fā)，平時(shí)流量在1～5 m3/s的月河多次發(fā)生洪峰超過100 m3/s洪水，其中以8月22日6時(shí)32分出現(xiàn)的320.3 m3/s的洪峰為最大，在這場洪水中該程序長時(shí)間以高強(qiáng)度運(yùn)行，逐小時(shí)滾動(dòng)發(fā)布實(shí)時(shí)雨水情信息，在數(shù)據(jù)觸發(fā)預(yù)警閾值時(shí)自動(dòng)報(bào)警并發(fā)布預(yù)警信息，電站綜合調(diào)度指揮中心根據(jù)預(yù)警信息在8月22日凌晨3點(diǎn)啟動(dòng)防汛四級(jí)應(yīng)急響應(yīng)，安排施工單位撤離河道沿線人員機(jī)械，同時(shí)組織應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)伍進(jìn)入待命狀態(tài)。得益于預(yù)警及時(shí)和調(diào)度指揮中心決策果斷，整場洪水過程中除一些臨時(shí)道路和防護(hù)設(shè)施被沖毀外，用于工程建設(shè)的機(jī)械設(shè)備和人員均無損傷。

2021年月河共發(fā)生16場洪水，對(duì)電站攔沙壩及擋水壩等施工產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，在整個(gè)防汛過程中該程序均及時(shí)準(zhǔn)確的提供了雨水情信息和預(yù)警信息，綜合調(diào)度指揮中心多次根據(jù)預(yù)警信息調(diào)整施工計(jì)劃，安排人員和機(jī)械設(shè)備撤離，使工程受洪水影響的損失降到最低，程序發(fā)揮的作用也得到參建各方認(rèn)可。

5 結(jié) 論

(1) 程序通過設(shè)置監(jiān)控頻率和預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)了雨水情信息自動(dòng)監(jiān)控和預(yù)警，達(dá)到了緩解值班人員工作壓力、減輕工作量、提升工作效率的目的。

(2) 程序的通信監(jiān)控模塊為系統(tǒng)故障排查提供了快速通道，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)一鍵掌握，提升了運(yùn)維管理人員的工作效率。

(3) 程序的信息發(fā)布模塊打破常規(guī)，創(chuàng)新性的與即時(shí)通訊軟件相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息快速發(fā)布和共享的基礎(chǔ)上省去了短信、電話發(fā)布信息的高昂費(fèi)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

(4) 程序的數(shù)據(jù)查詢、日?qǐng)?bào)、周報(bào)等模塊讓程序功能更為全面，實(shí)現(xiàn)了一專多能，提高了程序滿足不同場景下業(yè)務(wù)需求的能力。

(5) 程序開發(fā)過程中，以安裝簡便、占用內(nèi)存小、運(yùn)行時(shí)低CPU占用率、能在不同性能Windows設(shè)備上部署為目標(biāo)，通過反復(fù)調(diào)試驗(yàn)證，在長時(shí)間運(yùn)行下，程序持續(xù)保持穩(wěn)定流暢、不卡頓，達(dá)到了適用性廣、可靠性高的效果。

現(xiàn)在該程序已成為陜西省鎮(zhèn)安抽水蓄能電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)不可或缺的一部分，在電站防汛過程中發(fā)揮著重要作用。同時(shí)該程序也為其它小流域水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的自動(dòng)化改造提供了新思路，并成功在其他電站推廣使用，后續(xù)該程序還將結(jié)合工程實(shí)際繼續(xù)探索優(yōu)化，使之在水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。