引江濟漢工程會商決策支撐系統的開發研究

陸 鑫，邸國輝*，梁二鵬

（1.湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430064；2.北京國遙新天地信息技術有限公司，北京 100101）

會商決策支撐系統的應用在我國始于20世紀80年代，胡四一[1]等開發的全國防洪調度系統是一個國家級防洪管理的決策支撐系統原型，以數據庫、知識庫為信息基礎，實現了信息查詢和防洪調度等功能。信息查詢功能可實現對實時水雨工情、洪水預報結果等信息的快速查詢；防洪調度功能可對預案進行水情仿真，為決策者提供汛情發展事態信息。20世紀80年代至90年代的會商決策支撐系統尚未采用GIS技術處理基礎地理信息[1-4]。20世紀90年代末，水利決策支撐系統中開始引入GIS技術，一般采用二維GIS平臺[5-6]。近年來，三維GIS平臺逐漸成熟，其直觀性強，可實現空間分析的可視化，在會商決策支撐系統中的應用效果較好[7]。

針對灌區管理、防汛調度等方面的會商決策支撐系統研究較多[5-6]；而由于水量調度、與交叉河流相互影響以及建筑物數量多，針對大型引水工程方面的會商決策支撐系統尚在初步研究階段。

引江濟漢工程的引水口位于湖北省荊州市龍洲垸，出水口位于潛江市高石碑。干渠線路地跨荊州、荊門兩個地級市所轄的荊州區和沙洋縣以及省直管市潛江市和仙桃市。干渠全長67.23 km，沿線涉及各類建筑物82座，其中各種水閘13座、泵站1座、船閘2座、東荊河橡膠壩3座、倒虹吸30座（河渠交叉26座、渠渠交叉4座）、公路橋32座、鐵路橋1座。引江濟漢工程以改善漢江下游河道內生態用水為主，改善航運、供水和灌溉為輔，其引水規模由漢江興隆樞紐下泄流量而定，引水方式取決于引水口長江水位的高低。

為了保證引江濟漢工程的正常輸水，需對工程安全、水質安全、運營管理等進行監控。針對引江濟漢工程地域分布廣、交叉水系多、交叉建筑物多等特點，采用先進的信息采集技術、信息處理技術、自動化控制技術、計算機網絡技術、通信技術以及現代化的運行、維護、管理技術與理念，建設一套完善的先進的自動化調度運行的管理支撐系統，對引江濟漢工程進行運行、維護和管理是十分必要的。會商決策支撐系統作為引江濟漢自動化調度運行管理系統的一個重要子系統，以三維GIS平臺（EV-Globe）為基本平臺，通過二次開發達到了系統設計要求。作為國產的新一代GIS平臺，EV-Globe在安全性、可靠性、運行效率和數據支持上都具有一定的優勢，能實現海量多源影像的無縫集成和管理，并能提供多種技術手段以提高三維環境的仿真渲染效率與渲染效果。

1 會商決策支撐系統功能設計

會商決策支撐系統主要負責引江濟漢工程總體情況以及各類監控監測信息的三維直觀展示，包括地理信息展示、工程信息展示、工程三維展示、屬性信息查詢、水利調度監控、水閘泵站監控、視頻監控、安全監測和水質水情監測9個模塊。系統采用EV-Globe網絡平臺進行搭建。

1.1 地理信息展示模塊

該模塊主要是對引江濟漢工程67.23 km水渠以及水利工程附近精細的三維地形地貌、地理信息進行展示，具有平移、縮放、旋轉等手動漫游功能以及飛行瀏覽、圖層控制等功能。三維地形模型參數是各專題模型計算軟件正常運行必不可少的部分，模型參數維護是引水調度集成系統中各模型正確調用和運行的基礎和前提。高石碑船閘和出水閘如圖1所示。EV-Globe利用LOD技術結合影像金字塔技術，實現了不同層次下快速、高仿真度的三維場景表現；還支持模型的動態加載，不僅可以快速加載模型，而且降低了對計算機的要求。

圖1 高石碑船閘和出水閘

1.2 會商決策管理模塊

該模塊將調度事件的獲取、保存、查詢和信息展示在相應的地理位置上，并利用三維仿真系統對GIS和綜合信息服務系統所提供的相關信息進行展示，以提供會議輔助決策。會議管理主要包括會議主題管理、會議過程管理和會議結果管理，即對整個會議決策進行管理[3]（圖2）。會商決策管理模塊根據調度系統提供的接口來獲取調度數據。根據流量調度管理子系統提供的接口，按照不同的方式（不同時間段、不同渠段等）進行調度事件（各水閘的流量、不同渠段的水位等信息）的查詢，并在三維平臺上進行工程調度仿真。

圖2 調度事件的獲取和查詢流程圖

1.3 水利工程仿真模塊

系統采用BIM和實景攝影貼圖技術[8]，對13座水利樞紐工程進行了三維建模，實現了仿真場景組織、圖層控制、快速定位、內外部自由瀏覽、屬性查詢以及水體仿真等功能，可漫游不同天氣的特效渲染場景。EV-Globe系統以特效渲染引擎為基礎，提供了大量的特效模擬效果，以提高不同地理環境、不同天氣狀況、不同視角高度下的系統仿真效果。進口泵站運行中的仿真效果如圖3所示。

圖3 動態水體仿真

1.4 三維空間量算模塊

該模塊實現了三維空間的距離量算、面積量算、點量算和高度量算等功能，為會商決策提供了準確的空間信息。

1.5 三維空間分析模塊

該模塊實現了三維淹沒分析、地形斷面分析、通視分析、坡度分析等三維空間分析功能，為會商決策提供了防洪推演結果。通過選擇淹沒點和設置水面海拔，自動計算附近區域內的淹沒面積以及水體體積等信息，獲取選定路徑的斷面分析數據和剖面圖信息，并在地圖窗口中形象展示相應的效果。如圖4所示，引水渠道潰堤水位為33.49 m時，匯水體積可達到365.4萬m3，并給出了淹沒的區域。

圖4 三維空間分析

1.6 輔助決策模塊

在三維場景中，該模塊為調度系統提供了建筑物、渠道、內部設備的屬性查詢、瀏覽以及調度方案標繪等功能（圖5），可為會商決策提供所需的工水情信息。

圖5 屬性信息查詢

2 接口與數據庫設計

2.1 外部接口

2.1.1 用戶界面

系統的用戶界面是標準的Windows圖形界面，全部為中文菜單。界面設計時，按照Windows應用程序設計習慣，從菜單設計到工具欄布置盡量遵循用戶的操作習慣，并為用戶界面提供詳盡的使用說明。用戶通過鼠標和鍵盤可輕松完成所有系統操作，每一步都提供相應的提示，指示用戶正確的操作步驟，提示系統目前的狀態。

2.1.2 軟件接口

系統使用的三維模型OBJ、DOM和DEM存儲在服務器中，各用戶終端通過向服務器請求數據，在客戶端上加載三維模型OBJ、DOM和DEM。系統通過網絡實現客戶端與服務器之間的通信。

2.1.3 硬件接口

系統運行于湖北省南水北調管理局的內部網絡中，網絡中的各終端與服務器通過網卡和hub相連，利用TCP/IP協議完成信息傳輸和文件打印共享。

2.2 數據庫設計

系統數據庫采用Oracle數據庫進行建設，主要包括基礎地理數據庫、三維模型數據庫、工程信息數據庫和多媒體數據庫。根據數據特性，數據可劃分為屬性數據、空間矢量數據、影像數據、調度數據和多媒體數據等。

3 系統的實現

3.1 系統總體架構

系統采用以數據庫技術為基礎、GIS為支撐的模式，即在系統軟件、支撐軟件的基礎上，建立數據庫層、平臺與服務層、應用層的3層結構。其中，應用層包括用戶交互與操作界面，主要提供信息化處理應用的操作界面，并實現各專業模塊的應用需求；平臺與服務層的基礎是GIS平臺、EV-Globe、DBMS管理平臺等，能提供基本的數據服務和應用服務（組件），如地圖數據服務、三維瀏覽與表現服務和基本空間分析服務等，應用系統基于這些平臺與服務組件完成其專業展現和分析計算；數據庫層負責系統數據庫的組織和集成建庫[9]。系統總體架構如圖6所示。

3.2 系統技術路線

3.2.1 基礎平臺

系統采用國產三維地理信息平臺EV-Globe進行搭建，其安全度、成熟度較高，采購的基礎平臺軟件包括服務器端軟件EVGlobe-Server（負責發布影像、DEM和模型數據，IIS發布）和網絡插件EVGlobe PlugIn（負責嵌入網頁，安裝在客戶端進行三維場景高效渲染）。

圖6 系統總體架構

3.2.2 項目開發說明

系統采用B/S架構，分為服務器端和前端。服務器端采用的EarthView 空間信息服務共享平臺（EV-Server），是以網絡為中心、面向用戶的 Web 服務平臺，使用Java語言開發，依賴Tomcat服務器。網頁內部嵌入插件EVGlobe PlugIn對調水區域進行三維展示和應用。三維展示的相關代碼都封裝在插件內部，不影響系統技術框架的應用。

系統采用高可靠、高可用、可擴展的分布式系統結構和面向服務架構（SOA）統一存儲和管理空間信息，統一發布和管理地理信息服務。前端采用C#語言的AcitveX插件進行開發，采用面向對象的建模方式，分為數據處理層、業務處理層、三維渲染處理層和用戶頁面處理層4層結構，以達到快速開發和重組的要求，同時能提供靈活的集成方式，如增量部署、熱部署等。

3.2.3 系統網絡拓撲

三維平臺服務器端軟件需部署到Windows Server上，將EVGlobe-Server和EVGlobe PlugIn兩個服務端軟件統一部署在Windows Server上，并采用IIS進行發布。前端采用大項目確定的客戶端軟件環境Windows7即可支撐會商決策信息系統（包括頁面和插件）運行。

4 結 語

本文主要介紹了引江濟漢工程會商決策支撐系統開發中的功能模塊設計和系統整體架構。該系統能對綜合信息服務系統所提供的相關決策內容進行試算分析，并結合GIS的地理信息實現了工程調度仿真，從而為調度系統運營中的應急響應和決策提供了輔助支持。今后將在系統運行中逐步完善應急預案和模型庫，以提高輔助決策能力。