平寨水庫水雨情可視化監控平臺設計與實現

陶勇 王加敏 彭波 曾莉萍 孫傳勝

摘 要：根據平寨水庫水雨情業務實際需求，利用成熟的數據庫技術、信息化技術和大數據可視化技術，采用B/S架構模式，建設基于Echarts的平寨水庫水雨情可視化監控平臺，綜合展示遙測站設備、網絡狀態、機組發電、歷史數據查詢、水雨情綜合分析，以及水文預報文檔等水雨情相關信息，實現了硬件設備、網絡狀態和水雨情重要運行指標的實時監控和自動報警，以及歷史數據查詢導出、水雨情過去實況綜合分析和水文預報文檔的自動化制作。通過在汛期中的實際業務運行檢驗，平臺穩定可靠，交互操作簡便，大大提高了水庫運行管理的自動化水平，為水庫防洪度汛提供了重要的信息技術支撐。

關鍵詞：Echarts；水雨情；可視化；監控

中圖分類號：TV697.1+1? 文獻標識碼：A

貴州省黔中水利樞紐工程是一項以灌溉、城鄉供水為主，兼顧發電等的綜合利用，并為改善區域生態環境創造條件的大型水利基礎設施項目，由平寨水庫水源工程、灌區工程、貴陽市供水和安順市供水工程等組成。其中平寨水庫自2015年4月14日下閘蓄水，2016年6月24日并網發電，2018年1月28日正式向貴陽供水以來，工程的目標逐漸由施工建設期轉為水庫運行期，平寨水庫的水情預測報業務的重點也隨工程目標的改變而進行相應的調整。2018年平寨水庫購買了一套南京南瑞水利水電科技有限公司的水調自動化系統，該系統主要是為滿足平寨電站發電的業務需求，實現與貴州電網調度中心數據上傳而部署的，在水雨情監測業務方面，該系統沒有進行本地化配置，在實際業務使用過程中存在諸多問題。

本文通過搭建平寨水庫水雨情可視化監控平臺，結合水庫運行實際條件，以水雨情預測報業務為基礎，靈活地利用GIS技術［1］、數據庫技術［2］、大數據可視化技術［36］和信息網絡［78］等技術，構造一系列水雨情業務各環節的管理模型，最終設計出水雨情預測報自動化、智能化的整體解決方案，為水庫運行管理部門及時掌握水雨情相關信息提供決策支撐，提高水庫調度效率。

1 系統設計

1.1 設計原則

（1）可擴展性。采用開放式的數據庫平臺和組件技術，確保隨著業務需求的變化，對已有資源利用的有效性。可以根據業務發展的需要，方便升級，擴展系統的功能。

（2）可靠性。可靠性是衡量系統性能好壞的一個重要指標［9］。設計開發系統時，綜合考慮系統架構、技術手段、軟硬件平臺、技術服務和維護能力［10］，采用業界公認成熟并被廣泛應用的技術，保證平臺實施的進度和質量，保證系統的穩定可靠。

（3）先進性。采用先進的、開放的體系結構和計算機技術，如數據管理技術、編碼技術和容錯技術等，同時，平臺的投資考慮到今后的發展，不僅在硬件架構上具備超前性，而且系統設計采用數據質量控制，對不同結構類型的數據進行統一管理。

（4）實用性。平臺應充分考慮用戶當前各業務層次、各環節管理中數據處理的便利性和可行性，使用圖形化交互式人機界面，使操作簡便實用、界面美觀大方。

（5）安全性。平臺提供有效的安全保密機制，保證信息能夠安全發送與接收。為保證數據傳輸的安全性，使所傳輸的數據不被盜竊、更改，應用系統所采集的重要原始數據采用網絡加密傳輸、數據庫加密傳輸或應用系統數據加密相結合的技術，并對進入平臺的用戶的操作情況按照時間、用戶、單位、權限組等進行記錄。

1.2 總體框架設計

平寨水庫水雨情可視化監控平臺總體框架自下而上包括信息網絡層、數據資源層、技術支撐層、業務應用層和用戶層，采用B/S結構。總體架構如圖1所示。

信息網絡層是整個平臺運行的基礎，為平臺提供網絡訪問環境和各類數據采集的接入。

數據資源層是本平臺的核心內容之一，主要作用是解決平臺所需各類數據的采集、存儲、處理、質控和分析問題，主要包括數據組織和數據處理。

數據組織是對各類數據進行結構化、標準化和規范化，建立一個可靠、穩定、高效的數據服務平臺；數據處理是對各類數據進行清洗、轉換、關聯、標識的過程，構建信息索引，建立信息之間的關聯關系。

技術支撐層是連接數據和業務應用之間的橋梁，通過數據庫技術、Web service技術、可視化技術和API接口服務［1112］等，將各類數據進行統一封裝，向應用層提供數據服務。

業務應用層是用戶與平臺各功能模塊之間相互交流的前端。

用戶層是該平臺使用的主要用戶對象，包括水庫調度員、電站值班員和系統管理員。

2 關鍵技術

2.1 Echarts可視化技術

引入Echarts開源可視化庫，通過增量渲染技術支持Canvas或SVG的形式渲染圖表，可以流暢地在PC端運行，兼容當前絕大部分瀏覽器。Echarts的底層依賴矢量圖形庫ZRender，能夠提供直觀、交互豐富、高度個性化定制的數據可視化［13］，實現提供平寨水庫各類數據不同形式的數據展示。

2.2 基于Ajax的異步開發技術

Ajax是采用客戶端腳本與Web服務器進行數據交換的一組技術，它提供了與服務器進行異步通信的能力［14］。Ajax通過基于XML的Web Services接口僅向服務器發送并取回必要的數據，并在客戶端采用JavaScript的函數處理來自服務器的響應。只有當數據必須從服務器上獲得的時候才調用它，這樣就解決了操作響應速度、不重復加載頁面，以及避免向服務器頻繁發送請求的問題，降低平臺對硬件設施的資源占有率。

3 功能模塊

3.1 運行監控模塊

該模塊包括三個方面的監控，分別是遙測站設備、水雨情網絡和機組發電的實時運行情況。遙測站設備包含水庫流域范圍內的水位站、雨量站和流量站，正常運行情況下，遙測站每小時整點發送一次實時水位數據、雨量數據和流量數據到采集平臺，若采集平臺能接收到數據，則表示遙測站設備運行正常，反之，則表示遙測站設備運行異常（見圖2）。水雨情網絡包含數據采集服務器、數據存儲服務器和數據應用服務器之間網絡通信，以及與之相配套的防火墻、交換機等網絡設備的訪問情況。正常情況下，后臺網絡監視機器人每分鐘反饋一次網絡通信情況。若出現某條網絡訪問受限，則以“紅色”進行告警提示（見圖3）。機組發電監控是每分鐘獲取5臺機組每臺的實際出力值，若機組沒有發電，出力值為0（見圖4）。

3.2 監測報警模塊

平臺提供對平寨水庫水雨情的重要運行指標（見表1）進行實時監測，根據不同運行指標設定的閾值，自動判斷是否報警。當其中任意一個運行指標超過相應規定的閾值，就自動將對應的指標值以“紅色”標注（見圖5），同時啟動聲音報警。針對水位站和雨量站的運行情況，平臺也提供在流域GIS底圖上進行展示，若運行正常，則以“綠色”圈表示，反之，則以“紅色”圈表示。

3.3 水情預測模塊

平臺把洪水預報系統自動發布的水位和入庫流量預報數據進行接入，將過去的實際水位和預測水位、過去的實際入庫流量和預測入庫量進行綜合展示（見圖6）。另外，在汛期每日08時和20時定時自動生成水文預報文檔，水情值班員經過主觀訂正后自動向各部門發布（見圖7）。

3.4 水雨情分析模塊

每日8時自動繪制過去一周的壩上水位、入庫流量和降雨量綜合分析圖（見圖8），便于水情值班員及時掌握過去一周水雨情的情況。

3.5 數據查詢模塊

數據查詢主要包括對歷史壩上水位、壩下水位、生態流量、入庫流量、發電量、面雨量、來水量和泄洪量等數據按選擇的時間段進行查看，并且通過導出功能可以將查詢結果保存為Excel文檔（見圖9）。

4 應用效果

平寨水庫水雨情可視化監控平臺建成后（見圖10），在2022年整個汛期期間進行了實際業務應用，該平臺各項功能運行穩定，使水雨情預測報業務工作標準化、規范化，減輕了水情值班員的工作強度和工作壓力，提高了水雨情預測報業務的工作效率，實現了平寨水庫水雨情信息自動監控。

結語

平寨水庫水雨情可視化監控平臺通過信息化、可視化、自動化技術，實現了集遙測站設備、信息網絡、發電機組、水情預測、數據查詢等水雨情相關信息為一體的綜合展示，大大提高了水庫運行管理的自動化水平；在防洪度汛期間，也為水庫運行調度提供了重要的信息技術支撐。

參考文獻：

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［14］唐小玲.基于AJAX異步交互技術的門戶網站構建［J］.電腦知識與技術，2021，17（32）：165166.

作者簡介：陶勇（1988— ），男，漢族，四川遂寧人，研究生，工程師，從事水電氣象服務；王加敏（1990— ），男，漢族，廣西桂林人，本科，工程師，從事水電氣象服務；彭波（1990— ），男，漢族，重慶合川人，本科，工程師，從事軟件開發；曾莉萍（1986— ），女，漢族，貴州貴陽人，研究生，高級工程師，從事短期天氣預報；孫傳勝（1987— ），男，漢族，貴州遵義人，本科，高級工程師，從事水庫調度運行管理。