1李建兵 2韩红霞
中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 四川 成都 610072
摘要：流域梯级水电站群水情数据量巨大、数据种类繁多、时空分布范围广，为保证水电站群的安全稳定运行，对水情数据等进行监视和统计分析显得至关重要。本文以地理信息系统（GIS）、数据可视化等现代信息技术为载体，通过对水情数据信息的高效组织与深度挖掘，构建了基于GIS的水电站群水情综合信息监视系统框架，设计了一套水电站群运行信息综合监视系统，可将电站运行数据转化为感性显示，实现实时水情时空分布的信息可视化。
关键词：水情数据；地理信息系统；水电站群；可视化系统
中图分类号： TV736 文献标志码： 文章编号：
0 引言
随着流域梯级水电站群的逐步建成和现代信息技术的不断进步，水电站群水情数据信息由传统图表文字向信息化可视化发展[1]。水电站群运行调度所涉及的雨情、水情等信息与地理空间密切相关，且具有分布范围广、信息量大、变化快等特点。地理信息系统（GIS）是集计算机科学、地理科学、空间科学、信息科学等为一体的新兴科学技术。基于GIS技术对水电站群海量水情等数据进行存储、分析和应用，实现水情信息时空分布的可视化是流域水情水调数字化发展方向之一。徐会军等基于GIS建设了福建省中小河流水情信息系统，实现水文“一张图”理念[2]；房彩申等基于GIS建设了电网可视化平台，提供了一套相对灵活的电网GIS可视化应用定制手段[3]。针对目前大规模水电站群水情数据量巨大、数据种类繁多、水情监视信息化水平低的状况，本文研究利用GIS等技术提升界面智能化可视化动态化展示效果，构建了基于GIS的水电站群综合信息监视系统框架，并在此基础上设计一套水电站群运行信息综合监视系统，旨在提高管理人员对电站运行信息的综合研判能力，为水电站群调度运行决策提供高效的支持。
1 系统体系架构
1.1 总体框架结构设计
水情综合信息监视系统是流域梯级水电站群水调自动化系统的子系统，考虑采用三层逻辑机构的B/S架构形式，通过内嵌浏览器与CS架构形式的水调系统进行嵌套。系统总体框架结构见图1。
.png)
图1 系统总体框架结构
系统设计的总体思想是在集成水情数据库、水文计算、GIS人机交互等部分的基础上，建设一个有机的整体，实现水电站群的水情数据综合监视。水情监视系统基于GIS地图，将区域内水电站空间信息、河流、测站等静态属性与动态监测数据相结合，用户可以通过该系统对区域内的各个水电站进行各种运行数据的查看与监视。
1.2 系统分层结构设计
水电站群综合水情监视系统采用分层化的系统设计结构，总体可分为三层：数据层、应用支撑层、视图层。
数据层：主要存储两方面的数据，一部分是GIS底图瓦片相关数据，系统以基础数字地图作为底图，以支撑起综合监视系统的功能实现；另一部分是水库水雨情数据，来自水情数据库的实时数据及历史统计数据。建立数据层用于统一处理不同种类、不同属性数据，实现系统数据统一存储管理。
应用支撑层：建立在数据层之上，是视图层的保障，为视图层提供技术支持，主要对数据存储层所提供数据资源进行规整，为视图层提供所需各类信息。根据视图层实际需求，对服务资源进行分配以处理相应请求；为系统提供水情数据计算、底图空间数据处理等信息服务。
视图层：即系统的人机交互界面，视图层获取用户操作之后，通过应用层发送HTTP请求向服务器请求并解析JSON数据，之后服务端将数据返回给应用层，应用层封装数据并将数据返回给视图层进行渲染展示。该层使用HTML/CSS/JavaScript/Leaflet技术编写，充分利用二维GIS地图提升界面可视化展示效果，引入动态展示，实现水电站群水电站水位、雨量、入库流量、发电流量、弃水流量、出力、发电量等水情数据的综合监视。
2系统功能设计
以提高水电站调度决策水平为目标，基于上述系统总体架构，结合某地区水电调度部门实际业务需求进行大规模水电站群综合水情监视系统设计。该系统按功能需求可划分为基础图层、雨量监视、水电站综合监视以及梯级监视四大功能模块。系统功能图如图2所示。
.png)
图2 系统功能图
地图管理模块：主要功能是存储地图、加载静态资源、切换不同地图资源以及控制地图的缩放等。系统为满足不同数据展示需求，提供了多种地图切换功能，主要包括地形图、道路交通图、卫星图、无底层地图等。地图管理模块主要包含不同等级河流、各个行政区域以及流域边界等图层的加载。
雨量监视模块：主要分为流域雨量监视、分区日雨量监视、分区小时雨量监视、预报雨量监视四个小功能模块。雨量数据是电站调度决策的重要监测指标，系统根据客户端需求获取气象系统数据，并根据流域分布进行一定量计算，得到各个流域的降雨量信息并进行数据渲染。预报雨量监视模块是系统根据用户需求提供一到五天不等的预报雨量数据展示。整个雨量监视模块都包含统计分析及时段查询功能。
综合监视模块：水电站库水位、入库流量、发电流量、弃水流量、出力、发电量等是最直观反应水电站运行的重要指标，该模块主要对区域各个水电站运行信息进行监视，并对异常数据进行预警，系统可根据不同需求对统计数据进行展示，可选择任意时间步长。该模块由三部分组成，①水情预测子模块，在对上述指标实时数据进行监视的基础上，将水调高级应用预测的流量等数据与预报降雨相结合，点绘雨量-流量关系曲线，以及实际入库流量-预测入口流量对比曲线；②对比分析子模块，在综合监视的基础上，对上下游电站的水位、流量、出力三类数据进行对比，用于分析上下游电站的滞时关系；③负荷监视子模块，主要对水电站群的实际运行负荷进行统计分析，该部分将分流域进行展示。
梯级监视模块：从整体上对梯级水电站群进行总体直观信息展示，监测指标主要包括电站坝上水位、出力、入库流量、梯级蓄能等。将群组内各个水电站的水位信息进行一定量计算，按比例展示在相应高程，直观显示出整个梯级电站群的水位情况。此外，该模块还对流域及各个电站蓄能值进行历史同期对比，展现蓄能变化，为电站调度运行提供高效支持。
3 采用的关键技术
3.1 BS与CS混合架构嵌套
大规模水电站群水情综合监视系统是水调高级应用系统的一部分，考虑到系统的易用性及集成性，拟采用BS+CS混合的方式进行开发，并通过谷歌内核浏览器进行架构嵌套的实现。谷歌内核浏览器JxBrowser是一个跨平台的Java库，允许将基于Google Chromium的Web浏览器组件集成到Java Swing应用程序中，其为Browser对象提供了丰富的监听器，只需在监听器中添加创建对象的代码，调用相关Web页面进行可视化渲染，即可实现Js与Java代码的交互。
3.2 离线GIS加载及视图自适应
GIS以地图为基础，对空间对象的属性数据进行展示、标注等操作。关于GIS的研究及应用日趋广泛，但限于网络安全隔离原因，众多公网技术无法被采用。本系统将布署于安全内网环境，因而无法使用开源地图API，需自行构建离线电子地图并进行发布。可通过将底层瓦片信息置于服务器并使用Tomcat应用服务器进行地图服务资源发布，以完成静态资源配置。系统采用目前主流的GIS前端框架Leaflet进行地图基础功能开发，为了提升GIS绘图效率以减轻客户端的内存压力，对底层数据进行了划分，当绘图区域变化以后，系统算法库会动态计算当前视野中所需要展示的瓦片信息，以使得GIS绘图区域自适应，从而大大提升系统的绘制效率及可用性。
3.3 前后端分离技术
为便于后期系统维护、拓展，系统采用前、后端分离技术进行开发。前端通过使用Vue.js框架来操作Dom以进行页面交互，服务端采用Spring Boot框架进行开发。前端数据流基于Vue.js框架的Axios技术，通过HTTP向服务端发送数据请求，服务端进行数据分析、计算后，根据分析结果向数据库发起请求，最终将查询结果以JSON格式的数据传给前端进行相应画面渲染。
4 结束语
本文将GIS等现代信息技术应用于水情综合监视，进行了基于GIS的水电站群综合监视系统的设计与实现，为水电调度决策提供了更有效的监视方式，解决了当下一些可视化产品的不足。在具体研发中，一方面可对系统操作页面做进一步优化，提升更好的人机交互体验，另一方面，底层加载还可考虑引入专业地理信息图形服务器，以更大提升系统地图反应速度。未来应用中，系统可以做进一步的扩展，依托水利信息化技术，共同构建水利信息支撑平台，为水利行业提供全面高效的服务。
参考文献
[1]单连君,牟宝权,曲艺.基于WebGIS的碧流河水库信息服务子系统设计[J].中国水运,2017(01):73-75.
[2]徐会军,陈俊,林剑龙.基于GIS一体化的水情信息系统的设计与实现[J].电子技术与软件工程,2019(20):49-51.
[3]房彩申,黄昆,何源,苏运光.基于GIS的电网可视化展示平台的研究与实现[J].信息技术,2019(03):129-133.
[4]全占东.水文水资源领域中GIS技术的应用现状分析与发展趋势探讨[J].黑龙江水利科技,2017,45(02):128-130.
作者简介：
李建兵（1985-）男，汉族，研究生，高级工程师，主要从事河流水电规划、动能经济及水库调度运行等方面工作。