汤河水库信息管理自动化系统的集成技术

何占斌 ，马福恒

（1. 辽宁省汤河水库管理局，辽宁 辽阳 111000；2. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

0 引言

汤河水库坝址位于辽阳市弓长岭区境内，太子河一大支流汤河干流上，是一座以防洪、工业和生活用水为主，兼顾灌溉、发电、养鱼等综合利用的国家大Ⅱ型水利枢纽工程。水库为多年调节，按百年一遇洪水设计，可能最大洪水校核。坝址以上的控制流域面积为 1228 km2，流域多年平均降雨量 771.2 mm，多年平均径流量 2.89 亿 m3。水库总库容 7.07 亿 m3，调洪库容 3.68 亿 m3，兴利库容 3.59 亿 m3，多年调节水量 2.15 亿 m3，是鞍山、辽阳 2 座城市生活和工业用水的主要来源。

水库枢纽工程由土坝、溢洪道、泄洪洞、水电站、引水建筑物等组成。工程 1959 年开始运行，目前各建筑物存在严重病险，已不能正常运行，2010年 10 月列入除险加固计划，为实时掌握工程安全性态，合理利用水资源，汤河水库除对原有大坝安全监测、水雨情遥测预报、视频监视等系统更新改造外，另需新建闸门远程控制、电站自动化、供水流量遥测及防汛会商等自动化系统。同时，为实现水利工程现代化管理需要，达到资源融合共享，提高水资源利用率，充分发挥工程效益，有必要对汤河水库各子系统进行有机集成，形成一套自动化程度较高的管理调度系统（以下简称系统）。基于此，本方案利用先进的自动化监控、视频监视和计算机网络等技术，实现对工程的异地实时监控和管理，基本达到少人值守、现场无人值班的管理水平[1]。

1 系统集成架构及关键技术

1.1 系统集成架构

根据开发目标和当前最新的技术趋势，在遵循先进性、实用性、安全可靠性等开发原则的基础上，系统采用基于 B/S 模式的 3 层体系结构[2-3]，分为客户层、中间层和数据层，具体架构如图 1 所示。3 层结构中，客户端注重用户交互和数据表征，后台数据库完成数据访问和管理，应用服务器专门进行业务处理，三者协调作用构成一个有机的整体。采用 3 层体系结构的最大优点是可以灵活地在客户和服务器之间划分数据和逻辑，并按照客户的需要灵活修改系统配置，把系统的开发和部署划分开来，提供跨平台、多个异构数据库分布交互的全程保护，同时还具备对分布对象的实时管理和分析功能。

图1 系统集成架构图

1.2 数据库结构优化建模技术

数据库是水库运行管理系统的基础，把系统中的大量数据按照一定的模型组织起来，提供存储、维护、检索数据的功能，使系统可以方便、及时、准确地从数据库中获取所需的信息。系统的各个部分能否紧密的结合在一起及提高系统的性能，关键在于数据库。传统的水库运行信息管理系统一般都是建立在实体联系模型（E-R 数据模型）的基础上的，E-R 模型能够通过对复杂的数据布局进行规划，创建大量关联表反映大坝监测信息业务流程，因此，E-R 模型主要是围绕测点和数据之间的关系构建的。如在监测系统中，测点是处在最底层的对象，每个测点有一些共同的属性，如测点编号、名称、所属的观测项目、埋设位置（X、Y、Z 坐标）、监测仪器类型、工作和建模状态，以及是否为环境量等等。

由于事务被分解成简单的可判决的过程，自然提高了事务处理系统操作的速度和精确性。但是，E-R 模型只反映数据规则，不能表示分析评价过程，对于关心预警过程的决策者而言，他们需要的是分析评价和预警过程。而 E-R 模型难以满足这种过程的需要，因此需引入多维模型。

多维数据模型是预警系统数据建模的最好方式，目前主要有星型和雪花 2 种模型。考虑到汤河水库管理系统信息的复杂性和动态性，对 E-R 模型进行改进，采用雪花模式进行数据建模，以提高数据仓库应用的灵活性。根据水库运行管理系统的基本情况，构建雪花模式数据建模基本结构图，雪花模型包含有 7 个维表（测点维、时间维、部位维、监测项目维、观测方式维、建模维和报警维），除观测方式维外其他几个维表均包含有内在的层次。维表和事实表通过主外键关系建立连接。通过这种设计，决策者可以灵活利用各个维之间的组合观察实时数据的变化和趋势，进行预警预报[4]。

与自顶向下的数据库设计方法相比，多维建模机制根据传统数据库的 E-R 模型转换得到多维模型，充分利用了原有 E-R 模型隐含的信息，提高预警系统数据库的开发效率。

1.3 系统集成关键技术

由于汤河水库信息自动化系统包含大坝安全监测、水情自动测报调度、视频监视、闸门远程监控、电站自动化管理、流量实时遥测及防汛会商等子系统。怎样实现信息相互共享，需要开展信息无缝集成与共享技术研究，包括分布式对象计算，商用数据库，数据库和通信中间件，面向对象，Web，Java，XML，SOA，Web Services，网络安全等技术，使得系统具有更高的性能、更多的功能、更大的应用范围及更好的实用性[5]。

1.3.1 IBATIS 数据库访问技术

目前，很多水利工程信息管理软件开发都采用面向对象技术，而数据仍然保存在关系数据库中。由于对象模型和关系模型存在阻抗不匹配情况，因此，如何将复杂的面向对象的数据持久化，并可以方便的查询成为软件开发的迫切需求。本系统选择IBATIS 进行数据持久化，采用 O/R Mapping 和 XML技术及软件分层的设计思想，实现一个有效的数据库访问中间件，从而使系统的数据访问与应用逻辑分离开来，使系统具备可扩展性、可移植性、安全性、易维护性，满足水库大坝安全预警系统的开发需求。

1.3.2 DWR 在前台 UI 和后台业务逻辑 Bean 交互技术

由于 AJAX 请求通常被设置为异步，所以脚本不会在 AJAX 请求发送之后停止执行，即脚本不会挂起等待服务器的响应。系统采用 DWR（一种远程服务器端 AJAX 开源框架）自动将远程方法调用的返回值传入回调方法，不必直接从 XML Http Request对象中得到返回的数据；水库管理人员向中间件发送消息，系统则利用消息驱动 Bean 从中间件接收消息，从而使客户与消息驱动 Bean 实现异步传输消息，形成互动。

1.3.3 Ext JS 构建 Web 富客户端技术

系统采用 Ext JS（前端开发框架）技术，一方面使前后台完全分离，只需定义好数据接口，前后台开发相对独立；另外，后台程序开发语言可以移植到不同的平台，如 Net，php（超级文本预处理语言）中，这样前台界面可以重用，大大提高效率；再者 Ext JS 界面功能非常强大，可在客户端创建丰富多彩的 Web 应用程序界面，而且 IE 兼容性好。

2 管理系统功能设计

汤河水库信息管理自动化系统功能主要包括信息获得、业务处理和决策等方面[6-7]。

2.1 水库安全信息采集、处理和服务功能

1）安全信息采集功能。实现大坝安全状况、水雨情、视频、闸门开启度、发电量、供水灌溉量等基础数据的远程采集等功能。

2）信息处理功能。主要实现水库各类安全信息的整编、处理、存储、分析、转发等功能。

3）信息服务功能。在计算机网络的支持下，以各类数据库和 GIS 为基础，以图表、文字、图形、影像、声音等方式，为防汛指挥提供信息服务。

2.2 业务处理功能

1）暴雨预报功能。在气象部门提供的卫星云图、天气实况、雷达测雨资料、数值预报产品的基础上，综合加工处理，进行降雨的短期和中期预报。

2）洪水预报功能。在天气形势分析和实测降雨的基础上，进行流域内主要河流、下游河道的洪水预报，为决策提供依据。

3）洪水调节演进功能。在三维 GIS 基础之上，进行洪水预报及演进，对水库、河道的洪水进行调节演算，为防洪方案的生成提供依据。

2.3 决策支持功能

1）防洪调度功能。以三维 GIS 为基础，进行防洪形势分析，根据水库控制运用方案和河道洪水调度规程生成调度方案集（1 个或多个方案），同时对各个方案做出综合评价、决策实施与调整。

2）灾情预测、评估功能。依据各调度方案，采用网络和 GIS 技术，迅速估算淹没区水位、淹没范围和受淹地区的损失情况，并进行实际灾情的统计。

3）汛情、旱情视频监视功能。提供具有报警功能的实时汛情监视画面。

4）旱情分析、评估功能。提供旱情监视、分析、损失，以及抗旱效益、评估等功能。

5）防汛会商功能。以辽宁省大型水利信息骨干网为基础平台，进行防洪形势和调度预案汇报，调度方案调整、模拟仿真和实施评价，进行本地与异地会商、方案的评价与提供，以及领导决策后防汛命令的发布等功能。

3 结语

在水库安全管理和决策领域中，实时信息智能感知系统的研究正在不断发展，充分利用现代先进的计算机技术，使得系统的设计与研制朝着更加智能化、可视化、交互性、网络化和集成化的方向发展。通过采用计算机、网络、安全监控等多种技术手段，集成了汤河水库水雨情遥测预报调度、大坝安全监测与预警、视频监视、闸门远程监控、电站自动化、供水流量、防汛会商等子系统，对实现信息资源共享，确保工程安全，以及防范洪旱灾害、提高水资源利用率有重要意义。

[1]马福恒. 辽宁省汤河水库综合自动化系统集成方案[R]. 南京：南京水利科学研究院，2011: 2-5.

[2]刘艳艳，朱群雄. 基于 B/S 三层结构的项目管理系统的设计[J]. 电脑知识与技术，2005 (35) : 9-11.

[3]金灿，陈绪君，朱绍文，等. .NET 框架中三种数据访问技术及效率比较[J]. 计算机应用研究，2003, 20 (4): 155-157.

[4]何心望，马福恒. 大坝安全预警系统架构初探[J]. 水电自动化与大坝监测，2006, 10 (5): 36-39.

[5]马福恒. 病险水库大坝风险分析与预警方法[D]. 南京：河海大学，2006: 68-70.

[6]李昭辉，马福恒. 大坝安全预警系统警源分析模型研究[J]. 水电能源科学，2007, 25 (6): 51-53.

[7]金裕祥，马福恒，刘成栋. 基于 Web 的三维水库大坝安全实时监控预警系统[J]. 水电能源科学，2009, 27 (1): 99-102.