洪水風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)分析與制圖系統(tǒng)

1、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)項(xiàng)目交流材料項(xiàng)目交流材料洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院匯報(bào)內(nèi)容1.2.3.4.5.概述關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)演示洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 本項(xiàng)目屬于全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖二期項(xiàng)目中的子課題之一。目的通過(guò)實(shí)時(shí)洪水分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水的實(shí)時(shí)演進(jìn)模擬，以實(shí)時(shí)地理空間表達(dá)的方式描述某一時(shí)刻洪水的態(tài)勢(shì)、洪水會(huì)如何行進(jìn)，會(huì)造成什么樣的影響。 相比傳統(tǒng)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖成果編制，系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)，即算即得。方案可以實(shí)時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，模擬洪水動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)洪水動(dòng)態(tài)信息的表達(dá)。背景4洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路實(shí)時(shí)計(jì)算主要解決

2、模型計(jì)算效率、以及實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)空間表達(dá)為核心。在解決方式上，我們主要采用分布式計(jì)算架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)在線分布式模型的實(shí)現(xiàn)主要考慮以下關(guān)鍵因素：（1）計(jì)算效率。采用分布式結(jié)構(gòu)，將計(jì)算效率高，算法復(fù)雜的模型相關(guān)任務(wù)分配給高性能的計(jì)算服務(wù)器，從而提高運(yùn)算效率。（2）數(shù)據(jù)后置處理。前臺(tái)因?yàn)椴捎肂/S結(jié)構(gòu)，自身計(jì)算能力有限，因而數(shù)據(jù)在后臺(tái)進(jìn)行處理，進(jìn)而傳遞到前臺(tái)展現(xiàn)是本次項(xiàng)目對(duì)于分布式框架的一個(gè)重要需求。（3）數(shù)據(jù)傳送效率。數(shù)據(jù)后置處理必然導(dǎo)致前端數(shù)據(jù)傳送量的加大，因而后臺(tái)數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)也是本項(xiàng)目關(guān)鍵。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)基于

3、Web端實(shí)現(xiàn)。內(nèi)容包括：（1）根據(jù)Web端設(shè)置的水文測(cè)站的流量、潰壩位置、潰口寬度等參數(shù)傳遞到服務(wù)器端計(jì)算模型，進(jìn)行在線洪水潰壩模擬。（2）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)洪水風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)方案的管理和導(dǎo)出。（3）實(shí)現(xiàn)輔助制圖功能。功能概述洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)架構(gòu)圖洪水風(fēng)險(xiǎn)模擬模型軟件基于Flash的洪水風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)展示軟件中國(guó)水利水電科學(xué)研究院逐小時(shí)格網(wǎng)數(shù)據(jù)地理處理軟件數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口方案數(shù)據(jù)格網(wǎng)數(shù)據(jù)河道數(shù)據(jù)潰口數(shù)據(jù)調(diào)度啟用潰口位置模型參數(shù)設(shè)置設(shè)置啟用參數(shù)逐小時(shí)計(jì)算參數(shù)保存逐小時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)信息入庫(kù)讀取計(jì)算參數(shù)Web Service數(shù)據(jù)服務(wù)軟件數(shù)據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)請(qǐng)求輪詢7洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院系

4、統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路網(wǎng)絡(luò)部署洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院統(tǒng)計(jì)檢索組件實(shí)時(shí)方案管理組件專題制圖組件Web Service中間層用戶UI接口洪水風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)分析與制圖系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理組件模型接口組件模型計(jì)算處理平臺(tái)(模型計(jì)算及逐小時(shí)處理系統(tǒng))模型計(jì)算管理組件數(shù)據(jù)服務(wù)組件數(shù)據(jù)引擎(Oracle)模型參數(shù)管理組件方案數(shù)據(jù)格網(wǎng)數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)圖專題模型參數(shù)模型數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路客戶層客戶層用戶用戶1用戶用戶1管理員管理員基礎(chǔ)層服務(wù)層服務(wù)層平臺(tái)層平臺(tái)層業(yè)務(wù)邏業(yè)務(wù)邏輯層輯層系統(tǒng)組織洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)從分布式計(jì)算角度來(lái)考慮模型效率的提高并實(shí)現(xiàn)采用分布式計(jì)算的方法來(lái)考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)。方法包括：程

5、序自身的并行算法設(shè)計(jì)，以及為將來(lái)建立基于格網(wǎng)分裂和水動(dòng)力平衡基礎(chǔ)上的并行調(diào)度管理。對(duì)于算法效率提高還有進(jìn)一步方法包括逐步引入基于消息隊(duì)列集群計(jì)算體系的構(gòu)建。創(chuàng)新逐小時(shí)數(shù)據(jù)地理處理技術(shù)項(xiàng)目自主設(shè)計(jì)一套數(shù)據(jù)地理空間處理技術(shù)，基于流行地理開源庫(kù)GDAL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速處理。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算后格網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間地理表達(dá)，形成地理表達(dá)和模型輸出的同步。實(shí)現(xiàn)基于進(jìn)程間隔離的模型調(diào)度本次項(xiàng)目通過(guò)設(shè)置進(jìn)程獨(dú)立隔離機(jī)制，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單模型隔離的任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)并行請(qǐng)求計(jì)算任務(wù)。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院Web Serivce洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院逐小時(shí)格網(wǎng)數(shù)據(jù)地理處理軟件數(shù)據(jù)服務(wù)軟件洪水風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)展示軟件系統(tǒng)實(shí)

6、現(xiàn)-系統(tǒng)組成洪水風(fēng)險(xiǎn)圖查詢分析應(yīng)用系統(tǒng)洪水風(fēng)險(xiǎn)模擬模型軟件洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)特點(diǎn)：模型模擬的計(jì)算任務(wù)由后臺(tái)服務(wù)器調(diào)度和處理，逐小時(shí)網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理也有后臺(tái)服務(wù)器處理成前臺(tái)可以方便調(diào)用的格式，使得復(fù)雜性和前臺(tái)得到很好的分離。前臺(tái)主要以動(dòng)態(tài)展現(xiàn)、對(duì)比分析、方案管理以及導(dǎo)出等為主。做到功能精簡(jiǎn)、操作方便。洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能特點(diǎn)：（1）前后臺(tái)逐級(jí)聯(lián)動(dòng)。包括實(shí)時(shí)計(jì)算請(qǐng)求、任務(wù)調(diào)度、計(jì)算結(jié)果處理、計(jì)算結(jié)果回傳顯示。（2）前臺(tái)模擬實(shí)現(xiàn)了雙緩沖機(jī)制，顯示效率更加符合要求，處理更加平滑。（3）前臺(tái)二維和一維斷面實(shí)現(xiàn)同步查看。（4）以實(shí)時(shí)洪水

7、模擬方案對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院洪水風(fēng)險(xiǎn)模擬模型軟件一維河網(wǎng)模擬模式：可用于單一河道或者復(fù)雜河道水流模擬，可處理恒定流與非恒定流，可模擬水閘調(diào)度影響。支持三種邊界類型：流量型，水位型，及流量水位關(guān)系型邊界條件。模型可輸出水深、水位、流量、流速、過(guò)水面積等信息。洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院一維河道模塊二維潰壩模塊耦合模塊A:觀測(cè)站B:觀測(cè)站R:河道泄洪口泄洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)模擬模型軟件洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院模型介紹：一維河網(wǎng)模塊 應(yīng)用對(duì)象：內(nèi)河，河網(wǎng)模擬 基本方程：圣維南方程組 數(shù)值方法：Preissmann 隱式差分格式離

8、散方程，給出上下游斷面水位、流量關(guān)系 汊點(diǎn)連接條件：汊點(diǎn)各個(gè)斷面流量總和為零 邊界條件：流量型，水位型，流量水位關(guān)系型 拓展功能：可模擬水閘調(diào)度行為 輸出數(shù)據(jù)：各斷面水位，流量，流速信息洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng) 應(yīng)用對(duì)象：潰壩決堤洪水演進(jìn) 基本方程：二維守恒格式的淺水方程 數(shù)值方法：有限體積法求解，非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格離散計(jì)算域，一階或二階精度構(gòu)造格邊中心守恒量，Roe格式構(gòu)造格邊通量，半隱式格式處理摩阻項(xiàng)，時(shí)間步長(zhǎng)固定或受柯朗數(shù)控制 邊界條件：通量型，水位型，入流速度型，固壁型。 模型優(yōu)點(diǎn)：非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模擬復(fù)雜區(qū)域，傾斜底面處理變化地形，最新重構(gòu)方法捕捉動(dòng)態(tài)干濕界面，底坡源項(xiàng)分類處理，僅計(jì)算淹沒網(wǎng)格，

9、提升計(jì)算速度。 輸出數(shù)據(jù)：洪水淹沒演進(jìn)情況，包括淹沒面積、水深、流速、洪峰等的時(shí)空演化。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院模型介紹：二維洪水潰壩模塊二維模型一維模型17洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院模型介紹：一二維耦合模塊 連接方式：上下游型連接，堤防型連接。 連接細(xì)節(jié)：上下游型連接指一維河道模型與二維淹沒區(qū)入口處的水位流量相同。堤防型連接可采用兩種方式，一維河道模型提供水位流速，由黎曼求解器給出二維模型入口通量；或河道模型提供水位，寬頂堰流公式計(jì)算流量。 輸出數(shù)據(jù)：每一時(shí)刻進(jìn)入二維模型的流量以及總進(jìn)水量。斷面 i-1斷面 i+1左岸河道右岸可能淹沒區(qū)域邊界一二維聯(lián)解界面斷面 i一二維聯(lián)解界

10、面可能淹沒區(qū)域邊界18洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院模型實(shí)現(xiàn) 可支持達(dá)到50萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格計(jì)算能力 模型計(jì)算能力：30分鐘能計(jì)算模擬120小時(shí)的洪水潰壩過(guò)程以試點(diǎn)區(qū)域松花江北岸左岸洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模擬來(lái)看：1）格網(wǎng)數(shù)量共計(jì)11735個(gè)格網(wǎng)。格網(wǎng)為300米和150米。2）30分鐘能模擬大約240小時(shí)洪水發(fā)生過(guò)程。模型計(jì)算能力取決于某個(gè)時(shí)刻計(jì)算參與的網(wǎng)格數(shù)量。3）小時(shí)間隔計(jì)算結(jié)果滿足實(shí)時(shí)展現(xiàn)要求。洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院試點(diǎn)區(qū)域情況-所在區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院試點(diǎn)區(qū)域情況-斷面位置洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院試點(diǎn)區(qū)域情況-格網(wǎng)剖分洪

11、水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院試點(diǎn)區(qū)域情況-DEM洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院中國(guó)水科院采用com+方式，通過(guò)擴(kuò)展arcmap，開發(fā)一套內(nèi)嵌于arcmap的模型前置基礎(chǔ)資料處理軟件，將建模資料收集、準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化管理，大大加快的河網(wǎng)模擬基礎(chǔ)資料準(zhǔn)備和模型基礎(chǔ)資料構(gòu)建?；A(chǔ)資料處理洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院基礎(chǔ)資料處理洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院逐小時(shí)格網(wǎng)地理空間處理軟件主要解決的問(wèn)題：1）快速處理2）洪水過(guò)程合理表達(dá)3）并行化4）合理化存儲(chǔ)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院逐小時(shí)格網(wǎng)地理空間處理軟件模型準(zhǔn)備階段。采用模板

12、方式對(duì)將模型運(yùn)算進(jìn)行重構(gòu)參數(shù)準(zhǔn)備，將參數(shù)以模型方式進(jìn)行傳遞，模型初始化啟動(dòng)模型模型初始化T=0進(jìn)行T時(shí)刻的洪水反演T=T+1T達(dá)計(jì)算時(shí)長(zhǎng)洪水模擬過(guò)程空間信息初始化T=0T時(shí)刻數(shù)據(jù)是否到達(dá)數(shù)據(jù)矢量處理數(shù)據(jù)柵格化處理T=T+1T達(dá)計(jì)算時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)地理空間處理過(guò)程洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院插值效果比對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院插值效果比對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院插值效果比對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院模型和地理格網(wǎng)空間處理軟件洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院導(dǎo)入到洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理

13、系統(tǒng)中-專題圖逐小時(shí)格網(wǎng)地理空間處理軟件洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院洪水到達(dá)專題圖逐小時(shí)格網(wǎng)地理空間處理軟件洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院帶流場(chǎng)的水深實(shí)時(shí)方案專題圖逐小時(shí)格網(wǎng)地理空間處理軟件洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院基于Web Service的數(shù)據(jù)服務(wù)中間件軟件目標(biāo)和內(nèi)容：1、實(shí)現(xiàn)從計(jì)算后臺(tái)到前端的傳遞2、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝和壓縮3、進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)置4、和風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)進(jìn)行接口5、實(shí)現(xiàn)和其他系統(tǒng)的交互需求方案管理導(dǎo)出服務(wù)模型參數(shù)管理查詢檢索調(diào)度管理模型管理計(jì)算結(jié)果管理空間數(shù)據(jù)管理日志管理WebService數(shù)據(jù)服務(wù)軟件洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院Web Serivce數(shù)據(jù)服務(wù)中間軟件基于Flash的洪水風(fēng)險(xiǎn)查詢分析應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口方案數(shù)據(jù)格網(wǎng)數(shù)據(jù)河道數(shù)據(jù)潰口數(shù)據(jù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院目標(biāo)和內(nèi)容：1、洪水實(shí)時(shí)模擬的展示2、簡(jiǎn)單易用的洪水模擬參數(shù)錄入界面，復(fù)雜參數(shù)隱藏于后臺(tái)計(jì)算配置中。3、實(shí)時(shí)洪水?dāng)?shù)據(jù)檢索、導(dǎo)出4、輕量化基于Flex的洪水風(fēng)