洪水風險實時分析與制圖系統(tǒng)

1、洪水風險圖實時分析系統(tǒng)洪水風險圖實時分析系統(tǒng)項目交流材料項目交流材料洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院匯報內(nèi)容1.2.3.4.5.概述關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)演示洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院 本項目屬于全國重點地區(qū)洪水風險圖二期項目中的子課題之一。目的通過實時洪水分析，實現(xiàn)對洪水的實時演進模擬，以實時地理空間表達的方式描述某一時刻洪水的態(tài)勢、洪水會如何行進，會造成什么樣的影響。 相比傳統(tǒng)的洪水風險圖成果編制，系統(tǒng)具有動態(tài)、實時，即算即得。方案可以實時進行參數(shù)調(diào)整，模擬洪水動態(tài)過程，實現(xiàn)洪水動態(tài)信息的表達。背景4洪水風險圖實時分析系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計思路實時計算主要解決

2、模型計算效率、以及實現(xiàn)實時空間表達為核心。在解決方式上，我們主要采用分布式計算架構(gòu)來實現(xiàn)。實時在線分布式模型的實現(xiàn)主要考慮以下關(guān)鍵因素：（1）計算效率。采用分布式結(jié)構(gòu)，將計算效率高，算法復(fù)雜的模型相關(guān)任務(wù)分配給高性能的計算服務(wù)器，從而提高運算效率。（2）數(shù)據(jù)后置處理。前臺因為采用B/S結(jié)構(gòu)，自身計算能力有限，因而數(shù)據(jù)在后臺進行處理，進而傳遞到前臺展現(xiàn)是本次項目對于分布式框架的一個重要需求。（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，因而后臺數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)也是本項目關(guān)鍵。中國水利水電科學(xué)研究院洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院洪水風險圖實時分析系統(tǒng)主要實現(xiàn)基于

3、Web端實現(xiàn)。內(nèi)容包括：（1）根據(jù)Web端設(shè)置的水文測站的流量、潰壩位置、潰口寬度等參數(shù)傳遞到服務(wù)器端計算模型，進行在線洪水潰壩模擬。（2）實現(xiàn)實時洪水風險實時方案的管理和導(dǎo)出。（3）實現(xiàn)輔助制圖功能。功能概述洪水風險圖實時分析系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計思路系統(tǒng)架構(gòu)圖洪水風險模擬模型軟件基于Flash的洪水風險實時展示軟件中國水利水電科學(xué)研究院逐小時格網(wǎng)數(shù)據(jù)地理處理軟件數(shù)據(jù)訪問接口方案數(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)逐小時計算參數(shù)保存逐小時計算數(shù)據(jù)信息入庫讀取計算參數(shù)Web Service數(shù)據(jù)服務(wù)軟件數(shù)據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)請求輪詢7洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院系

4、統(tǒng)設(shè)計設(shè)計思路網(wǎng)絡(luò)部署洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院統(tǒng)計檢索組件實時方案管理組件專題制圖組件Web Service中間層用戶UI接口洪水風險實時分析與制圖系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理組件模型接口組件模型計算處理平臺(模型計算及逐小時處理系統(tǒng))模型計算管理組件數(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)風險圖專題模型參數(shù)模型數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計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)層平臺層平臺層業(yè)務(wù)邏業(yè)務(wù)邏輯層輯層系統(tǒng)組織洪水風險圖實時分析系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)從分布式計算角度來考慮模型效率的提高并實現(xiàn)采用分布式計算的方法來考慮系統(tǒng)設(shè)計。方法包括：程

5、序自身的并行算法設(shè)計，以及為將來建立基于格網(wǎng)分裂和水動力平衡基礎(chǔ)上的并行調(diào)度管理。對于算法效率提高還有進一步方法包括逐步引入基于消息隊列集群計算體系的構(gòu)建。創(chuàng)新逐小時數(shù)據(jù)地理處理技術(shù)項目自主設(shè)計一套數(shù)據(jù)地理空間處理技術(shù)，基于流行地理開源庫GDAL實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速處理。主要實現(xiàn)對計算后格網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行空間地理表達，形成地理表達和模型輸出的同步。實現(xiàn)基于進程間隔離的模型調(diào)度本次項目通過設(shè)置進程獨立隔離機制，實現(xiàn)簡單模型隔離的任務(wù)調(diào)度，實現(xiàn)并行請求計算任務(wù)。中國水利水電科學(xué)研究院Web Serivce洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院逐小時格網(wǎng)數(shù)據(jù)地理處理軟件數(shù)據(jù)服務(wù)軟件洪水風險實時展示軟件系統(tǒng)實

6、現(xiàn)-系統(tǒng)組成洪水風險圖查詢分析應(yīng)用系統(tǒng)洪水風險模擬模型軟件洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)特點：模型模擬的計算任務(wù)由后臺服務(wù)器調(diào)度和處理，逐小時網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理也有后臺服務(wù)器處理成前臺可以方便調(diào)用的格式，使得復(fù)雜性和前臺得到很好的分離。前臺主要以動態(tài)展現(xiàn)、對比分析、方案管理以及導(dǎo)出等為主。做到功能精簡、操作方便。洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院系統(tǒng)實現(xiàn)功能特點：（1）前后臺逐級聯(lián)動。包括實時計算請求、任務(wù)調(diào)度、計算結(jié)果處理、計算結(jié)果回傳顯示。（2）前臺模擬實現(xiàn)了雙緩沖機制，顯示效率更加符合要求，處理更加平滑。（3）前臺二維和一維斷面實現(xiàn)同步查看。（4）以實時洪水

7、模擬方案對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行管理。洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院洪水風險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、過水面積等信息。洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院一維河道模塊二維潰壩模塊耦合模塊A:觀測站B:觀測站R:河道泄洪口泄洪區(qū)洪水風險模擬模型軟件洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(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 汊點連接條件：汊點各個斷面流量總和為零 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，流速信息洪水風險圖實時分析系統(tǒng) 應(yīng)用對象：潰壩決堤洪水演進 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，時間步長固定或受柯朗數(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：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)方法捕捉動態(tài)干濕界面，底坡源項分類處理，僅計算淹沒網(wǎng)格，

9、提升計算速度。 輸出數(shù)據(jù)：洪水淹沒演進情況，包括淹沒面積、水深、流速、洪峰等的時空演化。中國水利水電科學(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洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(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，寬頂堰流公式計算流量。 輸出數(shù)據(jù)：每一時刻進入二維模型的流量以及總進水量。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洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院模型實現(xiàn) 可支持達到50萬個網(wǎng)格計算能力 模型計算能力：30分鐘能計算模擬120小時的洪水潰壩過程以試點區(qū)域松花江北岸左岸洪水風險評價模擬來看：1）格網(wǎng)數(shù)量共計11735個格網(wǎng)。格網(wǎng)為300米和150米。2）30分鐘能模擬大約240小時洪水發(fā)生過程。模型計算能力取決于某個時刻計算參與的網(wǎng)格數(shù)量。3）小時間隔計算結(jié)果滿足實時展現(xiàn)要求。洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院試點區(qū)域情況-所在區(qū)域洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院試點區(qū)域情況-斷面位置洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院試點區(qū)域情況-格網(wǎng)剖分洪

11、水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院試點區(qū)域情況-DEM洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院中國水科院采用com+方式，通過擴展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、準備實現(xiàn)了自動化管理，大大加快的河網(wǎng)模擬基礎(chǔ)資料準備和模型基礎(chǔ)資料構(gòu)建?；A(chǔ)資料處理洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院基礎(chǔ)資料處理洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院逐小時格網(wǎng)地理空間處理軟件主要解決的問題：1）快速處理2）洪水過程合理表達3）并行化4）合理化存儲洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院逐小時格網(wǎng)地理空間處理軟件模型準備階段。采用模板

12、方式對將模型運算進行重構(gòu)參數(shù)準備，將參數(shù)以模型方式進行傳遞，模型初始化啟動模型模型初始化T=0進行T時刻的洪水反演T=T+1T達計算時長洪水模擬過程空間信息初始化T=0T時刻數(shù)據(jù)是否到達數(shù)據(jù)矢量處理數(shù)據(jù)柵格化處理T=T+1T達計算時長數(shù)據(jù)地理空間處理過程洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院插值效果比對洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院插值效果比對洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院插值效果比對洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院模型和地理格網(wǎng)空間處理軟件洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院導(dǎo)入到洪水風險圖管理

13、系統(tǒng)中-專題圖逐小時格網(wǎng)地理空間處理軟件洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院洪水到達專題圖逐小時格網(wǎng)地理空間處理軟件洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院帶流場的水深實時方案專題圖逐小時格網(wǎng)地理空間處理軟件洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院基于Web Service的數(shù)據(jù)服務(wù)中間件軟件目標和內(nèi)容：1、實現(xiàn)從計算后臺到前端的傳遞2、實現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝和壓縮3、進行模型參數(shù)設(shè)置4、和風險圖管理系統(tǒng)進行接口5、實現(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)軟件洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院Web Serivce數(shù)據(jù)服務(wù)中間軟件基于Flash的洪水風險查詢分析應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問接口方案數(shù)據(jù)格網(wǎng)數(shù)據(jù)河道數(shù)據(jù)潰口數(shù)據(jù)洪水風險圖實時分析系統(tǒng)中國水利水電科學(xué)研究院目標和內(nèi)容：1、洪水實時模擬的展示2、簡單易用的洪水模擬參數(shù)錄入界面，復(fù)雜參數(shù)隱藏于后臺計算配置中。3、實時洪水數(shù)據(jù)檢索、導(dǎo)出4、輕量化基于Flex的洪水風