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“数字黄河”工程研究与应用

    责任编辑:裴亮 来源:

  本课题的研究内容主要包含两大部分:一是对“数字黄河”工程的理论研究,形成了用于指导工程建设的“数字黄河”工程规划;二是对“数字黄河”工程建设实践中理论、技术及其应用研究,解决了理论和技术方面的很多难题,开发建设了大量实用先进的信息化应用系统。取得的主要成果如下:

  一、编制完成了系统、全面的“数字黄河”工程规划

  坚持以治黄业务需求为指导,通过深挖自身应用需求,根植于国内外数字领域的先进理论基础,紧扣业务实际应用,完成了“数字黄河”工程规划。规划符合信息技术的发展方向,明确了黄河水利信息化建设的目标和任务,成为规范和指导治黄信息化建设的纲领性文件和重要前提。“数字黄河”工程建设的多年实践证明,规划对确保“数字黄河”工程顺利实施具有决定性作用。规划的编制完成是“数字黄河”工程的里程碑,是“数字黄河”工程建设的首要成果。

  (一) “数字黄河”工程规划是水利部批复的第一个数字流域规划

  “数字黄河”工程规划的主要内容包括工程建设的必要性、需求分析、规划目标、基础设施、应用服务平台、业务应用系统等。规划成果包含了11个专题,覆盖了黄河治理开发与管理各方面的工作,其中包括各类业务数据信息采集、数据通信传输、数据存储管理、防汛调度、水资源管理与调度、水土保持、水资源监测与保护、水利工程建设与管理及电子政务等。工程规划紧扣业务需求,系统、完善、可行、实用,在2003年通过了水利部组织的审查,成为水利部批复的第一个数字流域规划。

  自规划批复以来,“数字黄河”工程始终按照规划确定的建设任务、目标要求和确定的建设原则,进行基础设施、应用服务平台、应用系统和各类标准规范的建设。同时,根据信息技术的发展和工作需要,滚动地扩展和完善了规划内容。

  (二) 率先提出了数字流域工程的总体框架

  规划全面系统地研究了黄委系统内信息化建设的现状和发展需求,透彻分析梳理了在基础设施建设和应用系统开发、运行及维护等方面存在的问题。为使系统的建设和运行做到共建共享、统一标准、开放扩展,于2001年率先提出了数字流域工程的总体框架。总体框架包含基础设施、应用服务平台、应用系统等三层结构,明确了工程的建设目标和建设任务,为工程有计划、有步骤地推进提供了理论支撑和标准规范保障体系,为指导黄河治理开发与管理的信息化建设打下了良好基础。

  二、首次提出了完善实用的流域信息化标准体系

  “数字黄河”工程建设必须解决异构数据的整合、数据编码一致性、应用系统间的互联互通、数据和系统资源的共享、功能代码的复用等问题,保证系统是可扩展的、开放的。为此,根据信息系统建设的国家标准和水利信息化建设的行业标准,从黄河信息化建设的现状及未来的建设需要出发,建立了一系列的标准和规范,形成了完善的保障体系。标准规范体系全面,直接指导着“数字黄河”工程建设和管理,确保了工程建设能规范、顺利进行。

  标准规范体系是“数字黄河”工程的有机组成部分,也是国内较为完善的、较早提出的具有流域特色的信息化标准规范体系。标准规范体系的主要成果包括:

  (1) 提出了“数字黄河”工程标准体系的总体结构框架。从技术角度突出了标准的基础性,反映了信息技术标准的特点,补充了国家信息化标准体系、国家水利信息化标准体系框架。同时,结合实际应用,以遵循国家标准和行业标准为原则,标准体系的总体结构充分体现了通用性和专用性,对治黄业务中特有的标准需求进行了深入的分析与总结。

  (2) 提出了包括术语、分类和编码、规划设计、信息采集、信息传输与交换、信息存储、信息处理、管理、安全和地理信息等10项分类的数字流域的标准体系,涵盖了信息化建设的每一个环节,对流域信息化建设发挥了重要指导作用。

  (3) “数字黄河”工程标准规范体系是全国流域机构首次提出的信息化标准体系,是国家、水利部信息化标准体系的延伸和应用。“数字黄河”工程标准体系的制定,系统地规范了数字流域信息化标准建设的内容、步骤,改变了在流域信息化建设中应用标准不统一、不规范的现象,为实现“数字黄河”工程系统开发、信息资源共享提供了基础保障。

  三、理论研究与技术应用取得重要成果

  “数字黄河”工程经过几年的研究和建设,在理论研究与技术应用方面做了大量的创新工作,主要成果包括:

  (一) 采用最新的IT技术,制定了先进的总体结构框架

  在充分调查黄河流域信息化系统的现状与应用特点基础上,研究了信息技术领域最先进的信息系统架构技术,确立了“数字黄河”工程的三层总体框架结构。总体框架包括基础设施、应用服务平台、应用系统等三层,分别对应企业信息资源层(EIS)、应用服务层(Application Services)和应用层(Application),是现代大规模、分布式信息系统最先进的标准框架体系。总体框架明确规定了“数字黄河”工程中各应用系统的平台、体系结构、资源组成等。

  “数字黄河”工程的总体框架确定了“数字黄河”工程技术的整体性、先进性和科学性,是流域信息化系统的开发由传统模式转向现代模式的标志,并且已经被其他数字流域建设引用与借鉴。

  (二) 采用先进技术,实现了数据采集的自动化

  数据采集是“数字黄河”工程的基础,也是工程研究和建设中需要解决的关键技术问题之一。通过对遥感、遥测、自动监测等多种采集技术的研究,研制发明了适合黄河河情的测验设备。如,研制发明了泥沙在线测沙仪;通过国际合作项目引进基于卫星和LAS地面接收站技术建设了黄河源区的水文水资源监测系统;研究引进了传感器的埋设技术,采集根石信息;建立了地面卫星接收站,通过卫星采集冰情数据、洪水数据等。同时,采用数据仓库及元数据等技术实现了相关数据的集成与融合

  (三) 组合各种通信协议、技术,提高了数据通信传输能力和管理水平

  保障数据通信在恶劣环境下畅通,使雨情、汛情数据传输做到万无一失,对于黄河防汛抢险减灾是至关重要的。黄河流域地域宽广,自然条件和区域特征多变、复杂,在这种情况下,要保障数据通信万无一失没有先例可循。“数字黄河”工程中,通信网的组网根据地区的不同采取了不同的策略,确保发生洪灾时防汛通信畅通:上中游地区以租用公网通道为主,中下游地区以专网为主,采用干线微波、支线微波、宽带无线接入系统和敷设光缆的传输方法并辅助租用公网电路进行组网。采用了具有宽带无线接入技术和卫星通信设备的应急通信车接入中心站和卫星电路,实现了黄河下游堤防任意地点的应急宽带网络接入,随时随地将险情现场的图像、声音、数据信息实时准确传递到指挥中心。自主开发了黄河下游宽带无线接入网络管理系统,提高故障处理能力,实现了对设备的远程监控、远程配置、远程升级、远程管理的要求。

  (四) 数据存储管理与共享的建设方案科学合理,采用的技术先进

  “数字黄河”工程包含的数据类型多、空间分布广、时间跨度大、数量巨大。为支持数据管理与共享,根据数据的使用属性和采集管理的情况,采用了集中和分布相结合的方案,建立了黄委数据中心及相关的分中心。同时,采用宽带高速计算机网络及SAN数据存储技术,并制定了完善的数据管理与共享的相关规范和标准,解决了数据的管理和共享。

  (五) 数学模型开发取得重大突破

  数学模型是“数字黄河”工程的灵魂,是工程要解决的最大难题。“数字黄河”工程研究与应用涉及到的数学模型众多,包括降水产汇流模型、黄土高原水土流失模型、水库调度模型、下游河道水沙演进模型、河口模型、水质预警预报模型、冰凌预报模型、河道游荡模型等。西方发达国家已开发了许多很成熟的河流水动力学、水文学等数学模型,如丹麦水力研究所的Mike系列数学模型,并且得到了广泛应用。但水少沙多,水沙不平衡的特性注定了黄河是世界上最独特、最复杂难治的河流,世界上同类数学模型都无法在黄河上直接应用。在前人研究认识黄河规律的基础上,深入研究黄河机理,科学分析、比较当前先进的各种数学模型的理论并借鉴成功的开发经验,主要依靠自己的力量,自主研发适用于黄河河情的黄河下游二维水沙演进模型、产汇流模型、枯水调度模型等数学模型,这些模型已经在黄河洪水调度与管理、调水调沙、水量调度中发挥了十分重要的作用。

  (六) 采用应用服务与中间件技术,实现了系统的开放、互联与耦合

  “数字黄河”工程研究与应用确定的多层总体框架中采用了应用服务与中间件技术。在大规模的数字流域建设中研究引进先进的应用服务(Application Services)与中间件(Middleware)技术在国内水利行业是较早的。应用服务与中间件技术确保了“数字黄河”工程的开放性、扩展性,为不同子系统间有机关联与互动提供了理论和技术支持。应用服务与中间件技术非常有利于实现功能复用、系统耦合/整合,如气象水文预报系统与防洪减灾调度系统间的耦合、黄河下游二维洪水演进计算模型与黄河下游三维视景系统的耦合等。

  (七) 综合各类先进的虚拟现实技术实现了决策会商的可视化

  虚拟现实与可视化广泛应用于“数字黄河”工程中,是为决策提供可视化的综合会商环境的关键。在丰富的黄河空间属性数据、基本的地理数据、社会经济、河道地形DEM数据等支撑下,通过采用3D、GIS及虚拟实现等技术,运行相应的数学模型,在高速宽带通信网、计算机网络构成的平台上,开发完成了黄河下游三维视景系统,可以模拟再现历史洪水演进和给定水文、河流边界条件,预测可能发生的洪水过程等。

  四、已建应用系统在黄河治理开发与管理中发挥了重大作用

  在“数字黄河”工程规划的指导下,各系统的建设遵循规划确定的总体框架、技术路线和开发原则,取得了很多成果。

  (一) 气象水文预报方面

  采用相似过滤方法对数值预报产品再利用,经过相似统计和过滤,制作出气象要素分级变化的概率预报,从而制作出中期定量降雨预报。提供了客观定量的预报结果,克服了利用数值预报的主观性,有效地延长了预报时效,提供了客观、有效的中期预报方法。建立了黄河非汛期径流预报系统,使降水预报的结果作为径流预报的输入,将气象和水文预报紧密结合。

  (二) 防洪调度减灾方面

  黄河防洪预报调度与管理(耦合)系统以多目标洪水预报调度理论为基础,以洪水预报、洪水调度模型为核心,构建了面向用户的平台结构,实现了多系统、分布式数据、异地异构和跨平台的系统集成和各子系统间的双向耦合及单向耦合。黄河下游工情险情会商系统在流域防汛管理中创建了工情险情一体化管理模式,提高了险情信息管理的可视化程度,实现了工情、险情的实时监测与管理。

  (三) 黄河水资源调度与管理方面

  率先将远程自动化测控技术应用于多泥沙河流侧向引水的涵闸,建立了基于广域网络的黄河下游引黄涵闸五级远程监控系统;创造性地提出并开发了一级流域水量调度的模型和方法,探索出了在我国北方缺水河流实施流域水量统一调度的新模式;按照整体模型的建模思路,将模拟和优化在一个整体模型中进行耦合,形成黄河水量调度年度配水优化模拟模型,提高了水量调度精度。

  (四) 水资源保护方面

  “数字水资源保护系统”的开发与应用为水资源保护管理业务提供了强大支持,改变了传统的水资源保护信息收集、处理、评价方式,使黄河水资源保护在管理方面更加规范化、科学化,使黄河流域水资源保护管理水平、工作效率和质量以及科技水平得到显著提高。

  (五) 黄河流域水土保持生态环境监测方面

  首次将数字摄影测量系统应用于水土保持生态环境监测中,使得监测手段和监测成果精度比传统的办法有了很大的提高;研制开发了黄河流域水土保持本底数据库管理系统、黄土高原淤地坝管理信息系统、淤地坝辅助设计系统、黄河上中游地区三维可视化信息系统等水土保持监测应用系统,使水土保持监测和管理技术迈上了一个新台阶。

  (六) 工程建设管理方面

  首次实现了黄河下游工程安全监测的在线分析和处理以及安全监测数据和仪器的动态管理,使得信息采集自动化、信息传输网络化、安全监测实时化和业务处理智能化。研究与开发了“黄河水利工程维修养护标准化模型”,实现了工程维修养护业务智能化处理,达到了自动生成工程维修养护方案,实现资源优化配置的目的。

  (七) 电子政务方面

  电子政务系统以政务公开、办公自动化和黄河政府门户网等为核心,日访问量超过5000次的黄委机关办公自动化系统得到广泛应用;同时,17个委属单位分别建立了各自的办公自动化系统,并和机关办公自动化系统实现了互联互通。建设完成了黄委档案图书管理信息系统,现已存储档案目录13万条,图书目录3万余条以及包含204万篇水利及相关专业科技论文的期刊数据库,提高了图书档案的科技管理水平。政务公开工作已起步,防汛、水质等有关部门信息已通过互联网、办公自动化网发布。

  五、基础设施基本满足应用系统的信息采集、传输和运行要求

  (一) 通信网络和计算机网络的建设基本满足了应用系统的需要。实施“数字黄河”工程以来,以专网为主,结合公网,通过采用微波通信、光纤通信和卫星通信相结合的技术,将黄委计算机网络延伸到了黄河下游南北两岸,提高了数据通信传输的性能和通信网络的服务覆盖范围。

  建设完成了黄河下游郑州—台子段 SDH 微波干线 155Mbps 的通信带宽, 实现了沿线市级河务局 8M 联网, 县河务局 2M 以上联网;采用宽带无线接入技术,在黄河下游局部地区建设了宽带无线接入网,为黄河下游引黄涵闸远程监控系统和险工控导工程提供了可靠的通信传输保障。租用公网专线实现了与黄河上中游地区黑河管理局(兰州)、上中游管理局(西安)等全部委属单位的通信,传输速率在2M bps以上。

  在国家防汛抗旱指挥系统(一期)等项目的支持下,建成了郑州千兆光纤计算机城域网,实现了黄委网管中心与驻郑各大单位的高速互联,并在此基础上实现了国际互联网的宽带接入,委机关实现了百兆到桌面。实现了全部委属单位广域计算机网络的连接,形成了从黄河防汛指挥大楼至各大局、地市局、县局及延伸到涵闸的多级广域网络,全河计算机局域网接入达近百个,上网计算机5000余台,使各单位具备了语音、数据、图像传输功能,实现了各类治黄信息的网络传输与共享,网络效率基本满足了应用系统的要求。

  (二) 数据库及存储和管理体系基本建成。基础数据库的建设已具相当规模,建成了黄河基本河情数据库,内容包括 1:100 万和 1:25 万比例尺基础地理数据库等15个基础信息数据库;建成了我委国家水文数据库、实时水雨情数据库;基本建成黄河下游工情险情数据库;完善了黄河水土保持、水量调度、防洪工程等数据库。数据中心一期工程已经完成,进行了防汛、水调、水保、办公自动化、档案管理等相关数据迁移工作,利用先进的存储区域网络(SAN)技术,建成了黄河数据中心及其数据存储与管理平台,实现了数据的集中存储管理。

  (三) 高性能计算平台已经搭建完成,浮点运算速度高达3849亿次,为我委气象预报、分布式水文预报、二维水沙过程预报和三维水库水沙模拟等大规模的模型运算提供了基础支撑。

  (四) 开发了黄河下游交互式三维视景系统。系统利用先进的地理信息系统(GIS)技术、虚拟现实技术、数据库管理技术、多媒体技术、卫星遥感(RS)影像处理技术等,把黄河下游直观、形象、系统地装进了计算机,综合实现了黄河下游各类工程的三维可视化管理。同时,通过研究,解决了海量数据的有效管理、不同精度地形数据嵌套融合、三维环境多分辨率卫星影像无缝嵌套、系统数据的动态更新、海量三维场景的快速定位、系统属性数据表现方式、与“数字黄河”其它应用系统结合、海量三维环境下的GIS分析等关键技术,实现了大尺度、高精度虚拟三维技术在水利方面的首次应用。

  六、成果主要创新点

  项目在以下方面取得了创新:

  (一)首次提出了“数字黄河”的理念及其体系构架,开创了流域水利信息化建设的新模式,有效地指导了工程实践,并对水利信息化的行业发展起到了很大的促进作用。

  (二)从资源整合和信息共享出发,提出并建立了黄河流域信息化标准及规范体系,为大规模信息化系统成功建设和运行奠定了基础。

  (三)按照“数字黄河”的总体构架,实现了数据采集、传输、存储的一体化及六大应用系统的综合集成,建立了“数字黄河”统一的共享应用服务平台,提高了系统的整体技术水平。

  (四)针对现有许多模型及设备难以适用于黄河的多泥沙问题,自主研发了适用于黄河的水沙联合调度、水沙演进、产汇流和水资源调度等数学模型;研制发明了一批适合多泥沙河流的自动化数据采集仪器和设备,填补了多泥沙河流的多项测验空白。

  (五)综合各类先进的虚拟现实技术实现了决策会商的可视化。在丰富的黄河空间地理数据、社会经济数据和各类专业数据的支撑下,通过采用3D、GIS及虚拟实现等技术,运行相应的数学模型,在高速宽带通信网、计算机网络构成的平台上,开发了黄河下游三维视景系统,可以模拟再现历史洪水演进和给定水文、河流边界条件模拟预测可能发生的洪水过程等。

  七、取得的效益

  “数字黄河”工程作为治黄的重要科技手段,显著提高了治黄现代化水平,有力支撑了防洪减灾、水资源管理与调度、水土保持、水资源保护等治黄业务,社会效益和经济效益巨大。

  (一)通过建立黄委统一的数据中心和高性能计算平台并颁发有关规定等措施,实现了信息资源的统一管理、组织和共享,很大程度上减少了信息孤岛,提高了信息资源利用效益。

  (二)通过建设信息自动采集和传输系统,洪水预报调度耦合系统,水质移动实验室、远程自动监控系统以及移动信息采集系统等,缩短了信息收集、传输历时,减少了中间交互环节,提高了快速反应能力。

  (三)通过遥感、遥测等技术手段丰富了信息种类和数量;通过建立二维水沙、枯水演进、水库群联合调度等数学模型,对决策方案进行模拟分析;通过建立可视化综合决策会商环境,使决策更加直观、高效,提升了决策的科学性和准确性。

  (四)防汛减灾系统对水沙联合调度、调水调沙过程提供了有力支撑,实现了最大限度地水库排沙和河道减淤,黄河下游河道过洪能力大大提高,防洪效益巨大。水量调度系统为精细调度黄河水资源,确保黄河不断流提供了重要技术手段,优化了资源配置,节约了水资源。水资源保护系统在处理近年来黄河干支流发生的3起重大水污染事件了发挥了重要作用。

  八、主要完成单位

  黄河水利委员会

  九、主要完成人

  朱庆平、薛松贵、李银全、李景宗、安新代、娄渊清、杨希刚、刘文涛、王道席、王祥辉、王刚、孙建奇、寇怀忠。


发布时间:2011年08月14日
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