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景德镇水情信息分中心建设
张宇平
摘 要
景德镇水情分中心是国家防汛指挥系统示范区工程之一，在全国20个示范区工程中首先通过验收。示范区的建设根本改善了该地区的水文资料采集手段，实现了水位雨量观测长期自记、固态存储、水文数据远程下载、水文资料整编、水情预报自动化。
关键词 水情信息分中心 防汛 水文自动测报
2000年4月，国家批准建设江西省景德镇水情信息分中心示范区工程，2002年5月通过验收，是全国20个水情信息分中心示范工程第一个通过验收的工程。示范区的建设大大地推进了景德镇水文测验方式的改革，根本地改善了水文资料的采集手段，水位、雨量观测实现了长期自记和固态存储，实现了水文数据的远程下载和水文资料整编工作自动化，解决了长期以来水情报汛资料和水文整编成果不一致的“两张皮”问题，实现了水情信息接收存储、处理、预报自动化。
一、水情信息采集网络规模
景德镇水情信息分中心辖饶河昌江流域全部和乐安河中游，控制集水面积11389km2。流域内有国家基本水文站8处，国家基本雨量站35处，水情、雨情报汛站16处。景德镇水情分中心建设根据国家防汛指挥系统项目领导小组对系统建设的要求，考虑景德镇的实际情况和昌江水文测报系统运行中所取得的经验，使系统建设更接近水文习惯和防汛的要求。
二、系统的制式
①系统采用应答和自报兼容的工作体制，根据需要自报、应答方式可互相切换。
②大容量非易失性固态存储器能存储一年以上的水位、雨量数据。
③可以人工置数形式发送电报格式的水情电报和传输其他人工观测的水情数据。
④系统具有超短波、PSTN、GSM和卫星4种信道，各情报站可根据实际情况采用上面4种信道的2种信道互为备用。
⑤主、备信道设定可根据需要修改。
⑥主信道遇故障，设备可自动切换到备用信道。
三、系统的配置和工作方式
1.系统配置
①系统设超短波中继站3座，可中转全流域16个站的自报和应答数据。
②备用信道有PSTN、GSM和卫星，3个信道首选PSTN，有些偏僻站不通PSTN可选GSM，PSTN和GSM都不通再选用卫星信道。
2.工作方式
①常用的基本方式是自报应答兼容方式。非正点时以自报方式，正点（或按需要设置的巡测时段）时，分中心自动召测各站的时段数据，根据需要也可随时人工干预召测所有站点或指定个别站的数据。
②自报数据由超短波信道传输。应答方式常规时采用超短波信道，时段设置有6级供选择（1、2、3、6、12、24h），符合设置巡测时段中心自动巡测所有站，如某站主信道故障，信道会自动切换到备用信道（PSTN、GSM、卫星等）。
③系统时间由中心前置机统一校准，前置机正点巡测时，发出取数命令，同时送去前置机的时间，终端据此调整自己的时间。
④终端机带有固态存储器，固态存储器数据由计算机通过话路或卫星信道读取，实现资料远程下载，也可用便携机在现场读取。
3.功能的实现
(1)巡测过程
由于采用自报应答兼容方式，巡测过程中要增加禁发自报数据和解禁命令，具体过程如下：先发禁止终端发自报数据命令3次，有中继时，为避免各中继同时转发带来的干扰，采用逐次向每个中继发禁发命令并由中继转发，每个中继转发3次，禁止命令结束转入下一步；向测站发取数命令，测站收到正确命令后，回答中心命令，发回数据，中心检测接收正确，即转入下一站巡测，若中心检测出接收数据不正确，重发取数命令，可以重发两次。终端收到命令不正确时不予理睬；超短波通信结束，中心发解禁命令，允许测站发自报数据；中心站的前置机根据通信情况决定是否补测，补测通过备用信道进行，即通过PSTN或卫星信道进行补测。备用信道没有禁发和解禁命令。利用GSM作为备用信道的，该信道的启动由终端进行。
(2)主、备信道切换
对于备用信道为PSTN或卫星信道时，主信道遇故障切换到备用信道，由中心站前置机进行控制。正点且符合巡测时段时巡测，主信道遇故障，仪器自动切换到备用信道。采用自报方式超过7h没有收到自报数据时，自动切换到备用信道。所有的补测均使用应答方式。GSM信道的切换由终端机完成，终端检测到超短波信道故障时，自动转到GSM信道发送数据。为节省功耗，所有modem均采用拨号和振铃上电，终端站的手机平时不上电，只在发送信号时上电。
(3)GSM通信
GSM手机通信是利用GSM信令通道发送短消息，将水雨情以短消息形式首先传输到GSM基站，基站在确认信息无误后向发送方手机回答一个确认信号，然后再由短消息中心向目的地即被呼叫方手机传输短消息。短消息的字节长度一般不大于160字节。中心站计算机接收到测站发来的短消息，发送过程中终端和中心不进行应答，终端只与手机进行信息交换，当测站收到手机发来的基站确认信息就退出通信过程，中心站手机收到短消息主动送给计算机，中心站计算机显示数据，并将数据入库。
四、数据处理
①终端站、中继站采集的数据有自报数据、人工置数数据（包括雨量、水位、流速）、时段数据，正点时段数据包括：规定时段的雨量值，早上8时到当前时刻的雨量值，当前时刻的水位值，终端站和中继站的电压值和工作状态、人工置数数据。均发送至前置机，前置机接收和存储各站的数据，中心站计算机自动从前置机提取数据（提取数据时间间隔最短为5min，最长为4h），并写入数据库。系统测试数据不入数据库，不入固态存储器，可通过终端和中心前置机屏幕了解测试情况。
②固态存储数据为实际发生时刻，分辨率为0.5mm雨量值，间隔5min的水位值数据，中心站可通过卫星和PSTN拨号提取固态存储器中的数据，亦可利用便携机直接在现场提取数据。提取数据可按日期、时间分别提取雨量或水位数据，也可同时提取两种数据，终端站的固态存储数据不因随时提取而消除，采用特殊命令方可清除终端的固态数据。提取的数据自动入库，供查询或转换成资料整编报表。
③中心站随时接收GSM信道传来的数据，中心站计算机显示接收到的数据，并写入数据库。
五、洪水预报暨防汛会商系统
洪水预报暨防汛会商系统，根据历史水文数据库和水情采集系统的实时雨情、水情数据进行河段各重要水文站点的洪水预报，并提供基于电子地图上的实时雨情、水情数据，洪水预报数据和防汛会商数据的快速查询，为全市洪水调度和防汛指挥决策服务。
1.洪水预报
洪水预报系统能根据实时雨水情数据自动进行洪水预报作业，洪水预报包含自动实时预报和随机人工预报，随机人工预报提供对检索的实时雨情、水情数据进行编辑和修改的功能，根据修改过的实测雨水情数据自动消除数据误差对洪水预报精度的影响，还可根据流域内实测雨情、水情数据对洪水预报进行实时校正。
在流域洪水预报方案方面，其关键技术有流域含子流域面平均雨量的计算技术、流域水文模型参数的优化率定技术和洪水预报的实时校正技术。
(1)面平均雨量计算技术
在实时洪水预报系统中，由于自动测报站有可能出现不报或漏报，在这种情况下，虽然能用算术平均法处理，但精度较低，不利于提高洪水预报精度；为此该系统借助地理信息系统GIS计算实时洪水预报系统的面平均雨量，即泰森多边形法和雨量等值线图法的计算机在线实现，通称动态泰森多边形法和网格法。
动态泰森多边形方法就是根据某一时段流域内正常工作的自动测报站计算每站的泰森多边形权重，然后乘相应的雨量值得到该时段流域的面平均雨量值。
网格法则首先将流域划分成许多网格，然后根据流域内某一时段所有雨量站的雨量值插值到所有网格所在地的雨量值，每个雨量站的权重为雨量站与插值网格所在地距离平方的倒数，然后根据网格雨量值乘以网格面积权重得到该时段流域面平均雨量值。
(2)洪水预报模型参数的率定
洪水预报模型对水文现象的概化和描述是通过若干模型参数来实现的。模型参数率定的准确性直接影响模拟的效果，是预报模型能否得到成功应用的关键。率定的参数值既要符合参数所表达的水文现象或要素的物理意义，又要使得模型的模拟效果最佳。模型参数的率定，就是应用所选的模型结构和实测资料，根据特定的目标准则，应用参数优选技术，估计出一组最优的模型参数值，使得模型用该组参数值计算的结果在给定的准则下最优。模型参数率定的过程如图1所示。
在实际工作中，人们通常应用试错法确定模型参数，即将实测资料输入模型计算，评估模拟结果，挑选模拟效果较好的一组模型参数值作为优选的参数值，这样很难选出最优的模型参数，也难以得到最佳的模拟效果。此外，应用试错法确定模型参数，不仅调试时间长，而且参数的识别因人而异，在很大程度上依赖调试人员的经验，增加了模型的不确定性。
洪水模型参数自动优化率定，就是根据数学优化算法，通过自动寻优计算，确定参数的最优值。这一类方法只要事先给出优化准则和参数初始值，整个寻优过程自动完成，因此具有寻优速度快、寻优结果客观等优点。目前，应用于模型参数优化的数学方法很多，如无约束多变量优化方法中的变量轮换法、单纯形法、最速下降法、牛顿法和共轭梯度法等，有约束优化方法中的拉格朗日乘子法、惩罚函数法和梯度投影法等。由于洪水预报模型参数的优化一般具有多参数同时优化、目标函数难以用模型参数表达和不可能通过目标函数对参数求导求解最优值等特点，因此，洪水预报模型参数率定所选用的优化技术在选择优化过程中仅要求目标函数值而不需目标函数导数等量值，此外，由于模型参数与目标函数关系一般很复杂，所以应尽量选用全局最优化技术。
(3)洪水预报实时校正
基本的实时校正方法有3种，即实时最小二乘法、误差自回归法及卡尔曼滤波法。3种方法的共同点都在于实时地处理系统最新出现的预报误差，并以此作为修正预报模型参数或状态或预报输出值的依据，从而使预报系统迅速适应现时的情况。3种方法的具体做法有所不同实时最小二乘法是根据最新输入、输出信息给现时预报误差一定权重，并用以校正模型的参数，进行实时校正预报；误差自回归法是对输出残差系列进行自回归分析，并对残差作出预报，达到对输出值实时校正的目的；卡尔曼滤波法则是根据使误差协方差矩阵最小的原则，给现时预报误差一定权重，并用以校正系统的状态变量进行实时校正预报。
3种实时校正方法在具体流域的应用效果并不一致。在卡尔曼滤波法中，以输出作状态变量的卡尔曼滤波一般能取得较理想的效果，因为该方法的输入中含有输出变量的自回归模型，较直接地反映了输出量自身的变化规律。误差自回归模型往往也能取得良好的校正效果。实时最小二乘校正方法有时也能取得较好的校正效果。因此，在决定某预报系统采用何种实时校正方法之前，应先进行该方法的适应性分析，以取得最佳的校正效果。
2.防汛会商
根据流域电子地图的漫游和缩放功能进行实时雨情、水情预报结果和会商数据的多站和单站查询，能在流域电子地图上实时勾绘和显示任意时段的流域雨量等值线值和计算任一小区和等值线值的笼罩面积和平均雨量，根据电子地图实现对各防汛单位，水情站的主要防汛信息、防洪预案等多媒体信息查询，查询结果以过程线、图形等直观表达方式为主，列表和文字表达为辅。
3.系统软件的体系结构
软件的系统结构分3层，即用户界面层、系统应用层和数据库支撑层，其结构见图2。系统应用层包括实时洪水预报软件模块、洪水预报实时校正软件模块和防汛会商软件模块。
4.系统软件的技术实现
系统将采用客户/服务器的软件体系结构，系统功能主要由客户端完成，服务器端完成来自客户端的数据请求。客户端与服务器端通过odbc相连。
服务器端的数据库为Sybase数据库。
客户端的操作平台为Windows95/98/2000/NT。
软件的开发环境(语言)为Microsoft Visual Basic Version6.0、Mapinfo
Version3.5、Microsoft Power Station Fortran Version4.0。
Fortran通过dLL动态连接库与Visual Basic进行通信实现无缝集成。
软件操作以鼠标驱动为主，菜单驱动为辅；数据查询结果以过程线、图形等直观表达方式为主，列表表达方式为辅；以流域电子地图为操作导向，界面简洁，表达直观。
（作者单位：江西省景德镇水文分局）
责任编辑 李计初
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