金沙江泥沙决策支持子系统功能界面设计及应用

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论文摘要

  计算机决策支持系统在水利工程的运行中发挥了日益重要的作用。为有效管理和使用金沙江下游梯级水电站的海量水沙监测及分析数据,长江三峡总公司金沙江筹建处组织研发了“金沙江下游梯级水电站水文泥沙数据库及信息管理分析系统”( 以下简称“基系统”) .“基系统”包含多个“子系统”,金沙江泥沙预报决策支持子系统( 以下简称“泥沙决策支持子系统”) 是其中之一。泥沙决策支持子系统实现了“模型管理”和“模型调用”功能,并集成了“一维泥沙计算”相关模型,不仅为基系统管理各类水沙模型提供了便捷途径,而且为基于金沙江水沙监测及分析数据进行决策支持提供了有力工具。

  1 系统概述
  
  1. 1 体系结构和功能划分
  泥沙决策支持子系统是金沙江下游梯级水电站水文泥沙数据库及信息管理分析系统的核心子系统之一,其功能均是围绕“模型”实现的。本文所述的“模型”,是指各类数学模型或经验方法的计算机程序实现,这些计算机程序可依据模型参数和输入数据进行分析计算,最终生成可用于决策支持的输出数据,在泥沙决策支持子系统中,各类“模型”是以动态链接库( dll) 的形式存在的。

  图 1 是泥沙决策支持子系统的体系结构简图。由图 1 可见,用户可通过子系统的用户接口模块访问模型库模块,实现对基本模型的管理和调用。在模型调用过程中,系统通过数据库接口模块,从内部数据库和外部数据库中获取数据提供给模型或用户使用。简而言之,图 1 中用户接口模块对应于系统的操作界面,它负责用户与程序的可视化交互,模型库模块负责对各类模型的管理和调用,数据库接口模块负责数据的查询获取,为用户浏览和模型运算提供数据。【图 1】
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  泥沙决策支持子系统实现了模型管理和模型调用功能,同时集成了一维泥沙计算的相关模型。模型管理功能包括模型的添加、查询、更新、删除和模型分类。模型调用功能赋予了用户运行模型的能力,用户可通过泥沙预报子系统的用户接口选定模型、设置模型参数和输入数据,并可在模型运行过程中通过监控界面实时跟踪模型运行情况,最终可由系统的结果展示窗口将模型运行结果以可视化图表和数据文件等多种形式呈现给用户。子系统内集成的一维泥沙计算的相关模型见图 2,此图给出了泥沙决策支持子系统的具体功能划分。【图2】
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  由图 2 可见,泥沙决策支持子系统集成的一维泥沙计算相关模型共有 4 个。这 4 个模型可分为两类,一类是前处理模型,另一类是水沙计算模型。前处理模型包括“断面 ZAB 关系拟合模型”和“糙率率定模型”,一维水沙计算模型包括“一维泥沙计算模型”和“清水定床计算模型”.

  “ZAB 关系拟合模型”中的 Z 为水位分级值,A 为过水面积分级值,B 为过水河宽分级值,此模型由河道断面线各高程点的左岸起点距 x 和高程值 y 数据拟合不同水位分级值 Z 与过水面积 A 及过水河宽 B 函数关系,见式( 1).【1】

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    在糙率率定模型、一维清水计算模型和一维泥沙计算模型中,均需使用本模型拟合的 ZAB 关系。式中,x 和 y 分别为断面高程点的左岸起点距和高程值。

  糙率率定模型可利用基系统数据库内的地形、水位和流量等实测数据率定用户选定河段的糙率,率定结果用于一维清水模型、一维泥沙计算模型计算所需的初始河段糙率。

  一维清水计算模型用于计算选定河段定床条件下的水流运动,分析不同工程方案对河段水流的影响,其计算成果包含选定河段特定时刻沿程各断面的平均流速、平均水深、深泓高程值、水位值、过水面积、过水河宽、流量等。

  一维泥沙计算模型用于计算动床条件下选定河段的水流泥沙运动,分析不同工程条件下河段的水流泥沙运动趋势及床面冲淤变化,其计算成果包含选定河段沿程各断面的含沙量、淤积重量、淤积体积、冲淤面积、糙率、平均流速、平均水深、深泓、水位、过水面积、过水河宽、流量、悬移质级配、床沙级配、床沙冲淤厚度和断面冲淤面积。

  泥沙决策支持子系统对模型的管理和调用是由模型库模块实现的,一维泥沙计算相关模型也由模型库功能模块维护调用,下面对模型库功能模块进行具体说明。

  1. 2 模型库模块
  模型库模块也可称为模型管理系统,它是泥沙决策支持子系统的核心,其构成如图 3 示。模型管理系统主要由 3 个部分构成,分别是模型字典、数据库管理系统和模型库。【图 3】
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  模型字典用来存放有关模型的描述信息( 如限制、约束、参数等) 和模型的数据抽象。模型的描述信息用于支持模型管理,并用于反馈用户查询操作,模型的数据抽象是模型关于数据存取的说明,用于支持模型管理系统的数据通讯。

  数据库管理系统负责模型管理系统的数据操作,模型管理系统通过它与外部数据库和内部数据库进行数据交互,为用户查询、维护和运行模型提供有效数据源,并确保数据的安全性和完整性。

  模型库是模型管理系统的内核,它具体实现了模型的分类、增加、查询、更新和删除等功能,同时为用户提供了检索模型的接口,用户可以通过可视化界面选择、设置、运行模型,并可检视模型的计算成果图表和输出的数据文件。

  2 用户界面及使用方法
  
  2. 1 用户界面
  泥沙决策支持子系统是以 dll 形式为基系统加载调用的,其用户界面与基系统一体相融,风格一致,图4 是泥沙决策支持子系统加载至基系统后的界面图。

  由图 4 可见,泥沙决策支持子系统加载至基系统后,基系统的界面将自动呈现为 4 个区域,其中区域①,②和③ 是泥沙决策支持子系统的内建界面,区域④是基系统的二维地图展示控件。【图4】
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  图 4 中的区域①是泥沙决策支持子系统的模型分类树,此分类树是开放的,用户可通过鼠标右键弹出菜单添加、删除、更改模型分类树分支,并且可由模型分类树定位模型。区域②功能并不单一,当进行模型维护时,此区域将显示“模型管理”和“查找模型”选项卡,其中模型管理选项卡提供了模型信息浏览、调用模型、修改模型、删除模型和添加模型的接口,查找模型选项卡则提供了以模型标题、模型作者和创建时间来检索模型的功能。在进行模型调用时,区域②将显示所调用模型的用户界面,此类界面一般用于设置模型参数和选择模型的输入数据,并可跟踪模型运行状态,模型运行结束后,此区域用于选择需要展示的计算结果,模型调用界面由模型实现人员设计。区域③是模型计算分析结果的图表展示区,不同模型的计算成果有不同的展示形式,以一维水流泥沙数学模型为例,其可视化计算成果包含水面线图、含沙量级配曲线( 对数坐标) 图、沿程冲淤体积曲线图和断面分组输沙量饼图等,区域 3 的图表形式也由模型实现人员设计。

  2. 2 使用方法
  泥沙决策支持子系统的界面友好,各类操作均实现了可视化,对模型分类的管理可由图 4 区域①中的模型分类树实现,对模型的添加、更改、删除、调用和查询可由图 4 区域②中的“模型管理”和“查找模型”选项卡实现,此类操作简单直观,这里不再赘述,本文重点介绍通过泥沙决策支持子系统调用模型的步骤。对于各类模型,泥沙决策支持子系统的调用流程均可按图 5 进行。【图5】
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  3 应用范例
  
  泥沙决策支持子系统集成的一维泥沙计算模型是一维恒定流非均匀沙不平衡输沙计算模型,此模型用于预测用户选定河段的水沙运动和冲淤变化。此模型的输入数据有典型系列年的河段入口流量、含沙量和河段出口水位,以及用户指定的初始地形,对此模型的调用,要遵循图 5 给出的调用流程。

  ( 1) 选定模型。有两种方式,一是通过模型分类树( 图 4 区域①) 定位,二是通过查找模型( 图 4 区域②) 选项卡查询,图 6( a) 和图 6( b) 分别是以这两种方式定位一维泥沙计算模型的操作界面。【图6】
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  经过模型定位操作,在图 4 区域②的“模型管理”选项卡内,将会显示如图 7 所示的模型信息。此时,以鼠标左键单击图 7 中的“调用模型”按钮,图 4 区域②将会自动加载一维泥沙计算模型的前期处理界面,图8 给出了一维泥沙计算模型的输入数据选择界面和参数设置界面。

  ( 2) 前期处理。由图 8 可见,在一维泥沙计算模型的输入数据选择界面上,可以通过“测站选择”相关下拉框确定计算河段的起止测站,用户可以此限定研究河段。地形数据测取时段限定相关下拉框用于限定一维泥沙数学模型计算所采用的初始地形的施测年份。水沙数据时段限定相关下拉框用于限定河段入口流量和含沙量的施测年份。【图7.图8】
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  在图 8 的计算参数设置界面上,一维泥沙计算的参数可分为 3 类,其中的模型计算相关参数用于限定计算时段总数、挟沙能力系数、保存时间间隔和典型年计算的循环轮次等。水沙相关参数有恢复饱和系数和悬移质分组数等,此外还有地形相关参数的设置接口。这些参数是水沙数学模型的常见参数,在本系统的用户手册中有详细说明。

  ( 3) 运行模型。模型输入数据和计算参数设置好后,便可点击图 8 中的运行模型按钮运行模型,此时界面上将自动显示如图 9 所示的模型运行所处阶段的文字信息和运行状态滚动条,用以提示用户模型当时的运行情况。【图9】
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  当模型计算顺利完成后,将会弹出一信息框,告之用户模型的最终运行状态,在用户确认后,系统将自动在计算结果展示面板( 图 4 区域③) 内呈现出模型计算结果。

  ( 4) 结果检视。不同模型具有不同类型的计算结果,它们在系统结果展示面板的表现形式也各有差异。

  对于一维泥沙计算模型而言,其计算结果包含了多种物理量,就其自身而言,对其计算结果的可视化也有多种形式,图 10 给出了断面分组输沙量饼图。由图 10可见,在一维泥沙数学模型运算完毕后,在图 4 的区域②中,系统自动添加了一个“计算结果展示”选项卡,在此选项卡内,用户可以选择需要展示的物理量、可视化所用的图表类型和日期等要素。图 10 中的彩色饼图,是计算河段中特定断面的分组输沙量图。由于一维泥沙模型计算结果输出的物理量种类繁多,本文不再展开说明。【图10】
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  4 结 语
  
  金沙江泥沙预报决策支持子系统是金沙江下游梯级水电站水文泥沙数据库及信息管理分析系统的重要组成部分,“模型管理”和“模型调用”功能的实现,为基系统管理各类水沙模型提供了便捷途径,并为基系统提供了模型扩展接口。子系统集成的“一维泥沙计算”相关模型,可基于金沙江水沙监测及分析数据进行分析计算,调用便捷,界面友好,可为金沙江水沙决策提供有力支持。

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