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1、洪水风险图实时分析系统 项目交流材料 1 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 汇报内容 1 2 3 4 5 概述关键技术系统设计系统实现系统演示 2 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 本项目属于全国重点地区洪水风险图二期项目中的子课题之一 目的通过实时洪水分析 实现对洪水的实时演进模拟 以实时地理空间表达的方式描述某一时刻洪水的态势 洪水会如何行进 会造成什么样的影响 相比传统的洪水风险图成果编制 系统具有动态 实时 即算即得 方案可以实时进行参数调整 模拟洪水动态过程 实现洪水动态信息的表达 背景 3 4 洪水风险图实时分析系统 系统设计 设计思路 实时计算主要解决
2、模型计算效率 以及实现实时空间表达为核心 在解决方式上 我们主要采用分布式计算架构来实现 实时在线分布式模型的实现主要考虑以下关键因素 1 计算效率 采用分布式结构 将计算效率高 算法复杂的模型相关任务分配给高性能的计算服务器 从而提高运算效率 2 数据后置处理 前台因为采用B S结构 自身计算能力有限 因而数据在后台进行处理 进而传递到前台展现是本次项目对于分布式框架的一个重要需求 3 数据传送效率 数据后置处理必然导致前端数据传送量的加大 因而后台数据管理和数据处理技术也是本项目关键 中国水利水电科学研究院 4 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 洪水风险图实时分析系统主要实现
3、基于Web端实现 内容包括 1 根据Web端设置的水文测站的流量 溃坝位置 溃口宽度等参数传递到服务器端计算模型 进行在线洪水溃坝模拟 2 实现实时洪水风险实时方案的管理和导出 3 实现辅助制图功能 功能概述 5 洪水风险图实时分析系统 系统设计 设计思路 系统 架构图 洪水风险模拟模型软件 基于Flash的洪水风险实时展示软件中国水利水电科学研究院 逐小时格网数据地理处理软件 数据 访问接口 方案数据 格网数据 河道数据溃口数据 调度启用 溃口位置模型参数设置 设置启用参数 逐小时计算 参数保存 逐小时计算 数据信息入库 读取计算参数 WebService数据服务软件 数据状态 数据请求轮询
4、 6 7 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 系统设计 设计思路 网络部署 7 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 统计检索组件 实时方案管理组件 专题制图组件 WebService中间层 用户UI接口 洪水风险实时分析与制图系统 基础数据管理组件 模型接口组件模型计算处理平台 模型计算及逐小时处理系统 模型计算管理组件 数据服务组件数据引擎 Oracle 模型参数管理组件 方案数据 格网数据 风险图专题 模型参数 模型数据 系统设计 设计思路客户层 用户1 用户1 管理员 基础层 服务层 平台层 业务逻辑层 系 统组 织 8 洪水风险图实时分析系统 系统设计 关键技术
5、 从分布式计算角度来考虑模型效率的提高并实现采用分布式计算的方法来考虑系统设计 方法包括 程序自身的并行算法设计 以及为将来建立基于格网分裂和水动力平衡基础上的并行调度管理 对于算法效率提高还有进一步方法包括逐步引入基于消息队列集群计算体系的构建 创新逐小时数据地理处理技术项目自主设计一套数据地理空间处理技术 基于流行地理开源库GDAL实现数据快速处理 主要实现对计算后格网结构进行空间地理表达 形成地理表达和模型输出的同步 实现基于进程间隔离的模型调度本次项目通过设置进程独立隔离机制 实现简单模型隔离的任务调度 实现并行请求计算任务 中国水利水电科学研究院 9 WebSerivce 洪水风险图
6、实时分析系统 中国水利水电科学研究院 逐 小时格网数据地理处理软件 数据服务软件 洪水风险实时展示软件 系统实现 系统组成洪水风险图查询分析应用系统 洪水风险模拟模型软件 10 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 系统实现 系统特点 模型模拟的计算任务由后台服务器调度和处理 逐小时网格数据处理也有后台服务器处理成前台可以方便调用的格式 使得复杂性和前台得到很好的分离 前台主要以动态展现 对比分析 方案管理以及导出等为主 做到功能精简 操作方便 11 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 系统实现 功能特点 1 前后台逐级联动 包括实时计算请求 任务调度 计算结果处理 计算
7、结果回传显示 2 前台模拟实现了双缓冲机制 显示效率更加符合要求 处理更加平滑 3 前台二维和一维断面实现同步查看 4 以实时洪水模拟方案对系统数据进行管理 12 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 洪水风险模拟模型软件 一维河网模拟模式 可用于单一河道或者复杂河道水流模拟 可处理恒定流与非恒定流 可模拟水闸调度影响 支持三种边界类型 流量型 水位型 及流量水位关系型边界条件 模型可输出水深 水位 流量 流速 过水面积等信息 13 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 一维河道模块 二维溃坝模块 耦合模块 A 观测站 B 观测站 R 河道 泄洪口 泄洪区 洪水风险模拟模型
8、软件 14 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 模型介绍 一维河网模块 应用对象 内河 河网模拟 基本方程 圣维南方程组 数值方法 Preissmann隐式差分格式离散方程 给出上下游断面水位 流量关系 汊点连接条件 汊点各个断面流量总和为零 边界条件 流量型 水位型 流量水位关系型 拓展功能 可模拟水闸调度行为 输出数据 各断面水位 流量 流速信息 15 洪水风险图实时分析系统 应用对象 溃坝决堤洪水演进 基本方程 二维守恒格式的浅水方程 数值方法 有限体积法求解 非结构三角网格离散计算域 一阶或二阶精度构造格边中心守恒量 Roe格式构造格边通量 半隐式格式处理摩阻项 时间步长固
9、定或受柯朗数控制 边界条件 通量型 水位型 入流速度型 固壁型 模型优点 非结构网格模拟复杂区域 倾斜底面处理变化地形 最新重构方法捕捉动态干湿界面 底坡源项分类处理 仅计算淹没网格 提升计算速度 输出数据 洪水淹没演进情况 包括淹没面积 水深 流速 洪峰等的时空演化 中国水利水电科学研究院 模型介绍 二维洪水溃坝模块 16 17 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 模型介绍 一二维耦合模块 连接方式 上下游型连接 堤防型连接 连接细节 上下游型连接指一维河道模型与二维淹没区入口处的水位流量相同 堤防型连接可采用两种方式 一维河道模型提供水位流速 由黎曼求解器给出二维模型入口通量
10、或河道模型提供水位 宽顶堰流公式计算流量 输出数据 每一时刻进入二维模型的流量以及总进水量 断面i 1 断面i 1 左岸河道右岸 可能淹没区域边界一 二维联解界面断面i一 二维联解界面 可能淹没区域边界 17 18 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 模型实现 可支持达到50万个网格计算能力 模型计算能力 30分钟能计算模拟120小时的洪水溃坝过程 以试点区域松花江北岸左岸洪水风险评价模拟来看 1 格网数量共计11735个格网 格网为300米和150米 2 30分钟能模拟大约240小时洪水发生过程 模型计算能力取决于某个时刻计算参与的网格数量 3 小时间隔计算结果满足实时展现要求
11、18 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 试点区域情况 所在区域 19 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 试点区域情况 断面位置 20 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 试点区域情况 格网剖分 21 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 试点区域情况 DEM 22 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 中国水科院采用com 方式 通过扩展arcmap 开发一套内嵌于arcmap的模型前置基础资料处理软件 将建模资料收集 准备实现了自动化管理 大大加快的河网模拟基础资料准备和模型基础资料构建 基础资料处理 23 洪水风险图实时分析系统
12、中国水利水电科学研究院 基础资料处理 24 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 逐小时格网地理空间处理软件主要解决的问题 1 快速处理2 洪水过程合理表达3 并行化4 合理化存储 25 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 逐小时格网地理空间处理软件模型准备阶段 采用模板方式对将模型运算进行重构 参数准备 将参数以模型方式进行传递 模型初始化启动模型模型初始化T 0进行T时刻的洪水反演T T 1T 达计算时长洪水模拟过程 空间信息初始化T 0T时刻数据是否到达数据矢量处理数据栅格化处理T T 1T 达计算时长数据地理空间处理过程 26 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电
13、科学研究院 27 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 插值效果比对 28 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 插值效果比对 29 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 插值效果比对 30 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 模型和地理格网空间处理软件 31 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 导入到洪水风险图管理系统中 专题图 逐小时格网地理空间处理软件 32 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 洪水到达专题图 逐小时格网地理空间处理软件 33 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 带流场的水深实时方案专题图 逐小
14、时格网地理空间处理软件 34 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 基于WebService的数据服务中间件软件目标和内容 1 实现从计算后台到前端的传递2 实现数据封装和压缩3 进行模型参数设置4 和风险图管理系统进行接口5 实现和其他系统的交互需求 35 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 WebSerivce数据服务中间软件 基于Flash的洪水风险查询分析应用系统 数据访问接口 方案数据格网数据河道数据 溃口数据 36 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 目标和内容 1 洪水实时模拟的展示2 简单易用的洪水模拟参数录入界面 复杂参数隐藏于后台计算配置中 3 实时洪水数据检索 导出4 轻量化 基于Flex的洪水风险实时展示软件 37 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 基于Flex的洪水风险实时展示软件方案管理 即实时洪水在线即时模拟 通过对不溃口位置的和水量边界条件实现方案的管理 38 洪水风险图实时分析系统 中国水利水电科学研究院 效率提升 引入GPU实时并行计算 计算效率在GPU的支持下提供5 10倍 轻量级前端展示 前端采用HTML5方式来实现 抛弃flex重客户端 引入调度管理 实现大数据访问方式下模型分配和调度 后续系统扩展 39
