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中小河流洪水预报系统开发文档

中小河流洪水预报系统

开发文档

版权所有不得翻印

二零一一年二月

目录

1.引言5

1.1.主要技术标准5

1.2.术语5

1.2.1.中心站5

1.2.2.遥测站5

1.2.3.警戒水位5

1.2.4.雨量等级6

1.2.5.防洪工程6

1.2.6.水库6

1.2.7.水文测站6

1.2.8.自报式7

1.2.9.查询－应答式7

1.2.10.混合式7

2.概要设计7

2.1.任务来源7

2.2.开发环境7

2.2.1.硬件环境7

2.2.1.1.服务器7

2.2.1.2.工作站8

2.2.1.3.通信设备8

2.2.1.4.拓扑图9

2.2.2.软件环境9

2.2.2.1.服务器9

2.2.2.2.工作站9

2.3.需求定义10

2.4.总体方案11

2.4.1.报汛方式11

2.4.1.1.自报11

2.4.1.2.召测11

2.4.2.信息流程12

2.4.2.1.遥测站信息的流程12

2.4.2.2.远程召测和参数控制的流程12

2.4.3.工作体制13

2.5.系统性能要求14

2.5.1.集成性14

2.5.2.开放性14

2.5.3.实时性14

2.5.4.可靠性15

2.5.5.可维修性15

2.5.6.通用性15

3.详细设计15

3.1.功能模块划分15

3.1.1.软件功能模块划分15

3.1.2.通信子模块功能划分16

3.2.功能模块设计17

3.2.1.软件启动模块设计17

3.2.2.通信子模块设计19

3.2.2.1.GPRS自报通信流程图19

3.2.2.2.GPRS招测通信流程图20

3.2.2.3.GSM自报接收流程图21

3.2.2.4.GSM召测流程图22

3.2.2.5.北斗卫星自报接收流程图23

3.2.2.6.北斗卫星校时流程图24

3.2.3.解码子模块设计25

3.2.4.数据访问设计26

3.2.4.1.数据查询设计26

3.2.4.2.数据存储设计27

3.2.5.输出模块设计28

3.2.5.1.屏幕输出设计28

3.2.5.2.Excel文件导出设计29

3.2.6.预报模块设计30

3.2.7.软件退出模块设计31

3.3.数据库结构设计31

3.3.1.测站基本属性表设计31

3.3.2.河道水情表设计35

3.3.3.降水量表设计36

3.3.4.降水量统计表设计36

3.3.5.洪水传播时间表37

3.3.6.水文预报发布单位编码表38

3.3.7.降水量预报表38

3.3.8.河道水情预报表39

3.4.通信协议40

3.4.1.帧构成40

3.4.2.功能代码表41

1.引言

1.1.主要技术标准

Ø《水文基本术语和符号标准》（GB/T50095-98）

Ø《水文自动测报系统技术规范》（SL61-2003）

Ø《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》（SL323-2005）

Ø《基础水文数据库表结构与标识符标准》（SL324-2005）

Ø《水文资料整编规范》（SL247-1999）

Ø《水文测报系统技术规约和协议》四川省水文行业的四川省水文技术标准及规定（SCSW008-2011）

1.2.术语

1.2.1.中心站

主要包括通信设备、通信控制机、中心计算机、电源和网络设备等。

主要负责数据接收、处理、交换及应用等要求。

1.2.2.遥测站

安装RTU遥测终端机，对现场各水情要素进行采集、存储及发送。

1.2.3.警戒水位

警戒水位：

汛期江河洪水普遍漫滩，堤防临水达到一定深度，堤防或防洪工程有可能出现险情，要加以警惕戒备的水位。

在北方大部分地方成为“保证水位”，就是说能保证防洪工程防护区安全运行的最高洪水位。

到达这一水位时，开始进入防汛戒备状态，要密切注意水情、工情、险情的发展变化。

“警戒水位”不是天然固有的而是人为设定。

1.2.4.雨量等级

小雨：

日降雨量小于10毫米。

中雨：

日降雨量10~25毫米。

大雨：

日降雨量25~50毫米。

暴雨：

日降雨量50~100毫米。

特大暴雨：

日降雨量200毫米以上。

1.2.5.防洪工程

为控制、防御洪水以减免洪灾损失所修建的工程。

主要有堤、河道整治工程、分洪工程和水库等。

按功能和兴建目的可分为挡、泄（排）和蓄（滞）几类。

1.2.6.水库

水库是指在山沟或河流的狭口处建造拦河坝形成的人工湖泊。

水库建成后，可起防洪、蓄水灌溉、供水、发电、养鱼等作水库用。

有时天然湖泊也称为水库（天然水库）。

水库规模通常按库容大小划分。

水库规模类型划分如下：

水库类型

总库容

塘坝

总库容小于10万立米

小型水库

小

（二）型

10—100万立米

小

（一）型

100—1000万立米

中型水库

1000万立米-1亿立米

大型水库

大

（二）型

1—10亿立米

大

（一）型

大于10亿立米

1.2.7.水文测站

测站名称

类型代码

描述

河道水位水文站

ZZ

观测及搜集河流的水文、气象资料的基层水文机构。

包括（水位、流速、流向、波浪、含沙量、水温、冰情、地下水、水质、降水量、蒸发量、气温、湿度、气压和风）

水库水文站

RR

观测及搜集湖泊、水库等水体的水文、气象资料的基层水文机构。

包括（水位、流速、流向、波浪、含沙量、水温、冰情、地下水、水质、降水量、蒸发量、气温、湿度、气压和风）

雨量站

PP

观测及搜集雨量信息的基层水文机构

1.2.8.自报式

被测要素值发生变化或定时等事件触发，遥测站主动发送数据的工作制式。

1.2.9.查询－应答式

遥测站响应查询指令发送数据的工作制式。

1.2.10.混合式

包含自报式和查询－应答式两种遥测方式的工作制式。

2.概要设计

2.1.任务来源

为了响应我国水文自动测报系统的发展，统一技术要求，加强系统的规划、设计、施工和运行管理。

采用中国水利部颁布的“实时雨水情数据库表结构与标识符标准（SL323—2005）”等相关标准和四川省水文行业的四川省水文技术标准及规定（SCSW008-2008）水文测报系统技术规约和协议”，满足中小河流洪水预报系统建设的需求。

2.2.开发环境

2.2.1.硬件环境

2.2.1.1.服务器

序号

名称

要求

1

CPU

Intel（R）CORE（TM）2，频率:

2200MHz及其以上

2

内存

DDR2，>2GB

3

硬盘

SATA3.0Gb/s硬盘，容量>160GB

4

显示器

19英寸LCD

5

网卡

10/100Base-TX以太网卡

2.2.1.2.工作站

名称

要求

CPU

频率:

1.7GHz及其以上

内存

DDR2，>1GB

硬盘

SATA3.0Gb/s硬盘，容量>160GB

显示器

19英寸LCD

网卡

10/100Base－TX以太网卡

2.2.1.3.通信设备

名称

要求

数量

卫星终端

神州天鸿终端YDD-03

1

GSM终端

MC39i

1

GPRS有线MODEM池

DA-5690

1

终端服务器

YZ5516

1

三层交换机

S3952P-E1

路由器

AR28-40

VPN防火墙

M5100-S-L1

数据接收机

M6980

1

2.2.1.4.拓扑图

2.2.2.软件环境

2.2.2.1.服务器

名称

要求

操作系统

WINDOWS2008server简体中文版

数据库

SQLSERVER2008简体中文版

2.2.2.2.工作站

名称

要求

操作系统

WindowsXPProfessional简体中文版

开发工具

MicrosoftVisualBasic6.0中文版

数据库

SQLSERVER2008简体中文版

2.3.需求定义

中小河流洪水预报系统分为遥测数据接收处理、遥测系统监控管理和洪水预报几部分。

遥测数据接收处理作为后台功能主要负责遥测站数据接收与控制命令的发送，遥测系统监控管理为系统管理人员提供遥测系统监视与控制管理功能，洪水预报根据实测的数据结合基础数据，对降水量进行预报，对河道水情进行预报。

遥测数据接收处理应具备以下功能：

Ø接收、解码、存储通过GPRS信道传输的水情和工况信息，并可通过该信道向遥测站发送召测、数据补传、参数设置等控制命令。

Ø接收、解码、存储通过GSM信道传输的水情和工况信息，并可通过该信道向遥测站发送召测、数据补传、参数设置等控制命令。

Ø接收、解码、存储通过北斗卫星信道传输的水情和工况信息。

Ø对所有接收的数据带有数据接收到达时的时标，按规定的存储格式以数据库形式和文本文件格式两种方式保存。

Ø中心站可自动或人工向遥测站发送控制命令，修改遥测站的参数设置。

Ø提供完善的运行日志功能，运行日志应提供运行监视、故障处理所需的相关信息。

运行日志的输出包括本地日志文件和屏幕输出两种方式。

遥测监控管理部分作为系统管理人员对遥测系统监视和控制管理的界面，软件应具备以下功能：

Ø能实时监视遥测站最新的水情数据、工况信息和遥测站的基本参数。

Ø能实时监视接收工作站的运行工况（包括通信信道状态、通信端口状态）。

Ø对遥测系统出现的各种异常提供报警功能包括：

✓遥测站数据未按指定时间到达；

✓水情数据和工况数据异常；

✓遥测站信道异常；

✓接收工作站通信端口、MODEM池和终端服务器异常；

✓对报警信息提供屏幕闪烁、语音提示等报警方式。

Ø对遥测站的参数配置进行统一管理，使分中心保存的测站配置信息与遥测站一致。

洪水预报部分根据接收到的实时数据结合相应的经验数据和基础数据，进行相应测站或区域的降水量预报，对河道水情预报，主要包括：

Ø降水量预报:

预报区域代码、发生时间、预报降水量、预报降水历时、预报降雨趋势、预报水情发生日、发布时间、发布单位代码、根据时间；

Ø河道水情预报:

测站编码、发生时间、预报水位、预报流量、水势、河水特征码、发布时间、发布单位代码、根据站、根据时间、前期影响雨量、流域平均降水量、预报类别；

2.4.总体方案

2.4.1.报汛方式

2.4.1.1.自报

Ø雨量：

以定时方式发送。

当无雨时，每日以基本段次D1发送，D1≥1，且每日8：

00必需报，必需报“平安信号”。

当时段雨量达到某阈值时，按段次D2发送。

D2＞D1，且段次必需符合水文报汛段次规定（下同）。

加报阈值为1-99毫米，可任意设定。

Ø水位：

以定时方式发送。

设置Z1、Z2、Z3三个水位级标准，且Z1＜Z2＜Z3，当水位Z

00必需报。

D4＞D3＞D2＞D1，且段次必需符合水文报汛段次规定。

加报阈值设置到cm，可任意设定。

Ø流量：

根据水情拍报任务，采用人工置数的方式，在任意时间发送。

2.4.1.2.召测

实现召测的过程是：

分中心中小河流洪水预报系统通过在线信道远程向遥测站数据采集器发送召测指令，数据采集器根据指令类型完成信息的采集和读取，遥测站向分中心发回召测数据，从而完成整个召测工作过程。

2.4.2.信息流程

2.4.2.1.遥测站信息的流程

遥测站为信息采集源，目标地址为相应的分中心。

按照传输信道的不同采用不同的流程，各自的流程是：

a、GPRS信道：

遥测站→（GPRS网络）→分中心。

一般情况下，GPRS信道的上一次传输失败不影响下一次继续使用该信道传输的尝试。

GPRS功能的实现条件是：

遥测站已具有用于数据传输的GPRS信道

b、“北斗”卫星信道：

遥测站→（“北斗”卫星）→分中心（采用两跳传输，即遥测站→卫星→分中心）。

说明：

遥测RTU启动卫星终端，当锁定卫星并通讯状态正常后遥测站发出数据，收到卫星终端返回的确认回执（非水情中心回执）后通讯结束。

如遥测RTU启动卫星终端较长时间（如1分钟）通讯状态仍然不正常，或连续数次发送均收不到卫星终端返回的确认回执则本次卫星通讯失败，设备转入备用信道（如果有）工作。

与GPRS信道相似，上一次传输失败不影响下一次继续使用该信道传输的尝试。

C、短信信道：

遥测站→GSM网络→分中心。

说明：

遥测站将自报信息发送给中分中心SIM号码，短信到达GSM服务器，GSM服务器将短信息发送给分中心SIM卡

2.4.2.2.远程召测和参数控制的流程

a、GPRS信道：

分中心（发起）→（GPRS网络）→遥测站（应答）→（GPRS网络）→分中心。

b、GSM短信信道：

分中心（发起）→GSM网络→遥测站（应答）→GSM网络→分中心。

说明：

中心站首先通过短信发送平台向遥测站发出召测或控制短信，遥测站收到信息后记录下该信息原发SIM号码，并对收到的指令进行分析，对合法召测形成应答编码后发回原发SIM号码。

遥测站对于召测格式明显不合法的信息不予应答。

（注：

无合法的站号码或站号码在查询编码中的位置正确对均判断为“召测格式明显不合法”）

c、“北斗”卫星信道:

不召测。

2.4.3.工作体制

Ø系统工作体制为定时自报、加报和召测兼容的方式。

Ø自报时系统具有下行“确认”机制。

Ø水情信息的采集、存储、发送段次可以设置（采集段次≥存储段次≥发送段次），并且规定，段次均以北京时间8：

00为起算时刻。

并在任何情况下，遥测站在8：

00都要完成水情数据的采集、存储以及发送操作。

Ø对所有遥测站，整点时除采集雨水情信息外，还要采集工况信息，并存储在数据控制器中，需要时发送。

Ø雨量采用固定间隔为5分钟的段次采集，有雨即存，正点按增量阈值自报的工作方式。

正点时检查雨量值，增量超过阈值（可设置）启动一次发送，发送包的内容包括当前雨量累计值和一小时各存储时段内所有雨量信息，否则不发送。

每日8：

00，无论有无新的雨量均应存储雨量标识。

平安信号每间隔12或24小时（可编程）发送一次。

为了避免与雨量定时自报发送相冲突，可设置平安信号发送时刻。

Ø水位按设定要求进行采集（最小间隔为5分钟），按阈值（可设置）定时发送。

每次发送时应将本次采集水位和上次发送后的所有水位数据一并发送。

Ø对于有水位要素的站，发送的数据包中包括水情信息和工况信息，可不发送“平安信号”。

Ø分中心具有发送控制指令的功能。

既可获得遥测站当前水雨情信息（包括指定时间段内的历史数据），也可获得当前工况信息（包括指定时间段内的历史工况数据）。

Ø洪水预报数据均可由人工干预。

2.5.系统性能要求

2.5.1.集成性

各种软件和硬件设备，应当满足将各个分离设备、功能和信息等集成到相互关联、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，需要解决各类设备、子系统之间的接口、协议、系统平台、应用软件等相关的一切面向集成的问题。

使系统达到低成本、高效率、性能优化、可扩充和可维护。

水情分中心接收遥测站点的水情信息的设备及应用软件、计算机网络的设备及软件设置和决策支持系统的设备及对应的应用软件等进行集成。

2.5.2.开放性

各种软件和硬件设备应支持广泛的开放管理标准，应能够随着网络性能及安全需求的变化而变化，要容易适应、容易修改。

系统平台是一个开放平台系统，容易移植和扩展的系统。

系统内部的数据传输和信息交换，系统联网与外部进行的信息交换，应按软硬件设备的模块化、接口标准化的原则进行设计和配置，满足通用化要求。

在提供数据采集器等数据处理设备时要充分考虑水文要素采集项目的扩充，对各种信道的兼容性，以及信道的灵活组网。

要满足信道的变化增减，水文站点（系统）的扩充、扩容，具备一定的前瞻性。

2.5.3.实时性

遥测站发送数据到中心站收到数据的平均延时为2分钟；

能在10分钟内自动完成分中心所辖站点的全部水雨情信息采集、传输和处理转发流程；

2.5.4.可靠性

报汛信道采用双信道互为备份并实现自动切换。

2.5.5.可维修性

各种硬件设备均应具有方便的可维修性。

2.5.6.通用性

软硬件应具有通用性，便于维修互换。

3.详细设计

3.1.功能模块划分

3.1.1.软件功能模块划分

Ø通信子模块：

通过GPRS、GSM、北斗终端等通信设备与RTU进行通信；

Ø解码子模块：

负责将接收到的数据按照通迅协议进行解码；

Ø存储子模块：

负责与数据库进行数据访问及存储；

Ø自报监视模块：

负责对实时自报信息进行监视并通过屏幕（含报警）输出；

Ø雨量监视模块：

负责对实时雨量信息进行监视并通过屏幕（含报警）输出；

Ø水位监视模块：

负责对实时水位信息进行监视并通过屏幕（含报警）输出；

Ø工况监视模块：

负责对实时工况信息进行监视并通过屏幕（含报警）输出；

Ø系统设置管理模块：

负责对系统参数、RTU参数的管理（含增加、修改、删除）

Ø洪水预报参数管理：

负责对洪水预报的基础数据和经验数据进行管理（含增加、修改、删除）

Ø洪水预报：

负责对预报数据进行发布及查询

Ø信息检索查询：

负责对所有水情信息进行查询显示及Excel报表导出。

3.1.2.通信子模块功能划分

3.2.功能模块设计

3.2.1.软件启动模块设计

3.2.2.通信子模块设计

本模块通过通信信道（GPRS、GSM、北斗卫星等）完成中心站与遥测站的数据通信，实现数据接收、召测及下位机参数设置等，具体设计详见以下流程图。

3.2.2.1.GPRS自报通信流程图

接收RTU数据自报时，按此流程实现。

3.2.2.2.GPRS招测通信流程图

对RTU进行数据召测和修改RTU参数时，按此流程实现。

3.2.2.3.GSM自报接收流程图

3.2.2.4.GSM召测流程图

3.2.2.5.北斗卫星自报接收流程图

3.2.2.6.北斗卫星校时流程图

3.2.3.解码子模块设计

3.2.4.数据访问设计

3.2.4.1.数据查询设计

3.2.4.2.数据存储设计

数据库记录增加、修改均使用此设计。

3.2.5.输出模块设计

3.2.5.1.屏幕输出设计

3.2.5.2.Excel文件导出设计

3.2.6.预报模块设计

3.2.7.软件退出模块设计

3.3.数据库结构设计

3.3.1.测站基本属性表设计

Ø表名:

ST_STBPRP_B

Ø测站基本属性表表结构

序号

字段名

标识符

类型及长度

有无空值

计量单位

主键

索引序号

1

测站编码

STCD

C（8）

无

Y

1

2

测站名称

STNM

C（30）

3

河流名称

RVNM

C（30）

4

水系名称

HNNM

C（30）

5

流域名称

BSNM

C（30）

6

经度

LGTD

C（7）

（°）、（′）、（″）

7

纬度

LTTD

C（6）

（°）、（′）、（″）

8

站址

STLC

C（30）

9

行政区划码

ADDVCD

C（6）

10

修正基值

MDBZ

N（6,2）

M

11

修正参数

MDPR

N（4,2）

12

基面名称

DTMNM

C（16）

13

基面高程

DTMEL

N（7,3）

m

14

站类

STTP

C

（2）

15

拍报段次

DFRTMS

N

（2）

16

拍报项目

FRITM

C（32）

17

报汛等级

FRGRD

C

（1）

18

始报年月

BGFRYM

C（6）

19

截报年月

EDFRYM

C（6）

20

管理机构

ADMAUTH

C（10）

无

21

测站岸别

STBK

C

（1）

22

集水面积

DRNA

N（7）

Km2

23

拼音码

PHCD

C（6）

Ø字段说明

✧测站编码：

全国统一编制的，用于标识某一水文测站的唯一字符编码。

测站编码是由数字和大写英文字母组成的8位字符串。

✧测站名称：

测站编码所代表水文测站的中文名称。

✧河流名称：

水文测站测报雨水情所属河流的中文名称。

✧水系名称：

水文测站测报雨水情所属水系的中文名称。

✧流域名称：

水文测站测报雨水情所属流域的中文名称。

✧经度：

测站代表点所在地理位置的东经度。

编码格式为：

DDDMMSS。

✓说明：

——DDD为三位数字，表示度，若数值不满三位，前面加0补齐；

——MM为两位数字，表示分，若数值不满两位，前面加0补齐；

——SS为两位数字，表示秒，若数值不满两位，前面加0补齐。

✧纬度：

测站代表点所在地理位置的北纬度。

编码格式为：

DDMMSS；

✓说明：

——DD为两位数字，表示度，若数值不满两位，前面加0补齐；

——MM为两位数字，表示分，若数值不满两位，前面加0补齐；

——SS为两位数字，表示秒，若数值不满两位，前面加0补齐。

✧站址：

测站代表点所在地县级以下的地址。

✧行政区划码：

测站代表点所在地的行政区划代码。

行政区划代码编码按GB2260-1995执行。

✧修正基值：

测站所报相对水位的基面高程的基准值，用来将报汛的相对水位转换成基面高程。

受原拍报编码方法报汛的限制,水位只能报两位整数,为了将相对水位转换成水位的基面高程，特设修正基值和修正参数来转换相对水位为基面高程。

✧修正参数：

确定将相对水位根据修正基值修正到基面高程的公式的参数。

✧基面名称：

水文测站观测水位或地下水位时所采用的基面高程系的名称。

除特别注明以外，数据库中存储的关于某一水文测站的所有高程、水位数值均是相对于该水文测站基面的。

✧基面高程：

水文测站观测水位或地下水位时所采用基面高程系的基准面与该水文站所在流域的基准高程系基准面的高差。

✧站类：

标识水文测站类型的两位字母代码。

水文测站类型代码由两位大写英文字组成，第一位固定不变，表示大的水文测站类型，第二位根据情况可以扩展，表示大的水文测站类型的细分，如果没有细分的情况下，重复第一位。

大的水文测站类型目前分为8种。

水文测站类型及其代码如下：

✓气象站MM

✓蒸发站BB

✓堰闸水文站DD

✓潮位站TT

✓泵站DP

✓墒情站SS

✓雨量站PP

✓河道水位水文站ZZ

✓水库水文站RR

✓地下水站ZG

✓分洪水位站ZB

✧拍报段次：

指水文测站汛期每日常规