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1、黄河宁蒙河段冰情预报决策支持系统的设计与开发黄河宁蒙河段冰情预报决策支持系统的设计与开发郭永鑫1，王涛1，杨开林1，霍世青2，饶素秋2（1.中国水利水电科学研究院水力学所，北京 100038；2.黄委会水文局，郑州 450004）摘要摘要：本文以黄河宁蒙河段为例，在对河段历史冰情变化规律及其影响因素分析的基础上，建立冰情预报数据仓库，进行数据挖掘，并以地理信息系统(GIS)为平台，以水文学流量演算、热力学、冰水力学等原理为基础，结合相关经验预报模型，建立用实测资料进行参数率定的冰情预报概念性数学模型和人工神经网络模型，初步探讨了集信息查询、模型参数率定、气温预报、冰情预报等功能为一体的冰情预报
2、决策支持系统的设计与开发。关键词关键词：冰情预报人工神经网络数据仓库决策支持系统地理信息系统1 1引言引言冰凌是冬季的一种水文现象，在冰凌演变过程中往往聚集成冰塞或冰坝，造成水位大幅度地抬高，最终漫滩或决堤，造成各种冰凌灾害。在我国的黄河、黑龙江、松花江等流域冬季的封河期和春季的开河期都有可能发生凌汛。及时准确的凌情、水情的监测、预报是各级领导进行防凌决策、指挥并及时采取水利枢纽调节调度防治凌汛灾害的重要科学依据。黄河是中国凌汛出现最为频繁的河流，其中宁蒙（宁夏和内蒙古）河段尤为严重，在现阶段，宁蒙河段冰情预报主要依赖于石嘴山，巴彦高勒，三湖河口，头道拐这4 个水文站的水文、冰情资料。本文拟以
3、宁蒙河段为例，在对历史冰情变化规律及其影响因素分析的基础上，根据气温中、短期预报和水情实时监测、巡测信息，以地理信息系统（GIS）为平台，以水文学流量演算、热力学、冰水力学等原理为基础，结合相关经验预报模型，建立用实测资料进行参数率定的概念性冰情预报数学模型和神经网络模型，初步探讨集信息查询、模型参数率定、气温预报、冰情预报、槽蓄水量计算和预报、桃汛水量预报等功能于一体的冰情预报决策支持系统的设计与开发。2 2系统总体框架系统总体框架冰情预报决策支持系统是一种以计算机为工具，综合利用各种数据、信息、知识、人工智能和模型技术，充分应用管理学、数学、数据库、计算机和地理信息系统等学科的最新理论成果
4、与方法，辅助决策者进行冰情、水情分析和预报，为防凌指挥调度提供决策依据的人机交互信息系统。宁蒙河段冰情预报决策支持系统由数据库、模型库、人机交互接口等部件组成。对话管理子系统对话管理子系统地理信息系统（GIS）平台地理信息系统（GIS）平台用户用户数据管理子系统数据管理子系统冰情预报模型冰情预报模型管理子系统管理子系统冰情预报冰情预报数据仓库数据仓库气气预预温温报报中中模模、型型短短期期冰情预报模型冰情预报模型实时水雨情实时水雨情数据库数据库气象信息气象信息数据库数据库历史冰情历史冰情数据库数据库地理空间属地理空间属性数据库性数据库统统计计模模型型数数学学模模型型神神经经网网络络模模型型图 1
5、宁蒙河段冰情预报决策支持系统总体框架2.12.1数据管理子系统数据管理子系统冰情预报数据库由气象信息数据库，实时水雨情数据库，历史冰情数据库，空间属性数据库等组成。气象信息数据库：从国家气象局接收资料的气象卫星资料接收处理系统直接或间接获得，实时水雨情数据库：参照实时雨水情数据库表结构与标识符标准搭建，包括各主要水为气温预报和冰情预报提供有力的资料保障。文站的实时水情、冰情信息，其信息源主要包括几个方面：（1）水文站报汛资料，通过网络接入，如流量、气温、水温、冰情等；（2）水文冰情巡测资料；（3）当地防办所获得的冰情资料；（4）卫星遥感资料；（5）防汛调度部门的调度指令等。历史冰情数据库：从实
6、时水雨情数据库中获取原始数据，经分析整理后入库，供冰情预报参数率定和决策分析使用，主要包括河段历年的凌峰、平均冰厚、槽蓄水量、桃汛过程、封开河期特征等冰情统计资料。地理空间属性数据库：依据 GIS 选用工具（如 MapObjects），采用相应文件格式（Shapefile）存储，包括流域、水文站点、河道的地理信息数据和各专题属性数据。决策支持系统的数据库通常包括在数据仓库中，数据仓库是一种数据存储、管理和处理技术，它是一个面向主题、基于时间段、具有动态信息的集成型管理和辅助决策系统。通过建立宁蒙河段的冰情预报数据仓库，收集存于不同数据源中的数据，将这些分散的数据集中到一个更大的库中，实现多源信
7、息的接收处理和同化功能，应用统计分析、相关分析、相似分析等技术，从数据仓库中进行查询和数据分析，同时利用数据挖掘技术将隐藏在数据中的新的规律和知识提取出来，服务于决策系统。2.22.2冰情预报模型管理子系统冰情预报模型管理子系统冰情预报是利用影响河流冰情的前期气象因子和河段水情信息，通过建立相应数学模型，对封冻期和解冻期各水文要素进行预测预报的过程。2.2.2.2.1 1 气温中、短期预报模型气温中、短期预报模型气温是冰情预报的主要参数之一，及时准确的气温预报对提高冰情预报的预见期和预报精度至关重要。根据各种气象资料，采用天气学、统计学、数值预报相结合的方法，预报制作宁蒙河段未来 3-10 天
8、逐日平均气温预报和 3 天内逐日滚动气温预报，为冰凌的中短期预报提供依据。2.2.32.2.3 冰情预报模型冰情预报模型影响冰情变化的主要因素有热力因素、动力(水力)因素、河道形态以及人类活动。根据预报方法不同分为统计学模型、概念性数学模型1和神经网络模型2。统计学模型：通过对数据仓库进行数据挖掘，先按辅助决策的目的要求形成当前基本数据层，再按综合决策的要求，形成综合数据层，随着时间的推移，当前基本数据层转为历史数据层，这样不断推进，对河段冰期各要素的演变规律进行分析，应用统计分析、相关分析、回归分析等技术，建立统计预报模型，如指标法和经验相关法等。数学模型：以水文学流量演算、热力学、冰水力学
9、等原理为基础，深入研究河段冰凌发生、发展、消退等各个时期的水、热特征，根据河段及其周边地区的气温预报信息、各水文站实测及预报水文信息，结合相关经验预报模型，建立用实测资料进行参数率定的概念性冰情预报数学模型。神经网络模型：鉴于统计模型考虑因素不全、预见期短、相关因素代表性不好、某些年份误差大、应用条件有限、且具有主观随意性，和数学模型中可用河道地形资料的缺乏、断面边界条件选取困难、某些方面预报还不太成熟等特点，考虑到神经网络的非线性、非凸性、非局域性、非定常性、自适应性、强大的计算能力和各种信息处理能力等优点，在对实测资料进行参数率定，并综合考虑统计模型和数学模型预报结果的基础上，运用神经网络
10、理论进行冰情预报，进一步提高冰情预报的预见期和准确度。2.32.3对话管理子系统对话管理子系统系统开发选择界面性强，面向对象的可视化编程软件VB 6.0，和基于 ActiveX 技术的地理信息系统控件 MapObjects 2.2，开发界面友好，功能实用，维护方便，可靠性高，开放性好的决策支持系统。系统界面友好，可以电子地图为查询导航，实现信息的录入查询、模型参数的率定、人机对话的预报制作、预报修正、预报会商和报表的管理打印等功能，可以有选择、有条件地制作成网页，与 MIS、Internet 或其他网络连接，实现异地远端的访问查询。菜单栏工具栏地图窗口状态栏图 2 黄河宁蒙河段冰情预报决策支持
11、系统界面3 3系统功能系统功能在冰情预报模型研究的基础上，运用 GIS 技术和面向对象（OOP）编程方法，开发技术先进、可靠性高、经济适用、扩展性强、兼容性好的冰情预报决策支持系统。3.13.1数据管理查询功能数据管理查询功能冰情预报原始数据来源多样化，通过建立数据仓库，收集存于不同数据源中的数据，将分散的数据集中到一个更大的库中。通过友好的图形用户界面，从数据仓库中显示、查询河段的历史或实时水、冰情信息，进行数据分析，并以图形、报表等直观方式显示。3.23.2冰情模拟、预报功能冰情模拟、预报功能根据河段各水文站实测气温、水温、流量、流冰量、河道资料和气象预报信息、流量预报信息等，选择不同的冰
12、情预报模型进行参数率定，模拟预报主要站点初始流凌日期，流凌密度；初始封河日期，冰盖厚度发展，槽蓄水量过程；开河日期，开河最大流量、开河最高水位，桃汛水量过程，及水温、流量、水位过程等。在各要素预报的基础上，对封、开河形势进行预估，分析产生冰塞、冰坝的可能性3。3.33.3基于基于 GISGIS 的查询显示功能的查询显示功能GIS 是融合计算机图形学和数据库技术，将空间地理信息与相关属性有机结合，实现对地理数据的空间分析和可视化表达，进行各种辅助决策的新技术4。基于 GIS 技术，将地理空间属性与水情、冰情等专题属性关联，动态显示查询各主要站点的实时水情、冰情信息及凌情动态，结合空间信息进行分析
13、，供决策调度参考。3.43.4系统可扩展功能系统可扩展功能系统开发采用模块化编程方法，各预报模型为独立模块，当外部条件变动时只需更新相应模块，无需对系统作大的变动。随着技术的发展和用户需求的增加，冰情预报系统会随着量测技术和预测预报理论的不断发展而增加新的内容，为满足后续子系统的扩展，采用标准化接口，为其它后续子系统的建立和接入预留相应的接口，以适应系统规模的不断扩大。整个系统技术先进、功能实用、维护方便。4 4结语结语冰情、水情预报是各级领导进行防凌指挥、调度、决策的重要科学依据，及时准确的凌情、水情的监测、预报和及时采取水利枢纽调节流量是防治凌汛灾害的有效措施，因此建立一套以地理信息系统为
14、依托，气象预报与冰情预报有机结合，集冰情、水情信息的采集、传输、处理与冰情、水情的预报、会商及决策于一体的冰情预报决策支持系统，对于减轻凌汛灾害，变被动防凌为主动防凌，推进水利信息化建设，维护河道健康的发展有重要意义。冰情预报决策支持系统是集数据仓库、神经网络、决策支持系统、地理信息系统、电子通讯等众多技术与一体的系统工程，本文仅对系统的建立进行了尝试性的探讨，尚需在实践中进一步论证完善。参考文献参考文献1 可素娟、王敏、饶素秋编著.黄河冰凌研究.郑州：黄河水利出版社，2002.12.2 陈守煌、冀鸿兰.冰凌预报模糊优选神经网络BP 方法.水利学报，2004.6，Vol.6：P114-118.3 杨开林等.河道冰塞和冰坝的数值模拟.北京：中国水利水电科学研究院研究报告，2001.12.4 承继成、林珲、周成虎等编著.数字地球导论.北京：科学出版社，2000.1.