水利信息学应用简述.docx

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1、第八届海峡两岸水利科技沟通研讨会，2004年12月水利信息学应用简述李桂芬，王连祥中国水利水电科学争论院摘要本文简要介绍了水利信息学的由来，涵盖的主要内容，以及水利信息学在国 内水力学争论中的应用举例等。以期在今后水力学争论中，更多地引入水利信息 学的概念，使我们的传统水力学争论，尽快地跟上信息化时代的步伐。 一、水利信息学由来水利信息学(Hydroinformatics)是近十几年来提出的一门新的学科，80年 月后期，国际水利工程与争论协会(IAHR)计算水力学专委会主任阿博特教授 (Abbott M. B.)首先提出了水利信息学的概念，他为水利信息学下了如下的定 义：即“水利信息学是争论有

2、关水体和水体所传输物质的流淌中同自然和人工的 环境产生交互过程的学问和信息流一门科学”。水利信息学是以信息技术作为支 撑平台，综合社会、环境、经济等各方面的因素，对各类水域中的水流运动与人 类活动相互作用所造成的后果进行分析和评价的一门综合学科。从水利信息学提 出近四分之一世纪以来，在水利学科的教育、争论、设计和工程运用中多显示了 强大的生命力。水利信息学的产生是有肯定背景的。传统的水力学是以文字的形式或图表来 传达学问并应用于实践，从20世纪的60年月到80年月，世界上产生了第一阶 段的信息革命，信息的表现形式发生了由占肯定优势的纸上的有形符号到电子式 数字的巨大变化。到目前为止，各种信息几

3、乎都以电子形式储存和传输。学问的 每一部分或每一方面都以数据来表现，并与其它数字信息化的学问相融合。正是 由于这种信息表现形式的巨大变化，在学问产生及其应用领域和方式之间产生了 一个新的空间，就水力学及其相关科学而言，正渐渐占据这个新空间的就是水利 信息学。水利信息学是伴随着电子学问封装系统快速进展，通过科学争论与工程 管理实践产生的，它涵盖了传统水力学的学问，计算水力学的手段以及其它相关 的交叉科学。在祖国大陆地区，计算水力学的争论与应用开展的也很早，而且逐步将信息 技术引用于水利工程争论和施工的各个领域，如数值仿真、数字仿真、设计规划 可视化，工程施工管理、数字流域、数字试验室等等，也可以

4、说水利信息学的产 品和服务对象的面已很广了，所取得的一系列的争论成果已齐当前世界水平。二、水利信息学的主要内容水利信息学是整体信息化产业中的一个小部分，它对今后进展水利事业也是 特别重要的。水利信息学的基础技术和在水利工程中的应用，主要表现有：数据 采集及处理、人工智能、数学模型，优化技术、可视化技术、3S技术等等大量 与水利学争论技术亲密结合的信息技术特地领域，主要内容简述如下： 数据采集与处理。水力学争论中，量测数据的采集与处理，是最基本的 内容。水利信息学的消失，水利学专家可以通过与感觉相像的感知手段 将在计算器上与多彩的、动态的、生动的自然界接触，把仪器观测感应 到的结果，用二进制数字

5、符串来表现问题的精髓，进行存储和传播，将 其结果转换到我们关怀的自然科学的问题上来。人工智能。人工智能是当前科技进展中的一门前沿学科，它是将人类智 能在机器上的模拟。人工智能争论领域中有专家系统、机械学习、智能 掌握、智识发觉和数据挖掘、智能决策支持系统、人工神经网络等等。 人工智能在水利信息学中应用特别广泛，例如，洪水预报、工程布置选 择、工程结构破损猜测、快速水力学数值模拟、水质掌握及水量调度等 等。人工智能在其它领域里早已有应用，但在水力学争论中尚处起步阶 段。优化技术。优化技术是运筹学中的一个部分,它是一门成熟的科学技术。 其主要目的是对某个系统中的效益、工期、管理、费用等诸多方面，依

6、 据所规定的目标进行优选。也就是采用优化技术方法，对目标函数予以 求解，得到最抱负的目标。在水利信息学争论领域内，优化技术应用的 重要之处，在于如何将水体与环境的交互中所引入的非物理/或非数学的 约束条件，如法律条款、社会效益、环境效益、景观效益和生态影响等 体现在目标函数中，得到水利信息学所需要解决的问题。数学模型。水利信息学应用的另一个更为主要的形式，就是数值模拟技 术，也就是用数学语言仿真实体的模型。在水利信息学中，数学模拟的 范围很广，它可以用于分析、模拟、预报、优化、决策、掌握等方面。 按模型的空间维数，它可以有零维、一维、二维、三维模型。按应用领 域可分为水文模型、水力学模型、水质

7、模型、经济模型、资源模型、掌 握模型等等多种。可视化技术。可视化是一门多学科交叉和整合的新技术，其实质就是用 图形与图像来表征数据，是用来解释大量资料最为有效的手段。大型水 利水电工程的空间查询和分析系统需要可视化环境是当前国内外重要的 高新技术问题。例如争论胜利而正在使用的IVOD三维可视化软件，在建 立空间信息查询系统、施工管理与帮助决策以及仿真系统等方面广泛应 用。 3S技术。人们把遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS） 统称为3s技术，是以处理地球表面上的大量数据为主要特征的空间信息 技术。人类信息资源的80%与空间位置有关，水利信息更是大多数与空间 位置有亲密联

8、系。因此，3S技术在水利行业中有着广泛的应用前途。在 3S技术后面，还需要有数学模型、模式识别、决策支持系统等的其它信 息技术的支撑。三、水利信息学在水利工程中的应用水利信息学在大陆已得到了卓有成效的进展和应用，特殊是在水文水资源、 环境水力学、灾难水力学、水土保持、流域规划与管理、水利工程设计、施工与 管理等方面的应用尤为快速。水利信息学在水利工程中的应用可归纳为以下几个 主要方面。1 .数字流域数字流域是借助于现代化科技手段，建立的空间信息为核心的物理流域的数 字平台，在此平台上建立流域的数字化争论环境，采用数学模型，对流域治理、 资源开发，与管理各种方案进行模拟，分析和争论，并在可视化的

9、条件下，供应 决策支持系统，增加决策的科学性和预见性。黄委会实施“数字黄河”工程，就 是全面应用水利信息学的手段解决黄河所需要解决的问题。工程规划近期以急需 的基础设施和完善监测体系为基础，以防汛减灾、水量调度、水质监控、水土流 失治理与监测、工程建设与管理和电子政务等应用系统建设为重点。数字流域包含了各方面的水利信息技术，从水文、地形、地理、工程规划、 河道管理以及流域规划设计中所需要进行的一系列的信息技术系统。其它各大江 大河如长江、淮河、珠江等，都在逐步的使流域规划走向数字化。都江堰管理局 实施“数字都江堰”工程，以信息化带动灌区水利现代化，充分采用先进的管理 手段和现代科学技术，以计算

10、器技术为支撑，建立起一个可平安、准时、精确 地把握雨情、水情、旱情、工程状况、环境、管理等多种信息的都江堰水利自动 化管理系统，提高信息采集、传输的时效性和自动化水平，为实现水资源优化配 置供应手段，为防汛抗旱决策供应依据。2 .工程三维动态仿真技术近10年来，国内不少单位借助于计算器技术，系统科学及工程科学的进展, 深化争论了三维动态，可视化仿真理论及其在工程中的应用。天津高校使登华教 授于2002年出版的“可视化仿真技术及其应用” 一书，从系统仿真原理，系统 仿真技术，进呈现状及其应用，做了全面的具体的介绍，这是水利信息学在水利 水电工程规划，设计中应用的胜利实例。仿真可视化可以用适当的图

11、形表示和显示数据场中各种物理量的状况，可以 对画面进行交互操作，也可以转变观看位置，缩小与放大等等，能连续显示整体 或部分的三维数据场不同时刻的概况，以便人们有可视化人机界面下，实现驾驶 计算可视化。例如：锤登华所介绍的地下厂房施工系统动态可视化仿真与进度优 化成果中，把二滩水电站的地下厂房如此全面、逼真的和施工管理及其便利的成 果，可以随时检阅不同时期，不同阶段的施工进度。此外，仿真模型也早已应用 于其它各个领域，程晓陶等人对城市防涝仿真做了大量的进展和应用，他们先后 对深圳、广州及天津、沈阳、海口等城市的城市洪涝仿真做出了成果，在洪涝仿 真模型中，考虑了不同频率的城市河道洪水、市区暴雨及其

12、它因素而组合的洪涝 过程，考虑了城市区域建筑物的密度，防洪设施，排水系统，地形地貌的变化等, 综合反映了人为活动因素对洪涝风险变化的影响等等，最终将其成果具有良好的 可视性，在这些建模与计算过程中，充分采用了一些先进的信息技术。3 .水利信息学在大型工程的施工管理中的应用近年来，水利水电建设集团公司刘家川等开发了一系列的有成效的施工管理 软件，解决了三维建摸技术，施工仿真技术和信息可视化三大技术难题，为三峡 船闸、厂坝建筑物、水布城大坝、索风营、公伯峡等大型工程的施工管理做出了 成果，特殊是结合龙滩大坝的施工进程实际进行了仿真及优化计算，最终的三维 动画、表格、文本等形式输出，为施工单位动态可

13、优化和施工管理供应了特别便 捷的管理工具。4 .数字试验室水利信息学在水力学争论中的应用，早在80年月已经开头。近四分之一世 纪以来，数学模型和数值仿真广泛的应用在洪水演进、河口治理、波浪运动、泥 沙运动和冲淤等方面，有很多成熟的方法，已取得大量的成果。大陆对灾难水力 学，环境水力学，城市水力学等，也早开头引进信息技术做出了成果。但是，对 于三维的工程问题，至今尚未提出有效的信息技术来代替或部分代替物理模型的 方法，有的工作也已开头了争论。在水工模型试验方面，虽然整体和三维模型试 验尚不能一时全部代替，但是对一些局部的体型设计，也已开头了优化选择，如 陈肇和教授等提出的溢流挑坎、弯道等体型的计

14、算，就是很好的实例。尽管为了 取得一些有用的参数，还需要进行必要的试验，但总体上讲，可以大大节省了试 验优选时间。关于这方面，有人提出所谓“数字试验室”，也就是今后应加大水 利信息学在水工模型试验中应用的争论力度，争取在物理模型试验方面也来一次 更大的改革。5 .水利信息化水利是一个信息密集型行业，水利信息包括水雨情信息、汛旱灾情信息、水 量水质信息、水环境信息、水工程信息等。水利信息化就是在水利全行业普遍应 用现代通信、计算器网络等先进的信息技术，充分开发应用与水有关的信息资源, 直接为防洪抗旱减灾、水资源的开发、采用、配置、节省、爱护等综合管理及水 环境爱护、治理等决策服务，提高水及水工程

15、的科学管理水平。水利信息化是水 利现代化的基本标志和重要内容，信息技术在水利工程管理中的越来越得到广泛 的应用。在2001年水利部提出“用水利信息化推动水利现代化”。大陆水利信 息化的建设任务可分为三个层次：水利基础信息系统工程的建设，包括分布在全国的相关信息采集、信息 传输、信息处理和决策支持等分系统建设，涉及到防汛指挥、水质监测 评价、水土保持监测与管理、水资源管理决策支持系统等。 基础数据库建设，包括防汛指挥系统综合数据库(雨情、工程数据、社 会经济数据、历史大洪水数据、方法库等)、水文数据库、水资源数据 库、水质数据库、水土保持数据库、水工程数据库、水利经济数据库、 水利科技信息库、法

16、规数据库、水利文献专题数据库和水利人才数据库 等。综合管理信息系统建设，包括水利工程建设与管理信息系统；水利政务 信息系统；办公自动化系统；水利信息公众服务系统建设；水利规划设 计信息管理系统等。2003年水利部正式颁布全国水利信息化规划，2001年4月将水利信 息化建设命名为“金水工程”。四、结束语世界性的信息技术革命，带动了水利科学争论领域的巨大的变化，产生了水 利信息学，这就使水力学争论产生了一片新的宽阔的天地。依据上述各章内容可 以看出，水利信息学可以依据不同的用户的需求，将不同形式的电子封装器封装 的学问统一成新的学问封装器，以使指导实际应用。尽管实际问题千差万别，但 是水利信息学将

17、各种不同形式上的学问汇合在一起，形成一种特定的有用学问的 过程存在某种统一的特征。也就是说，它是由引出学问开头，通过以二进制表示 的学问进行重新组合，并将其以信息为代表的学问应用于同样以二进制表示的域 学问，来最终达到将结论性的学问恢复成为实际的应用形式。水利信息学的提法来自于国外，但中国大陆水利学术界已有相当深化的争 论。中国是水利大国，水利信息学在大陆将会快速进展和取得辉煌成果。参考文献. bbott, M.B., Central Issue of Teaching within the HydroinformaticsParadigm, Le Houlle Blanche, 1991,4

18、6(3-4)1 . V.M.Bendre, Hydroinformatics in the Context of Water ResourcesDevelopment in India: Challenges and Opportunities, Proceeding of the5the HydroinformaticsConference, 2002, July.2 .罗磷，傅晓英，水信息学与环境水力学，中国环境水力学2002,成都.李树平，水信息学概述，给水排水，2002, 28 (4)3 .王煜，杨立彬，候传河，王道席，胡永生，采用面对对象技术争论开发水 量调度决策支持系统.杨开林，调

19、水工程运行的计算器仿真，水利水电技术，2003年4 .刘永川，李桂芬，水利信息学的进展，97水力学学术，争论会论文集，1997,6 广州8 .李国英，建设“数字黄河”工程，中国水利，2002年第2期.键登华，郑家祥，刘东海，张伟波，可视化仿真技术及应用，中国水利水 电出版社，2002年1().黄文典，何进朝，李志勤，GIS技术在成都水系水质模拟中的应用，中国环 境水力学2002年1L陈述彭，鲁学军等，地理信息系统导论，科学出版社，2000年12 .使登华，朱慧蓉，黄伟，水利工程施工总布置动态信息可视化方法，水利学 报8期,2003年. Goodwin P.，Aquatic Systems Review-An Hydroinformatics Perspective13 . Proceedings of the 4th International Conference(papers on CD-ROM) 2000, Iowa.周学文，张建云，水利信息化及其进展思路，中国水利报2002-1314 .彭述明，在都江堰建堰2260周年纪念会暨国际论坛上的报告，2004年8月