基于Grid Services的水库洪水预报系统研究

摘要：该文在深入研究Grid Services技术的一些最新学术和应用成果基础上，结合目前水库洪水预报系统的需求分析和设计原则，系统地论证了使用Grid Services技术实现水库洪水预报系统可行性和优势。同时根据系统特性和要求，给出了基于Grid Services的水库洪水预报系统的基本框架结构，为实现在Internet环境下进行洪水预报调度提供了分布式计算平台。

关键词：Grid Services；OGSA-DAI；洪水预报

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)25-1443-02

The Research of the Reservoir Flood Forecast System Based on Grid Services

SHI Ya-qing, WANG Mei-juan, HE Yin-jun

(Sci. & Tech., Institute of Science, PLA University, Nanjing 211101, China)

Abstract: This paper studies deeply into newest academic achievement and application of Grid Services technology. In combination with the requirement and design principle of the reservoir flood forecasting system, it also systematically demonstrates the feasibility and advantage by applying Grid Services technology to implement the reservoir flood forecasting system. At the same time, this paper gives a basic framework based on Grid Services of this system,and provides the distributed calculation platform for the flood forecasting deployment on Internet.

Key words: Grid Services; OGSA-DAI; flood forecasting

1 引言

在洪水预报领域中存在着许多数据库，这些数据库是进行洪水预报的基础，它们大多数都分布在各地的水库管理部门，在进行联合调度时，必须实时访问各地的水库管理部门的数据库。但是目前，在洪水预报领域中数据库访问技术存在不足[1]，首先，洪水预报领域的数据库都是被保护在防火墙之下，一般的防火墙只允许像HTTP和SMTP等少数几种应用层协议通过，所以访问数据库的客户端根本无法通过防火墙进行数据库访问。其次，数据库访问接口大部分都绑定在几种实现语言上，造成访问数据库不灵活。

鉴于当前洪水预报领域中访问数据库技术的不足，本文提出基于Grid Services的水库洪水预报系统体系结构，并在全国水库洪水预报系统建设原则指导下，利用OGSA-DAI中间件和集成开发工具，实现水库洪水预报系统的开发。

2 Grid Services

通过Grid Services可以在现有的各种异构平台的基础上构筑一个通用的与平台无关、语言无关的技术层，各种不同平台之上的应用依靠这个技术层来实施彼此的连接和集成。用户不用关心开发者使用什么操作系统平台，也不会关心开发者使用什么语言，只关心开发者能够提供什么样的服务，只要求能随时随地得到自己所需的服务。从技术的角度而言，Grid Services是对象/构件技术在Internet中的延伸，是Web Services的升级，是中间件的一种新形式，是对原有构件技术的必要补充，所以还有人称之为网络中间件。这种构件是被一次部署到Internet中，然后到处可用的一种新型构件。

3 基于Grid Services的洪水预报系统体系结构

以Grid Services为基础构建洪水预报系统，为用户提供各种功能和访问相关数据库的途径。根据水库洪水预报系统的业务功能和事务处理的要求，可以把系统分成以下三个逻辑层：表现层、中间层以及数据库层，如图1所示。

3.1 应用层

应用层用于用户与系统的交互，为用户提供访问中间层，使用网格服务的接口。用户通过应用层访问服务器上的Grid Services获取业务数据或者执行这些Grid Services提供的业务逻辑。

3.2 中间层

中间层即洪水预报系统应用服务平台，它由数据访问与集成服务器组注册器（DAISGR）、各类水利数据服务工厂（GDSF）、水利数据服务实例（GDS）等部分组成，负责处理系统的主要功能和业务逻辑，利用服务组件在中间层进行事务逻辑服务，并为应用层提供访问这些业务逻辑的接口，从而隔离了用户对数据库的直接访问，保护了数据库安全。

3.3 数据库层

数据库层有数据库群组成，用于存储水库洪水预报所需要的空间数据和业务数据。空间数据库主要包括：灌区地形数据库DLG、地名数据库、数字栅格地图数据库DRG、数字正射影像数据库DOM、数字高程模型DEM。业务数据库主要包括：气象数据库、水雨情数据库、工情数据库、水资源数据库、运行数据库、工程特征数据库、洪水预报模型数据库。

4 基于Grid Services水库洪水预报系统的实现

基于Grid Services开发水库洪水预报系统，在国内尚属起步阶段。下面以我们基于OGSA-DAI[2]中间件开发的水库洪水预报为原型介绍系统的设计与实现。

本系统以水雨情、工情数据库和预报模型库数据为基础，以预报计算模型为核心，通过调度会商产生调度指令。系统处理流程如图2。

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图2 系统处理流程

4.1 数据库群的集成

水库洪水预报系统数据库群包括空间数据库和业务数据库两部分：

1) 空间数据库

空间数据库主要包括水库流域地形数据库（DLG）和数字高程模型（DEM）。

2) 业务数据库

业务数据库主要包括：气象数据库、水雨情数据库、工情数据库、水资源数据库、运行数据库、工程特征数据库、洪水预报模型

4.2 网格服务实现

在基于网格数据库水库洪水预报系统开发中，核心技术是网格数据访问服务的建立和调用。本系统的网格数据访问服务是基于GT4开发的。建立一个访问服务实例包括3个过程[3]：

1) 在中间层的数据访问与集成服务器组注册器（DAISGR）中查询要访问的数据库的数据服务工厂。

2) 从注册器中查询得到了factoryURLString，客户程序可向这个GDSF发出请求，并自由地使用它的GSH，并可建立网格数据访问服务。

3) 建立网格数据服务后，即可执行数据库操作。

数据库操作通过向GDS提交相应的服务功能完成，通过GDS访问数据资源的好处是访问不同的数据源采用了统一的界面，非常简便。

4.3 应用层的功能

本系统应用层划分七个核心功能模块：用户信息管理模块、水库基本信息查询模块、历年流量数据输入模块、参数设置模块、洪水预报计算模块、仿真调度模块、调度会商模块。系统运行界面如图3。

1) 用户信息管理模块

为了保证洪水预报系统的正常运行，设立不同的用户权限。普通用户只能对系统进行查询操作，而不能进行基本信息修改以及洪水预报计算、调度会商和仿真调度等功能，从而有效的保证了系统使用的安全性。同时此模块中还为用户提供了修改，增加，删除等功能，以便用户更好的使用。

2) 水库基本信息查询模块

在全局数据库的基础上查询各个水库基本信息，包括：水库特征参数（正常蓄水位、死水位、设计洪水位、校核洪水位、单机额定流量、出力系数等）、水库水位库容查询、各个水电站闸门泄流能力特征表（泄洪洞、溢洪道、表孔、中孔等泄洪设施在不同水位时的起闭情况）、下游水位流量查询。

3) 历年流量数据输入模块

输入各个水库的年平均入库流量、季平均流量、月平均流量等数据，为洪水预报计算模块提供数据。

4) 参数设置模块

根据不同的预报计算模型，设置不同的参数。参数设置界面由三部分组成：时间设置、坝上实时信息、各水库基本参数和预报要求设置。时间设置可以设置预报的开始时间及结束时间，以及时段，但是需根据洪水预报的时间来进行合理设置。

5) 预报计算模块

当选择所需计算的水库、所用算法模型和参数设置完成后，系统便进入预报计算，后台运行无界面显示。运算结束后，可以选择单项图显示，表格显示等多种结果显示方法，并将预报结果保存到数据库。

6) 仿真调度模块

当预报计算模块产生结果后，用户可通过仿真调度来确定调度方案。仿真调度用图形显示，用鼠标直接在图上拖动需要单独调整的数据曲线，并能显示正在拖动曲线上的点的具体数值，使用户更容易生成防洪调度方案。

7) 调度会商模块

将数据库中所保存的所有预报计算的结果和防洪调度方案显示出来，并根据用户的不同要求，通过方案制作时间选择、预报计算模型选择、水库防洪调度方案选择等来比较各种方案的优缺点，从而做出合理的选择。调度会商后，可将选择的方案单独打印或导出保存。

5 总结

水库洪水预报系统采用基于Grid Services技术的方案，将基于网格服务组件的开发方法和面向服务的体系结构合理结合起来，采用多层体系结构，有效解决了洪水预报应用中存在的数据库访问困难问题。

本文讨论的网络环境下的基于Grid Services的水库洪水预报系统方案，为进一步将OGSA-DAI技术应用于水利系统，增强各水利部门之间异构系统的集成，并实现具有柔性扩展的水利信息服务平台做了必要的技术准备。当然实际应用中还存在许多问题值得进一步深入探讨和研究。

参考文献：

[1] 冯建新,于浩海,王光兴. 网格在访问数据库技术中的应用[J].小型微型计算机系统,2005(1).

[2] A Krause.OGSA-DAIArchitecture[R].EPCC,University of Edinburgh,2003.

[3] Shi Long,Du Zhihui.Design and Implementation of an Invoice Database Grid Based on OGSA[J].Computer Engineering and Applications,2005(22).