水利信息学应用简述

第八水利信息摩应用敬12月李桂芬，王连祥中国水利水电科学研究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研究中的应用举例等。以期在今后水力学研究中，更多地引入水利信息学的概念，使我们的传统水力学研究，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年代后期，国际水利工程与研究协会(IAHR)计算水力学专委会主任阿博特教授(AbbottM.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“水利信息学是研究有关水体和水体所传输物质的流动中同自然和人工的环境产生交互过程的知识和信息流一门科学”。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、研究、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一定背景的。传统的水力学是以文字的形式或图表来传达知识并应用于实践，从20世纪的60年代到80年代，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绝对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，各种信息几乎都以电子形式储存和传输。知识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知识相融合。正是由于这种信息表现形式的巨大变化，在知识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，正逐渐占领这个新空间的就是水利信息学。水利信息学是伴随着电子知识封装系统迅速发展，通过科学研究与工程管理实践产生的，它涵盖了传统水力学的知识，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，计算水力学的研究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研究和施工的各个领域，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，所取得的一系列的研究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，它对今后发展水利事业也是非常重要的。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研究技术密切结合的信息技术专门领域，主要内容简述如下：数据采集与处理。水力学研究中，量测数据的采集与处理，是最基本的内容。水利信息学的出现，水利学专家可以通过与感觉相似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心的自然科学的问题上来。•人工智能。人工智能是当前科技发展中的一门前沿学科，它是将人类智能在机器上的模拟。人工智能研究领域中有专家系统、机械学习、智能控制、智识发现和数据挖掘、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非常广泛，例如，洪水预报、工程布置选择、工程结构破损预测、快速水力学数值模拟、水质控制及水量调度等等。人工智能在其它领域里早已有应用，但在水力学研究中尚处起步阶段。•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，根据所规定的目标进行优选。也就是利用优化技术方法，对目标函数予以求解，得到最理想的目标。在水利信息学研究领域内，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、控制等方面。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、水质模型、经济模型、资源模型、控制模型等等多种。•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。例如研究成功而正在使用的IVOD三维可视化软件，在建立空间信息查询系统、施工管理与辅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密切联系。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发展和应用，特别是在水文水资源、环境水力学、灾害水力学、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迅速。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。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研究环境，利用数学模型，对流域治理、资源开发，与管理各种方案进行模拟，分析和研究，并在可视化的条件下，提供决策支持系统，增强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，充分利用先进的管理手段和现代科学技术，以计算器技术为支撑，建立起一个可安全、及时、准确地掌握雨情、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提供手段，为防汛抗旱决策提供依据。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发展，深入研究了三维动态，可视化仿真理论及其在工程中的应用。天津大学锤登华教授于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，发展现状及其应用，做了全面的详细的介绍，这是水利信息学在水利水电工程规划，设计中应用的成功实例。仿真可视化可以用适当的图形表示和显示数据场中各种物理量的情况，可以对画面进行交互操作，也可以改变观察位置，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方便的成果，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发展和应用，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，最后将其成果具有良好的可视性，在这些建模与计算过程中，充分利用了一些先进的信息技术。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、水布垭大坝、索风营、公伯峡等大型工程的施工管理做出了成绩，特别是结合龙滩大坝的施工进程实际进行了仿真及优化计算，最后的三维动画、表格、文本等形式输出，为施工单位动态可优化和施工管理提供了十分便捷的管理工具。数字试验室水利信息学在水力学研究中的应用，早在80年代已经开始。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，有许多成熟的方法，已取得大量的成果。大陆对灾害水力学，环境水力学，城市水力学等，也早开始引进信息技术做出了成绩。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，有的工作也已开始了研究。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，也已开始了优化选择，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，可以大大节省了实验优选时间。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研究力度，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、利用、配置、节约、保护等综合管理及水环境保护、治理等决策服务，提高水及水工程的科学管理水平。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，带动了水利科学研究领域的巨大的变化，产生了水利信息学，这就使水力学研究产生了一片新的广阔的天地。根据上述各章内容可以看出，水利信息学可以根据不同的用户的需求，将不同形式的电子封装器封装的知识统一成新的知识封装器，以使指导实际应用。尽管实际问题千差万别，但是水利信息学将各种不同形式上的知识汇集在一起，形成一种特定的有用知识的过程存在某种统一的特征。也就是说，它是由引出知识开始，通过以二进制表示的知识进行重新组合，并将其以信息为代表的知识应用于同样以二进制表示的域知识，来最终达到将结论性的知识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入的研究。中国是水利大国，水利信息学在大陆将会迅速发展和取得辉煌成果。参考文献bbott,M.B.，CentralIssueofTeachingwithintheHydroinformaticsParadigm,LeHoulleBlanche,1991,46(3-4)V.M.Bendre,HydroinformaticsintheContextofWaterResourcesDevelopment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