CN102708245A - 一种突发性水质污染事故模拟仿真及可视化服务*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种突发性水质污染事故模拟仿真及可视化服务***，该***采用B/S(浏览器/服务器)结构，在服务器端提供突发性水质污染事故的模拟仿真计算服务，根据水质和水文监测数据、突发事故信息和污染物信息，利用水动力模型和水质模型对污染物扩散趋势进行仿真预测，将仿真结果数据存入数据库；利用WebGIS技术将仿真结果数据与空间信息相关联,在用户端浏览器上以GIS地图形式表现突发性水质污染事故的时空变化动态效果，用于对突发性水质污染事故的应急处置和决策支持。本发明提供了一种可进行远程操作和网络访问的突发性水质污染事故模拟仿真及可视化服务***，满足目前对于突发性水质事故进行快速有效模拟仿真服务的要求，可为各类水环境监测***和水质监测预警***服务。

Description

一种突发性水质污染事故模拟仿真及可视化服务***

技术领域

本发明属于环境水力学、地理信息技术与计算机数字仿真学的交叉领域，涉及一种突发性水质污染事故的模拟仿真及可视化服务***的构建方法，特别是指通过结合WebGIS技术和水力学仿真技术构建网络服务***，提供对突发性水质污染事故的动态模拟仿真服务，及可视化展示服务。该***能为水环境监测、水质安全保障工作提供有效的支撑和服务。

背景技术

饮用水安全问题关系到广大人民群众的健康、生命安全和社会的和谐稳定。近年来，水体污染事件的频频发生引起了公众的高度关注。城市对突发性水体污染事故的反应速度和决策处理能力成为了城市居民饮用水安全保证的关键因素之一，也成为衡量水环境管理决策现代化的重要标志。

要控制和减少突发性水质污染事件造成的危害，一个有效的方法是利用水质模拟仿真技术对水质污染事件进行分析评估，以采取有效的应急措施和整治方案。通过利用水力水质数学模型，对突发性水质污染事故进行模拟仿真，获得水体水质和特征污染物的扩散趋势信息，可为事故下游区域对突发性水质污染事故进行应急处置提供辅助决策信息，目前已在越来越多的水环境监测预警***中得到应用。

目前，国内外实现水质仿真的主流软件大多由数据处理、科学计算、仿真模拟、和数据可视化功能模拟各种水质组分，并通过输入和输出文件与其他模型联合运行。软件主要用于河流的水力学、水质和泥沙传输的模拟，在水资源水量水质管理、水利工程规划设计方面应用广泛，并取得了较好的模拟效果。

但是，上述水质模拟仿真软件由于其局限性，在应用到突发性水质污染事故中时往往遇到很多问题：

（1）多数仿真软件体积庞大，单机运行速度缓慢，仿真效率低下，影响突发性水质污染事故的快速处理和应对；

（2）软件功能繁多、使用复杂、难以全面掌握，要求用户具备较高的水力学基础知识和数学仿真专业知识，而突发性水质污染事故的分析工作一般只用到软件的小部分功能；

（3）软件应用局限于单机，即其软件操作、模型构建、结果展示都只能在本地进行，无法实现网络化的应用；

（4）在软件的维护和升级方面需要专业人员进行维护。

针对以上问题，本发明通过构建一种可提供远程仿真服务的突发性水质污染事故模拟仿真及可视化服务***，改变水质模拟仿真本地运行的传统模式，建立不受地域限制、自助式的突发性水质污染事故远程仿真服务模式，实现***用户的计算资源优化配置、仿真计算效率提高和仿真结果共享的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有水质模拟仿真软件只限于本地运行、无法提供网络化服务的不足，提供一种支持远程操作的突发性水质污染事故模拟仿真及可视化服务***，利用该***可建立不受地域限制、自助式的突发性水质污染事故远程仿真服务，用户在浏览器端输入事故信息、污染物信息、仿真模型参数等，服务器端根据用户的配置，自动运行模拟仿真计算，计算结果返回至用户浏览器端，结合空间信息，以地图形式提供可视化展示。该发明可为各类水质监测预警***提供支持多任务的突发性水质污染事故模拟仿真计算服务，可显著提高现有水质监测预警***的自动化水平和智能化水平。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：***采用B/S(浏览器/服务器)三层网络结构构建，包括数据服务层、应用服务层和用户层（图1）。其中：

（1）数据服务层负责突发性水质污染事故相关的空间数据和属性数据的存储、共享和管理，包括：

a.基础数据库:包括水质数据表、水文数据表、突发事件信息表、用户信息表等；

b.仿真数据库: 包括仿真任务信息表、仿真模板信息表、仿真结果信息表、污染物排放信息表、地图服务信息表、仿真模型文件表；

c. 地图数据库: 对突发水质事故相关空间数据进行组织，包括基础地形矢量数据、栅格影像数据、污染事件数据。

（2）应用服务层是用户层（Web 客户端）与数据服务层之间的逻辑层，负责主要业务逻辑的实现，包括：

a. Web服务器: 用于根据用户浏览器端的请求，向数据服务层查询获取需要的数据后发送给用户层进行展示；

b. 仿真服务器: 用于根据用户浏览器端的仿真计算请求，实现对突发性水污染事故的仿真模拟计算，获得污染物扩散预测的浓度时间序列，作为仿真结果数据存储至仿真数据库；

c. GIS服务器: 采用ArcGIS Server实现地图服务，并将这些服务提供给用户层使用。

（3）用户层（也称为Web客户端层），由Flex技术实现，用来完成地图数据和业务数据的集成展示以及人机交互的相关逻辑，将仿真计算结果数据以地图和图表形式呈现给用户，主要提供如下功能单元：

a. 仿真结果展示单元: 实现仿真结果数据在GIS地图上的动态渲染，实现突发事件相关属性数据，包括水质数据、水文数据、污染物信息、事件信息等在GIS地图上的集成展示，该单元包括污染物扩散动态模拟图和断面污染物浓度时间序列图。

b. 仿真任务管理单元，实现仿真任务的列表管理，包括新建、运行、停止、删除、查看、发布仿真任务等功能；通过选择已有仿真模板新建仿真任务，编辑参数后运行计算，运算结束后查看结果，如结果符合要求，则进行结果发布，将仿真结果数据存储至仿真结果信息表；

c. 仿真模板管理单元: 实现仿真模板的列表管理，包括新建、编辑、删除仿真模板等功能，仿真模板用于派生出不同的仿真任务；

本发明的关键为仿真服务器的实现和仿真结果浏览端的动态渲染，其中仿真服务器的特点是支持多任务的突发性水质污染事故的数值仿真计算，包括水动力学计算和水质模型计算，获得污染物浓度的预测时间序列，以统一格式存储至仿真结果数据表供用户层调用显示。用户层的仿真结果展示单元利用WebGIS技术，实现仿真结果数据在GIS地图上的扩散动态渲染，并实现突发水质污染事件相关属性数据，包括水质数据、水文数据、污染物信息、事件信息等在GIS地图上的叠加显示。

如图2所示，本发明中仿真服务器的原理如下所述：

（1）仿真服务器包括仿真任务管理引擎、仿真计算引擎、仿真结果处理引擎三部分。

（2）仿真任务管理引擎包括仿真模板管理、仿真任务管理和仿真任务队列控制三部分。其中：

仿真模板管理部分用于支持用户实现仿真模板的新建、编辑和删除操作。仿真模板的基本信息包括：模板ID、模板名称、模板类型、所属水域、所属行政区域、目标水域网格数据、河流断面数据、边界条件数据、水文数据、水质数据、模板说明、创建人、创建时间、修改人、修改时间等。其中网格数据是对目标水域进行空间上的网格划分，将目标水域按一定的分辨率大小，划分成细小的网格，进行编码并存储至地图数据库。

仿真任务管理部分用于支持用户实现仿真任务的新建、编辑和删除等操作。仿真任务的基本信息包括：任务ID、任务名称、关联仿真模板ID、任务状态、模拟开始时间、模拟结束时间、计算执行人、关联事故ID、任务创建时间、运算开始时间、运算结束时间、运算时间步长、水动力输出步长、水质输出步长、任务说明、任务创建人、任务创建时间、任务运算结果等。其中任务状态包括：待运行、运行中、运行完毕。

仿真任务队列控制部分用于根据仿真任务数据库中待运行任务的任务创建时间，自动建立仿真任务队列，周期性查询仿真计算引擎的工作状态，当仿真计算引擎的状态为空闲时，自动将仿真任务队列中的首个任务送至仿真计算引擎进行仿真计算；当仿真计算引擎的状态为运行时，进行等待。

（3）仿真计算引擎实现仿真任务的数值计算，包括水动力学仿真计算和水质仿真计算两部分。其中：

水动力学仿真计算部分针对目标水域（河流、湖泊、水库），利用相应的一维或二维水动力学方程进行建模和网格化，调用水文信息数据，进行数值求解以模拟水文特征值（水位、流量），获得目标水域上各个时刻的水位、流量等水文要素信息，为后继的水质仿真计算提供基础信息。

水质仿真计算部分利用水动力学仿真计算部分产生的水文要素信息，及历史水质信息和污染物初始信息，利用一维或二维对流扩散方程, 模拟水体中溶解或悬浮物质的对流和扩散过程，求解获取目标水域上各个时刻的污染物浓度信息。

（4）仿真结果处理引擎实现对不同仿真模型的计算结果进行归一化处理，以返回统一的仿真结果数据格式。每次仿真计算结束后，仿真结果处理引擎在仿真数据库中新建一张与该任务对应的仿真任务运算结果表，将由仿真计算引擎获得的目标水域上各个时刻的污染物浓度信息存入仿真任务运算结果表。仿真任务运算结果表包括如下主要字段：结果项ID、污染物浓度、时刻、对应断面ID。

本发明中仿真结果数据在浏览器端的动态渲染技术流程如图3 所示，原理如下所述：

（1）仿真结果数据，是指突发性水质污染事件，经过仿真服务器的计算，获得的目标水域上各个时刻的污染物浓度时间序列数据。

（2）动态渲染，是指仿真结果数据在用户层的仿真结果展示单元以污染物扩散动态效果图的形式进行展示，即目标水域上的污染物浓度数据，在GIS地图上以逐帧显示的方式，显示连续的动画效果。

（3）动态渲染技术的实现，包括仿真数据传输、浓度颜色转换、网格动态渲染三部分（如图5），其中：

仿真数据传输部分用于提供访问仿真结果数据库的接口，实现按帧获取某一时刻目标水域所有网格污染物浓度值的目的。将仿真结果数据库中的目标水域污染物浓度时间序列数据，转换为“渲染帧”格式提供给Flex应用程序进行动态渲染。 如图4所示，“渲染帧”以XML格式存储，包括帧头和数据两部分，帧头部分包括帧序号、帧数据时间属性、任务ID等；数据部分包括N段数据，N为目标水域的网格数量，每段包括网格ID、该网格内的污染物浓度值。

浓度颜色转换部分用于提供从污染物浓度到网格颜色变量的转换，污染物浓度和网格颜色变量的映射规则由用户自行设置，并以数组形式存储在缓存中。用户自行设置水质级别以及各个级别对应颜色变量值，默认设置是分为七个等级，相应以浅蓝色、黄色、橙色、洋红色、深洋红色、红色、褐色七种颜色进行关联映射。

网格动态渲染部分用于按照时间顺序，根据“渲染帧”中的污染物浓度数值，对目标水域的所有网格颜色进行连续的赋值渲染。为了实现动态渲染的有序流畅性，在***中开辟数据缓存区，存储从模拟开始时间到模拟结束时间内，所有的“渲染帧”数据，等待“渲染帧”全部载入后，再开始进行浓度颜色转换和网络动态渲染。

附图说明

图1是本发明的***层次结构示意图；

图2 是本发明的仿真服务器原理示意图；

图3是本发明的仿真任务流程示意图；

图4是本发明的动态渲染数据帧示意图；

图5是本发明的动态渲染原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐释本发明。应理解，这些实施例用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明的具体实施例如下：

（1）如图一所示本发明具体实施例采用B/S(浏览器/服务器)三层网络结构构建，包括数据服务层、应用服务层和用户层。

（2）采用Microsoft SQL 2005设计并建立数据服务层的基础数据库和仿真数据库，其中：

a.基础数据库包括水质数据表、水文数据表、突发事件信息表、用户信息表等；

b.仿真数据库包括仿真任务信息表、仿真模板信息表、仿真结果信息表、污染物排放信息表、地图服务信息表、仿真模型文件表；其中：仿真任务信息表的基本字段包括：任务ID、任务名称、关联模板ID、任务状态、模拟开始时间、模拟结束时间、计算执行人、对应事故名称、任务创建时间、运算开始时间、运算结束时间、运算时间步长、水动力输出步长、水质输出步长、降雨径流输出步长、方案说明、任务创建人、任务创建时间、任务运算结果等。仿真模板信息表的基本字段包括：模板ID、模板名称、模板类型、所属水域、所属行政区域、目标水域网格数据、河流断面数据、边界条件数据、水文数据、水质数据、模板说明、创建人、创建时间、修改人、修改时间等。仿真结果信息表的基本字段包括：结果项ID、污染物浓度、时刻、对应断面ID。污染物排放信息表的基本字段包括：因子ID、因子编码、因子名称、因子缩写、因子描述、降解率大小、降解率单位等；地图服务信息表的基本字段包括地图ID、地图名称、服务地址等；仿真模型文件表的基本字段包括：模型文件ID、模型文件名称、模型文件路径。

（3）采用ArcGIS 的Geodatabase空间数据库格式设计并建立数据服务层的地图数据库，包括基础地形矢量数据库、栅格影像数据库、水质监测点数据库、污染事件数据库、水厂位置数据库等。Geodatabase 模型是 ArcGIS 中面向对象的空间数据库模型。Geodatabase 模型将与突发性水质污染事件有关的地理要素的空间信息和属性信息集成于同一关系型数据库中，按照层次型的数据对象来组织地理数据，处于层状结构顶端的是空间数据库，往下是按照不同的分类原则组成的要素集（Feature Dataset）、要素类（Feature Class）、栅格数据集（Raster Dataset）以及各种值域规则和行为规则。

（4）应用ArcGIS Server 9.3作为GIS服务器和Web 应用开发框架。ArcGIS Server是用于发布企业级 GIS应用程序的综合平台，提供了创建和配置GIS应用程序和服务的框架，并实现空间数据管理、空间可视化、空间分析的功能，包含两个主要部件：GIS 服务器和 Web 应用开发框架ADF（Application Developer Frameworks）。GIS 服务器由SOM（Server Object Manager）和SOC（Server Object Container）组成；ADF用于构建运行于GIS Server之上的Web应用和Web服务。利用ArcGIS Server，针对不同的目标水域（河流、湖泊、水库等），发布不同的GIS服务，每个服务都是服务器端GIS资源的对外通道，用户通过这些渠道共享服务器端的GIS资源。

（5）利用.NET Framework 和C#语言开发仿真服务器，实现仿真任务队列控制、仿真任务计算、仿真结果输出功能。其中，仿真任务计算包括水动力学仿真计算和水质仿真计算，相应的仿真计算算法根据不同水域类型所对应的水动力学模型和水质模型进行编程实现。以一维河道的水动力学模型和水质模型为例，说明仿真服务器中仿真计算实现的原理。

一维河道的水动力学模型基于一维非恒定流基本方程组(Saint-Venant方程组)，用于描述次临界流和超临界流的运动转态，适用于连续和不连续物理量，描述水流要素随流程坐标x和时间t的变化情况。

Saint-Venant方程组描述如下：

                                           

；

式中: x－距离坐标；t－时间坐标；A－过水断面面积；C－阻力系数；R－水力半径；Q－流量；h－水位；g－重力加速度；q－侧向出流量。

该方程组求解采用追赶法，利用Preissmann四点偏心隐式格式离散上述控制方程，围绕矩形网格中的一点来取偏导数并进行差商逼近。

一维河道的水质模型基于一维均匀河流水质模型构建，用于对水体中的可溶性物质和悬浮性物质对流扩散过程进行模拟，根据一维河道水动力学模型获得的水文信息，应用对流扩散方程，进行计算。该方程基于以下假设：1）物质线性衰减，且在断面上完全混合；2）适用于费克（Ficks）定律，即扩散与浓度梯度成正比。该模型基本方程通式可写成：

；

式中：C－整个断面的平均浓度；Q－流量；A－过水断面面积；u－断面平均流速；D－纵向弥散系数；k₁－污染物衰减速率系数。

此方程是一个抛物线方程，对此微分方程的求解主要通过有限差分法进行离散，然后定义时间层及初始条件和边界条件，再逐层计算就可以得到相应各个时间点上沿河流各个断面上污染物的浓度值。

（6）利用.NET Framework 和ArcGIS API for Flex实现突发水质污染事件相关数据的可视化展示和动态渲染。ArcGIS Flex API是Flex环境下基于ArcGIS Server REST API的开发库。作为面向地图服务的简单开放接口，ArcGIS API for Flex使用一个URL（Universal Resource Locator，统一资源***）作为REST服务的目录，从而将REST资源表现出来。

利用Flex开发环境——Adoble Flex Builder，在其中导入ArcGIS Flex API类库，即可使用该类库提供的所有接口，通过这些接口构造URL以方便快捷的访问GIS服务器上发布的各种地图服务资源，如Map（地图资源）、Layer（图层资源）、Graphic（几何图形资源）等REST资源。

利用ArcGIS API for Flex为突发水质污染事件的仿真计算结果提供可视化服务，实现以下效果：1）显示基础地形数据；2）显示栅格影像数据；3）显示突发水质污染事件相关业务数据，包括监测站信息、水厂信息、污染地点信息、临时监测点信息等；4）提供根据属性或者位置进行数据查询；5）突发水质污染事件仿真结果数据的动态渲染。

（7）利用.NET Framework 和ArcGIS API for Flex实现突发水质污染事件仿真结果数据的动态渲染过程，包括仿真数据传输、浓度颜色转换和网格动态渲染三个过程。

仿真数据传输利用FluorineFX所提供的远程共享对象（Remote Shared Objects）实现，使用二进制编码的AMF协议传递数据，支持数据序列化和反序列化。FluorineFX提供一种在.NET Framework下对Flex/Flash的远程过程调用、Flex数据服务和实时数据的使用技术。通过创建NetConnection对象，通过该对象的Connect方法连接到服务器，然后通过SharedObject.getRemote方法就可以创建一个远程共享对象；然后通过调用Get2DData方法实现仿真数据的调用。调用过程中，为实现按帧获取某一时刻目标水域所有网格污染物浓度值的目的，将仿真结果数据库中的目标水域污染物浓度时间序列数据，转换为“渲染帧”格式提供给Flex应用程序以进行动态渲染。 “渲染帧”以XML格式存储，包括帧头和数据两部分，帧头部分包括帧序号、帧数据时间属性、任务ID等；数据部分包括N段数据，N为目标水域的网格数量，每段包括网格ID、该网格内的污染物浓度值。在***中开辟数据缓存区，存储从模拟开始时间到模拟结束时间内，所有的“渲染帧”数据，等待“渲染帧”全部载入后，再开始进行浓度颜色转换和网络动态渲染。

浓度颜色转换的实现。在整个动态渲染过程中，颜色是表现浓度变化的重要参数，直接关系到动态渲染效果的表达。污染物浓度和网格颜色的映射规则由用户自行设置。通过一组ColorPicker组件将所有颜色存储在Legend数组中，并用Bindable绑定该数组，从而实现对于变量赋值与界面元素的自动同步。另外将ColorPicker组件的“Change”动作绑定ColorPickerEvent事件，一旦图例上颜色设置模块保存了新的设置，将触发ColorPickerEvent事件。***通过Color_changeHandler方法对ColorPickerEvent添加监听，在动态演示过程中随时对渲染的颜色做出修改。实现用户自动定义渲染水质所分级别的个数以及每个级别对应的颜色。

网格动态渲染的实现。基于ActionScript与MXML构建网格动态渲染的时序控制和断点查看功能。按照时间顺序，根据“渲染帧”中的污染物浓度数值，对目标水域的所有网格颜色进行连续的赋值渲染。根据用户对模拟起始时间和模拟结束时间的选取，可以实现污染物扩散过程的动态渲染，时间步长按秒、分、小时、天等进行自行设定；查看场景的前一帧、后一帧、节点历史数据读取、时间轴控制等。每一个节点还对鼠标动作添加了监听，用户可以通过点击，在断点查看工具中看到该点在整个模拟过程中的污染指数曲线图，该节点的各项属性指标以及当前实测值，曲线图还支持局部曲线的放大功能。

Claims (6)

1.一种突发性水质污染事故模拟仿真与可视化服务***，其特征在于：采用B/S(浏览器/服务器)三层网络结构，包括数据服务层（1）、应用服务层（2）和用户层（3）。

2.如权利要求书1所述的数据服务层（1），其特征在于：用于存储、共享、管理与突发性水质污染事故相关的空间数据和属性数据，包括基础数据库（4）、仿真数据库（5）、地图数据库（6）；

所述的基础数据库（4），包括水质数据表、水文数据表、突发事件信息表、用户信息表等；

所述的仿真数据库（5），包括仿真任务信息表、仿真模板信息表、仿真结果信息表、污染物排放信息表、地图服务信息表、仿真模型文件表；

所述的地图数据库（6），对突发水质事故相关空间数据进行组织，包括基础地形矢量数据、栅格影像数据、污染事件数据。

3.如权利要求书1所述的应用服务层（2），其特征在于：作为用户层（3）与数据服务层（1）之间的逻辑层，包括Web服务器（7）、仿真服务器（8）、GIS服务器（9）；

所述的Web服务器（7），用于根据用户浏览器端的数据查询请求，向数据服务层（1）查询获取需要的数据后发送给用户层（3）进行展示；

所述的仿真服务器（8），用于根据用户浏览器端的仿真计算请求，实现对突发性水质污染事故的仿真模拟计算，获得突发性水质污染事故的污染物扩散预测浓度时间序列，结果数据存储至仿真数据库（5）；

所述的GIS服务器（9），采用ArcGIS Server实现地图服务，并将这些服务提供给用户层（3）使用。

4.如权利要求书1所述的用户层（3），其特征在于：由Flex技术实现，用来完成地图数据和业务数据的集成展示以及人机交互的相关逻辑，包括仿真结果展示单元（10）、仿真任务管理单元（11）、仿真模板管理单元（12）；

所述的仿真结果展示单元（10），包括污染物扩散动态模拟图和断面污染物浓度时间序列图；利用动态渲染技术实现在GIS地图上的污染物扩散动态（动画）效果的可视化展示；实现突发事件相关属性数据，包括水质数据、水文数据、污染物信息、事件信息等在GIS地图上的集成展示；

所述的仿真任务管理单元（11），实现仿真任务的列表管理，包括新建、运行、停止、删除、查看、发布仿真任务等功能；通过选择已有仿真模板新建仿真任务，编辑参数后运行计算，运算结束后查看结果，如结果符合要求，则进行结果发布，将仿真结果数据存储至仿真结果信息表；

所述的仿真模板管理单元（12），实现仿真模板的列表管理，包括新建、编辑、删除仿真模板等功能，仿真模板用于派生出不同的仿真任务。

5.如权利要求书3所述的仿真服务器（8），其特征在于：包括仿真任务管理引擎、仿真计算引擎和仿真结果输出引擎；

所述的仿真任务管理引擎，实现仿真模板和仿真任务的管理及仿真任务队列的控制；采用轮询方式查询仿真计算引擎是否处于空闲状态，如空闲，将仿真任务队列中待运行的仿真任务传递给仿真计算引擎；

所述的仿真计算引擎，根据仿真任务管理引擎的控制实现仿真任务的计算，包括水动力学仿真计算和水质仿真计算；利用水动力学模型计算获得目标水域各个时刻的水位、流量等水文要素信息，利用对流扩散模型计算获得目标水域各个时刻的污染物浓度信息；

所述的仿真结果输出引擎，对不同仿真模型的计算结果进行归一化处理，将污染物浓度信息以统一格式存储至仿真结果信息表。

6.如权利要求书4所述的动态渲染技术，其特征在于：在GIS地图上以逐帧连续显示的方式实现污染物扩散的动画效果，包括仿真数据传输、浓度颜色转换、网格动态渲染。

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