贵仁建模工具

贵仁治水模型云平台是一个综合性水循环模型服务平台，包含云服务平台、建模工具端以及基础的模型引擎库模块；云服务平台以容器云微基础，提供模型算法容器、不同模型方案调度、模型实例托管、用户权限管理等功能；建模工具端基于云平台提供的微服务模块，提供快读处理大批量的水文数据、便捷生成模型输入文件、模型方案以及模型数据的可视化等功能。模块引擎库包括水文模型、水质模型、水动力模型、水工建筑物模型及各种模型的耦合模型等模型算法。

治水模型云平台可以广泛应用于流域洪水预报、城市防洪排涝、区域水质模拟、河湖水库调度、风暴潮模拟等业务系统，为“水多”、“水少”、“水脏”、“水浑”等问题提供合理化决策与支持。

图1  治水模型云系统内部衔接关系

治水模型云平台整体架构包括云平台、开发者平台、控制台、建模工具四部分，贵仁建模工具、开发者平台以及控制台是基于云平台提供的微服务实现的可视化功能模块。

云平台采用微服务架构，基于Kubernetes + Dockers技术，兼容开源API，以容器云为基础模型运行，兼容层为计算核心，网络文件存储作为模型计算数据交换中间件，以RESTful形式到微服务为计算服务接口为中间件，建模工具客户端为终端，模型及容器云管理服务平台为Web端。模型云平台从结构上分为展示层、网关层、开放层、微服务层以及支撑层，整体架构图见图2。

图 2 模型云整体架构

模型计算服务平台以容器云为基础，模型运行兼容层为计算核心，网络文件存储作为模型计算数据交换中间件，以RESTful形式到微服务为计算服务接口为中间件，统一计算接口作为模型云终端，为异构模型算法、模型率定、模拟计算、模型实例、数据请求等，提供计算服务、存储服务、容器服务、镜像服务、任务调度、数据加工、数据收发、租户管理、用户管理、权限认证、消息收发、实例托管等服务。

（1）镜像、容器服务

镜像用于构建模型算法引擎依赖的环境配置和模型算法引擎库的管理，容器用于模拟、率定运算过程的计算资源配置，并运行算法引擎的镜像；

（2）任务调度服务

基于建模工具端生成的模型方案，对不同模型引擎算法、不同模型方案任务实现统一的数据加工、数据分发、数据存储、存储管理等功能

（3）数据加工、数据收发服务

用于对贵仁模型算法引擎计算后产生的不同类型的模型文件数据进行解析和加工，以及对模型结果数据的标准接口请求；

（4）模型实例托管服务

对已经进行参数率定和验证的模型实例进行托管，存储于云端的模型实例不受本地服务器的限制，可随时从云端下载和查看，同时提供应用请求时的调用以及模型实例的升级和维护等服务；

（5）租户管理、用户管理、权限认证服务

对不同模型用户进行身份和权限认证，对租户的信息和数据进行隔离，确保模型用户的信息安全以及该用户使用的地方水雨情数据、测站信息、基础地理数据的安全性。

（6）计算和存储服务

提供弹性可扩展的模型计算资源及结果数据存储资源提供自主研发的模型算法引擎，包括：一维产汇流、一维河道水动力、一维河道水质（AD、WQM）、二维产汇流、二维地形水动力、二维地形水质（AD、WQM）、水文产汇流（新安江、API）、水文率定（新安江）、水文河道水力（MSK）、排水管网产汇流、排水管网水动力、排水管网水质、一二维耦合、一二维+管网耦合等；

（7）模型云服务

支持公有云、私有云服务，根据客户需求进行部署，确保数据安全、不泄露，同时支持Windows&Linux跨平台部署，不同系统间可操作性良好。

建模工具基于云平台提供的微服务模块，实现了水雨情数据处理、模型方案搭建、模型参数率定验证、生成模型实例等功能，具体包括以下七部分。

（1）数据处理一体化

建模工具端可实现模型数据前后处理一体化，模型前数据处理包括对区域内的降雨数据、水位数据、气象数据、河道信息、断面信息、地形数据、水工建筑物信息等数据进行标准化处理，供模型引擎识别计算；模型后数据后处理即对前处理的数据以及模型结果进行图、表和动画输出，简洁明了，可视化明显。

（2）图层管理及分析

对不同类别的模型数据进行分类，分为点、线、面等属性栏图层、通用站点图层、一维水动力图层、二维水动力图层、耦合图层、排水图层、二维地形图层等，分门别类对不同属性进行管理，方便操作及分析。

（3）操作性能优良

支持大批量模型数据的操作处理：不同类型格式数据（txt、csv、shp、tiff、geo）导入、基于DEM的水文分析、高程散点差值、数据拓扑分析、百万级别地形网格数据处理以及模型对象的操作。

（4）建模过程可视化

模型搭建及操作界面可视化，所有模型对象（站点、河道、断面、边界、检查井、管网等）均支持可视化输出，同时可进行2D和3D的可视化建模，对于立体建筑物及地形的分析操作更加直观清晰。

（5）多模型一体搭建

支持水文模型、水动力（一维、二维）模型、管网模型、水质模型等多模型一体搭建，摆脱不同模型分类搭建、分类操作后重新整合的弊端，可实现同一窗口、不同模型之间的快速耦合，形成便捷的多模型耦合机制；

（6）工具与云端同步

贵仁建模工具端基于模型云平台服务，不需购买外部其他服务，可提供模型算法引擎调用、计算及存储资源调用、云端模拟计算、结果数据云端解析等能力；

（7）模拟结果展示丰富

基于二三维一体化的展示能力，在前处理及后处理过程中，均可提供良好的可视化效果，如网格地形的三维展示、二维水动力地面漫流的二三维渲染等，建模工具端不需借助外部展示工具可直接查看渲染结果并进行操作。

图3  建模工具模型对象概览

图4二维建模演示

基于不同流域的地理信息数据、城市地表高程数据、河网水系数据、管网（供水管、雨水管、污水管）数据、水利工程数据等，使用建模工具，搭建河道水力、河道水质、排水管网水力、排水管网水质、二维地形淹没等数字模型，打造全国各地区数字治水基础底座。

（1）河道水力模型

使用河道中心线、河道断面、汊点、水闸、水堰、水泵、边界条件等模型对象和数据，完成对城市内河道的路径、河床横断面形状、河道连接、河道水利工程的数字化表达，搭建一维河道水力模型和水质模型，用于模拟计算河道水动力；

（2）河道水质模型

在河道水力模型的基础上，增加水质因子，水质边界条件、水质变化时间序列条件，对河道水质情况进行数字化表达，搭建一维河道水质模型，用于模拟计算河道不同水质因子的变化；

（3）排水管网水力模型

使用子汇水区、排水管、检查井、排水堰、排水泵、蓄水池、水质因子、雨量站等模型对象和数据，完成对城市内排水管网的路径、管段形状、检查井形状、管网连接、排放口、排水泵站等相关设施的数字化表达，搭建排水管网水力模型和水质模型，用于模拟计算排水管网水动力的演进；

（4）二维地形淹没模型

通过使用网格化的剖分，并将地表高程数据赋值给网格节点的方式，搭建网格化二维地型模型，定义模型输入的边界条件，可用于模拟计算二维地形水动力的演进；

（5）河道水动力与二维地形的耦合模型

通过使用侧向耦合的方式，将河道模型与二维地形模型进行耦合，用于模拟计算河道在超标入流的情况下，产生超标水位对城市地表的浸漫、退水的过程及淹没影响；

（6）排水管网与河道水动力的耦合模型

通过使用排水口与河道断面的耦合，将排水管网与河道水动力模型进行耦合，用于模拟计算排水管网的排放，对于河道的水位的影响，以及河道水位上涨后，对于排水管网的排水能力影响；

（7）排水管网与二维地形的耦合模型

通过将排水管网的检查井与二维网格地形的耦合，用于模拟计算检查井的溢流、回流对于城市地表的淹没的影响；

图5一二维耦合示例

图6 二三维一体化展示