基于3S技術(shù)的都江堰水利應(yīng)急指揮系統(tǒng)

陳 曦 ，周曉泉

（1.四川省都江堰管理局，四川 都江堰 611830；2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012）

0 引言

2008 年 5 月 12 日，四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣發(fā)生了 8.0 級(jí)強(qiáng)烈地震，都江堰市屬于 10 個(gè)極重災(zāi)區(qū)之一，在本次地震災(zāi)害中都江堰水利工程受到了不同程度的損壞。

地震災(zāi)害造成的巨大破壞及其次生災(zāi)害可能衍生出的更為嚴(yán)重的后果使我們深刻認(rèn)識(shí)到，自然災(zāi)害雖然不可避免，面對(duì)災(zāi)害，主要從信息化建設(shè)入手，建立一個(gè)以水安全應(yīng)急處理機(jī)制作為核心內(nèi)容的應(yīng)急指揮系統(tǒng)十分重要。

大地震的破壞讓人們體會(huì)到通信異常對(duì)正常生產(chǎn)、生活的災(zāi)難性后果，都江堰災(zāi)后應(yīng)急指揮系統(tǒng)將考慮電力、通訊、交通出現(xiàn)異常時(shí)的調(diào)度手段，結(jié)合 3S 技術(shù)和綜合調(diào)度軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)急調(diào)度指揮。

1 3S技術(shù)概述

“3S”技術(shù)是遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）這 3 種技術(shù)的統(tǒng)稱，是數(shù)字水利的支撐技術(shù)。

RS 的發(fā)展是空間信息科學(xué)的重要技術(shù)支撐，遙感信息是地球空間信息的最重要數(shù)據(jù)源。在遙感領(lǐng)域,“三多”（多傳感器、平臺(tái)和角度）和“三高”（高空間分辨率、時(shí)相分辨率和光譜分辨率）的空間信息獲取技術(shù)日趨成熟，一個(gè)全方位的衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)遙感系統(tǒng)已經(jīng)形成,可以動(dòng)態(tài)、直觀、快速、大面積地監(jiān)測(cè)地理目標(biāo)。

GPS 是個(gè)高精度、全天候和全球性的無線電導(dǎo)航及定位和定時(shí)的多功能系統(tǒng)，在空間信息科學(xué)中主要用于提供目標(biāo)的空間位置，精度從亞毫米級(jí)到幾十米級(jí)不等。GPS 不僅可以作為獨(dú)立的自主數(shù)據(jù)源，而且可以精確定位遙感信息。

GIS 以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)輸入、輸出、組織和管理方面具備強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。更關(guān)鍵的是GIS 為地球空間信息科學(xué)提供了對(duì)信息的分析、綜合、認(rèn)識(shí)、表達(dá)、理解等方面的技術(shù)和模型，使抽象、枯燥的信息變得生動(dòng)形象，同時(shí)它又是一個(gè)理想的決策支持系統(tǒng)。因此 GIS 成為推動(dòng)空間信息科學(xué)深化應(yīng)用的核心[1]。

2 3S技術(shù)在應(yīng)急調(diào)度指揮中的結(jié)合

2.1 應(yīng)急通信支持

為保證都江堰管理局在緊急情況下的即時(shí)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)，根據(jù)實(shí)際情況，擬建立 1 套完全獨(dú)立的，不受第三方設(shè)備制約的無線通訊網(wǎng)絡(luò)：同頻同播無線通訊網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)配備若干衛(wèi)星通訊電話作為輔助通訊保障，以保證在緊急情況下指揮調(diào)度的安全可靠性。

系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容如下[2]：銥星電話；GPS 差分定位系統(tǒng)；基站交換設(shè)備 (基站信道數(shù)為 3)；同播基站；監(jiān)控中心；移動(dòng)臺(tái)站；天饋系統(tǒng)設(shè)備；電源系統(tǒng)。

首先以都江堰管理局區(qū)域中心地帶制高點(diǎn)為中心設(shè)立 1 個(gè)控制中心站，在外江閘和內(nèi)江閘 2 調(diào)度分中心分別設(shè)置 2 個(gè)中繼站，并架設(shè)高增益天線，建立同頻同播無線通信網(wǎng)絡(luò)，使無線通信訊號(hào)覆蓋整個(gè)灌區(qū)，通信網(wǎng)絡(luò)如圖1 所示。當(dāng)值班室需傳達(dá)命令時(shí)，通過基地臺(tái)呼叫，即可將訊號(hào)傳播給區(qū)域內(nèi)的任何一部電臺(tái)，以達(dá)到整體聯(lián)動(dòng)、群體呼應(yīng)的效果，實(shí)現(xiàn)即時(shí)通話、處理事件的功能。

圖1 同頻同播無線通信網(wǎng)絡(luò)

另外在都江堰管理局配備 2 臺(tái)銥星衛(wèi)星電話，在 2 個(gè)調(diào)度分中心分別配備 1 臺(tái)銥星衛(wèi)星電話作為無線應(yīng)急通訊的備份。同時(shí)銥星衛(wèi)星電話結(jié)合 GPS差分定位系統(tǒng)納入應(yīng)急通信統(tǒng)一監(jiān)控管理中心。其通信組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.2 RS 技術(shù)及其應(yīng)用

圖2 銥星通信組網(wǎng)拓?fù)?/p>

衛(wèi)星遙感能在宏觀上反映災(zāi)情，可以看到斷裂帶、水系、一般道路，但由于受分辨率限制，不能精確反映地面情況；航空遙感分辨率較高，也能大范圍獲取影像，可以人為控制重點(diǎn)獲取某個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，進(jìn)行有針對(duì)性的航拍，是反映災(zāi)情、指導(dǎo)救援工作及進(jìn)行災(zāi)情評(píng)估和災(zāi)后重建的重要技術(shù)手段。擬用專業(yè)地理測(cè)繪相機(jī)進(jìn)行航拍，再配以購買的衛(wèi)星遙感圖對(duì)都江堰地區(qū)的地形地貌進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)情況如圖3 所示。結(jié)合已先期建成的都江堰灌區(qū) GIS 系統(tǒng)，能夠?qū)?yīng)急情況下的決策指揮起到良好的支持作用。

圖3 岷江河道衛(wèi)星遙感圖同航空遙感圖的比對(duì)情況

2.3 GPS 技術(shù)及其應(yīng)用

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，具有以下 3 大主要功能[3]：

1）快速定位。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可為服務(wù)區(qū)域內(nèi)各類用戶提供全天候、高精度、快速實(shí)時(shí)的定位服務(wù)，一般定位精度 100 m，差分定位精度 15 m，高程測(cè)量精度 15 m。

2）雙向通信。北斗系統(tǒng)的用戶終端還具有雙向報(bào)文通信能力，注冊(cè)用戶利用連續(xù)傳送方式可以傳送多達(dá) 120 個(gè)漢字的信息。

3）精密授時(shí)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有單向和雙向2 種授時(shí)功能.根據(jù)不同的精度要求，利用授時(shí)終端，可以完成與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)之間的時(shí)間和頻率同步，提供 100 ns（單向授時(shí)）和 20 ns（雙向授時(shí)）的時(shí)間同步精度。

以往的任何通信設(shè)備，僅提供定位功能或僅提供通信功能，“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是可以同時(shí)提供定位與短報(bào)文通信功能，1 臺(tái)主指揮機(jī)進(jìn)行衛(wèi)星定位后，可連接多部類似手機(jī)的“北斗一號(hào)”終端機(jī)，終端機(jī)每次可編寫 120 字的短信發(fā)送到指定手機(jī)上，非常有利于震區(qū)的救援信息傳遞。利用北斗衛(wèi)星作為調(diào)度中心通信系統(tǒng)，具有安裝與維護(hù)方便、功耗低、暢通率高、抗雨衰、防雷擊、抗干擾、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，結(jié)合車載 GPS 定位系統(tǒng)，在突發(fā)事件，需要應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的情況下，尤其能夠發(fā)揮出快速響應(yīng)、通訊通暢等作用。北斗衛(wèi)星通信拓?fù)鋱D如圖4 所示。

圖4 北斗衛(wèi)星通信拓?fù)鋱D

2.4 GIS 技術(shù)及其應(yīng)用

GIS 是很好的輔助技術(shù)手段，利用 GIS 的空間分析、查詢和圖形編輯功能，可以簡化工作過程，提高準(zhǔn)確度。通過建立應(yīng)急指揮決策支持，利用災(zāi)害損失評(píng)估模型、空間可視化和查詢及地理統(tǒng)計(jì)等技術(shù)方法，可以更加直觀地幫助應(yīng)急指揮決策部門及時(shí)得到災(zāi)害的損失情況，輔助決策者進(jìn)行科學(xué)的救災(zāi)決策，從而實(shí)現(xiàn)共享災(zāi)害信息及調(diào)度和協(xié)調(diào)抗災(zāi)資源，為災(zāi)害防御提供了全新的視角和手段。

都江堰灌區(qū)已分 2 期投資開發(fā)建設(shè)有完善的“都江堰灌區(qū)基于 GIS 平臺(tái)的應(yīng)用軟件”系統(tǒng)，該應(yīng)用軟件功能強(qiáng)大且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，地震災(zāi)害沒有對(duì)該軟件產(chǎn)生破壞，經(jīng)過災(zāi)后重建整合，在原有基礎(chǔ)上對(duì)渠首地區(qū)的災(zāi)情監(jiān)測(cè)預(yù)警功能進(jìn)行了強(qiáng)化。其數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

當(dāng)應(yīng)急事件來臨時(shí)，RS 作為主要的空間數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)更新手段，為 GIS 提供空間數(shù)據(jù)和反映目標(biāo)屬性的專題數(shù)據(jù)；GPS 為 GIS 獲取災(zāi)害目標(biāo)要素的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速精確定位；GIS 提供對(duì)多源數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、處理、分析、分類等輔助，提供對(duì)多源數(shù)據(jù)的空間分析和趨勢(shì)分析，以及對(duì)分析成果的二維和三維表達(dá)；決策者通過以上數(shù)據(jù)做出判斷，再通過應(yīng)急通訊支持平臺(tái)將決策命令下達(dá)到各個(gè)行動(dòng)站臺(tái)。也就是說，以 RS 為眼，GPS 為手，GIS 為腦，通訊支持為口，對(duì)領(lǐng)導(dǎo)者的決策指揮提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。其系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)整體架構(gòu)

3 結(jié)語

水利現(xiàn)代化已經(jīng)成為防洪減災(zāi)、水資源管理、水環(huán)境保護(hù)和水土保持的重要手段和技術(shù)支撐，是提高水利工程建設(shè)與運(yùn)行管理效能、水利工程管理工作效率和決策水平的重要途徑。都江堰的災(zāi)后重建，把建立水安全應(yīng)急處理機(jī)制作為核心內(nèi)容，從信息化建設(shè)入手，構(gòu)建水安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急指揮系統(tǒng)，形成了科學(xué)高效的防災(zāi)、減災(zāi)體系。當(dāng)發(fā)生突發(fā)性水安全（山洪和洪澇災(zāi)害、特大干旱、水質(zhì)污染等）事件時(shí)，系統(tǒng)能快速監(jiān)測(cè)預(yù)警，并觸發(fā)應(yīng)急響應(yīng)程序，進(jìn)入聯(lián)動(dòng)指揮與會(huì)商決策環(huán)節(jié)，完成各種形勢(shì)下的應(yīng)急響應(yīng)與決策指揮功能，本系統(tǒng)的建立將極大地增強(qiáng)對(duì)水事災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急指揮能力。

[1]范文義，羅傳文. 3S 理論與技術(shù)[M]. 東北林業(yè)大學(xué)，2005 (7) : 3-5.

[2]四川大學(xué)，四川省都江堰管理局. 汶川地震四川省都江堰灌區(qū)水利信息化災(zāi)后重建實(shí)施方案[R]. 四川：四川省都江堰管理局，2009: 37-38.

[3]吳崇善. 正確認(rèn)識(shí)和應(yīng)用“北斗一號(hào)”導(dǎo)航定位系統(tǒng)[J].當(dāng)代通信，2004 (11): 40-42.