基于大數(shù)據(jù)的防汛防臺指揮大屏設(shè)計與實現(xiàn)

余麗華，談娟娟，楊 宇

（寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315000）

1 問題的提出

中國沿海城市受大氣南北環(huán)流交替影響，臺風(fēng)災(zāi)害天氣較多，而防汛防臺工作又是一項十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，須綜合氣象、水雨情、工情、工程安全、視頻、險情等情況，按照效益最大化原則對洪水進行科學(xué)調(diào)度，對各類險情進行及時搶護，以達到確保生命安全、把洪澇災(zāi)害損失降低到最低的目標(biāo)。經(jīng)過10多年的信息化建設(shè)，水利行業(yè)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，大量的業(yè)務(wù)系統(tǒng)有效支撐著防汛防臺管理業(yè)務(wù)的開展，但也出現(xiàn)了如系統(tǒng)眾多、業(yè)務(wù)分散，功能復(fù)雜、操作繁瑣，信息量大、價值不高等問題。

以大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)日益發(fā)展并逐漸成熟，正深刻影響我國信息化的各個領(lǐng)域，從水利業(yè)務(wù)管理的角度來說，全面推進水利業(yè)務(wù)與新一代信息技術(shù)的深度融合，深化大數(shù)據(jù)在水利工作中的創(chuàng)新應(yīng)用，有助于促進傳統(tǒng)水利管理模式的全面升級[1]。面向和服務(wù)于防汛防臺指揮部門，利用大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)構(gòu)建防汛防臺數(shù)據(jù)大屏，深度挖掘氣象預(yù)報、汛情監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報、應(yīng)急管理、指揮調(diào)度等的防汛防臺綜合信息，將分散的防汛防臺業(yè)務(wù)信息全部匯聚、流動、關(guān)聯(lián)起來，并以可視化的形式展現(xiàn)信息之間的關(guān)聯(lián)性，可有效支撐業(yè)務(wù)分析與管理決策。

2 防汛防臺數(shù)據(jù)采集分析

防汛防臺數(shù)據(jù)大屏的應(yīng)用以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，整合防汛防臺相關(guān)數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的分析計算，數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系的挖掘，最終以有效信息的形式將數(shù)據(jù)的價值展現(xiàn)出來。

2.1 大數(shù)據(jù)應(yīng)用框架構(gòu)建

以現(xiàn)有的水利數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，利用成熟的Hadoop、Spark等大數(shù)據(jù)組件構(gòu)建大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)應(yīng)用框架，實現(xiàn)防汛防臺數(shù)據(jù)的采集存儲、管理及分析計算，大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)應(yīng)用框架見圖1。

圖1 大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)應(yīng)用平臺框架圖

由圖1所示，大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)應(yīng)用平臺包括統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)應(yīng)用4個層次，結(jié)合數(shù)據(jù)分析模型的調(diào)用可實現(xiàn)防汛防臺數(shù)據(jù)的匯聚存儲及挖掘分析。

數(shù)據(jù)采集：通過Kafka作為統(tǒng)一采集平臺的消息管理層，靈活的對接、適配各種數(shù)據(jù)源采集（如集成f l ume），提供靈活、可配置的數(shù)據(jù)采集能力。

數(shù)據(jù)存儲：利用Hadoop技術(shù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺最為核心的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲、處理能力中心，提供強大的數(shù)據(jù)處理能力，滿足數(shù)據(jù)的交互需求[2]。

數(shù)據(jù)計算：利用Hadoop實現(xiàn)計算資源分配以及計算任務(wù)調(diào)度，基于Spark技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘模型的調(diào)用。

數(shù)據(jù)應(yīng)用：構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)應(yīng)用中心，通過BI報表系統(tǒng)，API數(shù)據(jù)接口服務(wù)等形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用以及可視化展示[3]。

數(shù)據(jù)分析模型：構(gòu)建數(shù)據(jù)分析模型庫，包含數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析算法、水文專業(yè)模型、大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析模型等。

2.2 數(shù)據(jù)匯聚與存儲

隨著我國水利信息化建設(shè)的開展，數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集、傳輸、存儲與管理等方面的基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善，水利領(lǐng)域積累的數(shù)據(jù)量越來越大[4]。此外，支撐防汛防臺工作開展的各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也在大量增加，包括水雨情監(jiān)測系統(tǒng)、臺風(fēng)系統(tǒng)、防汛指揮系統(tǒng)、內(nèi)澇監(jiān)測系統(tǒng)、動態(tài)洪水分析系統(tǒng)、山洪預(yù)警系統(tǒng)等?；诖罱ǖ拇髷?shù)據(jù)基礎(chǔ)應(yīng)用平臺可實現(xiàn)各類防汛防臺數(shù)據(jù)的采集與存儲。

2.3 大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析

基于搭建的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)應(yīng)用平臺調(diào)用數(shù)據(jù)分析模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的挖掘分析[5]。防汛防臺大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析可從2個方面切入，單因子規(guī)律性分析以及多因子關(guān)聯(lián)性分析。單因子規(guī)律性分析是以時間為導(dǎo)向，分析單個因子過去、現(xiàn)在、未來之間關(guān)聯(lián)性，達到分析過去、聚焦現(xiàn)在、預(yù)測未來的效果。例如：降雨頻率分析、實時降雨分析、降雨預(yù)測分析。多因子關(guān)聯(lián)性分析是以事件為驅(qū)動，進行不同因子之間關(guān)聯(lián)性、規(guī)律性分析，達到因子之間關(guān)聯(lián)規(guī)律挖掘的目的。例如：降雨與水位的關(guān)聯(lián)性、水位與險情的關(guān)聯(lián)性分析等。

3 信息關(guān)聯(lián)場景設(shè)計

數(shù)據(jù)展現(xiàn)需要建立在對行業(yè)對業(yè)務(wù)的理解、對用戶使用感受的把控、對專業(yè)數(shù)據(jù)的整理分析的基礎(chǔ)上，通過信息的組織來表達對一個情景的描述[6]。對于把握全局的決策領(lǐng)導(dǎo)來說，前期針對數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、分析、運算等都是基礎(chǔ)性工作，通過關(guān)聯(lián)場景展現(xiàn)的手段，將各類數(shù)據(jù)當(dāng)中的規(guī)律、聯(lián)系展現(xiàn)在決策人面前，才能讓數(shù)據(jù)有效支撐最終的決策。針對復(fù)雜的防汛防臺業(yè)務(wù)，需構(gòu)建多層次信息場景。

3.1 綜合信息場景

防汛防臺綜合信息場景作為信息的綜合呈現(xiàn)場景，需集“臺風(fēng)、水雨情、工程運行、洪水風(fēng)險”等全方位信息于一體，通過數(shù)據(jù)挖掘與信息提取，將每一項內(nèi)容的關(guān)鍵信息利用關(guān)聯(lián)關(guān)系進行場景呈現(xiàn)，通過全局化強、關(guān)聯(lián)度高、價值量深的防汛防臺信息的展示支撐領(lǐng)導(dǎo)決策。綜合信息場景可展現(xiàn)的內(nèi)容有：臺風(fēng)，臺風(fēng)實時路徑、預(yù)報路徑、運行方向、中心氣壓、風(fēng)力風(fēng)速等關(guān)鍵信息；水雨情，降雨量統(tǒng)計、降雨預(yù)報、河道水庫水位超警戒、外海潮位等關(guān)鍵信息；工情，水庫攔蓄水量、水閘排水量、泵站排水量等關(guān)鍵信息；洪水風(fēng)險，水庫承洪風(fēng)險、內(nèi)澇積水、受淹面積等關(guān)鍵信息。

3.2 臺風(fēng)信息場景

臺風(fēng)信息場景作為臺風(fēng)信息的呈現(xiàn)場景，需詳細展現(xiàn)臺風(fēng)的運行、預(yù)報、分析數(shù)據(jù)，包括臺風(fēng)運行現(xiàn)狀、臺風(fēng)預(yù)報信息、相似臺風(fēng)信息等，內(nèi)容有：歷史臺風(fēng)信息，歷史臺風(fēng)數(shù)據(jù)、登陸情況、影響情況、臺風(fēng)損失統(tǒng)計等；臺風(fēng)運行信息，臺風(fēng)實時路徑、運行方向、中心氣壓、風(fēng)力風(fēng)速等；臺風(fēng)預(yù)報信息，臺風(fēng)預(yù)報路徑、預(yù)報登陸地點、預(yù)報風(fēng)力等；相似臺風(fēng)信息，相似臺風(fēng)降雨數(shù)據(jù)、氣壓數(shù)據(jù)、風(fēng)力數(shù)據(jù)、災(zāi)害數(shù)據(jù)等。

3.3 汛情信息場景

汛情信息場景作為防汛防臺現(xiàn)狀情勢信息的呈現(xiàn)場景，需綜合“雨情、水情、工情”，詳細展現(xiàn)降雨信息、水情信息、工程運行信息等，內(nèi)容有：雨情信息，各個轄區(qū)、流域、水庫歷史累計降雨量統(tǒng)計、降雨等值面、未來降雨預(yù)報等；水情信息，河道、水庫實時水位、歷史最高水位、水位預(yù)警統(tǒng)計等；工情信息，閘門開啟高度、開閘個數(shù)、水庫攔蓄水量、水閘排水量、泵站排水量等。

3.4 風(fēng)險信息場景

風(fēng)險信息是防汛防臺過程中決策領(lǐng)導(dǎo)關(guān)注的最后也是最重要一個環(huán)節(jié)，基于洪水風(fēng)險高低的判別進行工程調(diào)度、防洪搶險、人員轉(zhuǎn)移的指揮，展現(xiàn)內(nèi)容有：水庫承洪風(fēng)險，大中型水庫實時水位、可承受雨量、水庫降雨預(yù)報、風(fēng)險狀態(tài)等；城市內(nèi)澇風(fēng)險，內(nèi)澇積水、受淹面積、受淹人口、淹沒范圍、淹沒時間的預(yù)報數(shù)據(jù)等；防洪搶險管理，搶險隊伍、防汛物資、防汛預(yù)案、工程調(diào)度信息、人員調(diào)度等。

4 數(shù)據(jù)可視化大屏開發(fā)

目前在整個大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈中，數(shù)據(jù)可視化的需求很旺盛[7]，大數(shù)據(jù)前期所有的積累工作最終目的是人與數(shù)據(jù)交互，需要用終端系統(tǒng)呈現(xiàn)，才能夠充分利用數(shù)據(jù)的價值，所以數(shù)據(jù)可視化是大數(shù)據(jù)行業(yè)中必不可少的一環(huán)，同時像防汛防臺管理這種綜合性的數(shù)據(jù)可視化一般會借助大屏、多屏的手段呈現(xiàn)出來。

4.1 總體布局設(shè)計

大屏首先是要服務(wù)于場景，讓場景主題和數(shù)據(jù)合理的展現(xiàn)。由于展現(xiàn)的是一個主題的場景，需要根據(jù)業(yè)務(wù)管理的思路進行大屏布局設(shè)計，以防汛防臺為例，從上邊界臺風(fēng)、降雨信息到中間汛情、風(fēng)險信息再到下邊界外海潮位信息，根據(jù)決策者的思路進行信息布局設(shè)計，同時要根據(jù)實際電子大屏尺寸，進行數(shù)據(jù)成果展示設(shè)計。

4.2 信息鉆取設(shè)計

針對防汛防臺復(fù)雜業(yè)務(wù)場景，單屏信息無法實現(xiàn)所有信息統(tǒng)一展示。因此進行主屏—分屏的設(shè)計，以分屏的形式實現(xiàn)信息的逐層鉆取與展示。主屏展示總體信息、概要信息、關(guān)鍵信息，分屏展示某項指標(biāo)的詳細信息，以實現(xiàn)信息的層級化展示。例如：洪水分析場景，主屏展示目前當(dāng)前流域洪水相關(guān)聯(lián)信息，可向下鉆取當(dāng)前洪水的歷史相似洪水信息，再次向下鉆取歷史相似洪水的相關(guān)聯(lián)汛情信息等。

4.3 場景切換設(shè)計

防汛防臺動態(tài)信息變化快，若以時間軸的形式劃分橫向場景，可隨著時間的推移實現(xiàn)橫向場景實時切換。例如：防汛防臺期間，臺風(fēng)登陸前，臺風(fēng)的強度、走向、可能登陸地點等信息為防汛防臺場景下的重點關(guān)注信息；臺風(fēng)登陸后，降雨信息、汛情險情信息、災(zāi)情信息等為防汛防臺場景下的重點關(guān)注信息。場景信息的展示需隨著時間的推移進行，對重點信息進行智能提取與切換。

4.4 大屏開發(fā)實現(xiàn)

目前，數(shù)據(jù)大屏的開發(fā)方式主要有2種，一種借助BI商業(yè)軟件進行大屏的快速定制開發(fā)[8]，另一種是利用ECharts等開源工具進行大屏定制開發(fā)。由于防汛防臺業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)分析成果多樣，為了滿足數(shù)據(jù)場景的切換，信息的逐層鉆取，建議利用ECharts等組件進行大屏自主研發(fā)，以滿足大屏的個性化定制需求。

5 結(jié) 語

本文以防汛防臺業(yè)務(wù)為主題，從大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的角度出發(fā)，提出基于數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)大屏的設(shè)計思路：①在明確防汛防臺業(yè)務(wù)管理需求的基礎(chǔ)上，構(gòu)建大數(shù)據(jù)采集和存儲分析平臺框架，提出防汛防臺數(shù)據(jù)整合及關(guān)聯(lián)分析思路；②在對業(yè)務(wù)理解、用戶需求、數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，以場景的形式描述防汛防臺綜合信息、臺風(fēng)信息、汛情信息、風(fēng)險信息需展現(xiàn)的內(nèi)容；③以數(shù)據(jù)可視化為最終目標(biāo)，從總體布局、信息鉆取、場景切換等角度提出大屏設(shè)計與開發(fā)思路。通過數(shù)據(jù)采集分析、信息場景設(shè)計、可視化大屏開發(fā)3個層面構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的防汛防臺數(shù)據(jù)大屏，可為提高防汛防臺決策分析能力、提升業(yè)務(wù)管理水平提供有力的技術(shù)支撐。