沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

李 祿

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003）

0 引言

防汛抗旱指揮調(diào)度是防汛抗旱過程中最重要的工作環(huán)節(jié)，是市委市政府的重要職責(zé)[1]。隨著全國性水利信息化重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的順利實(shí)施和各地水利信息化重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的快速推進(jìn)，水利信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了快速發(fā)展[2]，信息采集、通信、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等初具規(guī)模，初步形成對(duì)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的基本支撐能力[3]。近年來，沈陽市開展了一系列非工程措施建設(shè)，圍繞防汛抗旱業(yè)務(wù)領(lǐng)域的軟件系統(tǒng)主要包括：沈陽市氣象信息查詢、山洪災(zāi)害預(yù)警、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，雨水情數(shù)據(jù)庫，以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與方案編制成果。這些非工程措施在沈陽市實(shí)際防汛抗旱工作中發(fā)揮了重要作用，實(shí)現(xiàn)了無人員傷亡，無重大險(xiǎn)情，無農(nóng)田內(nèi)澇，城區(qū)未發(fā)生大面積、長時(shí)間積水的工作目標(biāo)。但仍存在信息匯總不及時(shí)，查詢效率低，展示不直觀等問題，難以滿足沈陽市現(xiàn)代化防汛的迫切需求。

為進(jìn)一步提高沈陽市防汛抗旱指揮效率，規(guī)范業(yè)務(wù)流程，在對(duì)全國及遼寧省防汛技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合沈陽市防汛信息化建設(shè)現(xiàn)狀和實(shí)際業(yè)務(wù)需求，基于國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)“兩臺(tái)一庫”的技術(shù)架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)與環(huán)境[4]，構(gòu)建沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)，解決沈陽市防汛過程中的實(shí)際問題。根據(jù)沈陽市防汛總體建設(shè)目標(biāo)，沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)邊界包含沈陽市內(nèi)及上游可控河流的所有雨水情及工情信息，主要包括 200 余處雨量站，20 余座大、中型水庫，30 余處重點(diǎn)河道水文站，10 余處視頻監(jiān)控站，以及其他防汛抗旱相關(guān)信息。

1 總體設(shè)計(jì)

結(jié)合沈陽市防汛信息化建設(shè)現(xiàn)狀和實(shí)際業(yè)務(wù)需求，參考“十三五”水利信息化發(fā)展的總體思路，歸納總結(jié)沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)總體思路，做到以下 5 個(gè)方面的轉(zhuǎn)變：1）從局部單一發(fā)展向整體全面推進(jìn)轉(zhuǎn)變；2）從信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)向應(yīng)用需求主導(dǎo)轉(zhuǎn)變；3）從信息資源分散使用向共享利用轉(zhuǎn)變；4）從片面強(qiáng)調(diào)建設(shè)向建設(shè)與管理并重轉(zhuǎn)變；5）從滿足日常需求向提升綜合決策支撐能力轉(zhuǎn)變。

為加快推進(jìn)水利信息化建設(shè)，須充分利用現(xiàn)有資源，以面向用戶和任務(wù)為主導(dǎo)，科學(xué)合理劃分業(yè)務(wù)系統(tǒng)，增強(qiáng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)自動(dòng)服務(wù)程度，加強(qiáng)管理中心集中部署服務(wù)，增強(qiáng)各管理所按需定制服務(wù)功能[5]。依據(jù)水利信息化頂層設(shè)計(jì)理念，對(duì)沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設(shè)事關(guān)全局的問題提出總的處理方案。在已完成的防汛非工程措施相關(guān)工程建設(shè)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建統(tǒng)一應(yīng)用支撐平臺(tái)，為防洪減災(zāi)、樞紐安全監(jiān)測(cè)、水資源利用與保護(hù)提供服務(wù)。后期將在支撐平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展其他工作，包括功能組件擴(kuò)展、人機(jī)交互提高、平臺(tái)性能升級(jí)、業(yè)務(wù)需求增加，實(shí)現(xiàn)會(huì)商平臺(tái)統(tǒng)一及服務(wù)資源化管理，構(gòu)建科學(xué)、高效、安全的會(huì)商支撐體系。

沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路示意圖如圖 1 所示。

圖 1 防汛抗旱指揮系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路示意圖

1.1 充分整合已有資源

充分考慮已有的采集監(jiān)控、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、安全和機(jī)房等軟硬件設(shè)施，按資源共享的原則建設(shè)和應(yīng)用，保證現(xiàn)有各種監(jiān)測(cè)和 IT 資源的充分整合、共享利用，發(fā)揮其最大效能。沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)的建設(shè)是要構(gòu)建一套能夠適應(yīng)未來沈陽市防汛指揮、應(yīng)急管理的發(fā)展需要，體現(xiàn)出新技術(shù)、特點(diǎn)要求的信息化平臺(tái)，同時(shí)又要全方位整合已有的信息資源，因此在總體設(shè)計(jì)中要充分兼顧“立新”和“利舊”的平衡關(guān)系[6]。

1.2 應(yīng)用統(tǒng)一支撐平臺(tái)

應(yīng)用支撐平臺(tái)技術(shù)迅速發(fā)展，已被大量實(shí)際工程應(yīng)用證明其有效性，應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用靈活變化的適應(yīng)性，面對(duì)新應(yīng)用具有的擴(kuò)展性，信息和應(yīng)用資源方面的高度共享，顯示出應(yīng)用支撐平臺(tái)強(qiáng)大的生命力。沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設(shè)將依托水利部和流域機(jī)構(gòu)電子政務(wù)公用平臺(tái)和防汛抗旱指揮系統(tǒng)的應(yīng)用支撐平臺(tái)，基于“兩臺(tái)一庫”的技術(shù)架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)與環(huán)境，充分結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)狀，升級(jí)完善內(nèi)外網(wǎng)支撐軟件環(huán)境，統(tǒng)一應(yīng)用支撐平臺(tái)，在統(tǒng)一的防汛服務(wù)支撐平臺(tái)約束下基于 SOA 框架實(shí)現(xiàn)應(yīng)用集成[7]。

1.3 采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系

標(biāo)準(zhǔn)體系是規(guī)范、統(tǒng)一系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行管理的重要基礎(chǔ)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和平臺(tái)是防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設(shè)的最基本要求，是系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行信息交換、共享和業(yè)務(wù)協(xié)同的前提。沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫庫表結(jié)構(gòu)和編碼規(guī)范，集中組織對(duì)平臺(tái)共有的應(yīng)用支撐、數(shù)據(jù)匯集交換和各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)解析封裝進(jìn)行統(tǒng)一開發(fā)，并通過個(gè)性化定制實(shí)現(xiàn)個(gè)性功能的擴(kuò)展[8]。

1.4 堅(jiān)持以需求為導(dǎo)向

以需求為主導(dǎo)，突出重點(diǎn)，認(rèn)真開展需求分析，充分利用現(xiàn)有的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、預(yù)報(bào)調(diào)度模型及數(shù)據(jù)資源，加強(qiáng)整合，促進(jìn)互聯(lián)互通、信息共享和平穩(wěn)過渡。由于防汛會(huì)商的特殊性，在設(shè)計(jì)、開發(fā)中要把各防汛業(yè)務(wù)主管部門調(diào)動(dòng)起來，充分依托主管部門的知識(shí)體系和協(xié)調(diào)作用，同時(shí)發(fā)揮開發(fā)部門的積極性和開發(fā)能力[9]。

1.5 制定標(biāo)準(zhǔn)會(huì)商流程

從防汛會(huì)商實(shí)際情況出發(fā)，重點(diǎn)分析防汛會(huì)商類型，各種類型防汛會(huì)商所需要的信息內(nèi)容和展示要點(diǎn)、重點(diǎn)、模式，以及信息展示次序等，與防汛會(huì)商會(huì)議智能管理系統(tǒng)相結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)防汛會(huì)議流程化、模式化、一站式管理，對(duì)防汛會(huì)商全過程提供信息化支撐，包括會(huì)議安排、資料準(zhǔn)備、會(huì)商會(huì)議、歷史會(huì)商等模塊，提高會(huì)商效率。

2 功能設(shè)計(jì)

采用圖表、GIS 等多種形式，對(duì)沈陽市境內(nèi)及上游可控河流的雨水情、氣象、視頻、預(yù)警等信息實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)視，全面掌握防汛相關(guān)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)信息；對(duì)沈陽市境內(nèi)及上游可控河流的大中型水庫、重點(diǎn)水文站進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)與水庫調(diào)度；對(duì)防汛會(huì)商過程各個(gè)環(huán)節(jié)提供信息化支撐，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)會(huì)商辦公，規(guī)范業(yè)務(wù)流程，提高會(huì)商效率；對(duì)現(xiàn)有雨水情、氣象、視頻等防汛業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)整合，構(gòu)建統(tǒng)一的防汛抗旱指揮系統(tǒng)（即沈陽市防汛會(huì)商平臺(tái)），有效提高全省及沈陽市整體防汛會(huì)商水平。沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)主界面如圖 2 所示。

2.1 地理信息

制作并發(fā)布防汛抗旱一張圖，涵蓋 12 級(jí)專題圖層、23 個(gè)要素、4 類圖源。實(shí)現(xiàn)各種類型地圖之間的切換，包括內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)地圖的切換，地形圖、影像圖和交通圖之間的切換；實(shí)現(xiàn)全省各種類型圖層的控制，包括行政區(qū)劃圖、水系圖、防洪工程圖、水庫圖及河道堤防等圖層；可進(jìn)行長度和面積測(cè)量；在頁面中輸入經(jīng)度、緯度，可查到指定的位置信息。

2.2 綜合監(jiān)視

主要包括以下監(jiān)視內(nèi)容：

1）雨情信息。實(shí)現(xiàn)沈陽市雨量站點(diǎn)及上游河流降雨信息的交互查詢，包括監(jiān)測(cè)類型、查詢區(qū)域選擇，降雨查詢，降雨閾值控制，降雨點(diǎn)圖、面圖查詢，超警控制，交互查詢等。

2）水情信息。實(shí)現(xiàn)沈陽市內(nèi)大、中型水庫與河道水文站，以及上游河流水庫及河道水情信息交互查詢，包括水庫、河道類型選擇，查詢區(qū)域選擇，水情數(shù)據(jù)查詢，超警控制等。

3）工情信息。采用圖表、地理信息等多種形式，對(duì)沈陽市小 II 型以上水庫、水文站堤防、灌區(qū)、塘壩、水閘、水電站、主要江河、險(xiǎn)工險(xiǎn)段等信息進(jìn)行查詢，管理，顯示與定位。

4）綜合告警。建立預(yù)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫、河道、降雨信息的綜合告警，包括水庫、河道、降雨告警。采用圖表、閃爍圖標(biāo)和滾動(dòng)顯示等多種形式對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行綜合顯示。

5）視頻監(jiān)控。在已建視頻監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，接入流域范圍內(nèi)重點(diǎn)防洪部位的實(shí)時(shí)視頻信號(hào)，采用統(tǒng)一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各路視頻監(jiān)控信息的綜合展示。

6）氣象信息。在氣象發(fā)布信息基礎(chǔ)上，展示遼寧省氣象局或中央氣象臺(tái)的氣象成果，包括衛(wèi)星云圖、雷達(dá)拼圖、降水預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)、中期預(yù)報(bào)、累積降雨、天氣圖及臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)等。

2.3 防汛會(huì)商

主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）會(huì)議安排。集成整合新建設(shè)的防汛會(huì)商智能會(huì)議管理系統(tǒng)進(jìn)入防汛會(huì)商信息支撐系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)防汛會(huì)議流程化、模式化、一站式管理，為防汛會(huì)商做好支撐。

2）會(huì)商準(zhǔn)備。初始化會(huì)商主題及資料，決策人員只需按照會(huì)商系統(tǒng)提供的順序?qū)@些資料進(jìn)行補(bǔ)充和修改，即可完成本次專題會(huì)商資料的準(zhǔn)備。

3）會(huì)商匯報(bào)。會(huì)商匯報(bào)授權(quán)用戶可通過站點(diǎn)圖層或者直接輸入的方式，設(shè)置防洪形勢(shì)分析的對(duì)象，包括重要水文控制斷面、重點(diǎn)水利工程等，并保存在專用庫中，用戶可隨時(shí)進(jìn)行檢索維護(hù)。

4）會(huì)商決策。對(duì)會(huì)商決策內(nèi)容進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)會(huì)商記錄、調(diào)度資料、應(yīng)急響應(yīng)的查詢與管理，同時(shí)可以通過會(huì)議名稱、開始和結(jié)束時(shí)間對(duì)會(huì)議內(nèi)容進(jìn)行查詢，編輯，刪除。

2.4 預(yù)報(bào)調(diào)度

主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）洪水預(yù)報(bào)。洪水預(yù)報(bào)功能可實(shí)現(xiàn)各測(cè)站日平均降雨、徑流深、土壤蓄水量等值的連續(xù)滾動(dòng)預(yù)報(bào)；實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)站水位-流量、水位-庫容、水位-面積、上下游流量、降雨-徑流和傳播時(shí)間等關(guān)系的自動(dòng)插值計(jì)算；可根據(jù)上游來水，實(shí)現(xiàn)河道內(nèi)洪水從上游演算到下游分析計(jì)算；基于標(biāo)準(zhǔn)水文模型庫，采用實(shí)時(shí)、模擬、典型預(yù)報(bào) 3 種洪水預(yù)報(bào)形式，綜合考慮上游來水、支流匯入、區(qū)間降雨多種來水方式，實(shí)現(xiàn)降雨徑流、產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)。

2）水庫調(diào)度。用戶可輸入起調(diào)水位，各泄水建筑物的調(diào)度方式、時(shí)間、泄量等，自定義調(diào)度方案，采用試算、龍格-庫塔等方法，對(duì)水庫水位及出庫流量的變化過程進(jìn)行演算；利用水庫現(xiàn)有調(diào)度規(guī)程，構(gòu)建通用性的調(diào)度規(guī)程自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，按照計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的語言對(duì)調(diào)度規(guī)程進(jìn)行統(tǒng)一管理，采用一鍵式操作完成水庫的整個(gè)調(diào)度過程。

3）成果管理。采用橫縱直線及圖標(biāo)對(duì)流域概況進(jìn)行概化，利用概化圖方式對(duì)流域預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和特征值進(jìn)行展示，方便用戶全面了解流域洪水預(yù)報(bào)調(diào)度信息；實(shí)現(xiàn)對(duì)各控制站歷史與典型洪水的管理，及對(duì)歷史洪水信息的篩選與提取。實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)站歷史降雨信息的管理與維護(hù)，可將歷史數(shù)據(jù)庫中的歷史降雨信息保存成典型降雨，為洪水預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

4）方案管理。構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化水文模型庫，包括降雨徑流相關(guān)、蓄滿產(chǎn)流、遼寧指數(shù)、大伙房、新安江、超滲產(chǎn)流等產(chǎn)流模型，徑流洪峰相關(guān)、經(jīng)驗(yàn)單位線、瞬時(shí)單位線、滯后演算等匯流模型，以及錯(cuò)時(shí)段疊加、上下游相關(guān)、馬斯京根等河道演算模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)模型的統(tǒng)一管理；構(gòu)建調(diào)度規(guī)程庫，分別按照起調(diào)水位、入庫流量、主汛期與非主汛期等多種情況，采用不同的調(diào)度規(guī)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)水庫調(diào)度規(guī)程的統(tǒng)一管理與維護(hù)；實(shí)現(xiàn)對(duì)單位線、退水曲線、蒸發(fā)能力等模型參數(shù)的管理與維護(hù)，為模型預(yù)報(bào)提供參數(shù)支撐；實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)站信息、泄流設(shè)備、特征信息的統(tǒng)一管理與維護(hù)。

2.5 組織保障

實(shí)現(xiàn)對(duì)沈陽市衛(wèi)星電話、防汛責(zé)任人、物資倉庫、搶險(xiǎn)隊(duì)伍、預(yù)案等防汛相關(guān)信息的查詢與管理；實(shí)現(xiàn)對(duì)降雨、河道、水庫、工情等信息的詳細(xì)查詢，集成防汛相關(guān)矢量圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)信息的管理與維護(hù)，以及對(duì)用戶權(quán)限和訪問日志的管理。

2.6 數(shù)據(jù)管理

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，對(duì)所有動(dòng)態(tài)及靜態(tài)信息進(jìn)行規(guī)范化管理與維護(hù)，包括基礎(chǔ)信息庫、預(yù)報(bào)調(diào)度庫、空間信息庫、模型庫、知識(shí)庫等。構(gòu)建數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)，基于水利專網(wǎng)，分別讀取遼寧省水文局及各市水文分局雨水情數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)沈陽市境內(nèi)及上游流域雨水情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯集。

3 部署方案

通過對(duì)沈陽市水利信息化系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀的分析，分別從沈陽市信息化項(xiàng)目建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，信息安全保障，避免重復(fù)建設(shè)，節(jié)省硬件環(huán)境投入等方面綜合考慮，由沈陽市大數(shù)據(jù)中心提供計(jì)算和存儲(chǔ)資源池，用來部署沈陽市防汛會(huì)商平臺(tái)相關(guān)的所需要的應(yīng)用服務(wù)，承載系統(tǒng)所需計(jì)算的應(yīng)用資源，具有業(yè)務(wù)按需分配、資源共享、隨時(shí)隨地接入、虛擬化管理、服務(wù)可擴(kuò)展、高安全等特性，從而為沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)提供計(jì)算資源和存儲(chǔ)環(huán)境。具體部署的服務(wù)如下：1）應(yīng)用服務(wù)，用來部署沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)；2）地圖服務(wù)，用來部署地圖服務(wù)；3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)，用來存儲(chǔ)防汛相關(guān)基礎(chǔ)、動(dòng)態(tài)、屬性、空間、多媒體等系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)安全。

數(shù)據(jù)是整個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的核心，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率、可靠性和安全性是重中之重。沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)、實(shí)時(shí)、空間、多媒體等數(shù)據(jù)方面，按照 5 a 的運(yùn)行時(shí)間估算，存儲(chǔ)信息分析如表 1 所示。

表 1 存儲(chǔ)信息表

4 結(jié)語

沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)應(yīng)用以來，在防御洪旱災(zāi)害中發(fā)揮了重要作用，為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)指揮決策提供了及時(shí)、準(zhǔn)確的參考依據(jù)，大大減少了傷亡損失，實(shí)現(xiàn)沈陽市從傳統(tǒng)防汛到現(xiàn)代化防汛的轉(zhuǎn)變。沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)項(xiàng)目緊密圍繞國家重大需求，具有針對(duì)性強(qiáng)、覆蓋面廣、內(nèi)容全面、成果突出、效益巨大等特點(diǎn)。制作并發(fā)布防汛抗旱一張圖，實(shí)現(xiàn)基于一張圖的綜合監(jiān)視；構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化模型庫，集成與封裝 10 余項(xiàng)水文及調(diào)洪演算模型。本研究不僅是防汛抗旱現(xiàn)代化的標(biāo)志性成果，也是沈陽市水利信息化建設(shè)的“龍頭”工程之一，對(duì)保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義，推廣應(yīng)用前景廣闊。本研究采用一系列洪水預(yù)報(bào)方法，有效提高了預(yù)報(bào)精度，但預(yù)見期是固定的，即洪水的匯流時(shí)間是不變的，如何提高預(yù)見期是相關(guān)領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。下一步將與氣象部門相關(guān)技術(shù)成果深度融合，開展數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研究，采用基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的降水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)訂正方法和精細(xì)化技術(shù)，獲取未來降雨信息，并與洪水預(yù)報(bào)技術(shù)相結(jié)合，大幅度提高預(yù)見期。