遼寧省山洪災害監(jiān)測預警管理平臺升級完善研究

朱 菲

（遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003）

按照國家防總、水利部統(tǒng)一安排部署，2009—2019年遼寧省先后分12 期在有山洪災害防治任務的55 個縣（市、區(qū)）組織開展了山洪災害防治非工程措施項目建設。截至2019 年底，全省55 個縣（市、區(qū)）均開展了山洪災害防治非工程措施建設和完善，并延伸到860個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，建設自動雨量站2392 個（含更新調(diào)整528個）、自動水位站350 個（含更新調(diào)整47 個）、視頻監(jiān)測站49 個、圖像監(jiān)測站40 個、簡易雨量站8590 個、簡易水位站1506 個、無線預警廣播6618 套、手搖報警器8863 個、銅鑼5.7 萬余面［1］；編制完成山洪災害防御縣級預案55 個、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級預案860 個、村級預案8294 個；發(fā)放山洪災害宣傳手冊30.8 萬冊、光盤1.37 萬張、明白卡77.35 萬張；制作完成警示牌宣傳欄1.65 萬塊。通過山洪災害防治項目，全省共建設完成1 個省級、14個市級、73 個縣級山洪災害監(jiān)測預警平臺，系統(tǒng)依據(jù)實時雨量及水文數(shù)據(jù)，采用經(jīng)驗方法實現(xiàn)山洪災害預警，發(fā)布準備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移等指令。同時結合群測群防體系，通過提前預警和轉(zhuǎn)移，降低了人員傷亡和財產(chǎn)損失，在近年來的山洪災害防御中發(fā)揮了重要作用。

1 總體建設思路及架構

按照“整合已建、規(guī)范新建”的思路，充分利用、有效整合、不斷完善已形成的防汛抗旱信息化資源，并結合山洪災害防治系統(tǒng)平臺，利用大數(shù)據(jù)、云計算、“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術［2］，建立遼寧省山洪災害監(jiān)測預警管理平臺，實現(xiàn)水旱災情信息（水雨情、土壤墑情、汛情、旱情、災情等）實時監(jiān)測與查詢、水旱災害分析評估與預報、上下游聯(lián)動預警、防汛抗旱指揮決策、全省防辦系統(tǒng)業(yè)務處理與公文流轉(zhuǎn)等工作多級聯(lián)動、優(yōu)化整合，構建監(jiān)測感知、計算分析、預報預警、決策服務等各環(huán)節(jié)緊密銜接、智能高效的防汛抗旱信息支撐體系，從而實現(xiàn)展示數(shù)據(jù)“一套表”、展示成果“一張圖”“省級統(tǒng)一開發(fā)部署、市縣多級應用”的組網(wǎng)模式。

平臺軟件應綜合應用云計算、大數(shù)據(jù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術，基于SOA架構，采用B/S 模式，建設適應Web和移動終端的山洪災害監(jiān)測預警信息服務平臺，系統(tǒng)架構分為數(shù)據(jù)層、服務層、業(yè)務層和應用層（見圖1）。其中，服務層可采用Web Service或Restful架構，地圖服務應滿足OGC標準，編碼方式采用XML或JSON格式。Web 方式為平臺主要應用模式，同時，應針對常用功能開發(fā)移動終端APP，APP與Web 網(wǎng)頁版本應采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和服務接口。

圖1 平臺軟件架構

平臺應配備必要的支撐軟件，構建省級平臺運行的軟件環(huán)境，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、Web 服務中間件、GIS 平臺軟件、殺毒軟件和瀏覽器等。采用山洪災害調(diào)查評價成果中的空間數(shù)據(jù)開發(fā)平臺的基礎底圖，應包括政區(qū)底圖、地形圖和影像圖，平臺提供天地圖、“水利一張圖”、百度地圖等公共地圖服務接入功能。軟件版本應易于升級，滿足擴展性和兼容性要求。

2 設計思路

2.1 項目組織與系統(tǒng)整合設計

本項目涉及目前遼寧省防辦已建近16 個系統(tǒng)，總體目標是要對已建系統(tǒng)整合后，形成一個既能支撐防汛抗旱各項業(yè)務，又能為日常業(yè)務對接的系統(tǒng)，既能采用云平臺、大數(shù)據(jù)、水文模型、人工智能等先進技術［3］，又能充分吸收已有系統(tǒng)的優(yōu)點，兼顧用戶目前的操作習慣，既要全面展示各類信息，又能實現(xiàn)一鍵式查詢的目標，層層深入。在系統(tǒng)整合、功能設計、界面切換等方面需要進行深入研究。

2.2 分布式水文大數(shù)據(jù)模型構建

分布式水文大數(shù)據(jù)模型考慮了氣候要素和下墊面因子的空間異質(zhì)性，能較為準確地模擬流域的水文過程。目前，分布式水文模型是實現(xiàn)山洪預報、預警分析以及災害風險評估的基礎，包括降雨模塊、產(chǎn)流模塊、匯流模塊、徑流演算模塊、參數(shù)率定和實時校正模塊等。以大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能為手段，將收集的降雨和氣象數(shù)據(jù)作為輸入，對小流域進行概化，建立拓撲結構，根據(jù)小流域的計算需求和屬性，由各水文模塊組建分布式水文大數(shù)據(jù)模型，并能依據(jù)實時信息對實時水文預報結果進行率定校正，提高水文系統(tǒng)的模擬精度。

2.3 多源水文氣象實時數(shù)據(jù)融合

雨量站測量數(shù)據(jù)是點狀測量數(shù)據(jù)，相對離散孤立，在時空連續(xù)性、物理一致性方面仍十分有限，當站點密度不高時，對降水空間分布的估計具有明顯的局限性。天氣雷達和衛(wèi)星可以探測大氣中與降水有關的物理量，間接獲得空間連續(xù)的降水信息，獲得面雨量探測結果，很大程度上彌補了地面雨量計空間分布的不足，但是雷達和衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)的局部精度尚不能滿足精確表征降水空間分布的要求。因此，要得到高可靠性、準確性與即時性的實時面雨量數(shù)據(jù)，需利用多源空天地數(shù)據(jù)，結合高時空分辨率降水融合模型，提供高可靠性的降水融合產(chǎn)品。雨量計與天氣雷達或氣象衛(wèi)星觀測資料聯(lián)合估計降水是一個異質(zhì)信息相互平衡與匹配的過程，通過多源降水融合綜合考慮不同觀測降水的誤差特征及其觀測優(yōu)勢，采取一定的融合方法獲得目標區(qū)時空尺度降水最優(yōu)估計結果。利用實時水雨情、氣象臨近預報及中短期預報，可進行多階段洪水預警預報，從不同數(shù)據(jù)來源、不同計算精度、不同時效性等多個方面對預警結果進行分級管理和嵌套應用，充分利用不同預見期、不同可靠度、不同精準度的信息進行綜合分析，滿足不同階段的預警需求。

2.4 分布式數(shù)據(jù)存儲技術

與目前常見的集中式存儲技術不同，分布式數(shù)據(jù)存儲技術并不是將數(shù)據(jù)存儲在某個或多個特定的節(jié)點上［4］，而是充分利用了網(wǎng)絡的優(yōu)勢，把網(wǎng)絡上相對比較零散的存儲空間虛擬為一個整體，將這一空間作為數(shù)據(jù)存儲的主體，并通過多臺服務器實現(xiàn)載荷分布存儲，進而為系統(tǒng)的安全性、可靠性與實用性提供有效保證。

3 建設內(nèi)容

3.1 數(shù)據(jù)同步共享服務體系建設

以信息共享、數(shù)據(jù)同步為目標，嚴格按照《水利信息化資源整合共享頂層設計》的“五統(tǒng)一”要求，通過摸底調(diào)查省防辦現(xiàn)有系統(tǒng)現(xiàn)狀，有針對性地建立整合與共享標準體系、明確整合與共享內(nèi)容、確定整合與共享策略、建立整合與共享流程，為平臺建設和相關業(yè)務協(xié)同提供全面數(shù)據(jù)支撐。通過整合氣象、水文、遙感、河道、水庫、山洪災害、城市防洪防澇、地質(zhì)災害等數(shù)據(jù)信息及相關視頻監(jiān)控等資源，構建遼寧省山洪災害監(jiān)測預警數(shù)據(jù)庫，進一步形成信息資源目錄，為防汛抗旱業(yè)務應用提供規(guī)范、權威和高效的數(shù)據(jù)支撐，見圖2。

3.2 成果輸出服務建設

圍繞防汛抗旱指揮調(diào)度、督查檢查、應急搶險、供水保障等工作需要，以監(jiān)測預警預報、災情分析評估為基礎，選取“水利一張圖”2019 版作為主要工作底圖，利用相關技術，開發(fā)地理信息服務平臺，實現(xiàn)全文搜索引擎、地理信息疊加、三維基本操作、山洪災害專題展示、重點水利工程展示、信息查詢展示等功能。以“水利一張圖”為模板，利用制圖學技術，動態(tài)生成“一張圖”“一套表”，將其作為系統(tǒng)主要輸出成果，為會商提供技術支撐，見圖3。

圖3 成果輸出模塊框

3.3 省級山洪災害監(jiān)測預警管理平臺設計

以防汛抗旱為中心，以數(shù)據(jù)資源整合與共享為基礎，以“水利一張圖”為底圖，利用大數(shù)據(jù)、云計算、“互聯(lián)網(wǎng)+”“分布式水文模型”等技術，開展遼寧省山洪災害監(jiān)測預警管理平臺建設，全方位實現(xiàn)水旱災情信息實時監(jiān)測、預警、風險評估、預報調(diào)度、災情評估、基礎信息管理、共享信息管理、辦公信息管理、視頻會商、平臺使用監(jiān)視、設備運行監(jiān)視、數(shù)據(jù)維護、系統(tǒng)管理等功能（見圖4），加強平臺監(jiān)管效能，提升預警覆蓋度、提高預警精確度、延長預見期，為防汛抗旱提供支持決策，為開展防汛抗旱工作提供統(tǒng)一平臺，解決縣級運維能力不足的問題，達到“一級部署、多級應用”的目標。

3.3.1 實時數(shù)據(jù)監(jiān)測體系建設

省級平臺應實現(xiàn)對各縣山洪水雨情站信息向省級平臺的實時匯集，并且能對站點進行監(jiān)管。同時，應實現(xiàn)山洪、水文、氣象等不同部門建設自動水雨情監(jiān)測站實測數(shù)據(jù)的整合應用，建設實時數(shù)據(jù)監(jiān)測體系，監(jiān)控山洪災害防御要素的變化情況，及時為防御研判提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3.2 風險評估體系建設

基于調(diào)查評價成果的風險評估體系建設包括3 個方面：村莊風險評估、河道風險評估以及水庫風險評估。其中，村莊風險評估和河道風險評估均是在調(diào)查評價成果的基礎上，建立風險評估模型，而水庫風險評估則是利用水庫特征水位劃分風險等級，進而通過接入實時的水位、流量資料，進行風險評估，最終形成風險評估統(tǒng)計表和風險評估圖。

3.3.3 預警體系建設

通過整合遼寧省防汛會商、山洪災害監(jiān)測預警和農(nóng)村基層防汛預報預警平臺，結合各級防汛抗旱應急預案，建立江河洪水、山洪災害、干旱等災害風險分析評估模型，構建全省防汛抗旱風險評估及動態(tài)預警體系，進一步提高江河洪水、干旱災害、山洪災害預警的精準度，延長預見期，實現(xiàn)江河湖庫、山洪災害易發(fā)區(qū)、干旱災害易發(fā)區(qū)等的風險智能識別、智能評估、上下游聯(lián)動預警以及預警信息、應急響應啟動信息的產(chǎn)生、提醒、發(fā)布、響應反饋、記錄等功能，實現(xiàn)一級部署、多級應用。

3.3.4 預報調(diào)度體系建設

平臺應綜合應用山洪災害調(diào)查評價成果，結合防治區(qū)區(qū)劃與分級、設計暴雨和現(xiàn)狀防洪能力等信息，對省域內(nèi)沿河村落的山洪災害風險進行綜合評估，為山洪災害重點防御村落清單的管理提供依據(jù)。在風險評估的基礎上，進行洪水預報、水庫調(diào)度和墑情預報等工作，為防汛抗旱的預報工作提供科學指導。

3.3.5 大數(shù)據(jù)服務平臺建設

大數(shù)據(jù)服務平臺是云平臺的核心，創(chuàng)新地集合了大數(shù)據(jù)降水預報、無資料地區(qū)洪水預報、防災減災調(diào)度等功能，應用大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）、云計算等先進技術，為防汛抗旱決策提供支持，提高預測預報的覆蓋范圍和準確性，延長預警的預見期，取得顯著的社會經(jīng)濟效益。

3.3.6 調(diào)查評價成果集成

平臺應集成調(diào)查評價數(shù)據(jù)庫的高精度地形地貌、水文氣象、社會經(jīng)濟和歷史山洪災害等數(shù)據(jù)，為省級平臺軟件構建、山洪災害重點防御村落清單管理、預警指標與風險分析服務。

4 結論

遼寧省山洪災害監(jiān)測預警管理平臺系統(tǒng)的建成將極大地提升省防汛抗旱工作的能力與水平，推動防汛抗旱工作向信息化、智能化方向發(fā)展。主要表現(xiàn)在：

a.可通過數(shù)據(jù)資源整合策略，最大程度地提高數(shù)據(jù)資源的利用率，增強數(shù)據(jù)資源的智能化應用，盡可能地發(fā)揮數(shù)據(jù)集成效能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享共用，解決長期以來困擾防汛抗旱工作的資源分散、數(shù)據(jù)冗余、準確率低、模型化程度低等一系列問題。

b.可通過在傳統(tǒng)水文模型中植入云計算、大數(shù)據(jù)分析等先進技術，最大程度地提高“測防報”的運算效率與準確程度，尤其是以預報為核心的模型體系，突顯了遼寧省防汛抗旱工作的智能化與智慧化程度。通過為用戶提供真正有價值的業(yè)務應用支撐，解決長期以來系統(tǒng)平臺以監(jiān)測為主、預報不足的功能性短板。

c.可通過“省級統(tǒng)一開發(fā)部署、市縣多級應用”方式部署平臺，極大地提高各級防辦人員的工作效率，實現(xiàn)信息流在各級防辦任意節(jié)點的有序流動，最大程度地實現(xiàn)集約化管理，解決長久以來困擾各級防辦的專業(yè)技術人員短缺、硬件設備落后、分析預報能力不夠、報送方式效率低下等一系列問題。

d.可通過建設遼寧省山洪災害監(jiān)測預警管理平臺APP、微信公眾號、短信網(wǎng)關等社會服務平臺，極大地增強防汛抗旱信息的覆蓋面與廣泛性，最大程度地滿足社會公眾的知情權，保障社會平穩(wěn)運行。

由此可見，遼寧省山洪災害監(jiān)測預警管理平臺的建成將推動全省防汛抗旱工作向協(xié)同統(tǒng)一、共享共用、智能智慧、精確精準方向發(fā)展，經(jīng)濟效益顯著、社會生態(tài)效益突出。