基于物聯(lián)感知的城區(qū)內(nèi)河應(yīng)急決策支持系統(tǒng)建設(shè)

王金龍 ，唐彥君 ，李兆忠 ，陳吉煒 ，徐盼盼

（1. 寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315000；2. 寧波市城區(qū)內(nèi)河管理處，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著浙江省“五水共治”“美麗河湖”工作的不斷推進，治水目標進一步提高，對現(xiàn)代化城區(qū)內(nèi)河管理工作提出了更高要求。經(jīng)過內(nèi)河水質(zhì)水量監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，內(nèi)河已初步建立了一套集水位、流量、水質(zhì)、視頻等為一體的內(nèi)河信息感知體系，在水環(huán)境信息監(jiān)測、數(shù)據(jù)互通共享和內(nèi)河業(yè)務(wù)管理方面發(fā)揮了重要作用。馮鐕釗等[1]研究了東江水質(zhì)水量的自動化監(jiān)測和信息化建設(shè)成果；朱玉東等[2-4]闡述了多種水環(huán)境信息監(jiān)測的方法及其優(yōu)缺點，水質(zhì)信息監(jiān)測方法的優(yōu)化改進等；丁斌等[5]利用信息化方法實現(xiàn)了黃河下游工情險情的會商分析系統(tǒng)。但是，面對“全面消除劣五類水質(zhì)斷面”的嚴峻治水任務(wù)、智慧城管的建設(shè)需求，以及內(nèi)河管轄范圍的擴大，現(xiàn)有的信息監(jiān)測體系和通過民眾或人工現(xiàn)場勘查的上報應(yīng)急信息的方法，無法滿足突發(fā)水事件信息的及時匯總和應(yīng)急決策支持需求，缺乏一個先進實用的應(yīng)急決策支持平臺，將各類水事件信息快速直觀地展示給決策者。

城區(qū)內(nèi)河應(yīng)急決策支持系統(tǒng)基于 B/S 架構(gòu)，利用WebGIS 技術(shù)集成河道基礎(chǔ)信息、應(yīng)急預(yù)案、水位流量、水質(zhì)信息、閘泵工情、氣象信息、降雨和視頻監(jiān)控等內(nèi)河水環(huán)境信息，通過科學(xué)的組織形式定制滿足特定應(yīng)急會商主題的信息展板，利用 ArcGIS API 的地圖可視化方法在線直觀展示應(yīng)急信息，方便決策專家迅速掌握事件基本信息，從而做出可行的決策處置方案[6-8]。

1 應(yīng)急處置流程

一般而言，內(nèi)河突發(fā)事件應(yīng)急處置是從預(yù)警上報發(fā)起，經(jīng)專家會商研討險情形勢制定應(yīng)急方案，最終處置完成反饋回決策者的閉環(huán)處理過程。物聯(lián)感知監(jiān)測體系是處置流程的依托，負責監(jiān)控城區(qū)內(nèi)河網(wǎng)絡(luò)水環(huán)境信息，一旦發(fā)生較為重大預(yù)警則啟動應(yīng)急處置流程。主要環(huán)節(jié)包括：1）監(jiān)測預(yù)警。以自動監(jiān)測預(yù)警上報為主，人工預(yù)警上報為輔，通過站內(nèi)信息或短信將預(yù)警信息上報至 PC 工作平臺，由相關(guān)負責人審核確認。2）會商分析。領(lǐng)導(dǎo)專家召開會議，調(diào)取相應(yīng)專題會商資料，商討險情形勢，分析可能造成的影響，并形成一致結(jié)論。3）方案制定與下發(fā)。根據(jù)會商結(jié)論，制定可行應(yīng)急處置方案，并將方案以指令形式下發(fā)給該事件負責人。4）應(yīng)急處置。負責人接收指令后根據(jù)處置方案進行問題處理。5）執(zhí)行反饋。問題處置完成后，負責人將信息上報至 PC 工作平臺。

2 總體設(shè)計

2.1 總體方案

內(nèi)河應(yīng)急事件主要分為水污染、工情、防汛等3種事件，針對這些應(yīng)急事件，系統(tǒng)提供事前實時預(yù)警、事中高效分析處理、事后及時反饋的一體化支持服務(wù)。利用內(nèi)河信息實時采集傳輸?shù)念A(yù)警機制，根據(jù)不同突發(fā)事件類型制定相應(yīng)的會商信息展板，供決策者判斷應(yīng)急險情，制定處置方案。

根據(jù)功能需求、易維護性、可靠性和可擴展性等分析，系統(tǒng)在實現(xiàn)方式上采用 B/S 模式和 SOA技術(shù)。

物聯(lián)感知體系在原有水質(zhì)水量監(jiān)控體系基礎(chǔ)上增設(shè)水文和水質(zhì)自動監(jiān)測設(shè)備，引入閘泵自動控制技術(shù)，完善內(nèi)河管理技術(shù)手段。系統(tǒng)主要功能包括在線監(jiān)控預(yù)警、會商分析、方案管理、執(zhí)行反饋等。執(zhí)行反饋使應(yīng)急事件處置形成完整閉環(huán)，需要現(xiàn)場處置負責人通過移動工作平臺完成數(shù)據(jù)上報，因此借助 GPS 定位和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)移動工作終端也是建設(shè)內(nèi)容之一。應(yīng)急事件從發(fā)生到處置結(jié)束過程中的數(shù)據(jù)或臺賬均在線儲存，方便調(diào)取查閱。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)總體框架分為4+1個層次，具體層次劃分如下：

1）信息采集層。主要負責自動化水質(zhì)監(jiān)測、水文監(jiān)測、視頻監(jiān)控、閘泵自動化測控等。

2）數(shù)據(jù)支撐層。以物聯(lián)感知體系為依托，構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、水文水質(zhì)數(shù)據(jù)庫、應(yīng)急專題信息庫及GIS 地理信息與地圖服務(wù)等。

3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。包括內(nèi)河應(yīng)急決策支持系統(tǒng)和移動辦公平臺。

4）用戶層。對象主要為市區(qū)兩級內(nèi)河管理部門。

5）信息安全體系。包括網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)存儲備份機制、數(shù)據(jù)訪問控制機制和數(shù)據(jù)加密存儲等內(nèi)容。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層層支撐，保證各應(yīng)用系統(tǒng)的可靠運行、資源共享與一體化管理。

3 物聯(lián)感知體系

物聯(lián)感知信息采集層是系統(tǒng)架構(gòu)的底層，是應(yīng)急決策支持系統(tǒng)的支撐，可視為單獨的水環(huán)境自動化采集監(jiān)控系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括以下幾個子系統(tǒng)：

圖1 物聯(lián)感知體系設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

1）水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)。水質(zhì)點位布設(shè)在總體上能反映所在河道或區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量狀況的斷面，盡可能以最少的斷面獲取足夠具有代表性的環(huán)境信息，同時還必須考慮監(jiān)測點位設(shè)置的可行性和方便性。本次設(shè)計自動監(jiān)測站采用超級綠箱子（SGB），箱體式設(shè)計，體積小，安裝方便，具有大型水站連續(xù)監(jiān)測能力，兼?zhèn)錈o人值守、避免征地建站等優(yōu)點，主要采集電導(dǎo)率、pH、溶解氧、濁度、氨氮、COD 等6個水質(zhì)要素，根據(jù)水污染情況，將監(jiān)測頻次設(shè)為1或2h1次。數(shù)據(jù)傳輸方式采用移動 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸。

2）水文監(jiān)測子系統(tǒng)。水文自動測報系統(tǒng)由遙測站、中心站、中繼站組成。遙測站選址須具有區(qū)域代表性，符合水文要素空間變換規(guī)律，且滿足觀測精度。遙測站主要設(shè)備包括工情遙測終端、水位計、設(shè)備保護箱、開關(guān)電源及斷路器等。本次設(shè)計選用了 RTU，MTBF 大于5萬 h，高于國內(nèi)同行業(yè)和國標要求的1萬 h 標準。以實時采集、固態(tài)存儲、數(shù)據(jù)準確為目標，數(shù)據(jù)傳輸采用 GSM/GPRS 無線通訊方式，通暢率達 99% 以上。數(shù)據(jù)包采用 CRC 校驗方法，對數(shù)據(jù)進行加密發(fā)送，確保數(shù)據(jù)準確性。

3）閘泵自動化遠程測控子系統(tǒng)。按“無人值班、少人值守”原則進行總體設(shè)計，系統(tǒng)主要由現(xiàn)地控制設(shè)備、就地控制中心、通訊網(wǎng)絡(luò)和遠程控制中心組成，相應(yīng)地遠程控制系統(tǒng)采用三級控制模式：現(xiàn)地手動、集中自動和遠程控制級，其中，就地手動控制級具有最高優(yōu)先級，現(xiàn)場集中控制級次之，遠程控制級最低，3 種控制模式之間有嚴格的閉鎖。遠程控制級設(shè)置在控制中心，實現(xiàn)對閘門的遠程集中監(jiān)控，提供閘門實時控制、工情顯示、設(shè)備自診斷、報警、報表等功能，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4）視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。對現(xiàn)有內(nèi)河視頻監(jiān)控站點進行 VPN 專用網(wǎng)絡(luò)改造，改造后數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯入智慧城管中心，轉(zhuǎn)而接入應(yīng)急決策支持系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要包括以下4項功能模塊：

1）監(jiān)測預(yù)警模塊。提供在線自動預(yù)警及人工上報2種響應(yīng)方式，可通過站內(nèi)信息和短信將內(nèi)河預(yù)警上報至 PC 工作平臺或相關(guān)負責人手機。提供預(yù)警信息審核功能，實現(xiàn)對內(nèi)河水污染應(yīng)急、工情預(yù)警、防汛應(yīng)急等事件的及時響應(yīng)。

2）會商分析模塊。針對內(nèi)河水污染、工情、防汛等3種應(yīng)急事件，分別制定不同的應(yīng)急決策主題展板，滿足多方位信息查閱。同時，該模塊還可調(diào)取已審核預(yù)警和結(jié)合地圖可視化的河道基本、視頻監(jiān)控、應(yīng)急預(yù)案及物資倉庫等信息。另外，提供地圖圖形標繪工具，方便決策指揮。專家領(lǐng)導(dǎo)綜合上述信息進行會商研判，進行事件影響分析和初步方案制定，在線記錄影響分析結(jié)果，并存檔應(yīng)急處置方案。

3）方案管理模塊。在線制定應(yīng)急處置方案或發(fā)起安全處理單，提供方案的編輯修改和指令任務(wù)下發(fā)功能；對會商分析形成的結(jié)果性文檔或照片進行在線存儲和維護管理。

4）執(zhí)行反饋模塊。提供負責人手持移動終端，將應(yīng)急處置過程或結(jié)果性信息以表格、照片或語音視頻形式上報回 PC 管理工作平臺，供決策領(lǐng)導(dǎo)查閱做進一步指示。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 技術(shù)路線

遵循事件處理閉環(huán)化原則，技術(shù)路線主要分為應(yīng)急啟動、決策和處置3個環(huán)節(jié)。建立應(yīng)急專題信息庫，用于存儲預(yù)警、決策支持、會商主題插件、事件處置過程等信息。技術(shù)路線如圖2所示。

1）應(yīng)急啟動環(huán)節(jié)。以監(jiān)測或人工預(yù)警2種方式上報，以站內(nèi)消息或短信方式通知負責人處理，預(yù)警確認審核后啟動應(yīng)急處置程序，同時預(yù)警信息進入應(yīng)急信息庫。

2）應(yīng)急決策環(huán)節(jié)。匯集決策信息源，利用這些信息開發(fā)專題信息插件，每個插件獨立可拆卸，由平臺前端插件池統(tǒng)一管理。根據(jù)應(yīng)急事件類型，分別對插件池信息插件按照信息關(guān)聯(lián)程度進行組合，形成3種主題信息展示面板。面板可以 1×1，2×1，2×2 和 3×2 等多種窗口布局，每個窗口單元可拆卸和調(diào)取其他插件。考慮操作便捷性，將信息調(diào)取、信息展板、圖形標繪、方案制定等功能結(jié)合GIS 地圖集成在一個會商界面，事件影響分析和應(yīng)急方案結(jié)果可即時在線存檔。開發(fā)方案管理和指令下發(fā)功能，方案確認后以指令形式下發(fā)。

3）應(yīng)急處置環(huán)節(jié)。移動工作終端采用移動互聯(lián)網(wǎng)和 React Mobile 混合開發(fā)技術(shù)搭建，利用地圖API 實現(xiàn)預(yù)警地點定位功能。開發(fā)移動終端與 PC 平臺的信息互通接口，方便應(yīng)急指令下發(fā)和處置結(jié)果上報反饋。

5.2 應(yīng)急預(yù)警策略

水環(huán)境預(yù)警信息及時準確的響應(yīng)，需要預(yù)先為監(jiān)測指標設(shè)置合適的預(yù)警閾值和機制。GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》限定了內(nèi)河水質(zhì)應(yīng)控制的項目及限值，結(jié)合城區(qū)內(nèi)河實際水質(zhì)情況，以上述標準為基準建立自定義水質(zhì)指標上/下限值，并將水質(zhì)預(yù)警分為超上/下限預(yù)警，制定預(yù)警機制：當監(jiān)測值大于項目上限則觸發(fā)超上限預(yù)警，監(jiān)測值小于項目下線則觸發(fā)超下限預(yù)警，預(yù)警項目以閃爍紅燈形式展示在系統(tǒng)預(yù)警模塊地圖上。預(yù)警上報需要經(jīng)過管理員審核，確認為應(yīng)急事件的則啟動應(yīng)急處置程序，確認為無需處理預(yù)警的則可忽略。同理，對閘泵流量和水位建立類似自定義預(yù)警策略。

圖2 系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)路線圖

5.3 專題信息展板定制

專題信息展板匯聚了會商所需的大量信息，是應(yīng)急會商的核心支撐，也是信息共享的重要渠道。信息展板的定制分為以下 2個方面：

1）信息插件的開發(fā)。以解耦可拆卸的設(shè)計思路，本次系統(tǒng)建設(shè)共開發(fā)15個插件，每個插件設(shè)計為靈活的獨立單元，表達某一個方面的特定信息。插件可自適應(yīng)頁面布局大小，方便根據(jù)不同窗口布局進行專題信息展板組合。

2）信息插件的科學(xué)組合。信息插件承載內(nèi)容可以是圖片、網(wǎng)頁或定制表單等多樣化信息，為管理有序，系統(tǒng)開發(fā)前端插件池實現(xiàn)對插件的統(tǒng)一調(diào)取和拆卸管理，插件池作為3個應(yīng)急會商專題信息的支撐，貫通3個會商分析模塊，方便不同專題展板間信息插件的相互調(diào)用。根據(jù)信息相關(guān)性，系統(tǒng)為每個應(yīng)急專題預(yù)先組合了1套信息展板，實際使用中決策者也可自行拆卸并調(diào)取感興趣的插件。另外，信息展板提供不同單元窗口大小切換功能，如2×2 切換為 3×2 窗口，方便信息閱覽。

5.4 建設(shè)成果

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計思路和技術(shù)路線，以寧波市主城區(qū)49條主要河道為研究對象，梳理出沿河6個水質(zhì)監(jiān)測站、9 座翻水泵站、6 座立交泵站、17個水位監(jiān)測點、16 座沿江碶閘共計54個監(jiān)測目標，以及水質(zhì)站的10類、翻水和立交泵站的1類、水位站和碶閘的2類共計13類監(jiān)測指標，城區(qū)內(nèi)河的監(jiān)測目標和指標如表1所示。結(jié)合內(nèi)河處掌握的8個維度的信息源、2 種超限預(yù)警類型，構(gòu)建包含15個信息展板的決策支撐插件池，并按需分別預(yù)置歸入3 類應(yīng)急事件主題，從而形成信息來源豐富、調(diào)度靈活、可視化程度高的應(yīng)急調(diào)度會商基礎(chǔ)支撐。圍繞該基礎(chǔ)支撐，研發(fā)了綜合監(jiān)控預(yù)警和管理2個主模塊。城區(qū)內(nèi)河應(yīng)急決策支持系統(tǒng)已應(yīng)用于城區(qū)內(nèi)河管理工作中，目前運行2a 有余。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并在水環(huán)境監(jiān)測、供排水調(diào)度、水污染治理和事件應(yīng)急管理等方面取得良效果。

6 結(jié)語

本研究從自動化、信息化方面闡述了物聯(lián)感知體系的設(shè)計，并以此為支撐設(shè)計實現(xiàn)了城區(qū)內(nèi)河應(yīng)急決策支持系統(tǒng)。集成物聯(lián)感知、無線傳輸、自動控制和計算機應(yīng)用等多種技術(shù)，實現(xiàn)了水環(huán)境監(jiān)測預(yù)警、自動上報及信息在線收發(fā)存存檔等功能，摒除了以往內(nèi)河管理工作中傳統(tǒng)人工信息交互的諸多弊端，提升了信息共享效率。在實際生產(chǎn)活動中，為河道管理工作帶來極大的便利，降低水污染等突發(fā)事件給人民生命財產(chǎn)造成損失的風(fēng)險，充分發(fā)揮其社會經(jīng)濟效益。

但是，城區(qū)內(nèi)河水環(huán)境的治理與管理不是單一的技術(shù)工作，也不可能單純依靠技術(shù)手段實現(xiàn)復(fù)雜的管理任務(wù)，信息化手段始終只能作為管理的一種工具，輔助管理者順利開展工作?？茖W(xué)規(guī)范的管理仍然需要以人為本，回到制度建設(shè)與革新上來，建立健全的法律法規(guī)，賦予其更多的社會性，呼吁全民參與，人人共建。更深入的研究實踐建議開展以制度建設(shè)為根本，最大程度集成各部門資源，借助信息化科技手段，建立囊括河道管理者、政府部門、企事業(yè)單位、社會個體等全社會互通互聯(lián)的管理體系，并與智慧城市接軌，構(gòu)建全社會共建共享的管理氛圍。

表1 寧波市城區(qū)內(nèi)河監(jiān)測目標和指標