防洪“四預”視域下海河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展構(gòu)想

齊師杰 呂天慧

(1.天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司, 天津 300171；2.北京七兆科技有限公司，北京 100070)

水旱災害歷來是中華民族的心腹之患，水旱災害防御工作關(guān)系人民生命財產(chǎn)安全和社會經(jīng)濟安全。伴隨全球極端天氣的頻發(fā)和中國城市化進程的加快，水旱災害造成的社會經(jīng)濟損失也愈加慘重。為適應我國防汛抗旱新形勢新要求，構(gòu)筑完整的防洪抗旱減災體系，利用現(xiàn)代化信息技術(shù)全面提升防汛抗旱效率，2005年水利部正式啟動國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程建設(shè)。按照水利部統(tǒng)一部署，水利部海河水利委員會(以下簡稱海委)分別于2005—2007年和2014—2016年實施開展了國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程和二期工程建設(shè)，開發(fā)了綜合信息服務、防洪調(diào)度、洪災評估、抗旱業(yè)務應用、工情業(yè)務應用等系統(tǒng)，成為現(xiàn)階段流域機構(gòu)開展防汛抗旱業(yè)務的主要決策支持，在近年來流域防汛減災業(yè)務工作中發(fā)揮了重要作用[1]。“十四五”時期，防汛管理新體制、治水管水新形勢以及氣候變化新趨勢對流域水旱災害防御工作提出了新要求。因此，積極推進水利部關(guān)于智慧水利和數(shù)字孿生建設(shè)規(guī)劃，立足防洪“四預”目標，融合新一代信息技術(shù)，升級完善洪水預報、預警功能，重點構(gòu)建模擬仿真模塊，完善原防洪調(diào)度系統(tǒng)防汛“四預”功能建設(shè)，加快實現(xiàn)“預報精準化、預警超前化、預演數(shù)字化、預案科學化”的防汛調(diào)度業(yè)務應用，對于提升新時期流域防汛抗旱信息化能力具有重要意義。

1 防洪“四預”概述

智慧水利建設(shè)主要任務是構(gòu)建數(shù)字孿生流域、建設(shè)具有“四預”功能的“2+N”水利智能業(yè)務應用體系和完善網(wǎng)絡安全防護體系。“2”即防洪和水資源管理與調(diào)配，“四預”即預報、預警、預演、預案。其中，預報是防洪“四預”的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對水雨情、工情、氣象等水安全要素進行不同預見期的預測預報；預警是防洪“四預”的實時前哨，將洪澇災害、山洪災害、工程災害、干旱災害等預警信息及時傳達有關(guān)部門，輔助決策；預演是防洪“四預”的處理關(guān)鍵；預案是防洪“四預”的最終目的[2-4]。

強化預報、預警、預演、預案“四預”措施，是最大限度防范災害風險的重要抓手。水利部部長李國英多次強調(diào)，水旱災害防御要堅持預字當先、關(guān)口前移，提出要推進智慧水利在水旱災害防御工作中的先行先試，智慧水利要準確把握“需求牽引、應用至上”總要求，目標是建立物理水利及其影響區(qū)域的數(shù)字化映射，目的是能夠在物理水利及其影響區(qū)域的數(shù)字化映射中實現(xiàn)“四預”。通過數(shù)字流場進行“四預”尤其是預演，得到水旱災害防御等的決策支撐信息，并及時、精準、科學地作出研判，主動或超前完成水旱災害防御相關(guān)管理工作。

為積極響應智慧水利的建設(shè)要求，滿足新形勢下海河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)的業(yè)務需求，確保在物理水利及其影響區(qū)域的數(shù)字化映射中實現(xiàn)“四預”，需進一步對海河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)進行功能完善。通過建立防洪“四預”模擬仿真平臺，將數(shù)字孿生、數(shù)字模擬、數(shù)字仿真等最新科技成果賦能智慧流域建設(shè)，將進一步提升流域防汛抗旱管理科技化、智能化水平，為調(diào)度決策提供高效支持，對于推進智慧流域探索具有重要的示范意義。

2 防洪調(diào)度系統(tǒng)在流域防汛抗旱業(yè)務中的設(shè)計與應用

2.1 防洪調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)背景

海河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)是國家防汛指揮系統(tǒng)二期工程中重要的單項工程。項目基于流域防汛工作的實際需要，以現(xiàn)行的防洪調(diào)度工作流程、組織分工為基礎(chǔ)，依據(jù)批復的洪水調(diào)度方案，通過開發(fā)專業(yè)的調(diào)度模型，開發(fā)建設(shè)北三河、灤河防洪調(diào)度系統(tǒng)，重點新增調(diào)度區(qū)域調(diào)度方案研發(fā)、功能模塊開發(fā)和防洪調(diào)度專用數(shù)據(jù)庫建設(shè)；完善國家防汛指揮系統(tǒng)一期建設(shè)的大清河、永定河、子牙河防洪調(diào)度系統(tǒng)，從而解決海河流域防汛指揮現(xiàn)狀中存在的問題，為保障安全度汛、合理調(diào)度提供先進的科學工具。

2.2 防洪調(diào)度系統(tǒng)總體框架

海河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)總體基于“兩臺一庫”的結(jié)構(gòu)，即遵循“應用支撐平臺”“數(shù)據(jù)匯集平臺”“公用數(shù)據(jù)庫”的規(guī)定，并在專用數(shù)據(jù)庫的支持下，集成已建(大清河、永定河、子牙河)和新建(北三河、灤河)的各河系防洪調(diào)度系統(tǒng)。各河系防洪調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計思路將采用“服務”+“業(yè)務流程”+“規(guī)則”相結(jié)合的方式，即調(diào)度算法以服務組件的方式進行封裝，開放輸入、輸出、邊界等設(shè)置接口，調(diào)度方案的制定將通過“業(yè)務流程引擎”+“規(guī)則引擎”進行重組和編排，實現(xiàn)各河系調(diào)度節(jié)點和調(diào)度規(guī)則的動態(tài)配置，從而滿足系統(tǒng)自動適應調(diào)度方案修訂或變化的功能。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)匯集平臺層、數(shù)據(jù)資源層、應用支撐層、應用服務層、用戶層以及標準規(guī)范體系和網(wǎng)絡安全體系等保障環(huán)境，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 防洪調(diào)度系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.2.1 數(shù)據(jù)匯集平臺層

數(shù)據(jù)匯集平臺層可實現(xiàn)從下到上的水雨情、工情、氣象、災情等各類實時采集數(shù)據(jù)的自動接收與交換，統(tǒng)計數(shù)據(jù)的在線填報與匯總，文檔材料等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的實時交換與管理。匯集功能主要包括數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、業(yè)務接口、配置管理和監(jiān)控統(tǒng)計等。

2.2.2 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層是防洪調(diào)度系統(tǒng)的信息支撐層，存儲和管理系統(tǒng)所需的公共數(shù)據(jù)和專用數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)庫間通過公共數(shù)據(jù)字典建立相應的引用關(guān)系。公共數(shù)據(jù)庫主要包括實時水雨情數(shù)據(jù)庫、歷史大洪水數(shù)據(jù)庫、熱帶氣旋數(shù)據(jù)庫、防洪工程數(shù)據(jù)庫、實時工情庫、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫、地理空間庫、歷史洪災數(shù)據(jù)庫、旱情數(shù)據(jù)庫、洪澇災害統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫、專題成果數(shù)據(jù)庫等；專用數(shù)據(jù)庫是專門針對防洪調(diào)度系統(tǒng)而建設(shè)的數(shù)據(jù)庫，存儲與調(diào)度方案有關(guān)的數(shù)據(jù)，其他應用系統(tǒng)沒有對其共享數(shù)據(jù)的需求。包括調(diào)度方案數(shù)據(jù)、啟用工程參數(shù)數(shù)據(jù)、調(diào)度結(jié)果數(shù)據(jù)等。

2.2.3 應用支撐層

應用支撐層包括應用支撐平臺部分和服務支撐部分。應用支撐平臺實現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)支撐功能的重復調(diào)用，如單點登錄服務、信息交換服務、信息共享服務等。服務支撐部分實現(xiàn)調(diào)度算法的服務組件化，并結(jié)合業(yè)務流程引擎和規(guī)則引擎，實現(xiàn)調(diào)度節(jié)點和調(diào)度規(guī)則的動態(tài)配置，以及應用層功能的重復利用。

2.2.4 應用服務層

應用服務層實現(xiàn)防洪調(diào)度系統(tǒng)功能，具有防洪形勢分析、調(diào)度方案制定、調(diào)度成果可視化、調(diào)度成果評價比較、調(diào)度成果管理、調(diào)度成果上報、調(diào)度系統(tǒng)管理、專用數(shù)據(jù)庫管理等功能。

2.2.5 用戶層

用戶層為海河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)的各級用戶提供統(tǒng)一的登錄入口，同時各河系調(diào)度系統(tǒng)也可獨立運行。

2.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

按照“需求至上”的設(shè)計原則，海河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)基于流域防洪調(diào)度實際業(yè)務需求進行開發(fā)建設(shè)，主要包括防洪形勢分析、調(diào)度方案制定、調(diào)度成果可視化、調(diào)度方案比較、調(diào)度方案管理、調(diào)度系統(tǒng)管理等功能模塊，見圖2。

圖2 防洪調(diào)度系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.3.1 防洪形勢分析

防洪形勢分析模塊對海河流域雨水情、災情、暴雨洪水預報成果、工情險情進行分析，對洪水規(guī)模、特點、發(fā)展態(tài)勢作出判斷，并把它們有機組織起來，幫助調(diào)度人員認清防洪形勢，明確防洪的主要問題和防汛目標。

2.3.2 調(diào)度方案制定

調(diào)度方案制定是防洪調(diào)度系統(tǒng)的核心。該模塊實現(xiàn)對海河流域內(nèi)各河系的洪水狀態(tài)進行演進、模擬，達到描述整個水系內(nèi)洪水發(fā)展趨勢的目的，給出可能存在風險的防洪點、斷面和工程，提前為決策者提供決策依據(jù)[5]。調(diào)度方案制定模塊將在Web的方式下，實現(xiàn)對模型大部分參數(shù)的實時調(diào)整、實時計算并模擬計算結(jié)果。同時，在調(diào)度方案生成后能夠立即看到方案生成結(jié)果的展示界面，對生成的調(diào)度方案反復進行人工調(diào)整，直至滿意為止。

2.3.3 調(diào)度方案可視化

調(diào)度可視化模塊將方案通過直觀、簡明和形象化的信息表達，實現(xiàn)對防洪調(diào)度成果的可視化展示。防洪概化圖可視化在概化圖界面上，針對不同方案防洪工程的實際應用情況對其進行動態(tài)洪水演進仿真，包含河道洪水演進、蓄洪區(qū)洪水演進、分洪水道洪水演進和相關(guān)工程信息監(jiān)視[7]。控制工程可視化主要是模擬調(diào)度成果中的相關(guān)控制工程的運行情況，包括水庫和蓄滯洪區(qū)調(diào)度可視化。二維GIS可視化包括縮放、漫游、圖層控制等一般功能及地圖要素查詢功能，可參與查詢的圖層包括測站、水閘、河流、水庫、蓄滯洪區(qū)、堤防、險工險段。河道演進可視化是將二維洪水預案結(jié)果在GIS上進行動態(tài)展示，系統(tǒng)將二維預案結(jié)果預處理成洪水淹沒水深圖片，實時添加到GIS中，形成洪水演進動畫。

2.3.4 調(diào)度方案比較

調(diào)度方案比較實現(xiàn)了對多種方案的工程運用情況、運用效果(調(diào)度方案模擬結(jié)果)、洪災損失的對比分析，供決策者選擇可行、滿意的方案。

2.3.5 調(diào)度方案管理

調(diào)度方案管理主要是對與調(diào)度方案有關(guān)的所有數(shù)據(jù)、調(diào)度方案集進行統(tǒng)一、有效的管理，包括調(diào)度方案檢索、方案信息查詢、方案修改、方案刪除和方案上報5項子功能。

2.3.6 調(diào)度系統(tǒng)管理

調(diào)度系統(tǒng)管理主要負責用戶管理、角色管理以及數(shù)據(jù)維護，其中用戶管理和角色管理統(tǒng)一由防指二期實施的防汛抗旱綜合信息服務系統(tǒng)實現(xiàn)，數(shù)據(jù)維護部分主要完成防洪形勢綜合分析報告、批復的調(diào)度方案、歷史洪水等相關(guān)數(shù)據(jù)的維護功能。

2.4 系統(tǒng)集成方案

海河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)是對一期防洪調(diào)度系統(tǒng)現(xiàn)有成果的補充和完善，通過應用集成、數(shù)據(jù)集成和環(huán)境集成，為海河流域防洪決策提供有力支持。

在應用集成方面，集成一期防洪調(diào)度系統(tǒng)中防洪形勢分析、調(diào)度方案生成與比較等功能；集成洪水動態(tài)仿真的Flash組件、二維洪水演進展示功能組件等。

在數(shù)據(jù)集成方面，集成一期工程所采用的電子地圖數(shù)據(jù)，針對不同比例尺的地圖數(shù)據(jù)，可進行視野范圍的調(diào)整。

在環(huán)境集成方面，集成一期工程的服務器，現(xiàn)有項目系統(tǒng)運行的水利專網(wǎng)、辦公網(wǎng)絡以及數(shù)據(jù)庫平臺、地圖平臺等第三方軟件平臺。

2.5 系統(tǒng)成果展示

海河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)首頁默認展示流域水系概況、實時汛情、預報汛情、水庫水情、防洪形勢綜合分析等信息，并提供歷史洪水、基礎(chǔ)信息和其他應用系統(tǒng)的鏈接。系統(tǒng)首頁和永定河模塊功能界面見圖3、圖4。

圖3 海河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)首頁界面

圖4 永定河防洪調(diào)度系統(tǒng)界面

3 防洪“四預”視域下防洪調(diào)度系統(tǒng)發(fā)展構(gòu)想

3.1 基于流域資源整合，加快實現(xiàn)防汛信息共享

面對管理分散、業(yè)務分割、資源孤島等水利信息化制約瓶頸，2013年水利部黨組正式啟動全國水利信息資源整合共享工作，明確提出由水利部信息中心對資源整合共享工作提出整體思路并加快建設(shè)實施[10]。海委高度重視，于2020年印發(fā)《智慧海河總體方案》和《智慧永定河技術(shù)方案》，并提出海委網(wǎng)信基礎(chǔ)建設(shè)“六大工程”。

海委系統(tǒng)整合項目是“六大工程”的核心工程，是解決海委信息資源分散管理、業(yè)務系統(tǒng)各自為政、運行維護工作統(tǒng)籌難的關(guān)鍵舉措。目前，項目已經(jīng)完成合同驗收和系統(tǒng)試運行，進入報竣階段。項目通過適配技術(shù)實現(xiàn)了防洪調(diào)度系統(tǒng)在國產(chǎn)環(huán)境的正常運行，通過海委統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫建設(shè)實現(xiàn)了防洪調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫同其他部分數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)匯集，通過新建應用支撐平臺實現(xiàn)了防洪調(diào)度系統(tǒng)同其他系統(tǒng)的統(tǒng)一用戶管理和單點登錄等功能[11]。

下一步，伴隨“六大工程”持續(xù)推進，防洪調(diào)度系統(tǒng)也將以應用為核心，以創(chuàng)新為動力，以共享為目的，加快實現(xiàn)防汛信息與海委其他數(shù)據(jù)庫的匯集和同步工作，努力為智慧海河建設(shè)提供強有力的數(shù)據(jù)支撐和應用服務。

3.2 基于數(shù)字孿生工程，加快實現(xiàn)防洪“四預”

國家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出“構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力”。水利部黨組高度重視智慧水利建設(shè)，提出智慧水利是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的最顯著標志和六條實施路徑之一，要加快構(gòu)建具有“四預”(預警、預報、預演、預案)功能的智慧水利體系。2021年開始，水利部相繼出臺智慧水利系列重要文件，全面部署智慧水利建設(shè)，并將數(shù)字孿生流域建設(shè)作為構(gòu)建智慧水利體系、實現(xiàn)“四預”的核心和關(guān)鍵[12]。

防洪調(diào)度系統(tǒng)作為國家防汛指揮系統(tǒng)二期工程(海河流域部分)重要的單項工程，自2016年建成以來，已成為現(xiàn)階段海委開展防汛抗旱業(yè)務的重要決策支持，在近年的業(yè)務工作中發(fā)揮了重要作用。但是對標新時期海河流域智慧水利建設(shè)要求，仍然存在一定差距，主要體現(xiàn)在：水文站網(wǎng)密度低，監(jiān)測能力距智慧感知體系要求差距大；洪水調(diào)度與預報結(jié)合不充分，缺乏水工程實際聯(lián)合調(diào)度經(jīng)驗；已建應用系統(tǒng)分散布局，缺乏業(yè)務協(xié)同，流域智慧化洪水治理能力不足。

立足當下，應按照智慧水利總體框架，深度融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，以構(gòu)建數(shù)字孿生防汛“四預”智慧化管理平臺為發(fā)力點，充分利用水文綜合業(yè)務平臺、海委視頻監(jiān)控平臺相關(guān)資源，改造現(xiàn)有防洪調(diào)度系統(tǒng)，擴展定制流域防洪數(shù)字化場景，升級完善洪水預報、預警功能，重點構(gòu)建模擬仿真模塊，完善系統(tǒng)防汛“四預”功能建設(shè)，加快實現(xiàn)“預報精準化、預警超前化、預演數(shù)字化、預案科學化”的防汛調(diào)度業(yè)務應用，持續(xù)推進“十四五”時期流域防汛抗旱信息化能力提升和水利事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。