黃河智慧防凌云平臺設(shè)計與研究

徐路凱 李書霞 于國卿

摘 要：顯著的緯度差和特殊的氣候條件，使得黃河凌汛災(zāi)害成為我國冬春季節(jié)大江大河中最突出、最重大的自然災(zāi)害，并具有孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜、突發(fā)鏈發(fā)性強和防控難度大等特點。當(dāng)前針對黃河凌汛問題的網(wǎng)絡(luò)信息化普遍存在平臺功能較為單一、數(shù)值仿真參與度低、凌情數(shù)據(jù)獲取來源以及獲取手段受局限、缺乏全鏈條全過程動態(tài)智慧化管理等問題。針對當(dāng)前存在的問題，面向黃河防凌安全的現(xiàn)實需求，提升黃河防凌減災(zāi)智慧管理能力，設(shè)計基于云計算服務(wù)的黃河智慧防凌云平臺。該平臺以“數(shù)據(jù)倉庫構(gòu)建—模型集成耦合—云端仿真計算—虛擬現(xiàn)實展示”為技術(shù)主線，整體采用3層架構(gòu)，其中計算服務(wù)層由以Docker容器技術(shù)為平臺的防凌模型庫提供強大的虛擬計算環(huán)境。集成開發(fā)凌情監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警、凌汛洪水風(fēng)險動態(tài)評估、凌汛災(zāi)害情景推演、水庫群與分凌區(qū)聯(lián)合防凌調(diào)度和凌災(zāi)防控決策支持方案優(yōu)選等功能模塊，覆蓋凌汛災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)險管理、調(diào)控決策和效果評估等全過程。

關(guān)鍵詞：智慧防凌;云平臺;模型集成;容器技術(shù);黃河

Abstract：Due to the difference in latitude and special climatic conditions， the flood disaster of the Yellow River is the most prominent and significant natural disaster in the big rivers in China. The Yellow River ice flood is characterized by complex disaster environment， strong burst chain and great difficulty in prevention and control. At present， the network information platform generally exists many problems， for an example， single function， low participation in numerical simulation， limited data source acquisition and lack of dynamic intelligent management. In the face of these real demands， this paper designed the ice flood of the Yellow River intelligent platform based on cloud computing service. The technical route of the platform was “Data warehouse construction-Model integration coupling-Cloud simulation computing-Virtual reality display”. The computing service layer provided a powerful virtual computing environment for the platform's model library by Docker container technology. The functional modules of the platform included monitoring and disaster early warning， dynamic assessment of ice flood risk， scenario development of flood disaster， combined ice-prevention operation of reservoir group and ice flood diversion area， optimization of decision support scheme for disaster prevention and control. The function covered the whole process of disaster chain. It had important application value for the establishment of efficient and scientific natural disaster prevention system.

Key words： intelligent ice flood control; cloud platform; model integration; container technology;Yellow River

1 前 言

近年來，黃河凌汛河段多次發(fā)生決口，給沿黃地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全造成了巨大的影響。顯著的緯度差和特殊的氣候條件，使得黃河凌汛災(zāi)害成為我國冬春季節(jié)大江大河中最突出、最重大的自然災(zāi)害，具有孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜、突發(fā)鏈發(fā)性強和防控難度大等特點[1-2]。

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的科研人員嘗試運用信息化手段來解決黃河凌汛的突出問題，在黃河凌情監(jiān)測、凌災(zāi)預(yù)警預(yù)報、防凌應(yīng)急管理等方面取得了較大進展。例如：黃委信息中心于2018年開發(fā)的防凌會商決策支持系統(tǒng)是一種用于防凌調(diào)度決策的重要非工程手段，系統(tǒng)集成相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合“黃河一張圖”，建立會商會議管理、防凌會商主題信息組織、防凌會商匯報、會商結(jié)果管理四大會商模塊，快速收集、準(zhǔn)備相關(guān)凌情及工程等詳細信息，為防凌會商決策提供支撐，確保防凌會商決策科學(xué)、及時、高效[3]。黃委信息中心許志輝等開發(fā)的黃河凌情遙感監(jiān)測系統(tǒng)，通過構(gòu)建凌情信息解譯模型和信息服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的快速化獲取、自動化預(yù)處理、海量化存儲和管理，為黃河防凌決策提供信息保障[4]。內(nèi)蒙古防汛部門開發(fā)的內(nèi)蒙古黃河防凌防汛決策支持平臺，功能包括地理信息、河道監(jiān)測與決策支持等。其凌情信息服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了凌情遙感監(jiān)測現(xiàn)狀信息、封河前后對比信息、歷史凌情信息、河道槽蓄水量分布、堤防偎水、典型凌情事件等信息服務(wù)，集成沿河分布的各類固定點視頻圖像和水雨情等信息。但是，當(dāng)前的研究成果普遍存在平臺功能較為單一、數(shù)值仿真參與度低、凌情數(shù)據(jù)獲取來源以及獲取手段受局限、缺乏全鏈條全過程動態(tài)智慧化管理等問題。

為了滿足國家“要建立高效科學(xué)自然災(zāi)害防治體系”的迫切要求及保障黃河防凌安全的現(xiàn)實需求，國家重點研發(fā)計劃項目“黃河凌汛監(jiān)測與災(zāi)害防控關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”在凌汛災(zāi)害的突發(fā)鏈發(fā)機理及演化機制、重要凌情監(jiān)測精度及實時性、凌汛險情災(zāi)情預(yù)警預(yù)報的準(zhǔn)確性及效率、重點防凌河段水庫群調(diào)度的精細化及智能化和凌汛險情災(zāi)情搶護的時效性及安全性等方面開展研究。本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，面向國家建立高效科學(xué)的凌汛災(zāi)害防治體系和提升黃河防凌減災(zāi)智慧管理能力的要求，以“數(shù)據(jù)倉庫構(gòu)建—模型集成耦合—云端仿真計算—虛擬現(xiàn)實展示”為技術(shù)主線，對黃河智慧防凌云平臺進行總體設(shè)計，并針對平臺研發(fā)中的關(guān)鍵性技術(shù)問題進行研究。

2 黃河智慧防凌云平臺建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)防凌減災(zāi)業(yè)務(wù)需求，研究具有高度可維護性、可移植性和可擴展性的黃河智慧防凌云平臺體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計平臺整體功能框架和應(yīng)用系統(tǒng)詳細功能，建立平臺研發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范?；谌SGIS集成開發(fā)凌情監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警、凌汛洪水風(fēng)險動態(tài)評估、凌汛災(zāi)害情景推演、水庫群與分凌區(qū)聯(lián)合防凌調(diào)度和凌災(zāi)防控決策支持方案優(yōu)選等功能模塊，提供標(biāo)準(zhǔn)計算云服務(wù)，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的黃河智慧防凌云平臺。研發(fā)數(shù)據(jù)和服務(wù)等多種高效引擎和訪問接口，將凌汛災(zāi)害快速防控決策支持平臺納入黃河和國家防汛指揮系統(tǒng)示范應(yīng)用;針對冰塞冰壩等凌汛事件，建立虛擬現(xiàn)實環(huán)境下“事件觸發(fā)—模型驅(qū)動—智能決策—效應(yīng)評估”的防凌減災(zāi)高效管理模式，形成高效科學(xué)的凌汛災(zāi)害綜合防治技術(shù)體系。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

黃河智慧防凌云平臺系統(tǒng)總體設(shè)計思路主要包括以下幾個方面內(nèi)容。

（1）搭建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境：通過應(yīng)用商用數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對以數(shù)據(jù)為檢索單位的資料（結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)管理;通過文件系統(tǒng)實現(xiàn)對以記錄為檢索單位的資料（非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)管理，并由商用數(shù)據(jù)庫對其元數(shù)據(jù)、檢索路徑進行統(tǒng)一管理。

（2）設(shè)計開發(fā)可插拔的系統(tǒng)體系架構(gòu)：以核心控制、松散結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念為基礎(chǔ)，建立智慧防凌平臺成果應(yīng)用與展示子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，并發(fā)布公共組件的標(biāo)準(zhǔn)化接口、實現(xiàn)統(tǒng)一接口管理、交互控制等結(jié)構(gòu)。

（3）基于B/S技術(shù)架構(gòu)：考慮到系統(tǒng)運算效率，系統(tǒng)絕大部分算法實現(xiàn)在服務(wù)端，客戶端通過調(diào)用服務(wù)端算法完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理。

（4）提供一致的接口訪問方式：黃河智慧防凌云平臺系統(tǒng)向其他應(yīng)用系統(tǒng)提供采用C++語言的編程接口，方便其他應(yīng)用系統(tǒng)在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上二次開發(fā)與調(diào)用。數(shù)據(jù)管理部分提供基于TCP/IP的遠程調(diào)用方式，并采用標(biāo)準(zhǔn)多維雙精度數(shù)組的標(biāo)準(zhǔn)接口為其他子系統(tǒng)提供訪問接口。

（5）采用面向?qū)ο?組件技術(shù)：按不同需求封裝標(biāo)準(zhǔn)客戶端和服務(wù)器組件，供其他系統(tǒng)調(diào)用。

（6）以數(shù)據(jù)為中心的設(shè)計思想：由于數(shù)據(jù)處理算法的多樣性，對相同的處理流程存在多種不同的處理方法，因此系統(tǒng)設(shè)計需要以數(shù)據(jù)為中心。

（7）子系統(tǒng)無縫集成：子系統(tǒng)功能模塊之間遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范接口，由系統(tǒng)集成組件解耦子系統(tǒng)之間的直接交互，使之保持松耦合關(guān)系，并最終實現(xiàn)系統(tǒng)的無縫集成。

（8）解耦業(yè)務(wù)邏輯與界面：通過常用的數(shù)據(jù)、邏輯、界面設(shè)計模式，實現(xiàn)系統(tǒng)的有效集成，確保軟件開發(fā)過程中界面與算法的分離，解耦業(yè)務(wù)邏輯和接口界面。

4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

采用3層架構(gòu)研發(fā)黃河智慧防凌云平臺（見圖1），軟件測試貫穿平臺研發(fā)的全過程。圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)服務(wù)層。主要由分布式文件管理系統(tǒng)、分布式關(guān)系數(shù)據(jù)庫和分布式地理空間數(shù)據(jù)庫組成?？紤]研究成果與示范應(yīng)用單位的后期對接，主數(shù)據(jù)庫采用通用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，文件管理系統(tǒng)采用開源的MongoDB。為了保證平臺方案決策的高效實時性，地理空間數(shù)據(jù)庫運用Spark RDD內(nèi)存計算技術(shù)進行地理空間計算，SparkSQL提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)倉庫服務(wù)，HBase提供矢量空間存儲服務(wù)。數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化模塊主要是針對平臺運行后面對的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化改造，更好地為模型計算提供數(shù)據(jù)支撐[5]。

（2）計算服務(wù)層。計算服務(wù)層由以Docker容器為平臺的多模型計算提供強大的虛擬計算環(huán)境，并完成相關(guān)模型應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化封裝任務(wù)。構(gòu)建黃河防凌模型庫，采用OpenMI模型接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，定義各類模型的輸入輸出數(shù)據(jù)文件、格式和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)各類模型輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)化，以實現(xiàn)平臺內(nèi)部不同模型之間的數(shù)據(jù)交互，完成對前期開發(fā)模型的綜合集成應(yīng)用。

服務(wù)接口為外部程序提供訪問接口，便于應(yīng)用層對于數(shù)據(jù)服務(wù)的查詢和應(yīng)用。服務(wù)接口分為兩類：一類是服務(wù)的基礎(chǔ)訪問，如SOAP服務(wù)、REST服務(wù)、OGC服務(wù);另一類是服務(wù)的程序訪問，即各類API訪問服務(wù)的能力，如Flex API、Silverlight API、ArcEngine API及WebService的訪問框架。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層采用Gis Tools for Hadoop組件關(guān)聯(lián)ArcMap前臺技術(shù)，結(jié)合3D GIS完成模型計算結(jié)果的動態(tài)展示，更好地為模型計算提供數(shù)據(jù)支撐。提供包括多類型數(shù)據(jù)查詢、凌情監(jiān)測設(shè)備對接后的數(shù)據(jù)動態(tài)展示、模型計算結(jié)果的三維動態(tài)模擬仿真等服務(wù)。

5 系統(tǒng)功能設(shè)計

黃河智慧防凌云平臺包含兩大子系統(tǒng)，分別是成果應(yīng)用與展示子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，并配套開發(fā)移動端微信程序，具體見圖2。

（1）成果應(yīng)用與展示子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要面向流域與省級防凌決策部門、一線防凌業(yè)務(wù)人員與科研人員，功能覆蓋災(zāi)害鏈全過程、全鏈條。系統(tǒng)包含“信息查詢”“凌情動態(tài)感知”“凌災(zāi)預(yù)警與動態(tài)評估”“應(yīng)急管理”“智慧決策與分析”五大模塊及若干子功能模塊。

在信息查詢方面包括：凌情信息與歷史凌災(zāi)數(shù)據(jù)，水情、工情、氣象數(shù)據(jù)的查詢與展示，WEBGIS功能，關(guān)鍵河段遙感信息數(shù)據(jù)的查詢與展示等。

在凌情動態(tài)感知方面包括：通過數(shù)據(jù)接口關(guān)聯(lián)凌情數(shù)據(jù)倉庫，實現(xiàn)水文監(jiān)測站網(wǎng)數(shù)據(jù)對接，動態(tài)獲取凌汛期不同階段主要水文站點的水位、流量數(shù)據(jù)，各主要斷面水溫、冰溫、氣溫、流凌密度、流凌速度、冰厚變化情況，并自動計算重點河段不同時期的槽蓄水增量。通過云端，可實現(xiàn)與移動式凌情監(jiān)測系統(tǒng)、什四份河段定點式雷達監(jiān)測設(shè)備、視頻測量系統(tǒng)、無人機現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測、手機移動端微信巡查程序的數(shù)據(jù)協(xié)同共享，全面構(gòu)建多時空尺度、多要素的凌情動態(tài)感知體系，為后續(xù)精確的動態(tài)仿真計算提供扎實有效的數(shù)據(jù)支撐。

在凌災(zāi)預(yù)警與動態(tài)評估方面包括：凌汛洪水風(fēng)險計算與分析，多方案對比，淹沒過程動態(tài)展示，凌汛災(zāi)害預(yù)警，凌災(zāi)損失快速評估，封開河預(yù)報及發(fā)展趨勢預(yù)測等。

在應(yīng)急管理方面包括：無人機應(yīng)急監(jiān)測，水庫群與分凌區(qū)聯(lián)合調(diào)度與綜合評價，破冰排凌方案管理。

在智慧決策與分析方面包括：調(diào)用冰水動力學(xué)模型開展凌情計算與推演，并通過三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)展示凌情演變與發(fā)展過程。通過凌災(zāi)防控方案優(yōu)選模型，對模擬的防控方案進行交互推演和滾動修正，并通過平臺的防凌會商功能，為防汛決策部門防凌決策提供科學(xué)的決策依據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。

該子系統(tǒng)包含功能：模型庫的調(diào)度運行，模型計算成果審核、上傳、發(fā)布，地圖發(fā)布與管理，近實時或階段性監(jiān)測數(shù)據(jù)的上報管理，平臺數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)管理。

6 結(jié) 語

黃河智慧防凌云平臺建成后，將系統(tǒng)整合黃河凌汛災(zāi)害防御方面的研究成果，通過凌情視頻監(jiān)測系統(tǒng)、水文監(jiān)測站網(wǎng)、移動巡查系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，實現(xiàn)黃河凌情動態(tài)感知。運用模型標(biāo)準(zhǔn)化封裝技術(shù)，集成封開河預(yù)報模型、一維河道模型、二維冰水動力學(xué)模型、凌災(zāi)損失評估模型等，構(gòu)建黃河凌情模型庫，進行多時序、多類型模型間的交互計算，耦合冰水動力學(xué)模型與水上水下一體化三維實景河道模型，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實環(huán)境下凌汛過程與凌災(zāi)情景推演預(yù)警。系統(tǒng)平臺采用云服務(wù)架構(gòu)，模型上云，數(shù)據(jù)上云，實現(xiàn)云端共享，并納入黃河流域防汛指揮決策系統(tǒng)進行示范應(yīng)用，可為黃河流域凌汛災(zāi)害防御提供有力支撐。

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