防汛抗旱決策支持系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)及應(yīng)用

宋健蛟，李傳旗，梁吉欣，楊 源

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072；2.四川省壩導(dǎo)水利科技有限公司，成都，610072；3.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

引言

我國是一個(gè)水旱災(zāi)害頻繁發(fā)生的國家，防洪抗旱、減災(zāi)防災(zāi)任務(wù)非常艱巨。近年來，隨著極端天氣的不斷增多，洪澇災(zāi)害出現(xiàn)的頻率也隨之增加，受災(zāi)的范圍也不斷增大，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的損失[1]。為減少水旱災(zāi)害造成的損失，需要深入分析降水的時(shí)空分布特性[2]，準(zhǔn)確判斷降水的產(chǎn)匯流過程[3]，從而輔助決策會(huì)商，采取有效的手段進(jìn)行水旱災(zāi)害的預(yù)防和控制[4]。

為提升我國防汛抗旱減災(zāi)能力，充分發(fā)揮各大流域已建水庫、堤防、蓄滯(分)洪區(qū)、涵閘泵站等工程措施的防災(zāi)管理效益，為工程措施提供配套支撐，水利部自20世紀(jì)90年代初提出建設(shè)國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)。經(jīng)過多年的不懈努力，已經(jīng)建成國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程[5]，基本完成國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程的建設(shè)工作[6]。

多年來，國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程和二期工程在我國防汛抗旱部門決策調(diào)度和指揮應(yīng)急搶險(xiǎn)工作中發(fā)揮了巨大的作用，取得了顯著的效益，對(duì)我國水利事業(yè)的發(fā)展和防汛抗旱信息化和現(xiàn)代化的進(jìn)程起到巨大的推進(jìn)作用[7]。

本文針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的一些局限與問題，設(shè)計(jì)并構(gòu)建一套集防汛抗旱信息管理、監(jiān)測預(yù)警、防汛抗旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、會(huì)商展示、移動(dòng)辦公為一體的防汛抗旱決策支持系統(tǒng)，全面提高防汛抗旱的監(jiān)測感知和監(jiān)測預(yù)警能力和信息化支撐能力，為水旱災(zāi)害應(yīng)急救援決策提供系統(tǒng)支撐，有效提高水旱災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)技術(shù)能力，盡可能減少水旱災(zāi)害造成的損失。

1 防汛抗旱決策支持系統(tǒng)難點(diǎn)問題

在水利部“三對(duì)標(biāo)、一規(guī)劃”專項(xiàng)行動(dòng)總結(jié)大會(huì)上，水利部黨組書記、部長李國英提出要以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，打造數(shù)字孿生流域，加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案(以下簡稱“四預(yù)”)功能的智慧水利體系[8]。對(duì)照“四預(yù)”要求，現(xiàn)有系統(tǒng)在目前還存在著一些局限與問題。

1.1 防汛抗旱數(shù)據(jù)感知能力薄弱

各級(jí)防汛的實(shí)時(shí)水雨情、險(xiǎn)情、工情和救援指揮信息無法及時(shí)上傳到防辦和應(yīng)急管理部門，缺乏各級(jí)防辦人員值班值守、行政、工程負(fù)責(zé)人、防汛物資、搶險(xiǎn)隊(duì)伍及重要險(xiǎn)情報(bào)送等信息管理功能。與防汛抗旱相關(guān)的分析成果數(shù)據(jù)分散在氣象、水利、自然資源、海洋、農(nóng)業(yè)、公安、住建、交通、能源等單位。

1.2 防汛抗旱風(fēng)險(xiǎn)管理能力不完備

缺少水旱臺(tái)風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)模擬推演，無法形成洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，影響國家防汛抗旱指揮部門提出搶險(xiǎn)救援意見的工作效率。

1.3 防汛抗旱決策支撐能力不足

當(dāng)前防汛抗旱工作主要依靠氣象水文等部門工作人員的人工經(jīng)驗(yàn)，缺少對(duì)于智慧水利、數(shù)字孿生水利的建設(shè)，缺乏對(duì)重大水旱災(zāi)害的預(yù)警監(jiān)視、模擬復(fù)盤、會(huì)商研判、指揮調(diào)度等技術(shù)支撐。

1.4 缺乏移動(dòng)指揮平臺(tái)

缺乏支撐移動(dòng)智能設(shè)備的信息平臺(tái)，難以第一時(shí)間獲知下級(jí)部門上報(bào)的水旱災(zāi)害重大險(xiǎn)情和事件信息，現(xiàn)場工作組缺乏移動(dòng)指揮平臺(tái)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)

采用水文、氣象、地理信息技術(shù)深度融合方式，建立分布式物理水文模型。模型通過地形地貌、植被、土壤類型、氣候條件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用機(jī)器學(xué)習(xí)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN預(yù)測算法，將所有預(yù)報(bào)參數(shù)與流域的物理特征建立轉(zhuǎn)換關(guān)系，模型能夠根據(jù)流域的特點(diǎn)自動(dòng)提取參數(shù)。

在大數(shù)據(jù)架構(gòu)下，利用數(shù)值模型技術(shù)描述氣象水文多要素驅(qū)動(dòng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)降水、徑流、溫度、風(fēng)速等的精細(xì)化預(yù)報(bào)，并圍繞模型輸入、輸出、自身參數(shù)及精度評(píng)價(jià)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體系。在此基礎(chǔ)上，引入聚類分析、相似判斷、智能尋優(yōu)、非線性建模等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模型自主學(xué)習(xí)與自動(dòng)優(yōu)化。

2.2 防洪態(tài)勢分析

利用GIS技術(shù)，在地理空間位置上進(jìn)行三維仿真分析，模擬可能受災(zāi)區(qū)域的范圍、最大水深、水流速度及統(tǒng)計(jì)分析可能的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，通過GIS可視化三維仿真環(huán)境，查詢分析關(guān)注區(qū)域或重要節(jié)點(diǎn)上的雨水工情分布、河道水情演進(jìn)與漫壩、城鎮(zhèn)的淹沒范圍與經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估等信息。

根據(jù)關(guān)注區(qū)域內(nèi)涉及的各項(xiàng)水利工程的基礎(chǔ)工情信息、實(shí)時(shí)雨水工情信息、預(yù)報(bào)調(diào)度成果和預(yù)估災(zāi)情信息，結(jié)合防洪保護(hù)對(duì)象和工程防洪能力，在時(shí)間和空間尺度上，采用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，自動(dòng)分析提取當(dāng)前和將來一段時(shí)間內(nèi)可能需重點(diǎn)關(guān)注的有洪水風(fēng)險(xiǎn)的保護(hù)對(duì)象及受災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，基于GIS的緩沖區(qū)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注范圍(半徑圓緩沖、線緩沖、自定義面緩沖)內(nèi)的重要地物、救援力量和資源保障分析，系統(tǒng)通過綜合分析形成防洪調(diào)度態(tài)勢分析報(bào)告，為調(diào)度工作提供參考依據(jù)。

2.3 防洪調(diào)度分析

針對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域和關(guān)注對(duì)象的防洪工程，基于各防洪工程設(shè)施的工程特性數(shù)據(jù)，采用水量平臺(tái)、一維水動(dòng)力模型、馬斯京根河道演進(jìn)模型及各類水利工程泄洪設(shè)施的水利計(jì)算，建立調(diào)度模擬環(huán)境。能夠在各種人為干預(yù)的情況下，模擬水庫調(diào)度和蓄水過程、蓄滯洪區(qū)運(yùn)用過程、河道洪水演進(jìn)過程，發(fā)現(xiàn)潛在的洪水威脅和避免次生災(zāi)害的發(fā)生。

防洪調(diào)度分析是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要根據(jù)實(shí)時(shí)測定的水雨情、工況數(shù)據(jù)，結(jié)合預(yù)報(bào)成果，生成防洪調(diào)度預(yù)案，針對(duì)性地制定調(diào)度計(jì)劃，并進(jìn)行調(diào)度成果可視化，為不同區(qū)段的防洪調(diào)度實(shí)施提供支持。

3 防汛抗旱決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)針對(duì)防汛抗旱決策支持系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，重點(diǎn)打造1個(gè)防汛抗旱決策中心和3大應(yīng)用場景，從數(shù)據(jù)資源、模型算法、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)急案例、應(yīng)用支撐和應(yīng)用場景等多個(gè)維度開展系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，開展全國防汛抗旱決策支持系統(tǒng)建設(shè)。平臺(tái)總體框架如圖1所示。

圖1 防汛抗旱決策支持系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源池設(shè)計(jì)

數(shù)字資源池整合來自水利、氣象及應(yīng)急管理部各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、空間地理信息服務(wù)等四類信息，按照類型可分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)及元數(shù)據(jù)等。對(duì)原始庫、資源庫、主題庫、專題庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的落地存儲(chǔ)與服務(wù)支撐。數(shù)據(jù)服務(wù)是通過對(duì)數(shù)據(jù)資源的服務(wù)化封裝形成對(duì)外提供數(shù)據(jù)資源服務(wù)的能力；數(shù)據(jù)共享交換主要實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)、跨應(yīng)用、跨部門的信息共享。

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

包括行政區(qū)劃、流域水系、交通道路、居民點(diǎn)分布等社會(huì)經(jīng)濟(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，以及地形、地貌、遙感影像等空間數(shù)據(jù)。系統(tǒng)涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由主管部門數(shù)據(jù)治理平臺(tái)存儲(chǔ)和推送。

3.2.2 專題數(shù)據(jù)庫

包括流域、河流水系、防洪工程、風(fēng)險(xiǎn)隱患點(diǎn)、氣象預(yù)報(bào)、應(yīng)急物資、救援隊(duì)伍、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖、防洪調(diào)度令、搶險(xiǎn)救援方案、值班值守、防汛責(zé)任人等防汛抗旱工作相關(guān)專題數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)需要的已有的數(shù)據(jù)資源，通過數(shù)據(jù)接口直接調(diào)用；待補(bǔ)充的專題數(shù)據(jù)由主管部門數(shù)據(jù)治理平臺(tái)存儲(chǔ)和推送，

3.2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫

包括雨量站、氣象站、江河水情、水庫水情、水電站水情、堰閘水情、墑情站、視頻等相關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。本系統(tǒng)涉及的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可通過主管部門數(shù)據(jù)治理平臺(tái)數(shù)據(jù)接口直接調(diào)用。

3.2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

包括用戶信息、訪問信息、權(quán)限信息、系統(tǒng)日志、數(shù)據(jù)庫備份信息、文件備份信息等。用于防汛抗旱系統(tǒng)配置及運(yùn)維數(shù)據(jù)信息，可由本項(xiàng)目自建數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)管理。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用場景功能設(shè)計(jì)

3.3.1 數(shù)據(jù)管理

建立防汛抗旱數(shù)據(jù)接入、抓取、填報(bào)、融合、生成、維護(hù)和可視化的數(shù)據(jù)管理功能模塊。通過數(shù)據(jù)接口、信息填報(bào)、更新維護(hù)和可視化等手段，建設(shè)滿足本管理要求的防汛抗旱數(shù)據(jù)資源池，為系統(tǒng)防汛抗旱態(tài)勢分析、調(diào)度評(píng)估、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)管理、一張圖管控、移動(dòng)指揮和系統(tǒng)管理提供業(yè)務(wù)性、實(shí)時(shí)性、預(yù)測性數(shù)據(jù)渠道。

3.3.2 態(tài)勢分析

態(tài)勢分析包括實(shí)時(shí)態(tài)勢展示、態(tài)勢變化分析、態(tài)勢評(píng)估三個(gè)層次，其目的是通過信息集成、模型分析和相關(guān)成果的集成，為防汛抗旱決策提供技術(shù)支撐。依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測信息、水文氣象預(yù)報(bào)信息、水工程調(diào)度信息，結(jié)合基礎(chǔ)地理信息、工程設(shè)計(jì)參數(shù)或防洪指標(biāo)，以及歷史統(tǒng)計(jì)信息，實(shí)現(xiàn)從全局到局部、從宏觀到微觀、從現(xiàn)在到未來，涵蓋汛情、旱情、臺(tái)風(fēng)及風(fēng)暴潮、山洪泥石流、堰塞湖、雨雪冰凍等災(zāi)害的實(shí)時(shí)態(tài)勢展示和預(yù)警。在模型庫專業(yè)模型的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來態(tài)勢變化的分析研判；通過結(jié)合洪水風(fēng)險(xiǎn)圖或其他調(diào)查評(píng)價(jià)成果，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前或未來態(tài)勢的風(fēng)險(xiǎn)影響評(píng)估。主要功能如下：

(1)態(tài)勢展示：通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的融合，以GIS或其他圖形界面為主，進(jìn)行多層次、多維度、全方位的態(tài)勢展示；

(2)態(tài)勢分析研判：依托融合多維數(shù)據(jù)，運(yùn)用專業(yè)數(shù)據(jù)分析模型進(jìn)行態(tài)勢變化分析，并通過可視化技術(shù)進(jìn)行呈現(xiàn)；

(3)態(tài)勢評(píng)估：通過結(jié)合洪水風(fēng)險(xiǎn)圖或其他調(diào)查評(píng)價(jià)成果，對(duì)當(dāng)前態(tài)勢或未來態(tài)勢的影響或損失進(jìn)行綜合評(píng)估，為決策制訂或方案比較提供支持。

3.3.3 調(diào)度評(píng)估

構(gòu)建水旱災(zāi)害災(zāi)前評(píng)估調(diào)度、災(zāi)中搶險(xiǎn)救援、災(zāi)后復(fù)盤的全過程鏈的風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估方法?；谥聻?zāi)因子危險(xiǎn)性和承災(zāi)體脆弱性等因素，對(duì)水旱災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析圖；接入流域概化模型和調(diào)度令，對(duì)調(diào)度情況進(jìn)行模擬推演和影響分析；基于搶險(xiǎn)救援人員和物資的分配情況，對(duì)搶險(xiǎn)救援分析進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析調(diào)度；災(zāi)后對(duì)歷史災(zāi)害事件進(jìn)行場景模擬和分析評(píng)估，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

3.3.4 知識(shí)經(jīng)驗(yàn)管理

建立面向特定水旱災(zāi)害如洪水、冰凍雨雪、旱情、臺(tái)風(fēng)與風(fēng)暴潮等災(zāi)害的知識(shí)庫，包含相關(guān)災(zāi)害的基礎(chǔ)信息、影響范圍、處置措施、應(yīng)急預(yù)案等信息，并圍繞特定災(zāi)害實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)文檔、視頻、專家、法規(guī)等信息的統(tǒng)一管理，構(gòu)建水旱災(zāi)害知識(shí)庫。針對(duì)特大、重大災(zāi)害事件，建立案例庫，并重點(diǎn)收集相關(guān)災(zāi)害事件的基本信息、水雨情信息、工情信息、調(diào)度信息和災(zāi)損信息，實(shí)現(xiàn)相關(guān)災(zāi)害事故的模擬復(fù)盤。

3.3.5 三維可視化決策沙盤

三維可視化決策沙盤是防汛抗旱決策支持系統(tǒng)的門戶平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水旱臺(tái)風(fēng)自然災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警、對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)監(jiān)測監(jiān)控、對(duì)搶險(xiǎn)救援提供科學(xué)支撐指導(dǎo)，對(duì)暴雨、洪水、干旱、臺(tái)風(fēng)、堰塞湖和低溫雨雪冰凍等重大災(zāi)害提供預(yù)警預(yù)報(bào)決策分析，并著力對(duì)災(zāi)害應(yīng)急救援調(diào)度提供支持。

三維可視化決策沙盤匯集信息上報(bào)、監(jiān)測預(yù)警、態(tài)勢分析、災(zāi)害模擬、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等功能模塊的成果圖文信息，實(shí)現(xiàn)各類專題圖的快速切換和展示，為防汛抗旱指揮調(diào)度提供支撐。

3.3.6 移動(dòng)指揮平臺(tái)

利用APP為防汛抗旱工作人員提供汛情、災(zāi)情、旱情、險(xiǎn)情等信息上報(bào)以及各類防汛抗旱信息查看入口，同時(shí)利用短信平臺(tái)提供告警、預(yù)警信息、應(yīng)急防御措施推送。針對(duì)洪澇災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查人員提供單兵系統(tǒng)，可快速填報(bào)現(xiàn)場調(diào)查信息，建立防汛抗旱現(xiàn)場工作與應(yīng)急指揮會(huì)商之間的信息交互通道，將調(diào)查信息進(jìn)行直觀地展示，準(zhǔn)確還原現(xiàn)場情況，為防汛抗旱決策指揮提供有力支撐。

4 應(yīng)用案例

撫州市在2017年啟動(dòng)了智慧撫河信息化工程(一期)的建設(shè)工作。防汛抗旱決策支持系統(tǒng)作為智慧撫河系統(tǒng)的重要組成，在原有一期防汛抗旱平臺(tái)基礎(chǔ)上，結(jié)合水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度、防汛決策三維信息沙盤，防汛會(huì)商指揮和應(yīng)急處置、農(nóng)業(yè)旱情研判、山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃與預(yù)警，構(gòu)建防汛抗旱決策支持系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)合已有成果，完善防汛應(yīng)急處置及會(huì)商研判，針對(duì)廖坊水庫、洪門水庫開展流域洪水預(yù)報(bào)及水庫調(diào)度，建設(shè)撫州市旱情研判決策支持系統(tǒng)，建設(shè)撫州市山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果應(yīng)用系統(tǒng)，建設(shè)撫州防汛決策支持三維電子沙盤，有效提升撫州市防汛抗旱管理整體水平，為防洪抗旱的調(diào)度決策提供支持。通過該系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)防汛抗旱指揮現(xiàn)代化，準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報(bào)水情、雨情、工情、旱情和災(zāi)情，為防汛抗旱調(diào)度決策、搶險(xiǎn)救災(zāi)提供有力的支持。

圖2 水庫調(diào)度成果三維模擬展示

5 結(jié)論

本文探討了防汛抗旱決策支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中的難點(diǎn)問題，根據(jù)“四預(yù)”要求，以防汛抗旱為核心、業(yè)務(wù)為導(dǎo)向、數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、高新技術(shù)為支撐，融合地形地貌、氣象、水文、歷史災(zāi)害等多源數(shù)據(jù)，提供雨情、水情、臺(tái)風(fēng)、旱情、冰凍成果及專業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析功能，為防汛抗旱應(yīng)急指揮、搶險(xiǎn)救援及處置、水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等提供相應(yīng)技術(shù)支撐，輔助應(yīng)急決策平臺(tái)，全面提升抵御自然災(zāi)害的綜合防范能力，具有一定的可推廣應(yīng)用價(jià)值，為進(jìn)一步完善防汛抗旱決策支持系統(tǒng)提出了更多可能。