山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云平臺系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

嚴劍兵

(江西省安瀾工程咨詢有限公司，南昌 330000)

1 概述

山洪災(zāi)害是指在山丘區(qū)由強降雨引發(fā)的具有突發(fā)性強、破壞力大等特征的洪水災(zāi)害[1]，為水利部水旱災(zāi)害防御“三大風險”防范應(yīng)對的重點工作之一。近些年極端天氣頻次增多再加上山丘區(qū)群眾活動的加劇導(dǎo)致山洪災(zāi)害頻發(fā)，損失極大，已嚴重影響了各地經(jīng)濟社會發(fā)展。各地學者在山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)、洪水管理[2]等方面均開展了一定的研究，如美國學者于20世紀70年代就研發(fā)了山洪預(yù)警指導(dǎo)系統(tǒng)(FFGS)，已廣泛應(yīng)用于中美洲、南非等地，基本實現(xiàn)了山洪災(zāi)害的實時監(jiān)測預(yù)警；日本21世紀期初開發(fā)了以社區(qū)為基礎(chǔ)的山洪早期警報系統(tǒng)；歐洲部分國家建立了基于洪水預(yù)報的山洪災(zāi)害預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)[3]。我國山洪災(zāi)害防治起步較晚，經(jīng)過最近10多a的山洪災(zāi)害防治項目建設(shè)，基本建成了適合國情的山洪災(zāi)害防御體系，但在監(jiān)測預(yù)警體系建設(shè)方面，仍存在著系統(tǒng)雜而多、內(nèi)部數(shù)據(jù)難以關(guān)聯(lián)、調(diào)查評價成果應(yīng)用不夠等突出問題，為此，以“監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警、轉(zhuǎn)移、反饋”五位一體的業(yè)務(wù)為核心，建設(shè)了山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)了監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)代化、預(yù)報預(yù)警自動化、信息資源共享化、管理決策智能化，支撐了山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警管理。系統(tǒng)對于提升山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警標準、高效發(fā)揮山洪災(zāi)害防治非工程措施作用、提升山洪災(zāi)害防御能力、為中小河流防洪減災(zāi)提供決策依據(jù)等方面具有重要的作用。

2 山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云平臺系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

通過軟硬件設(shè)施設(shè)備的結(jié)合，采用縱向業(yè)務(wù)集成、橫向數(shù)據(jù)集成、云服務(wù)、統(tǒng)一標準、擴展開放等建設(shè)思想，實現(xiàn)“監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警、轉(zhuǎn)移、反饋” 的業(yè)務(wù)應(yīng)用展示，形成集中管控、分級負責、鄉(xiāng)村組三級聯(lián)動的綜合指揮體系[4]。其建設(shè)內(nèi)容包括基礎(chǔ)云平臺建設(shè)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工與服務(wù)設(shè)計、平臺系統(tǒng)建設(shè)、調(diào)查評價成果應(yīng)用和軟硬件設(shè)施設(shè)備綜合應(yīng)用。

2.1 基礎(chǔ)云平臺建設(shè)

以“云服務(wù)”為基礎(chǔ)，在省一級建設(shè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)容，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)省中心統(tǒng)一接收、統(tǒng)一 存儲[5]。系統(tǒng)采用“省級部署、省市縣鄉(xiāng)村五級使用”的服務(wù)模式?！霸品?wù)”設(shè)計基礎(chǔ)平臺實現(xiàn)資源共享、按需分配服務(wù)器和數(shù)據(jù)資源，無須各區(qū)縣分別建設(shè)、維護自身的山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，減少山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)、運行和維護的總體成本，減少市縣級用戶單位對系統(tǒng)維護的難度和費用；同時通過服務(wù)器、計算資源的集中使用可以實現(xiàn)山洪災(zāi)害防治相關(guān)模型分析和數(shù)據(jù)分析對大規(guī)模計算資源的需求；另外一級部署也方便對數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)資源的共享，可以利用省一級的資源優(yōu)勢實現(xiàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的加工與制作服務(wù)，并提供給各區(qū)縣用戶使用[6]。山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置如圖1所示。

圖1 省級部署、多級應(yīng)用的山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置示意

2.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工與服務(wù)

數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工服務(wù)有水情預(yù)警計算服務(wù)、雷達回波圖加工服務(wù)、降雨數(shù)值預(yù)報數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工服務(wù)、智能化預(yù)案模型算法服務(wù)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品推送服務(wù)。① 預(yù)警計算服務(wù)自動根據(jù)實時、預(yù)報的降水、河道水情數(shù)據(jù)進行預(yù)警計算，將預(yù)警計算結(jié)果作為數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供給應(yīng)用系統(tǒng)使用[7]；② 雷達回波圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工服務(wù)用于下載、處理和存儲各區(qū)縣范圍內(nèi)的雷達匯報數(shù)據(jù)，并按照區(qū)縣、市、省不同級別的用戶對雷達回波數(shù)據(jù)的需求進行推送雷達回波數(shù)據(jù)產(chǎn)品；③ 降雨數(shù)值預(yù)報數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工服務(wù)用于獲取、處理、存儲降雨數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品數(shù)據(jù)；④ 智能化預(yù)案模型算法服務(wù)是依據(jù)智能預(yù)案數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化模型與工具發(fā)布為可自動化運行的服務(wù)，根據(jù)每次事件的實際情況，快速制定具體、可執(zhí)行的行動方案，形成決策需要的預(yù)案數(shù)據(jù)[8]。智能預(yù)案數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化模型與工具服務(wù)同時可以和其他服務(wù)直接交互，快速獲取云GIS服務(wù)提供的數(shù)據(jù)服務(wù)、空間分析服務(wù)，并通過云GIS服務(wù)獲取現(xiàn)場周邊環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施狀況和資源配置情況，動態(tài)掌握事件的發(fā)展演變過程[9]；⑤ 數(shù)據(jù)產(chǎn)品推送服務(wù)支持對數(shù)據(jù)的個性化推送，即不同部門，不同角色的用戶應(yīng)用端可以收到不同的推送數(shù)據(jù)。同時，用戶可以設(shè)置數(shù)據(jù)推送的時間、內(nèi)容，以及是否接收數(shù)據(jù)推送服務(wù)。

2.3 平臺系統(tǒng)建設(shè)

山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云平臺系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)，通過“省級部署、四級使用”的云服務(wù)平臺機制，實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、三維展示、監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)管理等功能。

2.4 調(diào)查評價成果應(yīng)用

充分利用山洪災(zāi)害調(diào)查評價成果[10]，將山洪災(zāi)害調(diào)查的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計表、專題圖層等植入山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云平臺系統(tǒng)，通過集成工作底圖展示防治區(qū)、危險區(qū)、沿河村落與城集鎮(zhèn)、居民戶、小流域、涉水工程等數(shù)據(jù)。根據(jù)調(diào)查評價成果，結(jié)合當?shù)貙嶋H情況，在系統(tǒng)中對各自動監(jiān)測站點與各重點沿河村落相關(guān)聯(lián)，對各站點設(shè)置好不同沿河村落的預(yù)警指標，讓水情信息與具體受災(zāi)地點、各個調(diào)查對象的照片、社會經(jīng)濟情況等相結(jié)合，進一步拓展平臺的防災(zāi)預(yù)警能力，使得預(yù)警信息更加準確，操作性更強，增強系統(tǒng)的會商決策支持能力。

2.5 軟硬件設(shè)施設(shè)備綜合應(yīng)用

建立“三個五合一”硬件設(shè)施設(shè)備的臺帳登記、日常檢查、管理及運行情況統(tǒng)計分析等功能，為管理與運維單位提供必要的工具，協(xié)助運維單位提前了解系統(tǒng)故障及時進行維護?！叭齻€五合一”與軟硬件設(shè)備綜合應(yīng)用關(guān)系如圖2所示。

圖2 “三個五合一”與軟硬件設(shè)備綜合應(yīng)用關(guān)系示意

3 山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云平臺系統(tǒng)功能

山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云平臺系統(tǒng)功能主要包括監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、三維展示、設(shè)備監(jiān)測和系統(tǒng)管理等功能(如圖3所示)。

圖3 系統(tǒng)功能模塊示意

3.1 監(jiān)測預(yù)警

監(jiān)測預(yù)警以GIS為信息組織中心，將實測或預(yù)報的雨情、水情，以及實時工情(視頻監(jiān)控)有機地結(jié)合起來，直觀展示未來洪水規(guī)模、特點、發(fā)展趨勢[11]，有助于山洪災(zāi)害防治人員實時掌握防洪形勢，明確當前山洪防治的主要問題和決策目標。通過智能化預(yù)警機制，根據(jù)預(yù)警規(guī)則實時計算，當達到預(yù)警條件時及時向工作人員發(fā)出預(yù)警信息，并將預(yù)警信息通過閃爍、聲音的方式通知用戶，便于及時做出相應(yīng)的響應(yīng)措施[12]。

3.2 應(yīng)急響應(yīng)

當出現(xiàn)危險區(qū)預(yù)警時，需要對當前防汛形勢進行研判，以及確定是否采取相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)措施，若采取應(yīng)急響應(yīng)措施則需對響應(yīng)措施進行組織安排、反饋跟蹤以保障防洪搶險工作有效執(zhí)行。應(yīng)急響應(yīng)模塊包括應(yīng)急會商、響應(yīng)措施制定以及查看歷史預(yù)警、歷史響應(yīng)、歷史災(zāi)情信息、預(yù)警發(fā)布信息、歷史任務(wù)信息。應(yīng)急會商主要用于分析、研判發(fā)生預(yù)警時的防洪形式，了解預(yù)警區(qū)域相關(guān)信息，提取和呈現(xiàn)各類綜合信息，便于決策是否啟動應(yīng)急響應(yīng)，以及啟動對應(yīng)級別的應(yīng)急響應(yīng)；響應(yīng)措施制定是根據(jù)智能化預(yù)案，在啟動應(yīng)急響應(yīng)時系統(tǒng)根據(jù)智能化預(yù)案和危險區(qū)的關(guān)聯(lián)信息，得出針對危險區(qū)的應(yīng)急響應(yīng)處理措施，然后根據(jù)應(yīng)急響應(yīng)措施分配任務(wù)，以及進行任務(wù)執(zhí)行情況反饋；歷史預(yù)警查詢功能根據(jù)條件查詢歷史上出現(xiàn)過的預(yù)警信息[13]；歷史響應(yīng)查詢功能查詢歷史上啟動過的應(yīng)急響應(yīng)信息；歷史災(zāi)情統(tǒng)計查詢功能查詢歷史上的上報的災(zāi)情統(tǒng)計信息；預(yù)警發(fā)布信息查詢功能查詢歷史上發(fā)布過的預(yù)警信息；歷史任務(wù)查詢功能查詢歷史上啟動過的任務(wù)信息。通過“監(jiān)測——預(yù)警——會商——應(yīng)急響應(yīng)”一體化業(yè)務(wù)流程，形成支持監(jiān)測預(yù)警、防汛會商、 應(yīng)急響應(yīng)和響應(yīng)反饋的一體化防洪減災(zāi)業(yè)務(wù)系統(tǒng)[14](如圖4所示)。

圖4 系統(tǒng)一體化業(yè)務(wù)流程示意

3.3 三維展示

三維展示平臺是基于三維技術(shù)實現(xiàn)的山洪災(zāi)害防治區(qū)域空間數(shù)據(jù)展示平臺，用于展示防治區(qū)的地形、地貌和相關(guān)水利工程信息。具體功能包括三維平臺基本功能、工程展示、三維飛行、測量計算、工程模型展示等功能。三維展示平臺的基本功能有三維數(shù)據(jù)的展示，三維數(shù)據(jù)瀏覽的基本控制，地圖場景切換等功能；工程展示是將主要水利工程要素疊加到地圖上展示，用戶可以查詢定位水利工程，并通過關(guān)聯(lián)檢索查看水利工程相關(guān)信息；三維飛行功能是為了便于查看流域三維場景及水利工程分布，可沿設(shè)定的路線以適合的角度和高度飛行，并具備適時調(diào)整俯視角和飛行高度等功能，從山洪溝的飛行查看山洪周邊的村莊及水利工程的分布情況；測量計算功能是為了便于實現(xiàn)對三維地形、地貌的分析，平臺系統(tǒng)測量計算功能形成針對三維地形的測量工具，包括距離測量、面積測量和高程測量等；工程模型展示功能是在重點防洪工程區(qū)域構(gòu)建三維工程模型，三維工程模型能展現(xiàn)逼真的三維工程和其他設(shè)施、工程、建筑等模型，包括真實的地貌(山地、丘陵、河谷、平原、水體)類型分布、植被類型分布的展現(xiàn)。

3.4 設(shè)備監(jiān)測

設(shè)備監(jiān)測功能主要以反映預(yù)警、監(jiān)測設(shè)施設(shè)備的詳細狀態(tài)為主要目的。其中主要包括有監(jiān)測設(shè)備(設(shè)備實時情況監(jiān)測)、設(shè)備臺賬、日常維護、設(shè)備維修計劃管理及設(shè)備報警記錄等功能。監(jiān)測設(shè)備功能展示了設(shè)備詳情，如設(shè)備名稱、設(shè)備類別、在線狀態(tài)、電壓值、電壓狀態(tài)、報警時間；設(shè)備臺賬功能記錄各基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施的使用情況、數(shù)量以及其基本信息管理；日常維護功能記錄用戶所在政區(qū)所有監(jiān)測設(shè)備的日常維護記錄；設(shè)備維修計劃管理功能是為各監(jiān)測設(shè)備對應(yīng)的維修計劃的增刪改查進行管理；設(shè)備報警記錄功能是記錄用戶所在政區(qū)監(jiān)測設(shè)備運行不正常導(dǎo)致的報警情況。

3.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理可以實現(xiàn)用戶管理、權(quán)限管理、單位管理、功能模塊管理、預(yù)警指標管理、水文站點管理、應(yīng)急預(yù)案管理、日志管理等功能。

4 應(yīng)用實例

山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云平臺系統(tǒng)為江西省山洪災(zāi)害防治示范縣建設(shè)的一項重要內(nèi)容，目前該系統(tǒng)已在江西省浮梁縣、修水縣、黎川縣、青原區(qū)等山洪災(zāi)害頻發(fā)縣應(yīng)用。

以浮梁縣為例，根據(jù)浮梁縣山洪災(zāi)害調(diào)查評價成果，浮梁共有273個山洪災(zāi)害危險區(qū)[15]，危險區(qū)內(nèi)人口為10 611人，區(qū)域內(nèi)山洪災(zāi)害頻發(fā)，浮梁縣自動監(jiān)測站點、山洪災(zāi)害危險區(qū)分布如圖5所示。以“2020.7.9”場次洪水為例，2020年7月7日至9日，浮梁縣內(nèi)普降暴雨，過程降雨量最大為竹嶺站519 mm；最大1 h降水為深渡站64 mm，最大24 h為竹嶺站372 mm，深渡水文站“20200709”暴雨洪水水位過程如圖6所示。該縣防汛工作人員利用該系統(tǒng)自動化預(yù)報計算服務(wù)進行降雨洪水預(yù)報，提前10余h預(yù)測到深渡水文站洪峰水位為51.06 m、洪峰流量為 1 987 m3/s，實際場次洪水洪峰水位為50.94 m、洪峰流量為1 930 m3/s。當預(yù)報水位超過關(guān)聯(lián)危險區(qū)的預(yù)警指標時，系統(tǒng)即閃爍報警、啟動智能化預(yù)案并發(fā)短信至預(yù)案中的危險區(qū)責任人，本次降雨過程中共對全縣164個山洪災(zāi)害危險區(qū)發(fā)布了預(yù)警，實現(xiàn)了危險區(qū)的精準識別預(yù)警[16]，預(yù)警的及時性、有效性明顯增加；雖然24 h全縣平均降雨量達169.4 mm，境內(nèi)河流全流域水位暴漲，洪水泛濫，但通過該平臺及時預(yù)報、預(yù)警，累計發(fā)送山洪災(zāi)害預(yù)警信息2萬多條，提前通知危險區(qū)群眾并轉(zhuǎn)移3 000多人，有效避免了人員傷亡，在浮梁縣的防災(zāi)減災(zāi)工作中發(fā)揮了尤為重要的作用。

圖5 浮梁縣自動監(jiān)測站點、山洪災(zāi)害危險區(qū)分布示意

圖6 浮梁縣深渡水文站“20200709”暴雨洪水水位過程示意

5 結(jié)語

山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作事關(guān)人民生命財產(chǎn)安全，對時效性和準確性要求高，信息化系統(tǒng)的建設(shè)直接影響著預(yù)警工作的成效。山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云平臺系統(tǒng)以“監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警、轉(zhuǎn)移、反饋”五位一體的業(yè)務(wù)為核心，采用縱向業(yè)務(wù)集成、橫向數(shù)據(jù)集成、云服務(wù)平臺思想、統(tǒng)一標準、擴展開放等思想，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、預(yù)警模型、功能搭建、數(shù)據(jù)庫建設(shè)等方面形成了完整的體系，實現(xiàn)了監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、三維展示、監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)管理等功能，在浮梁縣的示范應(yīng)用證實了該系統(tǒng)預(yù)警的及時性和有效性，系統(tǒng)對于提升山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力、為中小河流防洪減災(zāi)提供決策依據(jù)等方面具有重要的作用。