吉安市防汛抗旱決策支持系統優化升級研究

劉 斌

（吉安市防汛抗旱指揮部辦公室，江西 吉安 343000）

吉安市防汛抗旱決策支持系統優化升級研究

劉 斌

（吉安市防汛抗旱指揮部辦公室，江西 吉安 343000）

當前吉安市的防汛抗旱決策系統已經不能滿足現實的防汛抗旱需求，急需對目前系統進行優化升級。系統的優化升級是在完善各類基礎信息的基礎上，運用模型運算、地理信息系統、人機交互等多種技術，對洪水實時預報、工程搶險方案和防旱措施制定等方面進行優化，并強化數據維護，最終實現防汛抗旱決策的可視化、智慧化。

防汛抗旱；決策支持系統；優化升級；基礎數據庫，智慧化；人機交互

隨著各類防汛抗旱工程體系的逐步完善，信息技術快速發展，可以為防汛抗旱決策系統提供更多更好的信息源及更新的技術手段，為防汛抗旱決策留足提前量。根據目前實際情況，江西省吉安市的防汛決策支持系統已遠不能完成當前防汛抗旱所要求完成的任務，完全有必要最大限度利用現有力量對防汛決策支持系統進行完善和升級。

1 吉安市防汛抗旱決策支持系統存在的問題

吉安市位于江西省中部，贛江中游，屬山地丘陵區，地勢東、南、西三面環山，南高北低。境內河網密布，贛江吉安段主河道長 270 km，約占贛江總長的 2/3，流域面積大于 10 km2的河流 695 條，其中 100 km2以上河流 73 條，1 000 km2以上河流 8 條。吉安市汛期在每年的 4—9月，4—6月，受南北氣流交匯影響，形成準靜止鋒面雨，全市平均降雨量可達 682 mm，約占全年降雨總量一半以上，易引發較大范圍洪澇災害；7—9月，強降雨天氣多由臺風入侵造成，強度大，歷時短，范圍小，易引發山洪地質災害。歷年來，洪澇災害給吉安市國民經濟和人民生活造成巨大的損失。據統計，2013—2015年洪澇災害共造成全市直接經濟損失 18.52 億元，約占這3年自然災害總損失的 65%，財政總收入的 3.3%。由此可見，做好防汛工作特別是防汛信息化工作，是保障吉安市經濟健康發展和民生持續改善的重要基礎。

吉安市防汛抗旱決策系統主要板塊有雨水情、氣象、山洪災害、防洪工程、GIS 信息、系統管理、告警信息等。在多年的使用過程中，從用戶體驗角度，有以下幾點已經不能很好地適應當下防汛抗旱的高要求：

1）信息數據管理大多采用簡單的電子文檔加人工管理的方式，使用戶對區內所具有的防汛抗旱能力難以做出準確判斷，例如，在防洪工程子欄目中只是簡單的表格羅列和查詢，沒有將工程所影響的社會因素等加以考慮，沒有針對性。

2）地理信息系統（GIS）具有的空間數據處理與分析功能沒有很好地被應用到決策支持中，目前只限于信息查詢和顯示等簡單應用，例如，目前系統涉及到 GIS 的只有水雨情的預警，針對各水利工程的分布和更新沒有體現，各搶險公路網也不會顯示，對淹沒水深、范圍等的智能化運算也沒有應用。

3）決策支持系統中利用數據庫和人機交互進行有機組合、輔助決策的功能沒有實現。

2 吉安市防汛抗旱決策系統完善和升級的建設目標

針對吉安市防汛抗旱決策系統存在的問題，升級建設目標如下：不斷補充和完善各類防汛相關數據信息，依據調度、洪水淹沒分型等基礎模型及數學工具對數據進行深度挖掘和智能分析，并基于GIS 對實時數據和決策結果實現可視化展示和智能查詢，實現險災情分析與評估、預測預報，提供實時、智能的技術支撐，提供全過程的智慧化防汛抗旱[1]。吉安市防汛抗旱系統主要分為信息采集、形勢分析、智慧化決策等 3 個層次，結構如圖 1 所示。

圖 1 吉安市防汛抗旱系統需完善結構

3 吉安市防汛決策系統完善和升級的主要內容

3.1 完善各類防汛相關基礎信息數據庫

3.1.1 工情信息數據庫的完善

工情信息數據庫主要包含全市各圩堤、大型及重點中型水庫、大中型灌區及灌溉水利工程、大型取水泵站等的數據及 CAD 圖形的管理信息數據。

1）圩堤工程。圩堤工程應完善防汛責任人及聯系方式、各類特征水位、險工險段位置及險情類型、穿堤建筑物進出口高程及過流能力等方面的數據信息；CAD 圖形信息包括圩堤各典型斷面尺寸、穿堤建筑物結構等信息。

2）水庫（水電站）工程。水庫工程應完善防汛責任人及聯系方式、歷次除險加固內容、各類特征水位、泄洪（輸水）能力（包括電站的發電流量、灌溉引水渠道高程及流量等）、泄水閘門工作曲線（表格）、庫容曲線（表格）等方面的數據信息；CAD 圖形信息包括大壩橫斷面圖、水工建筑物布置圖、溢洪道結構圖（包括閘門）、重點部位的地質剖面圖等。

3）各大中型灌區及灌溉水利工程。此類灌區和灌溉水利工程數據信息主要補充名稱、灌溉水源介紹、農作物分布、灌溉保障率和流量、水利用系數，以及灌溉提水泵站的安裝高程、揚程、流量等信息；CAD 圖形信息包括灌區渠道（管道）的平面布置圖等。

4）各大型取水泵站工程。主要包括用水單位名稱及聯系方式、取水口高程、典型工況下的取水量等。

3.1.2 社會經濟信息數據庫的完善

社會經濟信息數據庫包括圩堤保護、水庫（水電站）影響范圍內的社會經濟狀況，以及下游不同下泄流量的淹沒范圍、河道安全泄量、防汛搶險及抗旱力量分布、可能用于防汛搶險的道路橋梁、當年農作物分布等的數據及基于 GIS 系統的可視化管理。

1）圩堤保護和水庫影響范圍內的社會經濟狀況。社會經濟狀況數據主要補充人口及耕地數量、重要的城鎮及建筑物情況、河道安全泄量等信息；可視化管理包括在三維地圖上顯示不同重現期洪水情況下保護（影響）范圍分布，人員轉移路線及可安置區域，耕地及建筑物高程等信息。

2）防汛搶險力量（抗旱力量）分布。主要補充各級搶險隊伍分布及人數，各類搶險物資位置、種類、數量、管理責任人，搶險重型機械的數量及所有人聯系方式，抗旱設備（打井、提灌設備）的位置、數量等信息；智能可視化管理包括可能用于防汛搶險的道路橋涵荷載等級、防汛抗旱物資設備分布位置及數量的動態更新等信息。

3）當年農作物分布及需水定額。應結合農業部門數據進行智能可視化管理，并結合未來天氣狀況等因素實現不同時期的水源可供給水量及農作物需水量智能計算。

3.1.3 歷史大洪水信息數據庫的完善

歷史大洪水信息數據庫主要完善洪水來時的氣象及雨情、洪水過程、調度及工程運用、受災情況及歷次洪水的水雨情等方面的信息，為洪水模擬和趨勢預測提供信息支持。通過模型運用此類數據信息，為相似的防洪調度、抗洪搶險提供相關的數據信息和知識，為決策人員描述一個典型洪水調度、搶險救災事件決策的整個過程，同時便于經過調整從而具體化生成一個具體事件的決策方案。

3.2 實現人機交互的洪水預報系統的開發

決策支持系統是一個人機交互系統，決策過程必須通過決策者和計算機系統反復交互實現。以洪水預報功能為例[2]，要求洪水預報能把計算機快速準確的邏輯計算和大容量數據存儲能力同人的創造性、隨機應變能力融為一體。開發步驟如下：

1）洪水預報系統要依托歷史洪水數據和各類水利、水文計算模型。各流域典型洪水發生時的氣象情況是基本相似的，因此歷史洪水數據可供實時預報參考。還需要應用多種產匯流、洪水淹沒分析模型，率定模型參數，實時調用流域參數、定量的降雨預報、上游斷面洪水預報等數據，做出預報斷面的洪水預報，分析預報江河的洪水形勢。由于決策者做決策時會受到許多隨機且不確定的主客觀因素影響，而各類模型的聯合運用可減小這些因素的干擾，采用各種專業模型和經驗算法是十分必要的。

2）洪水預報需要通過智能人機交互完成對各方面決策信息的整合。任何預報模型都只是水文規律的概括，不能完全反映復雜的流域水文現象，且模型率定得出的參數是一個各種洪水的平均情況。因此系統需要有交互性，由預報人員根據當次暴雨洪水的特性和以往預報經驗修正模型狀態變量、參數，實現預報過程的交互修正，達到最佳預報效果。

交互式預報允許預報人員根據暴雨洪水特性，實時修正某些模型參數和狀態變量。例如，可以根據降雨的時空分布和前期降雨情況，實時修正流域匯流單位線或前期土壤含水量、產流參數。在交互修正過程中，系統要以文本和圖形方式提供足夠的實時、歷史背景作為參考信息，包括歷史洪水模擬情況和方案使用說明等。參數修正后，調用預報模型重新計算，多次調整后得到最終結果。

3）預報計算完成后，將預報、實測水位流量繪圖并列表顯示。同時，將洪水演進成果在三維 GIS系統平臺上應用仿真環境演示洪水演進過程及淹沒范圍。

3.3 實現防洪調度及工程搶險方案智能化確定

防洪調度及工程搶險方案均具有較強的經驗性，需要建立以調度和搶險等預案庫為大數據基礎的人機交互實時方案生成系統[3]。

1）防洪調度方案的生成。包括預案庫的建立和實時調度方案生成 2 個方面。預案庫建立是在雨、水、工情不確定的情況下，依據對其可能發展的預測或歷史洪水，按照規定的調度規則、專家知識，通過推理自動生成定性或定量的初期調度方案，實現各種防洪調度方案的后果預斷，以及評價出各種可能的雨水情變化對汛情、災情的影響。

實時調度是根據實時雨、水、工情和較為準確的洪水預報，在預案庫的基礎上，輸入相關的氣象水文數據，與預案庫進行比對分析，達到一定的相似度后，專家調用相應方案并進行經驗判斷和實時信息的綜合分析，經過反復計算制訂出合理方案。針對水庫（水電站）斷面的洪水預報，應兼顧水庫的灌溉、發電效益最大化。同時，對于超過一定量級的洪水，系統還應結合 GIS 系統提供不同防洪調度方案下的災情評估。防洪調度系統結構如圖 2所示。

2）搶險方案的生成[4]。包括預案庫及知識庫的建立和實時搶險方案生成 2 個方面。預案庫的建立以各類險情案例為基礎，把案例的內容要素通過適當的方法形式化，轉換為系統能夠處理的數據結構，以便決策人員在搶險過程中通過特征辨識和匹配，實現案例的檢索。案例需要描述一個典型搶險救災事件決策的整個過程，包括需要引起注意的經驗教訓，使決策者獲得相似情況的搶險救災策略、方法等；而知識庫的建立是基于專家對某一搶險專業知識的透徹理解，通過相應險情類型的檢索，供決策者參考，使系統處理問題的范圍進一步擴大。

實時搶險方案生成是從預案庫中選擇一個決策者較滿意的方案，然后通過知識庫和人機交互，調整預案中不相符的地方并且把預案中的某些抽象信息具體化，把候選預案調整成可以實施的執行方案。對于搶險方案不能有效發揮作用的特殊情況，系統還應對相應后果進行災情評估。搶險方案生成系統結構如圖 3 所示。

圖 2 防洪調度系統結構

圖 3 搶險方案生成系統結構

3）方案實現的可視化。對各類水庫調度方案下的水位變化過程、河道洪水演進、淹沒范圍、閘壩過水流量等在 GIS 系統上進行可視化，可實現實時、預報、調度計算結果及與歷史數據的復合顯示[5]。

在選定工程搶險方案后，通過模型計算出抗洪搶險救援中所需的人力、機械和運輸工具數量，計算出搶險主要材料的數量、最佳人員、物資調配和最優運輸路線[6]（由于防汛搶險道路多為村道，應充分考慮道路橋梁的荷載），以及預測抗洪搶險的完成時間等。在計算方法的選擇上遵循簡單實用的原則，重點在于計算的快捷和結果的準確。還要運用各工程的圖形資料，對工程出險位置及搶險部位結構進行圖形顯示。

4 吉安市抗旱決策系統完善

旱情主要在于防，建立基于多年和當前降雨量、各主要河道水位、當前土壤墑情、各大中型水庫蓄水量、農作物及其他用水單位分布，以及不同時期需水量、中長期天氣預報、旱情等級劃分標準等資料，建立旱情評價模型。模型能將各類水利工程抗旱能力進行綜合分析，對主要水庫蓄水量、江河水位進行預報，并與各用水戶不同時期用水量、取水口高程進行對照計算，從而實現旱情的預報和旱情發生后的受旱程度分析，并用不同顏色在地圖中標記受旱程度。同時還應對歷史受旱地區及不同地區緩解旱情方式進行統計和歸類，作為抗旱知識庫以便查詢，為擬定各種抗早減災方案提供參考。防旱抗旱措施生成系統結構如圖 4 所示。

圖 4 防旱抗旱措施生成系統結構

5 吉安市防汛抗旱決策系統的數據維護

水利、國土、氣象、統計等部門之間處于信息分割和壟斷或者“休眠”狀態，系統要有信息的連通和更新，否則系統的建設只是徒勞，造成投資浪費。信息維護應采用更為開放的系統，采取賬號授權的模式，方便水利、國土、氣象、統計等部門對信息進行及時更新，吉安市防汛抗旱指揮部對更新情況進行考核[7]。

5.1 工程數據和社會經濟信息

對各類工程數據及時更新，特別是每年汛前檢查出的病險水閘、堤防險工險段、在建涉水工程所存在的度汛問題等，應從其對應的基礎信息數據庫中分別剝離出來，單獨管理。對每年的農作物分布，防汛責任人及聯系方式，防汛抗旱物資數量和種類，用水戶的用水量，堤防、水庫除險加固信息等進行及時更新。

5.2 調度和搶險預案庫

預案庫的維護主要指預案的建立、添加、修改、更新等，還有對防汛搶險知識的不斷更新。方案成果的管理也至關重要，在決策者選定方案后，應存儲較為成功且實施后發揮效益大的水工程調度和搶險方案。

6 結語

洪旱災害具有突發性、嚴重性及發生環境的復雜性，決定了防汛抗旱決策必然面臨難度大、風險高等難題。加大防汛抗旱信息化程度，增加防汛抗旱決策的科技含量，定能對吉安市的防汛抗旱工作大有裨益。防汛抗旱決策支持系統作為當前防汛抗旱工作中重要的一環，其完善與否很大程度上決定了防汛抗旱工作的有效性，在完備的基礎數據和先進的數據處理系統共同支撐下，將為今后的防汛抗旱決策與應急指揮提供有力保障。本研究有利于實現防汛抗旱工作的智慧化，減輕基層防汛抗旱工作勞動強度，提升防汛抗旱的工作效率，但未考慮目前數據收集、處理存在的技術難題，也是制約目前數據進一步開發利用的瓶頸，今后應加大對數據收集設施的建設及維護，完善相關制度促進各部門間數據的共享融合。同時，進一步加強大數據整合和分析，充分發掘數據資源潛力，支撐數據的應用及開發。

[1] 宋春. 吉林省防汛抗旱指揮系統建設問題研究[D]. 長春：吉林大學，2004: 23-25.

[2] 余達征，索麗生. 關于防洪調度智能決策支持系統的分析與設計[J]. 水文，1999，19 (2): 18-23.

[3] 邱瑞田，王本德，郭生練，等. 全國水庫防洪調度決策支持系統工程[J]. 中國水利，2004 (22): 58-60.

[4] 黃詩峰，李紀人. GIS 支持下的防汛指揮決策支持系統的系統分析與設計[J]. 中國管理科學，2001，9 (6): 73-80.

[5] 魏立飛，文正敏. GIS 在水利現代化中的應用和發展趨勢[J]. 中國水運，2006 (11): 94-96.

[6] 鄒亮，任愛珠，張新. 基于 GIS 的災害疏散模擬及救援調度[[J]. 自然災害學報，2006，15 (6): 141-145.

[7] 翟宜峰，王紅梅，閆廣文. 黑龍江省防汛會商系統研究與設計[J]. 黑龍江水專學報，1999，26 (3): 20-21.

Research on optimizationand promotion of flood controland drought relief decision support system of Ji’an City

LIU Bin
（The Flood Controland Drought Relief Headquarters Office of Ji’an City, Ji’an 343000,China）

Currently the flood controland drought relief decision-making system cannot meet the reality demand of flood controland drought relief in Ji’an City. It is in urgent need to optimizeand upgrade the current system. Based on perfectingall kinds of basic information, using the model, geographic information systems, human-computer interaction,and other technology, it optimizesand upgrades the system from theaspects of real-time flood forecast, engineering emergency plan formulation, drought-resisting measures,and strengthens the daily data maintenance, finally realizes the visualizationand wisdom of flood controland drought relief decision-making.

flood controland drought relief; decision support system; optimizationand upgrade; foundational database; wisdom; the human-computer interaction

TV87

A

1674-9405(2017)02-0061-05

10.19364/j.1674-9405.2017.02.014

2016-07-29

劉 斌（1991-），男，江西吉安人，本科，從事防汛抗旱工作。