遼寧省防汛指揮調度系統技術研究與實現

李 祿

(遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 簡述

洪水災害每年給社會帶來巨大生命財產損失，嚴重妨礙社會發展。采用先進的信息技術為防汛工作提供支撐是現代化防汛的必然途徑和必然趨勢[1]。2003年6月，國家防總啟動“國家防汛抗旱指揮系統”建設，有效推動了該領域的技術發展[2]。本研究不僅是防汛抗旱現代化的標志性工程，也是全省水利信息化建設的“龍頭”工程之一，對保證經濟社會可持續發展具有重要戰略意義[3]。近年來，遼寧省開展了大量防汛非工程措施建設，初見成效。但是，在頂層設計、預報調度、資源整合、數據利用等方面仍存在諸多不足之處[4]。表現在①缺乏頂層設計和總體規劃，尚無系統化成果；②重復建設嚴重，缺乏統一的應用支撐平臺，存在信息孤島；③無法及時準確掌握全省防汛相關各類信息；④洪水預報調度過程繁瑣、耗時，預報精度無法保證；⑸各類數據利用效率較低，且存在安全隱患[5]。

2 現狀分析

縱觀國內外關于防汛指揮系統研究現狀與發展趨勢，目前國外發達國家的防汛指揮系統建設發展較快，取得了顯著效果[6]。但由于世界各地和各級別流域氣象、下墊面等專業要素特征及流域、水庫管理體制各不相同，因此不同國家的防洪減災成果不能簡單移植[7]。國內省級防汛指揮系統研究多處于起步階段，全國各地圍繞自身實際防汛業務需求，開展了水文遙測系統、防汛值班系統、洪水預報調度系統等一系列防汛子系統建設，但是各子系統相對獨立，應用效率不高[8]。在國家“十三五”規劃中，對國家防汛抗旱指揮系統工程提出了新的建設任務，包括大數據、云平臺、人工智能、移動互聯網等[9]。目前，各省及流域管理機構在“國家防汛抗旱指揮系統”項目的基礎上，不同程度地建立了自己的防汛業務系統，效果顯著[10]。尤其是在國家提出“智慧水利”的大背景下，“智慧防汛”也是整個方案的最重要組成部分，必將把防汛工作再次提升到一個新高度，從而解決更多的實際問題，產生更大的防洪效益[11]。

3 研究內容

主要研究內容包括遼寧省防汛會商平臺研發，標準化洪水預報調度模型庫建立，綜合數據服務及監管平臺構建。技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

3.1 遼寧省防汛會商平臺研發

基于“互聯網+防汛”的設計理念，遵循國家防汛指揮系統“兩臺一庫”的原則，以“一張地圖、一個平臺、一套框架”為宗旨，研發“遼寧省防汛會商平臺”，為全省防汛工作提供“一站式”服務。

(1)制作并發布“遼寧省水利一張圖”，涵蓋12級圖層、23個水利要素，融合自繪圖、水利部一張圖、外網地圖3類圖源，為全省水利系統提供統一、標準的多源地圖服務。

(2)構建基于一張圖的“綜合監視子系統”，可及時、準確、直觀的掌握全省防汛信息，包括雨情、水情、氣象、工情、告警、視頻等動態、靜態信息，避免信息孤島。

(3)自主研發具有通用框架的“遼寧省實用洪水預報調度系統”，為省防辦、省水文局及14個水文分局、調度中心及省直九大水庫提供支撐，實現全省大、中、小型水庫及重點各水文站的洪水預報與防洪調度。

(4)研發移動端防汛APP“防汛通”，為各級防汛人員提供方便快捷的汛情查詢手段。

(5)采用統一的平臺和架構，實現10余項內部系統和外部系統的資源整合，避免重復建設，提高系統運行效率。

系統主界面如圖2所示。

圖2 系統主界面圖

3.2 標準化洪水預報調度模型庫建立

構建標準化水文模型庫及調度規程庫，集成與封裝10余項水文預報、調洪演算及分析評價模型，有效提高水庫及河道洪水預報精度和預見期。

(1)構建模型服務共享平臺，采用統一的標準和協議對模型結構及參數進行管理，可為全省水利專業系統提供統一的模型服務。

(2)采用實時預報、假擬預報、典型預報、組合預報4種方式，實現對水庫及河道水文站的產匯流計算，滿足不用應用場景需要。

(3)針對中小型水庫匯流時間短等特點，建立抗雨能力分析及四象限調洪方法，可簡化水庫預報流程，提高預報的時效性。

(4)基于龍格庫塔法、多目標等算法，采用常量調度、模擬調度、規程調度、優化調度4種調度方式，可快速自動生成調度方案。

(5)采用PA值連續滾動計算、單位線優選、實時校正等多種人機交互方式，以及特征分析、相似分析、方案分析等多種分析方法，構建多功能集合式洪水預報，實現預報方案的逐步優化及預報結果的對比分析。

模型服務共享平臺界面如圖3所示。

3.3 綜合數據服務及監管平臺構建

基于國家及水文相關技術標準，以信息技術手段，研發“綜合數據服務及監管平臺”，重點解決數據上報、數據安全、數據交換、數據服務、數據監管等方面存在的問題，轉變數據服務模式，提高數據利用效率。

(1)采用云MAS短信報汛和智能手機報汛兩種方式，實現對全省808座小型水庫報汛，并與國家標準庫整合共享，強化小型水庫監管。

(2)針對水文數據安全問題，采用同步并發、雙機熱備、數據庫集群、負載均衡、數據鏡像等多種安全保障措施，提高數據存儲與訪問的安全性。

(3)采用多線程任務調度、執行解析器、Kettle數據抽取、數據同步、網絡爬蟲等技術，研發數據交換平臺，實現數據的匯集、分發與共享，實現3000+數據交換任務量執行時間縮短到1s以內。

(4)以數據和業務為核心，采用統一的標準和建設模式，構建水利API應用市場，轉變數據服務模式，對全省提供Web Service數據服務接口。

(5)研發數據審計監管平臺，針對API接口提供多種審計規則，提供多種審計規則，實時監控、跟蹤全省水文數據流向，保證數據訪問的安全性。

監管平臺界面如圖4所示。

4 研究方法

4.1 遼寧省防汛會商平臺研發

(1)遵循國家防汛抗旱指揮系統“兩臺一庫”的基本原則，采用SCA面向服務的技術架構，以“一張地圖、一個平臺、一套框架”為宗旨，總體框架由7層支撐體系和2大保障體系構成，構建“遼寧省防汛會商平臺”，實現了平臺統一管理及服務資源化管理。

(2)基于WEBGIS技術，制作并發布“遼寧省水利一張圖”，涵蓋12級圖層、23個水利要素，融合自繪圖、水利部一張圖、外網地圖3類圖源，可為本系統及遼寧省其他應用系統提供地圖服務。采用抽稀技術，有效解決各類要素顯示混亂問題；采用瓦片緩存技術，通過檢查返回緩存圖片的方式提高地圖訪問效率。

圖3 模型共享平臺界面圖

圖4 數據服務及監管平臺界面圖

(3)構建基于“一張圖”的綜合監視子系統，集成雨情、水情、旱情、工情、告警、視頻、搶險、災情等10余項防汛抗旱信息，采用圖表、GIS等多種形式，實現各類動態與靜態信息的交互查詢，將全省防汛信息及時、準確的展現在會商現場。

(4)采用統一、標準的系統建設模式，研發具有通用框架的“遼寧省實用洪水預報調度系統”。充分考慮平臺構建的共性和異性，構建一整套通用性強、移植好的系統平臺，集成20余項功能模塊；

(5)建立降雨、雨強、水庫、河道及土壤飽和等多指標告警體系，完成告警指標的制定與等級劃分，實現防汛單指標多級告警及多指標綜合告警，并結合全省行洪能力及特征水位調查成果，提高告警準確性。

(6)創建防汛會商新模式，構建模式化防汛會商平臺，為會商全過程提供信息化支撐，實現防汛會議流程化、模式化、一站式管理，規范會商流程，提高會商效率；采用統一會商形式，實現省、市、縣三級防汛會商的資源共享與信息同步，保證防汛會商信息的一致性、及時性與可靠性。

(7)基于WEBGIS技術，對全省所有洪水風險圖進行統一管理與綜合展示，實現各類專題圖的成果查詢、動態模擬、災情統計、避險轉移，為防汛會商提供全方位的參考依據。形成由“點(監測站點)、線(洪水預報過程)、面(洪水風險圖)”多種要素組成的綜合分析，為防汛會商提供全方位的參考依據。

(8)堅持“立新、利舊”的建設原則和“統一、標準”的建設模式，采用“數據訪問、單點登錄、協議連接、網絡爬蟲”等多種形式，實現各類內部資源(視頻、預案、物資、山洪)及外部資源(氣象、國土)的整合與利用，避免重復，形成合力。

(9)基于Android開發框架，研發移動端省級防汛APP，實現全省實時汛情、氣象信息、雨情信息、水情信息、工情信息、組織保障、視頻監控、等信息的統一管理與查詢，便于防汛人員及時、準確的掌握全省汛情。

(10)采用先進的技術框架，平臺前端利用Dojo結合ArcGIS API，后端采用極速JavaWeb開發框架JFinal，保障平臺高效、穩定運行；在處理高效的緩存管理時，采用AutoLoadCache緩存框架，實現信息自動加載；采用阿里公司的druid開源數據庫連接池，解決查詢延遲問題；采用Kriging算法，實現降雨等值線自動繪制。

4.2 標準化洪水預報調度模型庫建立

(1)采用動態鏈接庫DLL的形式，構建標準化水文模型庫。對北方地區被廣泛應用的產流模型(新安江、大伙房、遼寧指數、蓄滿產流等)、匯流模型(經驗單位線、瞬時單位線、滯后演算等)、河道演算模型(馬斯京根等)和調洪演算模型進行開發與集成。

(2)構建模型服務共享平臺，采用統一的標準和協議對模型結構及參數進行管理，可為全省水利專業系統提供統一的模型服務。

(3)針對不同的應用場景，采用實時預報(實時降雨信息作為降雨輸入)、模擬預報(氣象預報及假擬降雨作為降雨輸入)、典型預報(利用歷史典型降雨進行同比例縮放后作為降雨輸入，有效解決假擬降雨時空分布不合理問題)3種洪水預報形式，實現產匯流計算。

(4)結合流域特點，針對各控制上游不同的來水組合方式，綜合考慮水庫放水、支流匯入、區間降雨多種來水方式，實現洪水組合預報。

(5)提供PA值連續滾動計算模塊，可自動逐日計算來水量及前期土壤飽和程度，解決傳統信息采集方式誤差大及人工計算繁瑣等問題。

(6)基于最小二乘法開發了單位線優選模塊，在匯流計算過程中，可根據暴雨中心、降雨總量、最大降雨、降雨強度等因素自動優選出一條最適合的單位線，有效降低人為誤差帶來的影響。

(7)將概念性模型與黑箱模型相結合，對洪水預報結果進行實時校正。根據誤差的前后時段存在的相關性，構建實時校正模型，利用洪水預報的誤差序列對預報結果進行實時校正，可進一步提高洪水預報精度。

(8)基于試算法、龍格庫塔法，采用常量調度、模擬調度、規程調度3種調度方式，實現水庫調洪演算，滿足不同部門的應用需求；建立標準調度規程庫，對水庫調度規程進行統一管理與維護。

(9)采用特征分析、相似分析、排序分析、方案分析等多種分析方法，滿足災前、災中、災后洪水分析的需要，以及對不同降雨級別與調度方案的優選，利用歷史經驗對未來洪水提供決策依據。

(10)針對中小型水庫，結合水庫庫容小調洪能力有限、集雨面積小、匯流時間短的特點，建立抗雨能力分析方法，并將四象限調洪方法應用到小型水庫，顯著縮短了預報用時，簡化預報流程。

4.3 綜合數據服務及監管平臺構建

(1)采用云MAS短信報汛和智能手機報汛兩種方式實現對全省及大連市小型水庫雨水情信息的報汛，強化對小型水庫的監管，并將小型水庫報汛信息與省水情數據庫進行整合，實現全省所有水庫雨水情信息全覆蓋。

(2)建設專用的涉密網絡，采用單向光閘將涉密數據與非涉密數據隔離，將實時數據由水利政務外網向涉密網數據庫服務器進行推送，涉密數據只供水情部門使用，以保障涉密數據安全。

(3)將現有單實例SQL Server數據庫服務改造為SQL Server雙機熱備，使數據庫服務具備高可用性。采用Oracle RAC技術實現數據庫的集群管理及數據庫負載均衡，提高數據安全及訪問效率。

(4)采用Quertz多線程任務調度及多種執行解析器技術，實現數據的匯集與分發，從源頭獲取數據，有效解決數據類型多元化問題，實現水庫雨量站與水文部門雨量站的資源整合與共享。

(5)采用Kettle數據抽取轉換技術，極大的提升了數據抽取轉存效率，使3000+數據交換任務執行時間縮短到1s以內，有效解決平臺高并發、大任務量調度的問題，保證數據中心與分中心雨水情數據的同步。

(6)在不改變原有水情數據庫表結構及數據匯集方式基礎上，對“水情信息交換系統”軟件進行重新配置，將全省雨水情信息匯集時間由原來的1h縮短到6min，提高數據采集時效性；

(7)采用網絡爬蟲技術，實現對氣象部門發布信息的實時在線獲取與存儲，包括衛星云圖、雷達拼圖、降水預報、累積降水、天氣分析、臺風監測等，可按照自定義方式對各類氣象信息進行二次定制與展示。

(8)原有省直水庫水情庫中只有通過自動遙測的水位信息，缺少入庫、出庫、蓄水量等其他水情信息。研發入庫流量的還原滾動計算模塊，結合水庫出庫流量信息，實現水庫入庫、出庫、蓄水量信息的自動存儲。

(9)以數據和業務為核心，研發“數據服務平臺”，轉變數據服務模式。形成一系列Web Service數據服務接口，采用KEY和IP對訪問權限進行控制；在對各項業務梳理的基礎上，形成一系列數據服務產品；

(10)研發數據審計監管平臺，針對API接口提供多種審計規則，監管數據安全，監控、跟蹤數據流向。系統通過圖表進行審計結果的圖形化展示，可以方便的便于管理者掌握了解數據使用的實際情況。

5 技術指標

(1)為遼寧省防汛工作提供一整套有效的信息化解決方案。

(2)采用統一的應用支撐平臺，展示全省各類防汛相關動態、靜態信息。

(3)制作發布“遼寧省水利一張圖”，涵蓋12級圖層、23個要素，融合3類圖源。

(4)構建“省直水庫歷史數據庫”，涵蓋279張表，10余萬條數據。

(5)轉變數據服務模式，從原來的數據服務向接口服務轉變，提高數據訪問效率與安全性。

(6)全省2000余個雨量站的數據匯集時間由1h縮短到6min。

6 主要創新點

(1)省直9大水庫洪水預報調度方案的制定用時，由原來的3h縮短到20min，提高水庫洪水預報及防洪調度效率。

(2)構建了適合北方地區推廣應用的標準化水文模型庫，集成與封裝10余項水文模型及調洪演算模型，有效提高洪水預報精度。

(3)采用云MAS短信報汛和智能手機報汛兩種方式，強化對全省600余座小型水庫的監管，填補小型水庫無報訊空白。

(4)首次實現水文數據與水庫數據的共享，并補齊水庫水情信息不全的短板；全省2000余個雨量站的數據匯集時間由1h縮短到6min。

7 效益分析

目前，本成果已經實現全省的推廣與應用，已成為各級防汛部門不可替代的支撐手段。具體推廣情況如下：遼寧省水資源管理集團、省調度中心、省直9座大型水庫；省防辦、4個市防辦(沈陽、丹東、盤錦、遼陽)；省水文局、14個市水文局；省水庫管理中心(小型水庫)；渾河、太子河、鴨綠江、遼河油田等重點保護區。

成果應用以來，在防御洪旱災害中發揮了巨大作用。在2005年8月丹東潮位站與2006年8月梨樹溝站洪水預報中，預報精度較高；在2010年8月渾河沈陽段防洪中，實現了橡膠壩的科學調度；在2013年“8.16”洪水中，大伙房水庫洪水預報精度達到85%，為水庫預蓄預泄提供重要依據；在2017年“8.03”及2018年、2019年洪水中，遼寧省防汛指揮系統曾多次在省、市級重點防汛會議中發揮了重要作用，為上級領導指揮決策提供了及時、準確的參考依據。提高了抗洪搶險能力，減少傷亡損失，使防汛抗旱工作從傳統工作方式向現代化邁進了一大步，在2019年“利奇馬”臺風中，本系統為集團防汛工作提供了有效的支撐。同時，該成果的研究與應用促進了水利信息化的發展，提高了行業管理水平，對和諧社會的創建和經濟可持續發展起到一定的保障作用。

8 結語

本文緊密圍繞國家重大需求，具有針對性強、覆蓋面廣、內容全面、成果突出、效益巨大等特點。綜合展示全省各類防汛信息，為集團防汛指揮提供參考依據。省直9大水庫洪水預報調度方案制定用時，由原來h縮短到20min。規范調度中心及省直水庫業務流程，提高工作效率，降低運行成本?？蔀榧瘓F及全省提供統一的平臺服務、地圖服務、數據服務、模型服務。最終形成由“平臺、數據、模型”共同組成的服務模式，利用平臺匯集資源、利用數據發揮優勢、利用模型打造品牌，實現傳統防汛到現代化防汛的轉變，使得全省防汛決策更加科學精確，提高了抗洪搶險能力。