天津市防汛調度會商平臺構建及智能調度技術研究與應用

劉 哲，劉戰友，侯亞麗

（天津市水務工程運行調度中心，天津 300072）

天津市地處海河流域最下游，人口密集、城市發 展迅速，由于排水管網建設年代久遠、老化失修，排水設施更新與城市發展存在一定差距，暴雨內澇災害問題突出，給天津市防汛工作帶來極大考驗[1]。近年來，依托計算機技術和互聯網技術的快速發展，天津市建設了防汛調度信息化系統，一定程度上提高了防汛調度指揮的應急反應能力和工作效率，解決了傳統防汛工作存在的一些問題[2，3]。但是，現有防汛決策支撐仍大多依賴傳統的信息監測，決策手段與新形勢下的公眾參與、社會化防汛矛盾逐步顯現，原有的系統服務功能面對當前防汛新形勢、新要求，在數據共享與挖掘、信息準確與及時、智能決策與調度等方面還存在一定差距，防汛調度決策信息化支撐水平及服務能力亟待改善。

防汛調度會商是防汛指揮決策過程中最重要的工作環節，而防汛調度會商平臺是整個防汛指揮的中樞，在防汛調度會商決策過程中扮演著重要的角色，需要高效利用信息采集、傳輸、應用等各種技術，將各類信息全面、及時、精準地呈現，防汛調度會商指揮中心與抗洪搶險現場、積水搶排現場等的視頻連線會商決策，為各業務部門集中分析、防汛調度決策提供支撐。

當前，人工智能、大數據、“互聯網+”等概念和技術已在金融、電子商務、物流等領域得到了初步應用并取得了一定的成果，智慧化發展是未來社會的發展趨勢[4，5]，也是天津防汛未來幾年的目標。為將現代技術融入防汛工作，急需將防汛會商流程信息化，建設以人工智能、大數據、“互聯網+”等技術為載體的天津市防汛調度會商平臺，以逐步提升防汛調度指揮的智能化水平。

1 總體架構與功能設計

天津市防汛調度會商平臺的構建是一個復雜、全面、逐步推進的過程，分層次實現“連接共享”“智能分析”和“智慧調度”“精準決策”，借助新環境新技術下的新功能支撐防汛會商工作，逐步提高天津防汛調度會商決策支撐水平和社會化服務水平。

1.1 總體架構

天津市防汛調度會商平臺邏輯上由5個層面、四大保障體系、4類服務對象共同構成，其中5個層面包括基礎設施層、數據資源層、應用支撐層、應用系統層和用戶層；四大保障體系包括標準與規范體系、維護與保障體系、系統安全體系和質量與監控體系；4類服務對象包括決策人員、管理人員、業務人員及系統管理者。平臺采用SOA體系架構，總體上采用B/S的多層體系結構進行建設，總體架構設計如圖1所示。

圖1 天津市防汛調度會商平臺總體架構

（1）用戶層。天津市防汛調度會商平臺用戶包括決策人員、管理人員、業務人員及系統管理者，用戶通過用戶端進行系統登錄訪問。

（2）應用系統層。應用系統層在應用支撐層和數據庫的基礎上提供綜合分析、氣象、雨情、水情、工情、排澇、視頻、潮情、水質、山洪、調度和決策等服務。應用系統為工作人員提供服務和應用支持，共同依托于一個統一應用支撐平臺。

（3）應用支撐層。應用支撐層主要包括數據交換平臺服務和應用服務等內容。數據交換平臺服務提供信息注冊管理、信息同步管理、平臺交換管理等服務。應用服務提供GIS平臺、統一身份認證管理等服務。

（4）數據資源層。數據資源層包括數據庫維護平臺和數據庫，數據庫有基礎數據庫、實時水雨情庫、空間數據庫、業務數據庫和業務管理數據庫。

（5）基礎設施層。基礎設施層為各類應用提供基礎的軟硬件支撐環境，主要由信息監測、通信網絡、數據庫服務器、數據存儲和數據備份等基礎設施組成。

1.2 業務功能

天津市防汛調度會商業務流程主要分為以下4個方面。

（1）資料匯總。綜合各相關部門防汛信息，將氣象、雨情、水情、工情、搶險、物資等防汛資料及信息進行智能化匯總展示，形成智能化匯報界面。

（2）會商決策。優化、智能化分析防汛信息，研判防汛形勢，提出決策參謀意見。

（3）組織實施。監督相關管理單位執行防汛決策指令，實時展示決策指令執行結果。

（4）執行反饋。對各單位的執行情況進行反饋匯總，實時掌握防汛動態。

在分析天津市防汛調度會商業務需求基礎上，平臺功能設計主要包括會商模板定制、會商制作、會商展示、會商管理四大功能模塊，功能模塊結構如圖2所示。會商模板定制主要是在系統中預置不同情景的防汛會商模板，為防汛會商制作提供快速的制作基礎數據。會商制作包括會商主題建立，氣象、雨情、水情、工情、排澇、視頻、潮情、水質、山洪、調度、決策等會商信息抓取，GIS會商專題圖制作和會商材料生成模塊。會商展示是對氣象、雨情、水情、工情、排澇、視頻、潮情、水質、山洪、調度、決策等會商信息的集中展示。會商管理提供了會商信息查詢、下載和在線顯示等功能。

圖2 天津市防汛調度會商功能模塊結構

2 關鍵技術研究與應用

2.1 數據共享與應用

2.1.1 多部門數據共享

引入“互聯網+”思維模式，將“跨界融合、連接一切”的精神融入防汛工作中[6]。經協調溝通，主要實現四部門的數據共享融合與聯合應用，一是將天津市氣象部門雷達、云圖、雨量等共享數據信息接入天津市防汛調度會商系統數據庫，利用氣象部門數據開發氣象雨情智能分析功能模塊，實現實時自動分析和動態演示不同時段的云圖、雷達變化，隨時跟蹤氣象部門對天氣的預測預報成果，為防汛調度提供氣象決策支撐；二是將天津市生態環境部門的河道水庫水質自動監測數據接入天津市防汛調度會商系統數據庫，開發水質數據智能統計分析模塊，以圖、表等多種形式在線展示分析河道、水庫、濕地水質數據變化，為雨洪資源利用調度提供決策依據，分析研判國考斷面水質數據變化趨勢，動態修正為生態環境保護措施；三是將中心城區防汛排水部門的實時降雨信息、積水信息、排水泵站調度運行信息接入天津市防汛調度會商系統數據庫，開發排澇、積水等防汛排水智能分析應用模塊，在GIS地圖上以圖、表等多種表現形式動態實時展示市區防汛排水實時開車情況和中心城區降雨分布、積水變化以及泵站運行情況，同時智能動態統計分析河道水位、泵站排水變化趨勢，為市區防汛排水調度提供決策支持。

通過防汛、水務、氣象、生態環境等部門共享數據在防汛調度會商平臺上的聯合應用，實現防汛、水務、氣象、生態環境等多部門數據信息深度共享，極大減少部門之間信息傳輸環節和時間，節省人力、物力、財力，為防汛調度決策和指令的實施贏得時間，從而提高防汛安全保障率，真正為天津市防汛抗旱做出貢獻。

2.1.2 “五維一體”監視分析應用

以往相關系統展示匯報方式多為單一類型數據查詢統計分析，缺乏整體性，該系統在數據深度共享整合的基礎上，改變了傳統的單一類型數據查詢方式，實現工程技術參數、工程實時視頻、防汛水雨工情信息、工程實時運行狀態、防汛責任人等多元數據“五維一體”立體效果展示。其中，防洪工程“五維一體”主要集成了該工程的視頻監控、實時水位、實時流量、實時雨量和實時水質5類信息，城市排水“五維一體”主要集成了易積水片視頻監控、實時積水深度、實時降雨、積水排入河道、排水泵站實時開車5類信息，險工險段“五維一體”主要集成了險工險段的實時視頻監控、防汛責任人、防汛搶險預案、防汛搶險物資以及險工險段基本信息5類信息，山洪防御“五維一體”主要集成了山洪溝實時視頻監控、防汛責任人、群眾轉移預案、安置責任人以及山洪溝基本信息5類信息，風暴潮防御“五維一體”主要集成了防潮工程實時視頻監控、實時潮位、天文潮位、防潮基本信息等。通過防汛工程、城市排水、險工險段、山洪防御、風暴潮防御的“五維一體”展示，及時為防汛會商、形勢研判、調度決策提供更直觀、高效、便捷、全面的信息數據和決策支撐。

結合“五維一體”數據，優化查詢效果，基于一張GIS地圖，對雨情、水情、工情、險情等多源信息進行綜合展示，將有效信息全息化、多角度呈現給用戶，減少系統、模塊切換，優化數據展示內容，直觀、快捷、高效提供防汛會商所需信息，提升防汛應急決策能力。

2.1.3 “四防”展示應用

天津市地處海河流域最下游，特殊的地理位置決定了其防汛特點，形成了“上防洪水、中防瀝澇、下防海潮、北防山洪”的“四防”立體防御格局。防汛調度會商系統根據天津市“四防”要求和特點，開發了“四防”展示匯報功能模塊。其中，“上防洪水”主要通過流域上游入境洪水情況、天津市承接情況以及下游防潮閘下泄入海情況3個方面進行展示匯報，“中防瀝澇”主要通過中心城區的降雨情況、積水排除情況以及泵站開車情況3個方面進行展示匯報，“下防海潮”主要通過防潮工程、實時潮位以及天文潮位進行展示匯報，“北防山洪”主要通過山洪溝實時情況、涉及村莊轉移情況等進行展示匯報。以視頻監控、雨情、水情、工情以及預案等形式，實現系統快速、便捷的“四防”匯報。

2.2 智能分析技術研究與應用

基于數值模型分析技術，將其他部門匯集共享的數據與構建的中心城區產匯流模型、排水管網水力模型、河道水動力模型、地面二維淹沒演進模型集成嵌入在平臺之中，進行模型智能分析與展示，科學提高防汛調度智能分析水平，深度分析、挖掘數據潛能，實現共享數據利用最大化。

2.2.1 綜合智能統計分析

綜合智能統計分析模塊主要是將防汛調度會商所需主要信息進行分類集中統計展示，利用最簡便的展示方式、最簡短的文字內容，體現最重要的防汛信息，使各類防汛信息特征數據一目了然。按照天津市防汛調度需求，綜合智能統計分析功能主要是將防汛實時信息分為雨情、水情、工情、排澇、潮情、水質6類數據進行綜合智能統計分析計算并展示。雨情綜合智能統計分析主要在顯著位置展示不同時間尺度的降雨綜合統計數據，集中展示包括三部分：一是年降雨量智能統計分析，并與常年同期或其他任意年份同期進行對比分析；二是汛期降雨量智能統計分析，并與常年同期或其他任意年份同期進行對比分析；三是當前場次或任意時段雨量智能統計分析。水情綜合智能統計分析主要包括三部分：一是上游河道入境水量智能統計分析，并與常年同期或其他任意年份同期進行對比分析；二是下游入海河道出境水量智能統計分析，并與常年同期或其他任意年份同期進行對比分析；三是根據當前防汛形勢，對重點關注河道水庫的水情信息進行智能統計分析。工情綜合智能統計分析主要展示實時工情和實時險情的綜合統計數據信息。排澇綜合智能統計分析主要展示中心城區排水泵站實時開泵統計、積水變化、河道水位等。風暴潮綜合智能統計分析主要展示濱海新區沿海實時潮位、重點薄弱環節的視頻監控以及天文潮位等信息。水質綜合智能統計分析主要展示河道水庫的在線實時監測水質數據。預警統計主要是按照不同等級的降雨、水位、流量等預警閾值，在系統提前進行預設，分等級進行統計，將統計結果與預案資料交叉檢索設立結構化閾值條件，通過大數據分析觸發災情預警，便于直觀、高效判斷防汛形勢，及時有效應對。

2.2.2 雨情智能統計分析

雨情智能統計分析模塊主要是為防汛工作人員提供雨情監控和分析，利用從天津市氣象局以及天津市水務局不同管理部門共享到的降雨監測數據，根據防汛調度需求，在空間尺度上分流域、河道、區域，以不同類型統計方式進行分時段智能統計分析，以等值面或等值線的方式在GIS地圖上展示，為防汛調度工作人員提供直觀、快捷的雨情數據統計分析支撐。按照天津市防汛調度降雨統計規范和使用習慣，提前設定一定的統計原則，自動與上年度同期、常年同期以及任意多年同期的累計降雨進行智能統計對比分析，利用氣象部門提供的降雨預測預報分析成果，從時空等不同角度分析研究降雨的變化趨勢，服務防汛會商、防汛調度決策。

2.2.3 水情智能統計分析

水情智能統計分析模塊主要是為防汛工作人員提供水利工程水情監控和分析，根據實時的調度目標，設定不同的監控對象，將防汛重點閘站水情信息在監控界面醒目部位進行監視，以過程線圖和表格方式自動、直觀展示分析重點閘站的實時監測數據。設定時間選擇窗口，可根據調度人員需求，查詢任意時段水情數據。平臺總結了以往系統存在問題，將查詢不同閘站水情數據過程線的小窗口進行升級改造，集成到1個小窗口進行展示，避免了多個界面窗口疊加，影響展示效果。同時，在該小窗口的查詢界面增加了閘壩基本管理信息和閘壩簡介，便于調度工作人員查詢取用。另外，在該界面保留綜合智能統計分析界面防汛調度重點關注的出入境水量統計功能，即上游河道入境和下游出境入海水量智能統計分析，并與常年同期或其他任意年份同期進行對比分析。根據當時防汛形勢，對重點關注河道水庫的水情信息進行智能統計分析。

2.2.4 工情智能統計分析

工情智能統計分析模塊主要是為防汛工作人員提供水利工程數據查詢和實時的險工險段分析，平臺將全市水利普查的水利工程數據和防汛險工險段信息在地圖上進行展示，重點對全市一級河道上險工險段的展示進行了研究開發。全市57個險工險段在GIS圖上對應河道位置進行標注，將每個險工險段的搶險預案電子化，全部錄入數據庫，并以簡單明了的表格形式進行展示，主要包括險工險段所在河道位置、搶險責任人、搶險方式、所屬險工類型、搶險所需物資及存放地點、周邊道路情況等。該平臺還將防汛物資倉庫地理位置以及物資倉庫儲存的防汛物資品種、數量錄入數據庫，同時開發了突發險情錄入界面，能夠將隨時出現的險工險段及時錄入系統。通過險情的位置、類型、尺寸，自動計算所需物資數量，根據險情和物資管理分析，智能檢索存儲所需物資的倉庫，根據物資倉庫位置和路網分布情況，自動給出每個倉庫的物資運輸路徑和所需時間，防汛工作人員可據此在短時間內提出搶險方案。

2.2.5 排澇智能統計分析

排澇智能統計分析模塊主要是為防汛調度工作人員提供市區的實時降雨、實時積水以及泵站開車等的監控和分析，供市區排澇調度會商使用。該模塊的實時降雨智能統計分析與雨情智能統計分析模塊類似，將市區的降雨智能統計分析直觀、快捷在GIS地圖上進行展示。實時積水片智能統計分析主要是根據市區易積水片電子水尺自動采集的數據為依托，在模塊左側區域實時展示全市易積水片的積水統計結果，在模塊中間區域的GIS地圖上實時展示積水區域和積水深度，按等級以不同顏色進行區分，在模塊右側區域以表格形式對積水區域進行統計排序，并實現與GIS地圖的互動。同時，模塊提供任意泵站實時數據查詢，主要包括泵站實時開車情況、積水深度變化曲線和趨勢、積水片區相關聯的排入河道實時水位情況，實現與任意場次積水情況的對比分析和歷史數據還原等功能。

2.2.6 潮情智能統計分析

潮情智能統計分析模塊主要是為防汛工作人員提供潮情監控和分析，通過天津市海洋局監測共享的實時潮位信息監控風暴潮發展，供風暴潮防御使用。潮情包括實時潮位、天文潮位、沿海薄弱環節視頻監控3類信息。平臺統計展示歷史大潮情況，并與實時潮情進行對比分析，為風暴潮防御提供服務。

2.2.7 水質智能統計分析

水質智能統計分析模塊主要是為防汛工作人員提供河道水庫水質實時在線監測數據和分析，利用從天津市生態環境局共享的水質數據實現監控，供水務部門實施雨洪資源利用調度使用，避免“污染搬家”，實現雨洪資源利用最大化。

2.2.8 山洪智能統計分析

山洪智能統計分析模塊主要是為防汛工作人員提供山洪溝實時監測數據，利用天津市水務局新建的山洪溝視頻監控攝像頭，實時監控山洪溝的溝道情況，供防汛工作人員山洪防御使用。該模塊主要將與山洪溝防御相關的預案、責任人、轉移安置方案以及基本信息集成到一個界面，服務防汛工作人員山洪溝防御。

3 結論及展望

天津市防汛調度會商平臺從數據來源、應用技術、展現形式、業務流程、組織角度等方面進行了重新設計與布局，運用人工智能、大數據、“互聯網+”等技術分階段實現“連接共享”“智能分析”和“智慧調度”，提升了天津防汛調度指揮的智能化水平，有效支撐了天津防汛業務工作，為逐步實現天津智慧水務的建設目標構建了新思路。

經過2018、2019年汛期的不斷完善與檢驗，平臺建設成效得到了初步驗證，數據實現了實時可靠傳輸，平臺能夠穩定運行。平臺整合的多種來源數據與最新的組織形式，改變了過去的傳統會商形式，在會商室就能全面清晰精準掌握汛情實時狀況，大大提高了防汛會商的效率和準確性，為確保天津市防汛安全提供了有力支持。今后，將通過進一步的數據完善、智能分析技術改進和防汛工作檢驗，逐步完善天津市防汛調度會商平臺，提升全市防汛調度的智能化水平。