黃河智慧防凌云平臺設計與研究

徐路凱 李書霞 于國卿

摘 要：顯著的緯度差和特殊的氣候條件，使得黃河凌汛災害成為我國冬春季節大江大河中最突出、最重大的自然災害，并具有孕災環境復雜、突發鏈發性強和防控難度大等特點。當前針對黃河凌汛問題的網絡信息化普遍存在平臺功能較為單一、數值仿真參與度低、凌情數據獲取來源以及獲取手段受局限、缺乏全鏈條全過程動態智慧化管理等問題。針對當前存在的問題，面向黃河防凌安全的現實需求，提升黃河防凌減災智慧管理能力，設計基于云計算服務的黃河智慧防凌云平臺。該平臺以“數據倉庫構建—模型集成耦合—云端仿真計算—虛擬現實展示”為技術主線，整體采用3層架構，其中計算服務層由以Docker容器技術為平臺的防凌模型庫提供強大的虛擬計算環境。集成開發凌情監測與災害預警、凌汛洪水風險動態評估、凌汛災害情景推演、水庫群與分凌區聯合防凌調度和凌災防控決策支持方案優選等功能模塊，覆蓋凌汛災害監測預警、風險管理、調控決策和效果評估等全過程。

關鍵詞：智慧防凌;云平臺;模型集成;容器技術;黃河

Abstract：Due to the difference in latitude and special climatic conditions， the flood disaster of the Yellow River is the most prominent and significant natural disaster in the big rivers in China. The Yellow River ice flood is characterized by complex disaster environment， strong burst chain and great difficulty in prevention and control. At present， the network information platform generally exists many problems， for an example， single function， low participation in numerical simulation， limited data source acquisition and lack of dynamic intelligent management. In the face of these real demands， this paper designed the ice flood of the Yellow River intelligent platform based on cloud computing service. The technical route of the platform was “Data warehouse construction-Model integration coupling-Cloud simulation computing-Virtual reality display”. The computing service layer provided a powerful virtual computing environment for the platform's model library by Docker container technology. The functional modules of the platform included monitoring and disaster early warning， dynamic assessment of ice flood risk， scenario development of flood disaster， combined ice-prevention operation of reservoir group and ice flood diversion area， optimization of decision support scheme for disaster prevention and control. The function covered the whole process of disaster chain. It had important application value for the establishment of efficient and scientific natural disaster prevention system.

Key words： intelligent ice flood control; cloud platform; model integration; container technology;Yellow River

1 前 言

近年來，黃河凌汛河段多次發生決口，給沿黃地區經濟社會發展和人民生命財產安全造成了巨大的影響。顯著的緯度差和特殊的氣候條件，使得黃河凌汛災害成為我國冬春季節大江大河中最突出、最重大的自然災害，具有孕災環境復雜、突發鏈發性強和防控難度大等特點[1-2]。

隨著網絡信息技術的不斷發展，越來越多的科研人員嘗試運用信息化手段來解決黃河凌汛的突出問題，在黃河凌情監測、凌災預警預報、防凌應急管理等方面取得了較大進展。例如：黃委信息中心于2018年開發的防凌會商決策支持系統是一種用于防凌調度決策的重要非工程手段，系統集成相關業務系統數據，結合“黃河一張圖”，建立會商會議管理、防凌會商主題信息組織、防凌會商匯報、會商結果管理四大會商模塊，快速收集、準備相關凌情及工程等詳細信息，為防凌會商決策提供支撐，確保防凌會商決策科學、及時、高效[3]。黃委信息中心許志輝等開發的黃河凌情遙感監測系統，通過構建凌情信息解譯模型和信息服務系統，實現衛星遙感數據的快速化獲取、自動化預處理、海量化存儲和管理，為黃河防凌決策提供信息保障[4]。內蒙古防汛部門開發的內蒙古黃河防凌防汛決策支持平臺，功能包括地理信息、河道監測與決策支持等。其凌情信息服務系統，實現了凌情遙感監測現狀信息、封河前后對比信息、歷史凌情信息、河道槽蓄水量分布、堤防偎水、典型凌情事件等信息服務，集成沿河分布的各類固定點視頻圖像和水雨情等信息。但是，當前的研究成果普遍存在平臺功能較為單一、數值仿真參與度低、凌情數據獲取來源以及獲取手段受局限、缺乏全鏈條全過程動態智慧化管理等問題。

為了滿足國家“要建立高效科學自然災害防治體系”的迫切要求及保障黃河防凌安全的現實需求，國家重點研發計劃項目“黃河凌汛監測與災害防控關鍵技術研究與示范”在凌汛災害的突發鏈發機理及演化機制、重要凌情監測精度及實時性、凌汛險情災情預警預報的準確性及效率、重點防凌河段水庫群調度的精細化及智能化和凌汛險情災情搶護的時效性及安全性等方面開展研究。本文在上述研究成果的基礎上，面向國家建立高效科學的凌汛災害防治體系和提升黃河防凌減災智慧管理能力的要求，以“數據倉庫構建—模型集成耦合—云端仿真計算—虛擬現實展示”為技術主線，對黃河智慧防凌云平臺進行總體設計，并針對平臺研發中的關鍵性技術問題進行研究。

2 黃河智慧防凌云平臺建設目標

根據防凌減災業務需求，研究具有高度可維護性、可移植性和可擴展性的黃河智慧防凌云平臺體系結構，設計平臺整體功能框架和應用系統詳細功能，建立平臺研發技術標準規范。基于三維GIS集成開發凌情監測與災害預警、凌汛洪水風險動態評估、凌汛災害情景推演、水庫群與分凌區聯合防凌調度和凌災防控決策支持方案優選等功能模塊，提供標準計算云服務，構建虛擬現實環境下的黃河智慧防凌云平臺。研發數據和服務等多種高效引擎和訪問接口，將凌汛災害快速防控決策支持平臺納入黃河和國家防汛指揮系統示范應用;針對冰塞冰壩等凌汛事件，建立虛擬現實環境下“事件觸發—模型驅動—智能決策—效應評估”的防凌減災高效管理模式，形成高效科學的凌汛災害綜合防治技術體系。

3 系統總體設計

黃河智慧防凌云平臺系統總體設計思路主要包括以下幾個方面內容。

（1）搭建統一的數據模型，建立統一的數據環境：通過應用商用數據庫實現對以數據為檢索單位的資料（結構化數據）的數據管理;通過文件系統實現對以記錄為檢索單位的資料（非結構化數據）的數據管理，并由商用數據庫對其元數據、檢索路徑進行統一管理。

（2）設計開發可插拔的系統體系架構：以核心控制、松散結構的設計理念為基礎，建立智慧防凌平臺成果應用與展示子系統、數據管理子系統，并發布公共組件的標準化接口、實現統一接口管理、交互控制等結構。

（3）基于B/S技術架構：考慮到系統運算效率，系統絕大部分算法實現在服務端，客戶端通過調用服務端算法完成業務數據的處理。

（4）提供一致的接口訪問方式：黃河智慧防凌云平臺系統向其他應用系統提供采用C++語言的編程接口，方便其他應用系統在該系統基礎上二次開發與調用。數據管理部分提供基于TCP/IP的遠程調用方式，并采用標準多維雙精度數組的標準接口為其他子系統提供訪問接口。

（5）采用面向對象/組件技術：按不同需求封裝標準客戶端和服務器組件，供其他系統調用。

（6）以數據為中心的設計思想：由于數據處理算法的多樣性，對相同的處理流程存在多種不同的處理方法，因此系統設計需要以數據為中心。

（7）子系統無縫集成：子系統功能模塊之間遵循統一的標準規范接口，由系統集成組件解耦子系統之間的直接交互，使之保持松耦合關系，并最終實現系統的無縫集成。

（8）解耦業務邏輯與界面：通過常用的數據、邏輯、界面設計模式，實現系統的有效集成，確保軟件開發過程中界面與算法的分離，解耦業務邏輯和接口界面。

4 系統架構設計

采用3層架構研發黃河智慧防凌云平臺（見圖1），軟件測試貫穿平臺研發的全過程。圖1 系統架構

（1）數據服務層。主要由分布式文件管理系統、分布式關系數據庫和分布式地理空間數據庫組成。考慮研究成果與示范應用單位的后期對接，主數據庫采用通用的關系型數據庫，文件管理系統采用開源的MongoDB。為了保證平臺方案決策的高效實時性，地理空間數據庫運用Spark RDD內存計算技術進行地理空間計算，SparkSQL提供基礎的數據倉庫服務，HBase提供矢量空間存儲服務。數據格式標準化模塊主要是針對平臺運行后面對的多源異構數據進行標準化改造，更好地為模型計算提供數據支撐[5]。

（2）計算服務層。計算服務層由以Docker容器為平臺的多模型計算提供強大的虛擬計算環境，并完成相關模型應用的標準化封裝任務。構建黃河防凌模型庫，采用OpenMI模型接口技術標準，定義各類模型的輸入輸出數據文件、格式和結構，實現各類模型輸入輸出標準化，以實現平臺內部不同模型之間的數據交互，完成對前期開發模型的綜合集成應用。

服務接口為外部程序提供訪問接口，便于應用層對于數據服務的查詢和應用。服務接口分為兩類：一類是服務的基礎訪問，如SOAP服務、REST服務、OGC服務;另一類是服務的程序訪問，即各類API訪問服務的能力，如Flex API、Silverlight API、ArcEngine API及WebService的訪問框架。

（3）應用層。應用層采用Gis Tools for Hadoop組件關聯ArcMap前臺技術，結合3D GIS完成模型計算結果的動態展示，更好地為模型計算提供數據支撐。提供包括多類型數據查詢、凌情監測設備對接后的數據動態展示、模型計算結果的三維動態模擬仿真等服務。

5 系統功能設計

黃河智慧防凌云平臺包含兩大子系統，分別是成果應用與展示子系統和數據管理子系統，并配套開發移動端微信程序，具體見圖2。

（1）成果應用與展示子系統。該子系統主要面向流域與省級防凌決策部門、一線防凌業務人員與科研人員，功能覆蓋災害鏈全過程、全鏈條。系統包含“信息查詢”“凌情動態感知”“凌災預警與動態評估”“應急管理”“智慧決策與分析”五大模塊及若干子功能模塊。

在信息查詢方面包括：凌情信息與歷史凌災數據，水情、工情、氣象數據的查詢與展示，WEBGIS功能，關鍵河段遙感信息數據的查詢與展示等。

在凌情動態感知方面包括：通過數據接口關聯凌情數據倉庫，實現水文監測站網數據對接，動態獲取凌汛期不同階段主要水文站點的水位、流量數據，各主要斷面水溫、冰溫、氣溫、流凌密度、流凌速度、冰厚變化情況，并自動計算重點河段不同時期的槽蓄水增量。通過云端，可實現與移動式凌情監測系統、什四份河段定點式雷達監測設備、視頻測量系統、無人機現場應急監測、手機移動端微信巡查程序的數據協同共享，全面構建多時空尺度、多要素的凌情動態感知體系，為后續精確的動態仿真計算提供扎實有效的數據支撐。

在凌災預警與動態評估方面包括：凌汛洪水風險計算與分析，多方案對比，淹沒過程動態展示，凌汛災害預警，凌災損失快速評估，封開河預報及發展趨勢預測等。

在應急管理方面包括：無人機應急監測，水庫群與分凌區聯合調度與綜合評價，破冰排凌方案管理。

在智慧決策與分析方面包括：調用冰水動力學模型開展凌情計算與推演，并通過三維虛擬現實技術展示凌情演變與發展過程。通過凌災防控方案優選模型，對模擬的防控方案進行交互推演和滾動修正，并通過平臺的防凌會商功能，為防汛決策部門防凌決策提供科學的決策依據。

（2）數據管理子系統。

該子系統包含功能：模型庫的調度運行，模型計算成果審核、上傳、發布，地圖發布與管理，近實時或階段性監測數據的上報管理，平臺數據管理，系統管理。

6 結 語

黃河智慧防凌云平臺建成后，將系統整合黃河凌汛災害防御方面的研究成果，通過凌情視頻監測系統、水文監測站網、移動巡查系統的數據接入，實現黃河凌情動態感知。運用模型標準化封裝技術，集成封開河預報模型、一維河道模型、二維冰水動力學模型、凌災損失評估模型等，構建黃河凌情模型庫，進行多時序、多類型模型間的交互計算，耦合冰水動力學模型與水上水下一體化三維實景河道模型，實現虛擬現實環境下凌汛過程與凌災情景推演預警。系統平臺采用云服務架構，模型上云，數據上云，實現云端共享，并納入黃河流域防汛指揮決策系統進行示范應用，可為黃河流域凌汛災害防御提供有力支撐。

參考文獻：

[1] 孟聞遠，郭穎奎，王璐.黃河冰凌特點及防治措施[J].華北水利水電學院學報，2010，31（6）：27-30.

[2] 郜國明，鄧宇，田治宗，等.黃河冰凌近期研究簡述與展望[J].人民黃河，2019，41（10）：77-81.

[3] 段勇，方慶.黃河防凌會商決策支持系統建設[C]//2018（第六屆）中國水利信息化技術論壇論文集.南京：河海大學，2018：36-39.

[4] 許志輝，張超.黃河凌情遙感監測系統建設思考[J].水利信息化，2017，5（10）：18-21.

[5] 史斐然. 基于云服務的水利仿真計算系統生成平臺接口研究[D].天津：天津大學，2015：15-26.

【責任編輯 許立新】