基層智慧防汛決策系統(tǒng)建設(shè)分析

劉帥

關(guān)鍵詞：智慧防汛；5G；智慧決策；調(diào)度指揮

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）14-0082-04

0 引言

水是人類從事生產(chǎn)活動的重要資源，又是自然環(huán)境的重要因素，保障“水安全”能夠維系人與生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展，確保群眾生命財產(chǎn)免受水旱災(zāi)害與水環(huán)境污染等損失，滿足群眾生活宜居生態(tài)環(huán)境優(yōu)美的需要。近年來隨著全球氣候的變化不斷出現(xiàn)極端天氣現(xiàn)象，基層防汛決策能力問題日益突出[1]：一是現(xiàn)有基礎(chǔ)感知不能滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的水利管理需求；二是現(xiàn)有系統(tǒng)決策調(diào)度支持能力滯后，不滿足科學(xué)指揮調(diào)度需求；三是區(qū)域工程群管控支撐能力不足，阻礙規(guī)范化進(jìn)程；四是信息發(fā)布內(nèi)容偏少，公眾服務(wù)能力不足。因此，本文以縣區(qū)水庫、河流防汛工作為例，探索基層智慧防汛決策系統(tǒng)構(gòu)建，項(xiàng)目軟件業(yè)務(wù)模塊可定制化開發(fā)，硬件模塊可自主擴(kuò)展，平臺建設(shè)滿足各種復(fù)雜情況水域需求，為智慧水利的現(xiàn)代化建設(shè)提供參考。

1 總體設(shè)計分析

1.1 系統(tǒng)框架

為實(shí)現(xiàn)防汛智慧決策平臺的建設(shè)，首先需要建立系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)體系、安全運(yùn)行保障體系。系統(tǒng)總體框架設(shè)計如圖1所示，可以劃分為基礎(chǔ)設(shè)施、信息資源中心、智慧支撐、智慧應(yīng)用、智慧感知、智慧媒體六個層面。

運(yùn)行維護(hù)體系：組織建立嚴(yán)密的工程運(yùn)行體系、維護(hù)管理體系和人才培訓(xùn)機(jī)制。嚴(yán)格按照建設(shè)管理相關(guān)規(guī)定，實(shí)施計劃進(jìn)度管理和項(xiàng)目過程控制，保障系統(tǒng)平臺安全穩(wěn)定運(yùn)行。

安全運(yùn)行保障體系：為保障系統(tǒng)正常運(yùn)行，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全、軟件運(yùn)行安全等方面出發(fā)，建立開放、有效、主動防御的安全體系。

基礎(chǔ)設(shè)施：主要由服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)（有線/無線）、存儲設(shè)備等部分組成，提供整個平臺的基礎(chǔ)硬件服務(wù)。

信息資源中心：它是不同類型數(shù)據(jù)的存儲、管理、調(diào)度的核心層，主要包含感知數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫、實(shí)時雨情水情數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫、App數(shù)據(jù)庫等。

智慧支撐層：為應(yīng)用服務(wù)提供統(tǒng)一的支撐平臺，在該平臺上統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)應(yīng)用，主要包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、系統(tǒng)運(yùn)行中間件、報表引擎、GIS引擎等。

智慧水利應(yīng)用：包含用戶使用層面的各種軟件應(yīng)用平臺，主要有智慧感知數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺、監(jiān)控一張圖、視頻綜合分析、水情分析、水情預(yù)報、實(shí)時氣象、臺風(fēng)防御、警情中心、調(diào)度指揮、防汛信息、巡查管理、信息發(fā)布、防汛App等。

智慧感知層：即數(shù)據(jù)的采集層，主要包括河道水位感知、流量感知、視頻感知等站網(wǎng)監(jiān)測，通過物聯(lián)網(wǎng)手段，自動采集識別水位、流量等信息，并結(jié)合人工上報、互聯(lián)網(wǎng)抓取等方式，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供水利數(shù)據(jù)信息。

智慧媒體：電腦、移動終端、指揮中心、戶外屏、VR等多種媒體設(shè)備，滿足不同類型的用戶使用需求。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

1）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為水利信息化提升奠定基礎(chǔ)。以全面支撐“水利工程管理、水資源管理、河湖管理、水旱澇災(zāi)害防御、水文管理、水行政及公共服務(wù)”等業(yè)務(wù)為目標(biāo)，構(gòu)建多級統(tǒng)一的水利智能物聯(lián)網(wǎng)，切合前端采集設(shè)備異構(gòu)性的需求，整合控制設(shè)備資源和基礎(chǔ)感知，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，防止數(shù)據(jù)的丟失、重傳，并結(jié)合Web GIS、水利專業(yè)知識、設(shè)備管理運(yùn)維知識等[2]，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能管護(hù)，以實(shí)現(xiàn)多級水利物聯(lián)設(shè)備的統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)共享、高效運(yùn)維，最終能夠達(dá)到系統(tǒng)可自動切換鏈路、動態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)參數(shù)、通用化的協(xié)議解析、智能巡檢系統(tǒng)健康運(yùn)行狀態(tài)的目標(biāo)。

2）視頻智能分析技術(shù)

視頻的智能分析是以計算機(jī)視覺技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對連續(xù)圖像的加工處理，分析圖像中的特征數(shù)據(jù)，檢測并定位視頻背景中運(yùn)動物體，從而將其分離出來，經(jīng)過數(shù)據(jù)的篩選和過濾，有效分析目標(biāo)數(shù)據(jù)，當(dāng)達(dá)到符合用戶設(shè)定規(guī)則的事件時，系統(tǒng)自動發(fā)出報警并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，使普通監(jiān)控系統(tǒng)具備了人工智能的計算機(jī)視覺能力。

視頻的智能分析是利用特定的算法對視頻里每幀的每一個像素進(jìn)行自動運(yùn)算，使監(jiān)控系統(tǒng)具有自動檢測和分析能力，將監(jiān)控系統(tǒng)從“事后取證”升級到“自動預(yù)警-報警”級別，可滿足水利行業(yè)的場景需要，也滿足各廠家設(shè)備的接入，同時可以與各種監(jiān)控平臺進(jìn)行二次對接。將成熟的智能視頻分析技術(shù)應(yīng)用在水利行業(yè)，從而提升水利行業(yè)監(jiān)管的智能化水平[3]。

3）AI人工智能技術(shù)

結(jié)合AI智能語音交互、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，基于水利專業(yè)知識圖譜，構(gòu)建語音助手，對水利常用語音指令進(jìn)行識別與執(zhí)行，在指揮決策、業(yè)務(wù)管理等場景中，實(shí)現(xiàn)各類水利專題信息的模糊檢索、智能查詢，為移動應(yīng)用增加聽覺輸出功能，實(shí)現(xiàn)視聽覺的雙重交互，有效提高管理效率，降低專業(yè)知識門檻，創(chuàng)新管理手段。

4）微服務(wù)架構(gòu)技術(shù)

微服務(wù)技術(shù)是相對于單體開發(fā)而言的，它將智慧防汛決策系統(tǒng)中復(fù)雜的功能拆分為多個獨(dú)立功能的個體服務(wù)，每個個體獨(dú)立測試、部署、升級、發(fā)布，微服務(wù)之間不會相互干擾，方便版本迭代、功能擴(kuò)展、技術(shù)升級。

2 系統(tǒng)建設(shè)分析

2.1 智慧感知建設(shè)分析

360度視頻一體監(jiān)測站是智慧防汛決策系統(tǒng)的智慧感知終端系統(tǒng)，為防汛決策、水庫工程管理提供準(zhǔn)確、及時、可靠的基礎(chǔ)信息服務(wù)[4]。它主要包括雷達(dá)水位計、360度球機(jī)攝像頭、智能感知終端、無線硬盤刻錄機(jī)、供電系統(tǒng)、太陽能電池板、一體化支架等組成。監(jiān)測站點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

智能感知終端自動按照規(guī)定頻率采集雷達(dá)水位計感知的水位數(shù)據(jù)后，終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理封裝后通過GPRS無線傳輸信道將數(shù)據(jù)發(fā)送到信息中心，由數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、解析、入庫。

360球機(jī)視頻攝像頭采用有線方式連接無線硬盤刻錄機(jī)，無線硬盤刻錄機(jī)通過5G無線網(wǎng)絡(luò)建立與信息中心的信息通道。視頻攝像頭直接連接信息中心的視頻管理軟件，可以接收定時采集圖像指令、攝像頭上下左右360度方向調(diào)整及焦距調(diào)整等指令。球機(jī)不僅可以實(shí)時監(jiān)控水尺刻度，還可以設(shè)置自動輪巡檢測水面的安全情況（人員溺水、大壩決堤等）。

站點(diǎn)功能如下：

1）采用智能遙測終端，可采集多種參量，如：水位、站點(diǎn)電壓等，并具有控制功能。

2）雷達(dá)水位計傳感器的天線以波束的形式發(fā)射電磁波信號，信號傳播速度V固定不變，發(fā)射波在被測水域表面產(chǎn)生反射，天線接收反射回來的回波信號并記錄時間T。通過超聲采樣的方法對發(fā)射及反射波束中的每一點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用智能處理器對信號進(jìn)行處理后得出探頭與水面之間的距離S。

3）智能遙測終端記錄由雷達(dá)水位計安裝的高程H，減去水位計到水面的距離S，計算出水位高程L，按照水文傳輸規(guī)約封裝成報文，發(fā)送到信息中心。

4）視頻攝像頭通過有線連接無線硬盤刻錄機(jī)建立的網(wǎng)絡(luò)通道，向信息中心定時發(fā)送采集的圖像信息。

5）在需要的實(shí)時視頻的情況下，視頻攝像頭將實(shí)時影像多媒體數(shù)據(jù)流通過無線路由器建立的網(wǎng)絡(luò)通道實(shí)時傳輸?shù)叫畔⒅行摹?/p>

6）智慧感知數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺通過視頻管理軟件，可以直接定時采集視頻設(shè)備的影像信息，實(shí)現(xiàn)定時定向采集圖像、定時按需錄制視頻等功能。數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺利用圖像識別技術(shù)，對圖像中的水尺讀數(shù)進(jìn)行識別解譯，生成水位數(shù)據(jù)。

7）防雷接地電阻小于10歐姆，并加裝電源避雷器，防止雷擊。

該檢測站點(diǎn)的水位檢測精確度達(dá)到毫米級，巡視機(jī)制靈活，便于實(shí)現(xiàn)信息中心對水位遙測數(shù)據(jù)、視頻、圖像等數(shù)據(jù)的接收及水面安全巡查的有關(guān)控制，適合建設(shè)于水庫大壩、主干道河流區(qū)域，動態(tài)檢測水量以及水安全問題。

2.2 數(shù)據(jù)中心建設(shè)分析

數(shù)據(jù)中心是應(yīng)用系統(tǒng)的信息支撐平臺，用于存儲和管理各應(yīng)用系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心各數(shù)據(jù)庫在遵循國家、水利部頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)庫設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實(shí)際需要可定制化建設(shè)[5]：

感知數(shù)據(jù)庫：主要用于存儲和管理遙測站上報的原始報文、解析記錄、解析結(jié)果、業(yè)務(wù)計算結(jié)果、網(wǎng)絡(luò)抓取的臺風(fēng)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波圖、氣象數(shù)據(jù)等信息。

標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時雨水情數(shù)據(jù)庫：以《實(shí)時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識符標(biāo)準(zhǔn)》（SL-2011）為基礎(chǔ)，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際需要，建設(shè)測站基本信息、水位、流量等相關(guān)的水情信息表[6]。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫：用于存儲和管理本項(xiàng)目中實(shí)時監(jiān)控、水情專題分析、圍堰巡查等水利業(yè)務(wù)有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，包含為應(yīng)用提供服務(wù)的中間計算成果、人工填報數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

多媒體數(shù)據(jù)庫：用于存儲和管理圖像、視頻、文件等多媒體信息。

App應(yīng)用數(shù)據(jù)庫：App服務(wù)應(yīng)運(yùn)行在DMZ區(qū)，因此需要單獨(dú)配置數(shù)據(jù)庫，支撐移動App的運(yùn)行。

本項(xiàng)目為滿足以上數(shù)據(jù)庫交互的需求搭建4臺服務(wù)器支撐，數(shù)據(jù)中心設(shè)備部署如圖3所示。

視頻服務(wù)器：用于部署視頻管理軟件，對視頻終端進(jìn)行管理、視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行管理等。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：用于部署應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

應(yīng)用服務(wù)器：用于部署防汛智慧決策系統(tǒng)。

移動App 服務(wù)器：用于部署移動App 的服務(wù)端程序。

2.3 智慧防汛決策平臺功能分析

智能感知數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺：平臺通過視頻檢測站實(shí)時接收、解析、存儲、推送數(shù)據(jù)，一是利用數(shù)字圖像處理獲取視頻圖像中的水尺讀數(shù)，將多媒體中的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，生成水尺水位數(shù)據(jù)并存儲入庫；二是直接調(diào)取視頻檢查站雷達(dá)水位計計算出的水量數(shù)據(jù)并存儲。同時從上級管理單位數(shù)據(jù)庫中同步有關(guān)的雨量實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)、河道水位監(jiān)測數(shù)據(jù)、水庫水位監(jiān)測數(shù)據(jù)等，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后存儲入庫。通過互聯(lián)網(wǎng)匯聚網(wǎng)絡(luò)的雨量預(yù)報數(shù)據(jù)、臺風(fēng)數(shù)據(jù)、氣象臺發(fā)布的云圖、雷達(dá)回波圖等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)的交換。

防汛一張圖：基于GIS空間地圖，以地形圖、影像圖為底圖，疊加政區(qū)、水系圖，以降雨、河道水情、水庫工情、臺風(fēng)等監(jiān)測為主要監(jiān)控要素，通過感知數(shù)據(jù)與預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，實(shí)時發(fā)現(xiàn)水災(zāi)害風(fēng)險，突出展現(xiàn)正在發(fā)生警情的站點(diǎn)。系統(tǒng)引入AI語音識別技術(shù)，能夠根據(jù)用戶的語音輸入，實(shí)現(xiàn)地圖導(dǎo)航、站點(diǎn)定位搜索等功能。

視頻綜合分析：它是影響防汛決策工作的重要因素，平臺將各個站點(diǎn)的視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)流接入，可以采用多種宮格的形式展示各類視頻終端圖像畫面，通過遠(yuǎn)程指令對球機(jī)監(jiān)測站的攝像頭進(jìn)行360度全方位調(diào)整，達(dá)到多角度觀測水庫水情、大壩安全等多目標(biāo)監(jiān)控。視頻綜合服務(wù)器通過樣本訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)各個視頻監(jiān)測站對水尺畫面中水尺讀數(shù)的識別，達(dá)到視頻監(jiān)測站自動生成水庫水位信息的目的。

水情分析：用于滿足日常的防汛查詢、報表工作需要，實(shí)現(xiàn)對降雨、河道水情、水庫水情等各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的專業(yè)分析，包括實(shí)時雨情、雨量過程分析、雨強(qiáng)統(tǒng)計、水位多媒體查詢、河道實(shí)時水情、水情均值、水情極值、水位流量過程線、河道大斷面、水位流量關(guān)系曲線、上下游流量合成、水庫水情統(tǒng)計等功能。

水情預(yù)報：利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)河道斷面的洪水預(yù)報、水庫納雨量預(yù)報等服務(wù)。

警情中心：對接當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)預(yù)警系統(tǒng)，展示上級、本單位發(fā)布的有關(guān)警情信息。

氣象動態(tài)：實(shí)現(xiàn)對云圖、雷達(dá)回波圖的圖像管理、動態(tài)播放，掌握區(qū)域的氣象動態(tài)。實(shí)現(xiàn)對氣象臺發(fā)布的降雨網(wǎng)格數(shù)據(jù)展示、降雨量計算等。

臺風(fēng)防御：對實(shí)時臺風(fēng)路徑信息、強(qiáng)度信息的空間展示、路徑跟蹤、相似臺風(fēng)分析。

會商調(diào)度：通過對防汛預(yù)案、專家?guī)?、知識庫、決策模型庫、防汛指揮情景庫、歷史調(diào)度指揮庫的管理，實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮的基礎(chǔ)服務(wù)功能。結(jié)合實(shí)時監(jiān)控、視頻監(jiān)控等場景，利用標(biāo)繪功能等實(shí)現(xiàn)多終端異地聯(lián)合會商，對會商結(jié)果進(jìn)行記錄管理。對會商調(diào)度指揮決策結(jié)果進(jìn)行發(fā)布，指導(dǎo)工作人員處置險情。

防汛材料：根據(jù)防汛工作的實(shí)際需要，生成防汛有關(guān)的日報、水情簡報等報表，能夠?qū)С龀蒞ord或Excel格式文件。

巡檢管理：實(shí)現(xiàn)巡檢任務(wù)的制定、發(fā)布、執(zhí)行管理，能夠?qū)ρ矙z工作進(jìn)行考核，對巡檢工作的各項(xiàng)進(jìn)程進(jìn)行統(tǒng)計分析，全面了解巡檢工作的開展情況。

防汛信息管理：主要實(shí)現(xiàn)測站基本信息的管理、河道斷面數(shù)據(jù)管理、閘門基本信息管理、水位流量關(guān)系曲線、人工報送水情數(shù)據(jù)管理等。

防汛App：與Web系統(tǒng)相融合，實(shí)現(xiàn)對雨情、河道水情的實(shí)時信息查詢、統(tǒng)計、趨勢分析等，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星云圖、雷達(dá)拼圖、氣象預(yù)報等信息的查詢、展示，實(shí)現(xiàn)視頻站點(diǎn)的在線集成查看，實(shí)現(xiàn)對水庫工程巡檢的填報、巡查、維護(hù)工作考核等。

3 成效分析

3.1 增強(qiáng)防汛指揮服務(wù)能力

系統(tǒng)建成后，有效利用智慧感知站點(diǎn)實(shí)時采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過智慧防汛決策平臺大數(shù)據(jù)分析形成防汛信息預(yù)警，同時巡查員在第一現(xiàn)場使用手機(jī)終端與指揮中心平臺建立連接協(xié)同辦公，實(shí)現(xiàn)多級會商決策，實(shí)時調(diào)度指揮開展防汛工作，極大解決了傳統(tǒng)會商指揮調(diào)度效率慢的問題。

3.2 提高水利行業(yè)管理水平

智慧防汛決策系統(tǒng)的建設(shè)不僅是保障工程安全、防汛安全的重要保證，還是獲得高質(zhì)量防汛管理綜合信息的重要渠道。系統(tǒng)采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，通過實(shí)時監(jiān)控平臺、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)的整合、共享[7]，構(gòu)建一體化的業(yè)務(wù)協(xié)同平臺，大大提高信息共享的實(shí)時性和一致性，使水利業(yè)務(wù)工作高效、有序開展，可作為水利行業(yè)現(xiàn)代化管理的試點(diǎn)。

3.3 降低運(yùn)維成本投入

系統(tǒng)通過建立流量資源池的方式將每個視頻采集站點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)卡流量共享，采用多種靈活的流量機(jī)制，做到按時按需計費(fèi)，大大降低后期網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本的投入。智慧防汛系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的現(xiàn)場人工巡河方式，視頻會商、遠(yuǎn)程巡查、輿情自動報警等智能化的服務(wù)既提高工作效率，又降低了人工成本的投入，使防汛工作更智能化。

4 結(jié)束語

基層智慧防汛決策系統(tǒng)是在水利信息化、數(shù)字化基礎(chǔ)之上的創(chuàng)新應(yīng)用建設(shè)，利用新一代移動通訊5G 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息化高新技術(shù)，深層開發(fā)和高度整合水利信息化資源，拓展水利信息化的深度和廣度，實(shí)現(xiàn)水利感知、傳輸、應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化，有效地實(shí)現(xiàn)水利信息的數(shù)據(jù)共享，提升基層防汛決策能力，提高水利工程運(yùn)用管理的效率和效能，以水利信息化引領(lǐng)和帶動水利現(xiàn)代化發(fā)展，以水利現(xiàn)代化促進(jìn)水利信息化，以信息化手段解決人員緊缺，系統(tǒng)功能分散，基礎(chǔ)信息采集部分缺失和管理模式不足等四個方面的問題，系統(tǒng)建設(shè)模式可復(fù)制推廣，達(dá)到全面支撐管理單位防汛管理和工程管理等工作的目標(biāo)。