吉安市防汛抗旱决策支持系统优化升级研究

刘 斌

（吉安市防汛抗旱指挥部办公室，江西 吉安 343000）

吉安市防汛抗旱决策支持系统优化升级研究

刘 斌

（吉安市防汛抗旱指挥部办公室，江西 吉安 343000）

当前吉安市的防汛抗旱决策系统已经不能满足现实的防汛抗旱需求，急需对目前系统进行优化升级。系统的优化升级是在完善各类基础信息的基础上，运用模型运算、地理信息系统、人机交互等多种技术，对洪水实时预报、工程抢险方案和防旱措施制定等方面进行优化，并强化数据维护，最终实现防汛抗旱决策的可视化、智慧化。

防汛抗旱；决策支持系统；优化升级；基础数据库，智慧化；人机交互

随着各类防汛抗旱工程体系的逐步完善，信息技术快速发展，可以为防汛抗旱决策系统提供更多更好的信息源及更新的技术手段，为防汛抗旱决策留足提前量。根据目前实际情况，江西省吉安市的防汛决策支持系统已远不能完成当前防汛抗旱所要求完成的任务，完全有必要最大限度利用现有力量对防汛决策支持系统进行完善和升级。

1 吉安市防汛抗旱决策支持系统存在的问题

吉安市位于江西省中部，赣江中游，属山地丘陵区，地势东、南、西三面环山，南高北低。境内河网密布，赣江吉安段主河道长 270 km，约占赣江总长的 2/3，流域面积大于 10 km2的河流 695 条，其中 100 km2以上河流 73 条，1 000 km2以上河流 8 条。吉安市汛期在每年的 4—9月，4—6月，受南北气流交汇影响，形成准静止锋面雨，全市平均降雨量可达 682 mm，约占全年降雨总量一半以上，易引发较大范围洪涝灾害；7—9月，强降雨天气多由台风入侵造成，强度大，历时短，范围小，易引发山洪地质灾害。历年来，洪涝灾害给吉安市国民经济和人民生活造成巨大的损失。据统计，2013—2015年洪涝灾害共造成全市直接经济损失 18.52 亿元，约占这3年自然灾害总损失的 65%，财政总收入的 3.3%。由此可见，做好防汛工作特别是防汛信息化工作，是保障吉安市经济健康发展和民生持续改善的重要基础。

吉安市防汛抗旱决策系统主要板块有雨水情、气象、山洪灾害、防洪工程、GIS 信息、系统管理、告警信息等。在多年的使用过程中，从用户体验角度，有以下几点已经不能很好地适应当下防汛抗旱的高要求：

1）信息数据管理大多采用简单的电子文档加人工管理的方式，使用户对区内所具有的防汛抗旱能力难以做出准确判断，例如，在防洪工程子栏目中只是简单的表格罗列和查询，没有将工程所影响的社会因素等加以考虑，没有针对性。

2）地理信息系统（GIS）具有的空间数据处理与分析功能没有很好地被应用到决策支持中，目前只限于信息查询和显示等简单应用，例如，目前系统涉及到 GIS 的只有水雨情的预警，针对各水利工程的分布和更新没有体现，各抢险公路网也不会显示，对淹没水深、范围等的智能化运算也没有应用。

3）决策支持系统中利用数据库和人机交互进行有机组合、辅助决策的功能没有实现。

2 吉安市防汛抗旱决策系统完善和升级的建设目标

针对吉安市防汛抗旱决策系统存在的问题，升级建设目标如下：不断补充和完善各类防汛相关数据信息，依据调度、洪水淹没分型等基础模型及数学工具对数据进行深度挖掘和智能分析，并基于GIS 对实时数据和决策结果实现可视化展示和智能查询，实现险灾情分析与评估、预测预报，提供实时、智能的技术支撑，提供全过程的智慧化防汛抗旱[1]。吉安市防汛抗旱系统主要分为信息采集、形势分析、智慧化决策等 3 个层次，结构如图 1 所示。

图 1 吉安市防汛抗旱系统需完善结构

3 吉安市防汛决策系统完善和升级的主要内容

3.1 完善各类防汛相关基础信息数据库

3.1.1 工情信息数据库的完善

工情信息数据库主要包含全市各圩堤、大型及重点中型水库、大中型灌区及灌溉水利工程、大型取水泵站等的数据及 CAD 图形的管理信息数据。

1）圩堤工程。圩堤工程应完善防汛责任人及联系方式、各类特征水位、险工险段位置及险情类型、穿堤建筑物进出口高程及过流能力等方面的数据信息；CAD 图形信息包括圩堤各典型断面尺寸、穿堤建筑物结构等信息。

2）水库（水电站）工程。水库工程应完善防汛责任人及联系方式、历次除险加固内容、各类特征水位、泄洪（输水）能力（包括电站的发电流量、灌溉引水渠道高程及流量等）、泄水闸门工作曲线（表格）、库容曲线（表格）等方面的数据信息；CAD 图形信息包括大坝横断面图、水工建筑物布置图、溢洪道结构图（包括闸门）、重点部位的地质剖面图等。

3）各大中型灌区及灌溉水利工程。此类灌区和灌溉水利工程数据信息主要补充名称、灌溉水源介绍、农作物分布、灌溉保障率和流量、水利用系数，以及灌溉提水泵站的安装高程、扬程、流量等信息；CAD 图形信息包括灌区渠道（管道）的平面布置图等。

4）各大型取水泵站工程。主要包括用水单位名称及联系方式、取水口高程、典型工况下的取水量等。

3.1.2 社会经济信息数据库的完善

社会经济信息数据库包括圩堤保护、水库（水电站）影响范围内的社会经济状况，以及下游不同下泄流量的淹没范围、河道安全泄量、防汛抢险及抗旱力量分布、可能用于防汛抢险的道路桥梁、当年农作物分布等的数据及基于 GIS 系统的可视化管理。

1）圩堤保护和水库影响范围内的社会经济状况。社会经济状况数据主要补充人口及耕地数量、重要的城镇及建筑物情况、河道安全泄量等信息；可视化管理包括在三维地图上显示不同重现期洪水情况下保护（影响）范围分布，人员转移路线及可安置区域，耕地及建筑物高程等信息。

2）防汛抢险力量（抗旱力量）分布。主要补充各级抢险队伍分布及人数，各类抢险物资位置、种类、数量、管理责任人，抢险重型机械的数量及所有人联系方式，抗旱设备（打井、提灌设备）的位置、数量等信息；智能可视化管理包括可能用于防汛抢险的道路桥涵荷载等级、防汛抗旱物资设备分布位置及数量的动态更新等信息。

3）当年农作物分布及需水定额。应结合农业部门数据进行智能可视化管理，并结合未来天气状况等因素实现不同时期的水源可供给水量及农作物需水量智能计算。

3.1.3 历史大洪水信息数据库的完善

历史大洪水信息数据库主要完善洪水来时的气象及雨情、洪水过程、调度及工程运用、受灾情况及历次洪水的水雨情等方面的信息，为洪水模拟和趋势预测提供信息支持。通过模型运用此类数据信息，为相似的防洪调度、抗洪抢险提供相关的数据信息和知识，为决策人员描述一个典型洪水调度、抢险救灾事件决策的整个过程，同时便于经过调整从而具体化生成一个具体事件的决策方案。

3.2 实现人机交互的洪水预报系统的开发

决策支持系统是一个人机交互系统，决策过程必须通过决策者和计算机系统反复交互实现。以洪水预报功能为例[2]，要求洪水预报能把计算机快速准确的逻辑计算和大容量数据存储能力同人的创造性、随机应变能力融为一体。开发步骤如下：

1）洪水预报系统要依托历史洪水数据和各类水利、水文计算模型。各流域典型洪水发生时的气象情况是基本相似的，因此历史洪水数据可供实时预报参考。还需要应用多种产汇流、洪水淹没分析模型，率定模型参数，实时调用流域参数、定量的降雨预报、上游断面洪水预报等数据，做出预报断面的洪水预报，分析预报江河的洪水形势。由于决策者做决策时会受到许多随机且不确定的主客观因素影响，而各类模型的联合运用可减小这些因素的干扰，采用各种专业模型和经验算法是十分必要的。

2）洪水预报需要通过智能人机交互完成对各方面决策信息的整合。任何预报模型都只是水文规律的概括，不能完全反映复杂的流域水文现象，且模型率定得出的参数是一个各种洪水的平均情况。因此系统需要有交互性，由预报人员根据当次暴雨洪水的特性和以往预报经验修正模型状态变量、参数，实现预报过程的交互修正，达到最佳预报效果。

交互式预报允许预报人员根据暴雨洪水特性，实时修正某些模型参数和状态变量。例如，可以根据降雨的时空分布和前期降雨情况，实时修正流域汇流单位线或前期土壤含水量、产流参数。在交互修正过程中，系统要以文本和图形方式提供足够的实时、历史背景作为参考信息，包括历史洪水模拟情况和方案使用说明等。参数修正后，调用预报模型重新计算，多次调整后得到最终结果。

3）预报计算完成后，将预报、实测水位流量绘图并列表显示。同时，将洪水演进成果在三维 GIS系统平台上应用仿真环境演示洪水演进过程及淹没范围。

3.3 实现防洪调度及工程抢险方案智能化确定

防洪调度及工程抢险方案均具有较强的经验性，需要建立以调度和抢险等预案库为大数据基础的人机交互实时方案生成系统[3]。

1）防洪调度方案的生成。包括预案库的建立和实时调度方案生成 2 个方面。预案库建立是在雨、水、工情不确定的情况下，依据对其可能发展的预测或历史洪水，按照规定的调度规则、专家知识，通过推理自动生成定性或定量的初期调度方案，实现各种防洪调度方案的后果预断，以及评价出各种可能的雨水情变化对汛情、灾情的影响。

实时调度是根据实时雨、水、工情和较为准确的洪水预报，在预案库的基础上，输入相关的气象水文数据，与预案库进行比对分析，达到一定的相似度后，专家调用相应方案并进行经验判断和实时信息的综合分析，经过反复计算制订出合理方案。针对水库（水电站）断面的洪水预报，应兼顾水库的灌溉、发电效益最大化。同时，对于超过一定量级的洪水，系统还应结合 GIS 系统提供不同防洪调度方案下的灾情评估。防洪调度系统结构如图 2所示。

2）抢险方案的生成[4]。包括预案库及知识库的建立和实时抢险方案生成 2 个方面。预案库的建立以各类险情案例为基础，把案例的内容要素通过适当的方法形式化，转换为系统能够处理的数据结构，以便决策人员在抢险过程中通过特征辨识和匹配，实现案例的检索。案例需要描述一个典型抢险救灾事件决策的整个过程，包括需要引起注意的经验教训，使决策者获得相似情况的抢险救灾策略、方法等；而知识库的建立是基于专家对某一抢险专业知识的透彻理解，通过相应险情类型的检索，供决策者参考，使系统处理问题的范围进一步扩大。

实时抢险方案生成是从预案库中选择一个决策者较满意的方案，然后通过知识库和人机交互，调整预案中不相符的地方并且把预案中的某些抽象信息具体化，把候选预案调整成可以实施的执行方案。对于抢险方案不能有效发挥作用的特殊情况，系统还应对相应后果进行灾情评估。抢险方案生成系统结构如图 3 所示。

图 2 防洪调度系统结构

图 3 抢险方案生成系统结构

3）方案实现的可视化。对各类水库调度方案下的水位变化过程、河道洪水演进、淹没范围、闸坝过水流量等在 GIS 系统上进行可视化，可实现实时、预报、调度计算结果及与历史数据的复合显示[5]。

在选定工程抢险方案后，通过模型计算出抗洪抢险救援中所需的人力、机械和运输工具数量，计算出抢险主要材料的数量、最佳人员、物资调配和最优运输路线[6]（由于防汛抢险道路多为村道，应充分考虑道路桥梁的荷载），以及预测抗洪抢险的完成时间等。在计算方法的选择上遵循简单实用的原则，重点在于计算的快捷和结果的准确。还要运用各工程的图形资料，对工程出险位置及抢险部位结构进行图形显示。

4 吉安市抗旱决策系统完善

旱情主要在于防，建立基于多年和当前降雨量、各主要河道水位、当前土壤墒情、各大中型水库蓄水量、农作物及其他用水单位分布，以及不同时期需水量、中长期天气预报、旱情等级划分标准等资料，建立旱情评价模型。模型能将各类水利工程抗旱能力进行综合分析，对主要水库蓄水量、江河水位进行预报，并与各用水户不同时期用水量、取水口高程进行对照计算，从而实现旱情的预报和旱情发生后的受旱程度分析，并用不同颜色在地图中标记受旱程度。同时还应对历史受旱地区及不同地区缓解旱情方式进行统计和归类，作为抗旱知识库以便查询，为拟定各种抗早减灾方案提供参考。防旱抗旱措施生成系统结构如图 4 所示。

图 4 防旱抗旱措施生成系统结构

5 吉安市防汛抗旱决策系统的数据维护

水利、国土、气象、统计等部门之间处于信息分割和垄断或者“休眠”状态，系统要有信息的连通和更新，否则系统的建设只是徒劳，造成投资浪费。信息维护应采用更为开放的系统，采取账号授权的模式，方便水利、国土、气象、统计等部门对信息进行及时更新，吉安市防汛抗旱指挥部对更新情况进行考核[7]。

5.1 工程数据和社会经济信息

对各类工程数据及时更新，特别是每年汛前检查出的病险水闸、堤防险工险段、在建涉水工程所存在的度汛问题等，应从其对应的基础信息数据库中分别剥离出来，单独管理。对每年的农作物分布，防汛责任人及联系方式，防汛抗旱物资数量和种类，用水户的用水量，堤防、水库除险加固信息等进行及时更新。

5.2 调度和抢险预案库

预案库的维护主要指预案的建立、添加、修改、更新等，还有对防汛抢险知识的不断更新。方案成果的管理也至关重要，在决策者选定方案后，应存储较为成功且实施后发挥效益大的水工程调度和抢险方案。

6 结语

洪旱灾害具有突发性、严重性及发生环境的复杂性，决定了防汛抗旱决策必然面临难度大、风险高等难题。加大防汛抗旱信息化程度，增加防汛抗旱决策的科技含量，定能对吉安市的防汛抗旱工作大有裨益。防汛抗旱决策支持系统作为当前防汛抗旱工作中重要的一环，其完善与否很大程度上决定了防汛抗旱工作的有效性，在完备的基础数据和先进的数据处理系统共同支撑下，将为今后的防汛抗旱决策与应急指挥提供有力保障。本研究有利于实现防汛抗旱工作的智慧化，减轻基层防汛抗旱工作劳动强度，提升防汛抗旱的工作效率，但未考虑目前数据收集、处理存在的技术难题，也是制约目前数据进一步开发利用的瓶颈，今后应加大对数据收集设施的建设及维护，完善相关制度促进各部门间数据的共享融合。同时，进一步加强大数据整合和分析，充分发掘数据资源潜力，支撑数据的应用及开发。

[1] 宋春. 吉林省防汛抗旱指挥系统建设问题研究[D]. 长春：吉林大学，2004: 23-25.

[2] 余达征，索丽生. 关于防洪调度智能决策支持系统的分析与设计[J]. 水文，1999，19 (2): 18-23.

[3] 邱瑞田，王本德，郭生练，等. 全国水库防洪调度决策支持系统工程[J]. 中国水利，2004 (22): 58-60.

[4] 黄诗峰，李纪人. GIS 支持下的防汛指挥决策支持系统的系统分析与设计[J]. 中国管理科学，2001，9 (6): 73-80.

[5] 魏立飞，文正敏. GIS 在水利现代化中的应用和发展趋势[J]. 中国水运，2006 (11): 94-96.

[6] 邹亮，任爱珠，张新. 基于 GIS 的灾害疏散模拟及救援调度[[J]. 自然灾害学报，2006，15 (6): 141-145.

[7] 翟宜峰，王红梅，闫广文. 黑龙江省防汛会商系统研究与设计[J]. 黑龙江水专学报，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

刘 斌（1991-），男，江西吉安人，本科，从事防汛抗旱工作。