辽宁省防汛指挥调度系统技术研究与实现

李 禄

(辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

1 简述

洪水灾害每年给社会带来巨大生命财产损失，严重妨碍社会发展。采用先进的信息技术为防汛工作提供支撑是现代化防汛的必然途径和必然趋势[1]。2003年6月，国家防总启动“国家防汛抗旱指挥系统”建设，有效推动了该领域的技术发展[2]。本研究不仅是防汛抗旱现代化的标志性工程，也是全省水利信息化建设的“龙头”工程之一，对保证经济社会可持续发展具有重要战略意义[3]。近年来，辽宁省开展了大量防汛非工程措施建设，初见成效。但是，在顶层设计、预报调度、资源整合、数据利用等方面仍存在诸多不足之处[4]。表现在①缺乏顶层设计和总体规划，尚无系统化成果；②重复建设严重，缺乏统一的应用支撑平台，存在信息孤岛；③无法及时准确掌握全省防汛相关各类信息；④洪水预报调度过程繁琐、耗时，预报精度无法保证；⑸各类数据利用效率较低，且存在安全隐患[5]。

2 现状分析

纵观国内外关于防汛指挥系统研究现状与发展趋势，目前国外发达国家的防汛指挥系统建设发展较快，取得了显著效果[6]。但由于世界各地和各级别流域气象、下垫面等专业要素特征及流域、水库管理体制各不相同，因此不同国家的防洪减灾成果不能简单移植[7]。国内省级防汛指挥系统研究多处于起步阶段，全国各地围绕自身实际防汛业务需求，开展了水文遥测系统、防汛值班系统、洪水预报调度系统等一系列防汛子系统建设，但是各子系统相对独立，应用效率不高[8]。在国家“十三五”规划中，对国家防汛抗旱指挥系统工程提出了新的建设任务，包括大数据、云平台、人工智能、移动互联网等[9]。目前，各省及流域管理机构在“国家防汛抗旱指挥系统”项目的基础上，不同程度地建立了自己的防汛业务系统，效果显著[10]。尤其是在国家提出“智慧水利”的大背景下，“智慧防汛”也是整个方案的最重要组成部分，必将把防汛工作再次提升到一个新高度，从而解决更多的实际问题，产生更大的防洪效益[11]。

3 研究内容

主要研究内容包括辽宁省防汛会商平台研发，标准化洪水预报调度模型库建立，综合数据服务及监管平台构建。技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

3.1 辽宁省防汛会商平台研发

基于“互联网+防汛”的设计理念，遵循国家防汛指挥系统“两台一库”的原则，以“一张地图、一个平台、一套框架”为宗旨，研发“辽宁省防汛会商平台”，为全省防汛工作提供“一站式”服务。

(1)制作并发布“辽宁省水利一张图”，涵盖12级图层、23个水利要素，融合自绘图、水利部一张图、外网地图3类图源，为全省水利系统提供统一、标准的多源地图服务。

(2)构建基于一张图的“综合监视子系统”，可及时、准确、直观的掌握全省防汛信息，包括雨情、水情、气象、工情、告警、视频等动态、静态信息，避免信息孤岛。

(3)自主研发具有通用框架的“辽宁省实用洪水预报调度系统”，为省防办、省水文局及14个水文分局、调度中心及省直九大水库提供支撑，实现全省大、中、小型水库及重点各水文站的洪水预报与防洪调度。

(4)研发移动端防汛APP“防汛通”，为各级防汛人员提供方便快捷的汛情查询手段。

(5)采用统一的平台和架构，实现10余项内部系统和外部系统的资源整合，避免重复建设，提高系统运行效率。

系统主界面如图2所示。

图2 系统主界面图

3.2 标准化洪水预报调度模型库建立

构建标准化水文模型库及调度规程库，集成与封装10余项水文预报、调洪演算及分析评价模型，有效提高水库及河道洪水预报精度和预见期。

(1)构建模型服务共享平台，采用统一的标准和协议对模型结构及参数进行管理，可为全省水利专业系统提供统一的模型服务。

(2)采用实时预报、假拟预报、典型预报、组合预报4种方式，实现对水库及河道水文站的产汇流计算，满足不用应用场景需要。

(3)针对中小型水库汇流时间短等特点，建立抗雨能力分析及四象限调洪方法，可简化水库预报流程，提高预报的时效性。

(4)基于龙格库塔法、多目标等算法，采用常量调度、模拟调度、规程调度、优化调度4种调度方式，可快速自动生成调度方案。

(5)采用PA值连续滚动计算、单位线优选、实时校正等多种人机交互方式，以及特征分析、相似分析、方案分析等多种分析方法，构建多功能集合式洪水预报，实现预报方案的逐步优化及预报结果的对比分析。

模型服务共享平台界面如图3所示。

3.3 综合数据服务及监管平台构建

基于国家及水文相关技术标准，以信息技术手段，研发“综合数据服务及监管平台”，重点解决数据上报、数据安全、数据交换、数据服务、数据监管等方面存在的问题，转变数据服务模式，提高数据利用效率。

(1)采用云MAS短信报汛和智能手机报汛两种方式，实现对全省808座小型水库报汛，并与国家标准库整合共享，强化小型水库监管。

(2)针对水文数据安全问题，采用同步并发、双机热备、数据库集群、负载均衡、数据镜像等多种安全保障措施，提高数据存储与访问的安全性。

(3)采用多线程任务调度、执行解析器、Kettle数据抽取、数据同步、网络爬虫等技术，研发数据交换平台，实现数据的汇集、分发与共享，实现3000+数据交换任务量执行时间缩短到1s以内。

(4)以数据和业务为核心，采用统一的标准和建设模式，构建水利API应用市场，转变数据服务模式，对全省提供Web Service数据服务接口。

(5)研发数据审计监管平台，针对API接口提供多种审计规则，提供多种审计规则，实时监控、跟踪全省水文数据流向，保证数据访问的安全性。

监管平台界面如图4所示。

4 研究方法

4.1 辽宁省防汛会商平台研发

(1)遵循国家防汛抗旱指挥系统“两台一库”的基本原则，采用SCA面向服务的技术架构，以“一张地图、一个平台、一套框架”为宗旨，总体框架由7层支撑体系和2大保障体系构成，构建“辽宁省防汛会商平台”，实现了平台统一管理及服务资源化管理。

(2)基于WEBGIS技术，制作并发布“辽宁省水利一张图”，涵盖12级图层、23个水利要素，融合自绘图、水利部一张图、外网地图3类图源，可为本系统及辽宁省其他应用系统提供地图服务。采用抽稀技术，有效解决各类要素显示混乱问题；采用瓦片缓存技术，通过检查返回缓存图片的方式提高地图访问效率。

图3 模型共享平台界面图

图4 数据服务及监管平台界面图

(3)构建基于“一张图”的综合监视子系统，集成雨情、水情、旱情、工情、告警、视频、抢险、灾情等10余项防汛抗旱信息，采用图表、GIS等多种形式，实现各类动态与静态信息的交互查询，将全省防汛信息及时、准确的展现在会商现场。

(4)采用统一、标准的系统建设模式，研发具有通用框架的“辽宁省实用洪水预报调度系统”。充分考虑平台构建的共性和异性，构建一整套通用性强、移植好的系统平台，集成20余项功能模块；

(5)建立降雨、雨强、水库、河道及土壤饱和等多指标告警体系，完成告警指标的制定与等级划分，实现防汛单指标多级告警及多指标综合告警，并结合全省行洪能力及特征水位调查成果，提高告警准确性。

(6)创建防汛会商新模式，构建模式化防汛会商平台，为会商全过程提供信息化支撑，实现防汛会议流程化、模式化、一站式管理，规范会商流程，提高会商效率；采用统一会商形式，实现省、市、县三级防汛会商的资源共享与信息同步，保证防汛会商信息的一致性、及时性与可靠性。

(7)基于WEBGIS技术，对全省所有洪水风险图进行统一管理与综合展示，实现各类专题图的成果查询、动态模拟、灾情统计、避险转移，为防汛会商提供全方位的参考依据。形成由“点(监测站点)、线(洪水预报过程)、面(洪水风险图)”多种要素组成的综合分析，为防汛会商提供全方位的参考依据。

(8)坚持“立新、利旧”的建设原则和“统一、标准”的建设模式，采用“数据访问、单点登录、协议连接、网络爬虫”等多种形式，实现各类内部资源(视频、预案、物资、山洪)及外部资源(气象、国土)的整合与利用，避免重复，形成合力。

(9)基于Android开发框架，研发移动端省级防汛APP，实现全省实时汛情、气象信息、雨情信息、水情信息、工情信息、组织保障、视频监控、等信息的统一管理与查询，便于防汛人员及时、准确的掌握全省汛情。

(10)采用先进的技术框架，平台前端利用Dojo结合ArcGIS API，后端采用极速JavaWeb开发框架JFinal，保障平台高效、稳定运行；在处理高效的缓存管理时，采用AutoLoadCache缓存框架，实现信息自动加载；采用阿里公司的druid开源数据库连接池，解决查询延迟问题；采用Kriging算法，实现降雨等值线自动绘制。

4.2 标准化洪水预报调度模型库建立

(1)采用动态链接库DLL的形式，构建标准化水文模型库。对北方地区被广泛应用的产流模型(新安江、大伙房、辽宁指数、蓄满产流等)、汇流模型(经验单位线、瞬时单位线、滞后演算等)、河道演算模型(马斯京根等)和调洪演算模型进行开发与集成。

(2)构建模型服务共享平台，采用统一的标准和协议对模型结构及参数进行管理，可为全省水利专业系统提供统一的模型服务。

(3)针对不同的应用场景，采用实时预报(实时降雨信息作为降雨输入)、模拟预报(气象预报及假拟降雨作为降雨输入)、典型预报(利用历史典型降雨进行同比例缩放后作为降雨输入，有效解决假拟降雨时空分布不合理问题)3种洪水预报形式，实现产汇流计算。

(4)结合流域特点，针对各控制上游不同的来水组合方式，综合考虑水库放水、支流汇入、区间降雨多种来水方式，实现洪水组合预报。

(5)提供PA值连续滚动计算模块，可自动逐日计算来水量及前期土壤饱和程度，解决传统信息采集方式误差大及人工计算繁琐等问题。

(6)基于最小二乘法开发了单位线优选模块，在汇流计算过程中，可根据暴雨中心、降雨总量、最大降雨、降雨强度等因素自动优选出一条最适合的单位线，有效降低人为误差带来的影响。

(7)将概念性模型与黑箱模型相结合，对洪水预报结果进行实时校正。根据误差的前后时段存在的相关性，构建实时校正模型，利用洪水预报的误差序列对预报结果进行实时校正，可进一步提高洪水预报精度。

(8)基于试算法、龙格库塔法，采用常量调度、模拟调度、规程调度3种调度方式，实现水库调洪演算，满足不同部门的应用需求；建立标准调度规程库，对水库调度规程进行统一管理与维护。

(9)采用特征分析、相似分析、排序分析、方案分析等多种分析方法，满足灾前、灾中、灾后洪水分析的需要，以及对不同降雨级别与调度方案的优选，利用历史经验对未来洪水提供决策依据。

(10)针对中小型水库，结合水库库容小调洪能力有限、集雨面积小、汇流时间短的特点，建立抗雨能力分析方法，并将四象限调洪方法应用到小型水库，显著缩短了预报用时，简化预报流程。

4.3 综合数据服务及监管平台构建

(1)采用云MAS短信报汛和智能手机报汛两种方式实现对全省及大连市小型水库雨水情信息的报汛，强化对小型水库的监管，并将小型水库报汛信息与省水情数据库进行整合，实现全省所有水库雨水情信息全覆盖。

(2)建设专用的涉密网络，采用单向光闸将涉密数据与非涉密数据隔离，将实时数据由水利政务外网向涉密网数据库服务器进行推送，涉密数据只供水情部门使用，以保障涉密数据安全。

(3)将现有单实例SQL Server数据库服务改造为SQL Server双机热备，使数据库服务具备高可用性。采用Oracle RAC技术实现数据库的集群管理及数据库负载均衡，提高数据安全及访问效率。

(4)采用Quertz多线程任务调度及多种执行解析器技术，实现数据的汇集与分发，从源头获取数据，有效解决数据类型多元化问题，实现水库雨量站与水文部门雨量站的资源整合与共享。

(5)采用Kettle数据抽取转换技术，极大的提升了数据抽取转存效率，使3000+数据交换任务执行时间缩短到1s以内，有效解决平台高并发、大任务量调度的问题，保证数据中心与分中心雨水情数据的同步。

(6)在不改变原有水情数据库表结构及数据汇集方式基础上，对“水情信息交换系统”软件进行重新配置，将全省雨水情信息汇集时间由原来的1h缩短到6min，提高数据采集时效性；

(7)采用网络爬虫技术，实现对气象部门发布信息的实时在线获取与存储，包括卫星云图、雷达拼图、降水预报、累积降水、天气分析、台风监测等，可按照自定义方式对各类气象信息进行二次定制与展示。

(8)原有省直水库水情库中只有通过自动遥测的水位信息，缺少入库、出库、蓄水量等其他水情信息。研发入库流量的还原滚动计算模块，结合水库出库流量信息，实现水库入库、出库、蓄水量信息的自动存储。

(9)以数据和业务为核心，研发“数据服务平台”，转变数据服务模式。形成一系列Web Service数据服务接口，采用KEY和IP对访问权限进行控制；在对各项业务梳理的基础上，形成一系列数据服务产品；

(10)研发数据审计监管平台，针对API接口提供多种审计规则，监管数据安全，监控、跟踪数据流向。系统通过图表进行审计结果的图形化展示，可以方便的便于管理者掌握了解数据使用的实际情况。

5 技术指标

(1)为辽宁省防汛工作提供一整套有效的信息化解决方案。

(2)采用统一的应用支撑平台，展示全省各类防汛相关动态、静态信息。

(3)制作发布“辽宁省水利一张图”，涵盖12级图层、23个要素，融合3类图源。

(4)构建“省直水库历史数据库”，涵盖279张表，10余万条数据。

(5)转变数据服务模式，从原来的数据服务向接口服务转变，提高数据访问效率与安全性。

(6)全省2000余个雨量站的数据汇集时间由1h缩短到6min。

6 主要创新点

(1)省直9大水库洪水预报调度方案的制定用时，由原来的3h缩短到20min，提高水库洪水预报及防洪调度效率。

(2)构建了适合北方地区推广应用的标准化水文模型库，集成与封装10余项水文模型及调洪演算模型，有效提高洪水预报精度。

(3)采用云MAS短信报汛和智能手机报汛两种方式，强化对全省600余座小型水库的监管，填补小型水库无报讯空白。

(4)首次实现水文数据与水库数据的共享，并补齐水库水情信息不全的短板；全省2000余个雨量站的数据汇集时间由1h缩短到6min。

7 效益分析

目前，本成果已经实现全省的推广与应用，已成为各级防汛部门不可替代的支撑手段。具体推广情况如下：辽宁省水资源管理集团、省调度中心、省直9座大型水库；省防办、4个市防办(沈阳、丹东、盘锦、辽阳)；省水文局、14个市水文局；省水库管理中心(小型水库)；浑河、太子河、鸭绿江、辽河油田等重点保护区。

成果应用以来，在防御洪旱灾害中发挥了巨大作用。在2005年8月丹东潮位站与2006年8月梨树沟站洪水预报中，预报精度较高；在2010年8月浑河沈阳段防洪中，实现了橡胶坝的科学调度；在2013年“8.16”洪水中，大伙房水库洪水预报精度达到85%，为水库预蓄预泄提供重要依据；在2017年“8.03”及2018年、2019年洪水中，辽宁省防汛指挥系统曾多次在省、市级重点防汛会议中发挥了重要作用，为上级领导指挥决策提供了及时、准确的参考依据。提高了抗洪抢险能力，减少伤亡损失，使防汛抗旱工作从传统工作方式向现代化迈进了一大步，在2019年“利奇马”台风中，本系统为集团防汛工作提供了有效的支撑。同时，该成果的研究与应用促进了水利信息化的发展，提高了行业管理水平，对和谐社会的创建和经济可持续发展起到一定的保障作用。

8 结语

本文紧密围绕国家重大需求，具有针对性强、覆盖面广、内容全面、成果突出、效益巨大等特点。综合展示全省各类防汛信息，为集团防汛指挥提供参考依据。省直9大水库洪水预报调度方案制定用时，由原来h缩短到20min。规范调度中心及省直水库业务流程，提高工作效率，降低运行成本。可为集团及全省提供统一的平台服务、地图服务、数据服务、模型服务。最终形成由“平台、数据、模型”共同组成的服务模式，利用平台汇集资源、利用数据发挥优势、利用模型打造品牌，实现传统防汛到现代化防汛的转变，使得全省防汛决策更加科学精确，提高了抗洪抢险能力。