基于物联网技术的突发水污染事件应急决策指挥体系构建

郭 爽，龙 岩，李有明，杨艺琳，龙 策

（1.河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056038；

2.河北工程大学河北省智慧水利重点实验室，河北 邯郸 056038；3.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038；4.天津大学建筑工程学院，天津 300350；5.河北省易县第三小学，河北 保定 074200）

随着经济和社会的迅猛发展，环境污染突发事件也频繁发生。水是人们生活不可缺少的资源，水污染对人类环境的健康可持续发展带来严重威胁[1，2]，同时突发水环境问题引发的群体性事件呈显著上升趋势，引起国外广泛关注[3，4]。我国2014年国务院更新发布的《国家突发环境事件应急预案》，从法规层面对防止突发环境污染事件做出明确规定[5]，对当前形势下如何科学建立突发水污染事件应急决策指挥系统、进行快速高效地应急管理提出了更高要求。

目前国内已有不少学者针对突发水污染事件应急管理进行研究并提出一些有效措施，如，封桂敏[6]以黄河宁夏段为研究对象，模拟丰、枯水期的突发性水污染扩散过程；魏泽彪[7]针对突发水污染事故进行多工况仿真模拟，提出应急调控方案；郭龙[8]针对不同类型污染物，研究不同处置装置下的水力学特性，提出相应处置方案；穆杰[9]基于DPSIR 模型构建了突发水污染事件风险等级评价方法；龙岩[10]开展了闸门调控下污染物输移扩散规律及污染物快速识别的研究；王浩[1]从模拟、评价、预测、调控和处置5个方面建立了突发水污染应急调控与处置技术体系；史斌[5]构建水污染动态预警监测模型并分析了应急处置工程风险的研究。

虽然针对突发水污染应急事件的应急管理，特别是在预警评价、调控处置等方面的研究在最近几年发展迅速，但由于突发污染事件本具有较多不确定性，应急指挥调控管理涉及多方面多部门，在实际工程应用依然存在较多局限，主要包括：①缺乏对突发水污染事件的快速监测种类识别及精确定位的研究；②事故风险等级的评估，缺乏动态评价模型；③缺乏信息快速反馈给相关部门的技术手段；④事故处理后的监控反馈较慢，导致社会危害或影响较大等。因此，急需加强污染物在线实时监测，污染源精准识别定位传输网络，污染物扩散动态监控、风险识别评估，动态预警等相关研究和应急决策指挥体系的建设。

物联网技术是在信息技术迅猛发展的大好形势下应运而生的。我国也将物联网作为战略性的新兴产业予以重点关注和推进[11]。2018年3月5日，李克强总理在“两会”工作报告中再次指出：推动大数据、云计算、物联网广泛应用，加强新一代人工智能研发应用，政府的高度重视突显出整个物联网大产业的活力与潜力[2]。就目前而言，物联网技术在医疗服务领域[12]、环境监测领域[13]、工程安全管理领域[14]等都已经得到快速且广泛的应用[15，16]。根据麦肯锡全球经济研究所预测，到2050 年，物联网技术对全球经济影响估计值在2.7万～6.2 万亿美元[17]。

将物联网技术引入突发水污染事件应急决策指挥体系中，初步融合形成各处应急信息采集点的整体信息处理系统，通过整合感知层各相关方面的信息，在专家知识库和模型技术库的支持下，进行预警预报和应急管理。构建基于物联网技术的突发水污染事件应急决策指挥体系，对于完善和健全我国水环境应急响应系统具有较高的理论意义和实践价值。

1 物联网技术与突发水污染事件概述

1.1 物联网技术

“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，随着智慧地球的概念而提出的。物联网技术的总体架构分为感知层、传输层、应用层，具有全面感知、可靠传送、智能处理等特征。其中，感知层是物联网的核心、信息采集的关键部分，主要包括RFLD、水质水量传感器网络等，将浮标、固定监测台站、移动监测车船、卫星遥感、水下仿生机械人、视频监控等大量的感知节点散布在监测区域内进行监测[15，17]，主要功能体现在：①高效化；②智能化；③互联化[18，19]。

物联网技术（LOT技术）契合了水安全保障的国家重大需求，在我国水利行业已逐步开展广泛的应用实践。蒋云钟等[11]提出基于物联网技术构建国家河湖系连通工程，为实现水质调控自动化、信息化、智能化、业务化的物联网系统提供了理论支撑；马朝[20]从软件和硬件不同角度，探讨了物联网技术在水文监测信息系统中的作用；丁春梅[21]等根据水体产生黑臭现象的机制，选择多种监测指标，构建基于物联网技术的水质自动监测网；而目前针对突发水污染事件的物联网联动应用技术还未见相关研究。

1.2 突发水污染事件

突发水污染事件发生突然，影响水资源有效利用，使经济、社会正常活动受到严重影响，水生态环境受到严重危害，带来不良的社会影响[22]。通常突发水污染事件的发生，前兆不充分、诱因不明确、难以预料，情况紧急且较难控制，处理过程较为复杂，一旦处理不当，危害严重，损失惨重，短时间内很可能造成水源的污染、沿线全面停水等问题，易对社会的生产生活造成巨大的影响与危害[23]。其特征表现为：①形式多样性；②发生突然性；③危害严重性；④处理艰巨性；⑤影响时间长。事发紧急要求短时间内做出及时正确有效的决策，时效性强，如何科学建立快速高效的应急决策指挥体系成为一个亟待解决的问题。

1.3 常规突发水污染应急决策指挥体系

在常规的应急决策指挥体系（如图1 所示）中，通过水质监测数据或人工巡检上报异常情况，对可能导致突发环境事件的信息进行逐级上报。按照事件发生的可能性大小、紧急程度和可能造成的危害程度，对突发环境事件进行评价诊断和预警分级，上级部门审批并通报同级相关部门和单位进行决策，启动应急模式，通过“追踪溯源—快速预测—水质预警—应急调度”后采取有效的处理处置措施。

应急调控指挥体系的服务对象是应急指挥机构，负责事故的接警、应急方案的启动、应急过程的整体统筹和指挥以及后勤保障等任务，由应急指挥决策机构、现场应急处理及后勤保障3个部分组成。事件应急处理期间，各级运行管理部门都有职责参与应急救援，根据各自职能特点和现场应急需要，成立7 个应急专业组，包括水质监测组、调度组、现场处置组、后勤保障组、新闻宣传组、综合信息组、专家组，其职责分别为各自专业相应的相关响应内容[24]。

图1 常规突发水污染应急调控与处置流程[1]

2 基于物联网技术构建突发水污染事件应急指挥体系

从突发水污染事件的特征出发，基于集合应对平台，对相关因素（包括突发水污染事件的主题、信息、过程）进行系统分析，利用知识拓扑图（知识图）、组件按照应急管理业务和流程，逐步实现应急预案的可视化、自动生成功能和应急预案的快速修改与制定，为应急决策及水污染事件处理、各层用户应对提供支持。综合考虑环境、安全、经济等多方面的因素，同时将物联网技术应用在数据收集和处理的任务中，以构建高效、优化的突发水污染事件应急决策指挥体系（六步法）：信息识别—定位追溯—调控管理—信息跟踪—效果定位—后续调控管理，其框架如图2所示。

图2 基于物联网技术的突发水污染事件应急决策指挥体系框架

（1）信息识别。信息识别为应急指挥体系直接提供信息资源的采集和汇总，主要是通过在线智能监测，利用无人机、水下仿生机器人、移动水质监测车（船）等设备从污染事故区获取数据，监测数据包括：污染事件的在线监测、事故区域的形状尺寸和水力条件、发生事故时的气象数据、周围环境及人口分布情况，该层定义为数据层。

（2）定位追溯。定位追踪主要包含分析层和存储层。通过对数据层中的数据进行预处理，然后再结合分析层中的动态评价模型、实时预报模型和综合调度模型，对污染物进行追踪溯源、事件风险等级确定以及污染范围预测；最后结合存储层中的应急决策支持库、应急处置信息库和实时监测数据库提出相应的调控策略。

（3）调控管理。调控管理过程主要包括决策层和应用层。其中，风险识别及评估、调控及处置方案为决策层的内容，主要是对存储层和分析层中的信息资源进行挖掘提取，为信息应用提供基础和依据，寻找最优的调控处置方案。而应用层的主要作用在于将决策层中分析的有效信息进行直观传递，例如把风险等级及调控处置方案，通过可视化技术的人机交互界面展现在计算机显示屏上，给决策指挥部门领导人提供参考；并根据现场反馈信息进行实时更新，给各执行部门下达指令，进行污染事件的应急调控及处置，该层主要内容包括2个方面：决策通知指挥和有效信息传递。

（4）信息跟踪。信息跟踪主要是对数据层中实时监测的调控后的水质情况、经济损失数据及环境破坏数据进行预处理，为下一步的分析提供数据支撑。

（5）效果定位。效果定位主要是通过分析层中调控后的评价模型对跟踪获得的数据进行评价，确定该调控处置方案的效果，为下一步的工作提供信息支撑，是一个信息集成分析评价以及再决策的快速动态联动环节。

（6）后续调控管理。后续调度管理包括决策层（恢复通水和调节闸门）和应用层（决策通知指挥和有效信息传递），该过程主要是对调控后的效果进行分析，以确定是恢复通水还是继续调节闸门，然后将决策层中获取的信息以图像和文字的形式出现在计算机显示屏上，给决策指挥部门领导人提供决策参考。

3 突发水污染事件应急指挥体系的情境模拟

情景模拟是在常规方式的应急指挥体系中，引入物联网技术，以最大程度地提高对险情信息收集处理效率，并加强不同组织部门之间的协调性，同时运用多源信息融合技术及计算机人工智能，实现对事故信息的快速收集、分析处理、信息发布以及信息反馈。①信息收集。通过在线监测设备（包括GPS水质监测传感器，水下机器人等）获取污染事件的基本信息，包括得知事故发生的时间、污染位置、监测的浓度、事故渠道的几何尺寸和水力条件、当时的气象数据、周围环境及人口分布情况。②信息处理分析。对收到的信息进行预处理，然后将信息在线远程传输到服务器，利用实时预测模型确定污染源的位置及总量，然后利用动态评价模型对突发水污染事件的风险程度进行判定，结合已有的应急决策支持数据库和应急处置数据库，迅速提炼出有效的建议措施。③信息发布。结合《国家突发环境事件应急预案》等相关规章规范的要求，进行风险识别划分，例如将污染事件分为特大事故、重大事故、较大事故与一般事故。通过物联网技术将信息有针对性同步地反馈给相关管理部门，并利用可视化技术对事件进行实时跟踪，借助物联网平台可进行在线会商讨论决策。④信息反馈。由有关管理部门在线发布指令进行调控处置，并通过物联网保证继续对处置后的水体、经济、环境的影响进行实时跟踪，利用调控后评价模型进行再次评估，将信息快速反馈给相关部门，最终确定恢复下一步调度方案。

目前，水资源分布的不均匀性和人类社会需水的不均衡性使得长距离输水成为必然。在长距离输水工程中，水质安全是输水工程发挥经济效益和社会效益的重要保障[25]。针对不同种类的污染物进行智能决策并采取应急措施是快速有效处理此类事件的核心和切实需要。选取南水北调中线工程，分别利用常规方式下与优化后的应急指挥体系对突发水污染事件进行情景模拟。

3.1 基于物联网技术的应急决策指挥体系优势

（1）常规方式的应急决策指挥体系，在事故发生时，由地方管理处的监测部门上报，监测手段一般为人工巡检，人工巡检有一定周期，不能在第一时间发现问题，反应时间较长；而基于物联网技术的应急决策指挥体系是地方管理处利用在线监测技术对管理地区的水污染数据进行在线收集，发生突发水事故时负责的地方管理处即可立刻收到通知，第一时间即可传达到负责该区域的南水北调中线的建管分局，再由建管分局传达至建管总局。

（2）常规方式的应急决策指挥体系，在事故发生后，地方管理处需要安排工作人员去确定水事故发生位置，并需测定污染物种类及浓度，过程较复杂；而基于物联网技术的应急决策指挥体系可以通过智能在线监测系统追根溯源确定水事故发生位置，并确定实时污染物数据。

（3）常规方式的应急决策指挥体系，在事故发生后，需要根据人工确定的现场情况由应急决策部门确定应急处理方案，这样确定的方案可能缺乏一定准确度；而基于物联网技术的应急决策指挥体系可以在事故发生时根据污染区域实时数据进行风险分析，确定风险等级并根据系统储存的信息先确定出几套处理方案再由应急决策部门确定处理方案。

（4）常规方式的应急决策指挥体系，在决策指令完成预警解除后，还需要进行数次人工测定处理过后的水事故发生现场的各项指标数据来确定是否可以恢复渠道正常通水；而基于物联网技术的应急决策指挥体系可以随时获取处理过后的各项现场指标数据，及时反馈给上级，并带入系统调控后评价模型来确定是否可以恢复渠道正常通水，更加准确方便快捷。

3.2 情景设置

假设在某日12时30分，南水北调中线总干渠河南到河北段的某公路桥处发生车辆突发交通事故导致车辆翻入调水干渠，车辆所载物质为1 t不可降解物。事故发生时水污染处渠道输水流量为50 m3/s。在应对突发水污染事故时，常规方式的应急决策指挥体系和基于物联网技术的应急决策指挥体系应急流程时间线对比如图3所示。

图3 中线工程突发污染事件情境下常规方式与基于LOT技术的应急决策指挥体系流程对比

3.3 实际影响

（1）对生态环境影响。利用基于物联网技术的应急决策指挥体系应急处理事故相比于常规方式的应急决策指挥体系的前期反应时间明显减小，有效减少污染物扩散面积，减少生态环境污染。

（2）对经济影响。基于LOT 技术的新体系首先减少人工巡检所需费用，其次从事故发生到预警解除相比于传统体系处理时间缩短了半小时，按河北省石家庄市当地居民基本水价为2.9 元/m3计算，渠道输水流量为50 m3/s，可以得出少弃水水量为90 000 m3，可减少直接经济损失约26万元。同时，也可减少对下游绿化和农作物影响造成的经济损失。

（3）对社会影响。突发水事件导致南水北调中线工程主渠道供水地区用水产生问题，水量和水质都会产生影响，影响当地居民和工厂用水安全；同时，还会造成动植物死亡，影响下游农作物生长甚至是产生有毒的农作物，影响当地居民的心理健康。基于LOT技术的新体系的快速反应处理可有效减少污染物扩散的范围，尽快地使渠道恢复正常通水，减小对社会的影响。

4 结论

根据突发水污染事件特点和常规方式应急指挥体系的局限，以当下“智慧水利”为背景，融合物联网技术构建了一套全新高效的应急决策指挥理念体系，该体系具有如下特点：①系统采用风险评价模型，内置应急调控及处置预案，利用先进技术实时在线监测，可科学、准确判断出水污染突发事件的风险等级并给出对应的应急预案；②系统利用物联网技术将采集的监测数据经加工处理后，把有效信息直观展示给决策者以便制定有效的应急方案，同时将应急方案层层传达至直接执行单位，可有效缩短事故反应时间、提高各管理部门协调合作能力，及时制止污染事故的进一步恶化。