防汛会商决策服务研究及应用

2011-07-16解建仓罗军刚

水利信息化 2011年5期

赵杰，汪妮，解建仓，罗军刚

（西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048）

0 引言

防汛会商是一个群体决策的过程，通过对洪水的模拟及信息的掌握和分析，有效地发挥群体智能，寻找最优的防洪对策，运用各种防洪减灾措施，防止洪水灾害，避免和减少洪灾损失，它是防汛指挥决策过程中最重要的工作环节[1]。

随着计算机与信息技术的迅速发展，防汛会商决策支持系统的研究也取得了一些成绩，如海委防汛会商系统、长江防洪决策支持系统以及黑龙江省防汛抗旱会商系统等[2-3]，并在实际防汛工作中取得一定成效。但是，由于各级防汛部门业务需求不同，系统在开发时采取的规范与标准不同，使得系统的体系结构和功能差异较大[4]，存在应用局限、低水平重复开发等问题，远远不能满足防汛会商灵活性的需求；而在系统建设及实现过程中，由于管理渠道、投资设备的不同，使防汛会商决策支持系统环境分布异构，存在各种各样可运行的硬件系统平台和系统软件，业务数据存放在异构的环境中，致使系统存在数据分散、系统软件集成差、分布异构等问题。针对上述状况，研究新的防汛会商决策服务模式，即基于 SOA，J2EE 服务体系和规范的综合集成平台，结合网格、中间件、Web Service 等技术，集成防汛会商决策所需要的各类数据、信息、计算资源，为防汛会商提供全面的决策服务信息。

1 综合集成平台总体框架

综合集成平台总体框架如图1 所示，主要由以下 3 部分组成：

1）信息传输层，负责各类防汛数据的采集与传输，对于不同类型的信息，一般可通过人工、自动、外部接入、离线交换等方式进行采集，对各类防汛数据进行采集和传输，通过包括各层级的局域网和与之互连的广域网，统一将各类数据分送到数据库相应的表中。

2）数据资源层，提供基础数据存储与管理，按照防汛业务需求，设置基础（实时水雨情、工情、气象等）、主题、专用、元等信息库，数据库用以存放防汛所需的各类信息。

3）信息集成平台层，由网格资源融合平台、中间件的应用支撑和防汛会商综合集成服务等组成。这 3 个平台共同构成决策服务应用支撑平台，分别提供资源融合、应用支撑和集成服务功能。基于网格的资源融合平台是利用数据、信息及计算等网格实现各种异构数据资源的融合，使得网上用户与其他用户可以进行资源共享、交换与创新，同时提供通用的数据、信息和计算服务；基于中间件支撑的信息协调平台通过对外形成统一的调用接口和访问控制结构，可有效地隔离下层数据与上层应用之间的直接联系，方便系统建立、扩展与业务系统之间的数据共享通道和业务协同关系，形成规范的各类集成应用服务，如 CA 身份认证、消息、工作流引擎、业务流程管理、空间数据引擎、目录、内容管理、报表制作工具、Web 服务引擎、地理信息系统工具等服务；防汛会商综合集成服务平台通过可视化集成平台操作界面，采用知识图按照防汛业务需求，通过应用模型库（包括洪水预报、防洪调度、洪水演进及错峰调度等专业模型及对应的参数估计组件）、防汛应急预案库、知识库（包括以往决策方案、风险分析、成功案例等信息），快速搭建防汛会商决策服务系统。

图1 综合集成平台总体框架

基于综合集成平台的防汛会商决策服务系统是多种非工程防洪措施的信息决策集成系统，它根据各级防汛指挥机构需要，及时准确地监测收集所管区域的雨水工情等信息，进行洪水预报、演进及错峰调度模拟，对洪水发展趋势做出预报，为会商成员提供人机交互洪水过程调节模式，使其对防汛形势做出正确分析。

2 决策服务系统设计

2.1 系统主要功能

1）防汛信息统一管理服务。将防汛决策会商过程中各个环节所需的实时、预报和历史的各类信息进行合理划分与集成处理，为了解当前防汛形势和商讨应急救援对策提供全面的信息。

2）智能预案服务。将传统基于文本的预案经过数字化抽象，并将其进行结构和标准化重组，设计建立预案数据库，在计算机中方便的存贮检索和修改，为抗洪指挥、决策、调度提供基本依据。系统可实现对江河防洪、水库防洪、城镇防洪和山洪灾害等应急预案的数字化管理和使用。

3）洪水过程模拟。基于实时监测的水、雨情等信息，利用洪水预报、水库防洪调度、洪水演进及错峰调度模型方法进行洪水过程模拟。目前，预测洪水到达各断面的时间可精确到 15 min，为准确把握洪水发展趋势并提前做好下游防护措施赢得了时间。模拟洪水演进过程的结果将以表格、图形的形式形象直观地表达出来，并为决策者提供包括自动，人机互动等多种洪水调节方式，对分析洪水过程，形成验证及调整洪水调度方案提供技术支撑。

2.2 主要技术及方法

2.2.1 网格、中间件的信息

防汛会商所涉及的信息存储在不同的计算机或服务器上，造成防汛资源共享困难。为了解决上述问题，利用网格[6-7]将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，组织成 1 台“虚拟的超级计算机”，实现互联网上所有防汛资源的全面连通，达到各类资源 (如存储、计算、数据、信息、软件、通信等资源) 的全面共享。

为了减少防汛会商决策支持系统各类软件重复开发，提高软件通用与复用性，降低系统维护运行和管理的工作量，采用中间件[8]，为复杂的分布式大规模软件集成而产生的新的支撑，实现决策支持系统分布式大规模软件的开发及异构信息的综合集成。

2.2.2 Web Service 的模型组件化

实现水文模型的应用软件有很多，但大多软件设计都是自成体系，把程序中许多非业务方面的事务集中在 1 个程序中，一旦程序的逻辑发生微小的变化，往往要影响到相连的其它各部分的执行，使软件没有很好的通用性。为了提高模型的利用效率，共享相似的计算模型方法，降低软件的重复开发，节省开发成本，可利用组件技术将各个模型拆分成各个独立的组件，来实现模型计算软件的重复利用。

1）包括模型方法和模型参数率定的方法组件化2 部分。在防汛会商中对洪水过程模拟的模型包括洪水预报、水库防洪调度、洪水演进 3 大模型。在进行模型组件化时，根据模型计算过程的组成来定划分组件，并对其设置访问接口，这些独立的组件构成了模型的主要计算过程。对于新的模型计算需求，不必从头修改程序，只需再开发满足要求的组件并加入到模型计算过程中即可。对于洪水预报和洪水演进模型需要进行模型参数率定，参数率定的好坏直接决定模型计算的精度。常用的率定方法有最小二乘法、非线性规划法，以及近几年比较流行的混沌模拟退火法、遗传算法、蚁群算法和免疫克隆选择算法。然而即便是用同一种参数率定方法，在对洪水预报和洪水演进模型进行参数率定时也有差异，因此在进行模型组件开发时要同时考虑模型方法及参数的组件化。

2）组件化实现方法及组件管理。利用 Web Service 技术可将各种模型方法及对应的模型参数率定方法组件化形成各种模型组件包，在互联网上使用 UDDI 统一描述、发现和集成技术将模型组件包注册到 UDDI 中心形成 Web 服务组件库，对于注册的 Web 服务需要专门的 JUDDI 注册中心。为了让不同地域防汛指挥部门的组件使用及开发者方便使用组件库中的组件服务，可将基于 JUDDI 的 Web 服务专业注册中心布置在水利部防汛指挥信息中心，并面向全国所有防汛单位提供各类水文模型组件的注册与发布服务。通过水利电子政务专网，全国各水利部门都可以通过水文模型服务注册中心实现各类水文模型组件的运用、修改、注册与发布。

2.2.3 综合集成平台

综合集成平台是基于 J2EE，SOA 等国际规范与标准[9]，采用网格，中间件，Web Service 等技术构建而成的，实现数据、信息、模型、方法等综合集成。通过知识图组织关联防汛会商过程中所涉及的各类信息，描述防汛应用主题及业务关系，并展开服务组合和工作流程管理；通过知识图和模型组件实现洪水过程模拟；由平台提供丰富的多元信息进行可视化直观表现。通过综合集成平台，构建防汛会商决策服务应用系统，从而实现防汛会商决策所需要的信息、计算、决策等服务。

2.3 决策服务应用模式

以综合集成平台为核心的决策服务应用模式，是面向服务，基于主题，知识图，组件，可视化的综合集成应用模式，该应用模式在平台上实现的过程如下：1）围绕防汛主题，结合日常防汛工作业务分类及会商决策信息需求，构思主知识图，明确防汛所需的数据、信息、计算服务；2）通过可视化操作平台绘制主知识图，并在知识图上概化各项服务，细化服务内容及组成，定制相应的组件及子知识图；3）将各类组件与子、主知识图关联起来，构建防汛会商决策支持服务平台。

3 实例应用

在陕西防汛会商决策过程中采用基于综合集成平台的决策服务模式，按照防汛会商决策服务需求，将决策服务信息分成 6 大类并明确业务分工，运用组件、知识图、数据流等技术，连接所需各类信息，构建陕西省防汛会商决策服务平台，方便会商者快速查询信息详情，为防汛会商带来便捷的决策支持。6 大类决策服务包括：1）实时监测防控，对陕西省各监测站点进行实时水雨工情等检测和预警，预防和控制险情发生，如预警监视，实时水雨情，监测统计分析等。2）预测预报，通过各种预报预测，模型计算手段对洪水的过程进行模拟及错峰分析，降低洪水造成的危害，如天气预报、水文预报、洪水趋势等。3）防汛应急预案，根据防汛工作所涉及的内容及影响区域，生成相应突发事件处置的应急预案，如江河防洪、水库防汛、城镇防洪和山洪灾害等应急预案。4）指挥调度，执行应急预案，统计预案执行效果及防汛应急救援信息，如专业救援，预案执行效果，请求支援信息等。5）防汛保障，提供防汛突发事件处置的应急保障相关信息的服务，如应急资源分布、状态等。6）模拟演练，提供针对防汛突发事件的模拟演练功能，包括演练计划、方案、过程记录、结果评价等。

陕西省防汛会商决策服务平台主界面如图2 所示，防汛会商信息按省防办业务需求被分为 6 大类，各类业务信息下面的方框代表节点，每个节点下面都连有与节点名称对应的 1 个或多个组件或知识图，每个组件可以连接 1 种信息，如文本、图片、视频、音频或 GIS 数据等信息，点击每个组件即可显示组件所连接的信息。知识图由多个组件组成，组件之间的连线代表数据流，通过数据流传递组件中的信息，从而实现对应主题的各种功能。

图2 陕西省防汛会商决策服务平台主界面

陕西省防汛实时监测防控信息界面如图3 所示，包括全省监测预警、实时水雨情查询及监测预警统计分析 3 大部分，通过 GIS 信息表达界面及图形、表格等方式为防汛会商提供全面、直观、实时的河道、水库防汛预警资料，使会商者全面了解当前防汛形势。

洪水演进及错峰调度计算服务界面如图4 所示，图左下方是渭河流域洪水演进及错峰调度模拟总图，图上全面展示了洪水在渭河流域上各干、支流上演进的路径及预报、调度、演进及错峰模型方法的组合运用。图右上方 2 张图是预测洪水从渭河干流林家村断面演进到魏家堡断面洪水流量的表格及图形数据表达，图右下方是冯家山水库进行错峰调度示意图，通过人工调节冯家山水库库水位过程可以动态改变水库出库流量过程，进而影响干流断面洪水过程，避开洪水峰值叠加，减小对下游的危害。

4 结论

基于综合集成平台的防汛会商决策服务系统解决了以往防汛会商决策支持系统数据分散、软件通用与复用性差等问题，提供较为灵活的应用模式，以防汛主题为中心，在主题牵引下，通过知识图和组件组织应用各类复杂的防汛信息，通过平台快速搭建防汛会商决策服务支持系统，将丰富的多元信

息可视化表现、直观应用，方便防汛会商人员进行信息查询、共享及人机互动，为防汛会商提供全面、科学的信息、知识和决策服务，为形成合理、有效的防汛决策方案提供技术支撑。在陕西省防汛会商中，采用此防汛会商决策服务系统大大缩短了防汛信息采集、汇总的时间，方便会商人员全面了解河道、水库等实时水情并及时发出预警指示，明确洪水从渭河上游演进至下游的流量变化过程，采取多种方式对水库进行合理地错峰调度，降低了洪峰叠加的几率，减少洪水造成的损失。