天津市防汛调度会商平台构建及智能调度技术研究与应用

刘 哲，刘战友，侯亚丽

（天津市水务工程运行调度中心，天津 300072）

天津市地处海河流域最下游，人口密集、城市发 展迅速，由于排水管网建设年代久远、老化失修，排水设施更新与城市发展存在一定差距，暴雨内涝灾害问题突出，给天津市防汛工作带来极大考验[1]。近年来，依托计算机技术和互联网技术的快速发展，天津市建设了防汛调度信息化系统，一定程度上提高了防汛调度指挥的应急反应能力和工作效率，解决了传统防汛工作存在的一些问题[2，3]。但是，现有防汛决策支撑仍大多依赖传统的信息监测，决策手段与新形势下的公众参与、社会化防汛矛盾逐步显现，原有的系统服务功能面对当前防汛新形势、新要求，在数据共享与挖掘、信息准确与及时、智能决策与调度等方面还存在一定差距，防汛调度决策信息化支撑水平及服务能力亟待改善。

防汛调度会商是防汛指挥决策过程中最重要的工作环节，而防汛调度会商平台是整个防汛指挥的中枢，在防汛调度会商决策过程中扮演着重要的角色，需要高效利用信息采集、传输、应用等各种技术，将各类信息全面、及时、精准地呈现，防汛调度会商指挥中心与抗洪抢险现场、积水抢排现场等的视频连线会商决策，为各业务部门集中分析、防汛调度决策提供支撑。

当前，人工智能、大数据、“互联网+”等概念和技术已在金融、电子商务、物流等领域得到了初步应用并取得了一定的成果，智慧化发展是未来社会的发展趋势[4，5]，也是天津防汛未来几年的目标。为将现代技术融入防汛工作，急需将防汛会商流程信息化，建设以人工智能、大数据、“互联网+”等技术为载体的天津市防汛调度会商平台，以逐步提升防汛调度指挥的智能化水平。

1 总体架构与功能设计

天津市防汛调度会商平台的构建是一个复杂、全面、逐步推进的过程，分层次实现“连接共享”“智能分析”和“智慧调度”“精准决策”，借助新环境新技术下的新功能支撑防汛会商工作，逐步提高天津防汛调度会商决策支撑水平和社会化服务水平。

1.1 总体架构

天津市防汛调度会商平台逻辑上由5个层面、四大保障体系、4类服务对象共同构成，其中5个层面包括基础设施层、数据资源层、应用支撑层、应用系统层和用户层；四大保障体系包括标准与规范体系、维护与保障体系、系统安全体系和质量与监控体系；4类服务对象包括决策人员、管理人员、业务人员及系统管理者。平台采用SOA体系架构，总体上采用B/S的多层体系结构进行建设，总体架构设计如图1所示。

图1 天津市防汛调度会商平台总体架构

（1）用户层。天津市防汛调度会商平台用户包括决策人员、管理人员、业务人员及系统管理者，用户通过用户端进行系统登录访问。

（2）应用系统层。应用系统层在应用支撑层和数据库的基础上提供综合分析、气象、雨情、水情、工情、排涝、视频、潮情、水质、山洪、调度和决策等服务。应用系统为工作人员提供服务和应用支持，共同依托于一个统一应用支撑平台。

（3）应用支撑层。应用支撑层主要包括数据交换平台服务和应用服务等内容。数据交换平台服务提供信息注册管理、信息同步管理、平台交换管理等服务。应用服务提供GIS平台、统一身份认证管理等服务。

（4）数据资源层。数据资源层包括数据库维护平台和数据库，数据库有基础数据库、实时水雨情库、空间数据库、业务数据库和业务管理数据库。

（5）基础设施层。基础设施层为各类应用提供基础的软硬件支撑环境，主要由信息监测、通信网络、数据库服务器、数据存储和数据备份等基础设施组成。

1.2 业务功能

天津市防汛调度会商业务流程主要分为以下4个方面。

（1）资料汇总。综合各相关部门防汛信息，将气象、雨情、水情、工情、抢险、物资等防汛资料及信息进行智能化汇总展示，形成智能化汇报界面。

（2）会商决策。优化、智能化分析防汛信息，研判防汛形势，提出决策参谋意见。

（3）组织实施。监督相关管理单位执行防汛决策指令，实时展示决策指令执行结果。

（4）执行反馈。对各单位的执行情况进行反馈汇总，实时掌握防汛动态。

在分析天津市防汛调度会商业务需求基础上，平台功能设计主要包括会商模板定制、会商制作、会商展示、会商管理四大功能模块，功能模块结构如图2所示。会商模板定制主要是在系统中预置不同情景的防汛会商模板，为防汛会商制作提供快速的制作基础数据。会商制作包括会商主题建立，气象、雨情、水情、工情、排涝、视频、潮情、水质、山洪、调度、决策等会商信息抓取，GIS会商专题图制作和会商材料生成模块。会商展示是对气象、雨情、水情、工情、排涝、视频、潮情、水质、山洪、调度、决策等会商信息的集中展示。会商管理提供了会商信息查询、下载和在线显示等功能。

图2 天津市防汛调度会商功能模块结构

2 关键技术研究与应用

2.1 数据共享与应用

2.1.1 多部门数据共享

引入“互联网+”思维模式，将“跨界融合、连接一切”的精神融入防汛工作中[6]。经协调沟通，主要实现四部门的数据共享融合与联合应用，一是将天津市气象部门雷达、云图、雨量等共享数据信息接入天津市防汛调度会商系统数据库，利用气象部门数据开发气象雨情智能分析功能模块，实现实时自动分析和动态演示不同时段的云图、雷达变化，随时跟踪气象部门对天气的预测预报成果，为防汛调度提供气象决策支撑；二是将天津市生态环境部门的河道水库水质自动监测数据接入天津市防汛调度会商系统数据库，开发水质数据智能统计分析模块，以图、表等多种形式在线展示分析河道、水库、湿地水质数据变化，为雨洪资源利用调度提供决策依据，分析研判国考断面水质数据变化趋势，动态修正为生态环境保护措施；三是将中心城区防汛排水部门的实时降雨信息、积水信息、排水泵站调度运行信息接入天津市防汛调度会商系统数据库，开发排涝、积水等防汛排水智能分析应用模块，在GIS地图上以图、表等多种表现形式动态实时展示市区防汛排水实时开车情况和中心城区降雨分布、积水变化以及泵站运行情况，同时智能动态统计分析河道水位、泵站排水变化趋势，为市区防汛排水调度提供决策支持。

通过防汛、水务、气象、生态环境等部门共享数据在防汛调度会商平台上的联合应用，实现防汛、水务、气象、生态环境等多部门数据信息深度共享，极大减少部门之间信息传输环节和时间，节省人力、物力、财力，为防汛调度决策和指令的实施赢得时间，从而提高防汛安全保障率，真正为天津市防汛抗旱做出贡献。

2.1.2 “五维一体”监视分析应用

以往相关系统展示汇报方式多为单一类型数据查询统计分析，缺乏整体性，该系统在数据深度共享整合的基础上，改变了传统的单一类型数据查询方式，实现工程技术参数、工程实时视频、防汛水雨工情信息、工程实时运行状态、防汛责任人等多元数据“五维一体”立体效果展示。其中，防洪工程“五维一体”主要集成了该工程的视频监控、实时水位、实时流量、实时雨量和实时水质5类信息，城市排水“五维一体”主要集成了易积水片视频监控、实时积水深度、实时降雨、积水排入河道、排水泵站实时开车5类信息，险工险段“五维一体”主要集成了险工险段的实时视频监控、防汛责任人、防汛抢险预案、防汛抢险物资以及险工险段基本信息5类信息，山洪防御“五维一体”主要集成了山洪沟实时视频监控、防汛责任人、群众转移预案、安置责任人以及山洪沟基本信息5类信息，风暴潮防御“五维一体”主要集成了防潮工程实时视频监控、实时潮位、天文潮位、防潮基本信息等。通过防汛工程、城市排水、险工险段、山洪防御、风暴潮防御的“五维一体”展示，及时为防汛会商、形势研判、调度决策提供更直观、高效、便捷、全面的信息数据和决策支撑。

结合“五维一体”数据，优化查询效果，基于一张GIS地图，对雨情、水情、工情、险情等多源信息进行综合展示，将有效信息全息化、多角度呈现给用户，减少系统、模块切换，优化数据展示内容，直观、快捷、高效提供防汛会商所需信息，提升防汛应急决策能力。

2.1.3 “四防”展示应用

天津市地处海河流域最下游，特殊的地理位置决定了其防汛特点，形成了“上防洪水、中防沥涝、下防海潮、北防山洪”的“四防”立体防御格局。防汛调度会商系统根据天津市“四防”要求和特点，开发了“四防”展示汇报功能模块。其中，“上防洪水”主要通过流域上游入境洪水情况、天津市承接情况以及下游防潮闸下泄入海情况3个方面进行展示汇报，“中防沥涝”主要通过中心城区的降雨情况、积水排除情况以及泵站开车情况3个方面进行展示汇报，“下防海潮”主要通过防潮工程、实时潮位以及天文潮位进行展示汇报，“北防山洪”主要通过山洪沟实时情况、涉及村庄转移情况等进行展示汇报。以视频监控、雨情、水情、工情以及预案等形式，实现系统快速、便捷的“四防”汇报。

2.2 智能分析技术研究与应用

基于数值模型分析技术，将其他部门汇集共享的数据与构建的中心城区产汇流模型、排水管网水力模型、河道水动力模型、地面二维淹没演进模型集成嵌入在平台之中，进行模型智能分析与展示，科学提高防汛调度智能分析水平，深度分析、挖掘数据潜能，实现共享数据利用最大化。

2.2.1 综合智能统计分析

综合智能统计分析模块主要是将防汛调度会商所需主要信息进行分类集中统计展示，利用最简便的展示方式、最简短的文字内容，体现最重要的防汛信息，使各类防汛信息特征数据一目了然。按照天津市防汛调度需求，综合智能统计分析功能主要是将防汛实时信息分为雨情、水情、工情、排涝、潮情、水质6类数据进行综合智能统计分析计算并展示。雨情综合智能统计分析主要在显著位置展示不同时间尺度的降雨综合统计数据，集中展示包括三部分：一是年降雨量智能统计分析，并与常年同期或其他任意年份同期进行对比分析；二是汛期降雨量智能统计分析，并与常年同期或其他任意年份同期进行对比分析；三是当前场次或任意时段雨量智能统计分析。水情综合智能统计分析主要包括三部分：一是上游河道入境水量智能统计分析，并与常年同期或其他任意年份同期进行对比分析；二是下游入海河道出境水量智能统计分析，并与常年同期或其他任意年份同期进行对比分析；三是根据当前防汛形势，对重点关注河道水库的水情信息进行智能统计分析。工情综合智能统计分析主要展示实时工情和实时险情的综合统计数据信息。排涝综合智能统计分析主要展示中心城区排水泵站实时开泵统计、积水变化、河道水位等。风暴潮综合智能统计分析主要展示滨海新区沿海实时潮位、重点薄弱环节的视频监控以及天文潮位等信息。水质综合智能统计分析主要展示河道水库的在线实时监测水质数据。预警统计主要是按照不同等级的降雨、水位、流量等预警阈值，在系统提前进行预设，分等级进行统计，将统计结果与预案资料交叉检索设立结构化阈值条件，通过大数据分析触发灾情预警，便于直观、高效判断防汛形势，及时有效应对。

2.2.2 雨情智能统计分析

雨情智能统计分析模块主要是为防汛工作人员提供雨情监控和分析，利用从天津市气象局以及天津市水务局不同管理部门共享到的降雨监测数据，根据防汛调度需求，在空间尺度上分流域、河道、区域，以不同类型统计方式进行分时段智能统计分析，以等值面或等值线的方式在GIS地图上展示，为防汛调度工作人员提供直观、快捷的雨情数据统计分析支撑。按照天津市防汛调度降雨统计规范和使用习惯，提前设定一定的统计原则，自动与上年度同期、常年同期以及任意多年同期的累计降雨进行智能统计对比分析，利用气象部门提供的降雨预测预报分析成果，从时空等不同角度分析研究降雨的变化趋势，服务防汛会商、防汛调度决策。

2.2.3 水情智能统计分析

水情智能统计分析模块主要是为防汛工作人员提供水利工程水情监控和分析，根据实时的调度目标，设定不同的监控对象，将防汛重点闸站水情信息在监控界面醒目部位进行监视，以过程线图和表格方式自动、直观展示分析重点闸站的实时监测数据。设定时间选择窗口，可根据调度人员需求，查询任意时段水情数据。平台总结了以往系统存在问题，将查询不同闸站水情数据过程线的小窗口进行升级改造，集成到1个小窗口进行展示，避免了多个界面窗口叠加，影响展示效果。同时，在该小窗口的查询界面增加了闸坝基本管理信息和闸坝简介，便于调度工作人员查询取用。另外，在该界面保留综合智能统计分析界面防汛调度重点关注的出入境水量统计功能，即上游河道入境和下游出境入海水量智能统计分析，并与常年同期或其他任意年份同期进行对比分析。根据当时防汛形势，对重点关注河道水库的水情信息进行智能统计分析。

2.2.4 工情智能统计分析

工情智能统计分析模块主要是为防汛工作人员提供水利工程数据查询和实时的险工险段分析，平台将全市水利普查的水利工程数据和防汛险工险段信息在地图上进行展示，重点对全市一级河道上险工险段的展示进行了研究开发。全市57个险工险段在GIS图上对应河道位置进行标注，将每个险工险段的抢险预案电子化，全部录入数据库，并以简单明了的表格形式进行展示，主要包括险工险段所在河道位置、抢险责任人、抢险方式、所属险工类型、抢险所需物资及存放地点、周边道路情况等。该平台还将防汛物资仓库地理位置以及物资仓库储存的防汛物资品种、数量录入数据库，同时开发了突发险情录入界面，能够将随时出现的险工险段及时录入系统。通过险情的位置、类型、尺寸，自动计算所需物资数量，根据险情和物资管理分析，智能检索存储所需物资的仓库，根据物资仓库位置和路网分布情况，自动给出每个仓库的物资运输路径和所需时间，防汛工作人员可据此在短时间内提出抢险方案。

2.2.5 排涝智能统计分析

排涝智能统计分析模块主要是为防汛调度工作人员提供市区的实时降雨、实时积水以及泵站开车等的监控和分析，供市区排涝调度会商使用。该模块的实时降雨智能统计分析与雨情智能统计分析模块类似，将市区的降雨智能统计分析直观、快捷在GIS地图上进行展示。实时积水片智能统计分析主要是根据市区易积水片电子水尺自动采集的数据为依托，在模块左侧区域实时展示全市易积水片的积水统计结果，在模块中间区域的GIS地图上实时展示积水区域和积水深度，按等级以不同颜色进行区分，在模块右侧区域以表格形式对积水区域进行统计排序，并实现与GIS地图的互动。同时，模块提供任意泵站实时数据查询，主要包括泵站实时开车情况、积水深度变化曲线和趋势、积水片区相关联的排入河道实时水位情况，实现与任意场次积水情况的对比分析和历史数据还原等功能。

2.2.6 潮情智能统计分析

潮情智能统计分析模块主要是为防汛工作人员提供潮情监控和分析，通过天津市海洋局监测共享的实时潮位信息监控风暴潮发展，供风暴潮防御使用。潮情包括实时潮位、天文潮位、沿海薄弱环节视频监控3类信息。平台统计展示历史大潮情况，并与实时潮情进行对比分析，为风暴潮防御提供服务。

2.2.7 水质智能统计分析

水质智能统计分析模块主要是为防汛工作人员提供河道水库水质实时在线监测数据和分析，利用从天津市生态环境局共享的水质数据实现监控，供水务部门实施雨洪资源利用调度使用，避免“污染搬家”，实现雨洪资源利用最大化。

2.2.8 山洪智能统计分析

山洪智能统计分析模块主要是为防汛工作人员提供山洪沟实时监测数据，利用天津市水务局新建的山洪沟视频监控摄像头，实时监控山洪沟的沟道情况，供防汛工作人员山洪防御使用。该模块主要将与山洪沟防御相关的预案、责任人、转移安置方案以及基本信息集成到一个界面，服务防汛工作人员山洪沟防御。

3 结论及展望

天津市防汛调度会商平台从数据来源、应用技术、展现形式、业务流程、组织角度等方面进行了重新设计与布局，运用人工智能、大数据、“互联网+”等技术分阶段实现“连接共享”“智能分析”和“智慧调度”，提升了天津防汛调度指挥的智能化水平，有效支撑了天津防汛业务工作，为逐步实现天津智慧水务的建设目标构建了新思路。

经过2018、2019年汛期的不断完善与检验，平台建设成效得到了初步验证，数据实现了实时可靠传输，平台能够稳定运行。平台整合的多种来源数据与最新的组织形式，改变了过去的传统会商形式，在会商室就能全面清晰精准掌握汛情实时状况，大大提高了防汛会商的效率和准确性，为确保天津市防汛安全提供了有力支持。今后，将通过进一步的数据完善、智能分析技术改进和防汛工作检验，逐步完善天津市防汛调度会商平台，提升全市防汛调度的智能化水平。