珠三角典型示范区防洪排涝平台框架与功能设计

卢健涛，侯贵兵，薛 娇，李媛媛，陈俊贤

（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510611）

0 引言

珠江三角洲（以下简称珠三角）流域由西江、北江、东江及三角洲诸河复合而成，构成“三江汇流，八口出海”的水系格局，河网区河道纵横交错，水流互相连通，为世界上最复杂的河网区之一。河网密集的珠三角经多年“联围筑闸”形成相对独立的圩区，西北江三角洲已建成景丰、樵桑、中顺、江新、中珠、佛山大堤等联围，初步形成联围抵御围外洪水，围内水库、闸泵等工程防洪排涝的格局。随着珠三角城市群规模不断扩大，围内集中排涝规模越来越大，流域、区域、城镇防洪排涝相互影响且矛盾日益突出。前山河流域中珠联围位于珠三角西江干流磨刀门东岸，上受西江干流洪水威胁，下受台风暴潮袭击，洪涝灾害频繁且成因复杂。珠三角示范区内防洪排涝互相影响，上下游、左右岸防洪排涝矛盾突出，治理需求非常迫切，社会关注度高，《粤港澳大湾区发展规划纲要》中已明确提出“建设和完善澳门、珠海、中山等防洪排涝体系，有效解决城市内涝问题”，解决好前山河流域的防洪排涝问题，是保障粤港澳大湾区国家战略顺利实施的需要，也是充分体现“一国两制”优越性的需要[1]。

近年来，依托信息技术的高速发展，我国防洪排涝信息化建设取得了长足发展，行业内水信息采集、水管理系统的开发应用，在水资源管理、河湖管理、水工程调度与运行等方面不断实践也取得了显著成效[2]。构建集信息挖掘、风险控制、智能调度、决策服务于一体的防洪排涝实时调度智能决策支持平台，成为提升高度城镇化地区洪涝监测预警与应急管理能力的最佳途径。通过融合物联网、大数据、人工智能等先进信息技术与多目标多对象综合调度决策技术，将全面提升防洪排涝信息分析与处理能力，促进调度任务间的协同效用，推动由人主导的经验调度向计算机推送结合人机互动的智慧调度转变，提升高度城镇化地区防洪排涝实时调度管理的现代化、信息化、智能化水平。

为此，基于多源信息快速获取处理平台和云服务框架，采用水文水动力耦合、水工程群联合调度、大数据和人工智能等技术，对珠三角典型示范区前山河流域中珠联围智慧防洪排涝平台（以下简称智慧防洪排涝平台）框架和功能进行设计，以实现预报调度一体化和风险实时动态评估，为珠三角典型示范区防洪排涝实时调度管理提供技术支持。

1 智慧防洪排涝平台需求分析

为提高智慧防洪排涝平台在珠三角典型示范区的洪水预报、洪灾评估精度，以及洪涝灾害应急调度时效性，需深度分析应用平台研发所面临的内在需求。内在需求主要包含以下几个方面：

1）多源数据汇集与融合需求。城市内涝涉及暴雨洪涝立体监测数据及多部门互联互通信息，存在海量、多源、异构、冗余等特点，必须构建基于大数据存储体系的结构化数据和非结构化数据库，同时，进行数据资源目录和多层数据体系建设，初始数据入库，并通过数据融合、同化处理为大数据分析提供数据基础[3]。因此智慧防洪排涝平台必须满足多源数据汇集与融合需求，提高数据的有效性和准确性，为城市内涝决策计算提供支撑。

2）实时调度决策支持需求。通常在研究和解决防洪排涝实时调度问题时，涉及水位、排水量、断面水量等多个调度目标，多采用最优准则和单一目标给出最优方案供决策者参考和采用。但这样的最优方案易于失真，不能反映作为约束条件处理的各目标之间的利益转换关系。由于各目标之间的不可公度性，多目标优化的结果在生成的非劣解集中如何决策又较为复杂，因此需要解决多目标非劣解集的决策优选问题，由单纯追求 1 个目标最优的择优准则，向复杂事物固有的多目标优化满意准则转化，提高实时调度的决策能力。

3）多模型调用与耦合需求。防洪排涝实时调度决策支持平台涉及到多个模型、多种应用。来自不同系统、应用，数据结构类型也不尽相同的多源异构数据，面临着数据格式、结构、粒度、完整性等问题，因此需要结合多模型调用和互操作协调机制，研究智慧防洪排涝平台的数据标准化、调用、批处理、展示等技术问题，建立模型管理系统对模型和数据进行统一管理[4]。

4）联合调度智慧化需求。为保证高度城镇化地区防洪排涝平台保持多年的先进性，需要加强大数据分析、人工智能、物联网等先进技术在城市内涝决策支持系统建设中的应用，提高洪涝信息监测汇集效率，识别城市洪涝实时信息潜在的规律。利用人工智能技术结合水文、市政、运筹学、管理学等多种科学方法，实现防洪排涝决策方案的智能生成，并形成多方案优选的体系，与预报预警有效对接，能够提高应急决策效率，降低应急处置时间；同时，加入专家经验到决策支持系统，并激发专家知识系统进行创造性思维，推动由人主导的经验调度向计算机推送结合人机互动的智慧调度转变。

2 智慧防洪排涝平台总体架构

智慧防洪排涝平台在模型库管理系统和多模型调用与互操作原理的基础上，搭建实时调度决策支持系统总体框架。按照“集中管理、统一服务、灵活配置”的基本原则和设计思想，智慧防洪排涝平台总体架构采用 4 层架构设计，自下而上分别为感知层（智能感知端）、数据层（数据资源库）、支撑层（智慧调度应用支撑平台）、应用层（智慧应用），具体架构如图1 所示。智慧防洪排涝平台的拓扑结构是基于 Web 服务的技术架构，是一种新型的分布式计算模型和协作关系，有利于实现动态、跨组织的资源协同共享，可根据用户的需求，实现分散、独立的 Web 服务的无缝自动组合[5]。

图1 智慧防洪排涝平台总体架构

4 层架构具体分析如下：

1）感知层是智慧防洪排涝平台的基础。感知层利用各种感知设备、技术手段和方法，采集江河湖泊水系、水利工程设施、水利管理活动三大类水利感知对象的要素，状态，事件信息，这些数据和信息分别采用物联传感、导航定位、卫星无人机遥感和音视频采集及内容解析等获取，经过加工处理后，通过骨干网络输送到上层大数据中心，为智能应用和公共服务提供必要的数据和信息支撑[6]。

2）数据层是智慧防洪排涝平台的核心。数据层采用多源数据汇集的方式，基于珠江流域水利大数据中心，主要依托 ETL 和网络爬虫技术，提供专业监测数据库、基础数据库、第三方监测的数据源与本系统的数据进行交换。针对防洪排涝海量多源数据来源分散、存储方式不同等情况，分门别类地制定数据的采集方式和频次，并对采集的数据实行清洗及标准化，采用开源的分布式存储的数据存储系统 MongoDB 进行防洪排涝多源异构数据存储。依据数据库标准与编码规范，结合已经收集到的基础数据，将防洪排涝数据分为基础地理、工程管理、历史和动态监测等数据，并将数据库划分为相应的基础地理（矢量、栅格）、涉水工程管理、历史和动态监测等数据库。

3）支撑层为上层业务应用提供可复用的基础和支撑。支撑层包括以下 2 个支撑平台：

a.防洪排涝实时调度应用支撑平台。应用支撑平台主要包括基础支撑组件和决策支持平台：基础支撑组件为各类应用提供二次开发、交互封装、软件运行的组件基础；决策支持平台将各类决策支持方法嵌套进防洪排涝实时调度系统，可以根据决策者的需求，综合运用各类决策支持方法，全方位、多层次地系统认知各个非劣方案的优缺点，进行更科学准确的优选。

b.智慧平台。智慧平台围绕防洪排涝业务需求，开展降雨产流计算、水动力过程计算、水利工程调度模拟、洪涝风险模拟、优化决策等所需的通用模型，以及数据挖掘、机器学习、知识图谱等算法工具建设，通过数据挖掘、知识运用、业务建模、融合分析、规则应用等手段，进行调度决策智能的开发与能力输出，支撑防洪排涝实时调度的智能应用。

4）应用层为智慧防洪排涝平台功能的实现层。应用层建立在服务层的基础之上，依托应用支撑平台环境，实现洪涝精细模拟、预警预报、灾害动态评估和工程实时调度等业务应用功能。智慧防洪排涝平台基于 WebGIS 环境构建，通过调用、组合支撑层各相关组件和访问数据层的数据，实现防洪排涝实时调度的各项功能，最终在 B/S 端进行展示。

3 智慧防洪排涝平台功能设计

在充分利用珠江流域现有防洪调度系统的基础上，针对珠江流域防汛抗旱指挥系统软硬件运行环境条件和洪涝实时调度决策业务等需求，定制侧重于珠三角防洪排涝工程设施的智慧防洪排涝平台，提供珠三角典型示范区综合展示、预警预报、洪涝模拟、风险评估和工程调度等综合功能。

3.1 综合展示

3.1.1 防洪排涝调度一张图

以流域水利一张图、珠三角地区空间数据库为基础，融合河流、重点水库、水闸、泵站、堤防等水利工程及相关监测站点信息，共享叠加气象、水文等部门的业务专题图，建成面向珠三角城市群防洪排涝业务主题的防洪排涝实时调度一张图，全面展示水雨情、台风暴潮等实时监测信息及分析预测数据，整体提升和增强珠三角城市群水安全感知信息服务能力。

3.1.2 信息综合查询

以防洪排涝调度一张图为背景，通过多种不同条件的组合，全面展示与珠三角典型示范区防洪排涝实时调度相关的各类基础数据和专题数据库建设成果，使用户能方便、快捷、全面地，查找掌握气象、水文、工情、灾情等历史和实时信息，并且以统计图表和 GIS 图形等方式展现。支持在移动终端进行综合查询，通过简化查询界面及调整查询结果的展示方式，使用户能够随时随地通过移动终端设备访问系统，查询自己关注的水利信息，为管理和决策提供支持。

3.2 预警预报

3.2.1 实时洪水预报预警

依托防洪排涝调度一张图空间信息集成平台，进行珠三角典型示范区水文、潮汐等常规实况监测信息的可视化与告警。展示珠三角示范区重要控制断面的来水预报，控制目标节点来水量预测及三角洲咸情预报等信息，根据设置的预报预警阈值指标，对超标情况进行预警，按照黄色、橙色、红色3 个等级在控制断面闪烁显示实时洪水预报预警信号，为水工程群联合调度提供判断和决策依据，以提醒防汛抗旱指挥部门进行相应操作。

3.2.2 防洪排涝调度预警

防洪排涝调度预警根据历年水库、闸泵运用特点，按照实测和预报洪水调度提醒进行预警。当珠三角已发生实测洪水，系统实时读取水雨情库，在河道各控制断面水位达到警戒水位时，对应达到启用条件的闸泵闪烁显示黄色或红色预警信号。当预报将有洪水发生时，系统通过预报方案模拟计算后，在预报河道各控制断面水位达到水库、闸泵等工程规划调度水位时，对达到启用条件的闸泵根据12，24 h 内及 24 h 后 3 级调度提醒进行预警，闪烁显示黄色、橙色、红色 3 级预警信号[7]。

3.3 洪涝模拟

3.3.1 水文模拟

根据珠江流域产汇流特性模拟需要，新增定制平原区水文、新安江、TopModel 等水量预测模型。依据实时及预报的雨水情及工情信息，完成自动预报计算，同时对预报结果进行分析、综合，实现珠三角典型示范区的自动、交互、模拟试算等预报，以及河道洪水演进计算，并实现多模型专家交互分析、智能预报校正等功能。

3.3.2 水动力计算

通过采用零维调蓄、一维河网、二维河网、湖泊准三维管网等水动力模型与水文模型进行耦合计算，分析区域分洪对河道、管网水位的影响，以及河道、管网水位变化对城市积水的影响，提高模拟精度和可靠性。

3.4 风险评估

3.4.1 动态展示

利用无人机航测点云数据，借助虚拟地理环境、BIM、三维 GIS 等信息技术，构建典型区域虚拟环境，利用洪水动态时空模拟推演和成灾风险影响评估模型，动态模拟洪峰传播过程，实现洪水三维动态建模与绘制，直观生动地展示洪水淹没过程。

3.4.2 灾损评估

结合淹没区内的社会经济情况，综合分析评估洪水影响程度，包括淹没范围内不同淹没水深区域内的受淹行政区、建设用地、耕地等的面积，以及受影响人口和 GDP 等。在灾害损失评估已有数据基础上，实现平台端流域及区域灾害损失数据快速统计分析及展示。

3.5 工程调度

3.5.1 实时调度

基于水利工程间的拓扑关系，概化水利工程布局，模拟河道各类水利工程在各类来水条件下的蓄放过程。在较小时间尺度下模拟水利工程针对不同来水量时的精细化调度过程，包括闸门的启闭时间和程度，流域内不同的闸门启闭组合等。

3.5.2 优化调度

基于风险评估结果，在满足水力、调度、入流等各种约束条件下，运用优化算法的寻优策略，对比洪涝模拟模型计算出的多组闸泵调度方案的目标函数值，确定各个计算时段内的闸泵群最优启闭组合及开度，使各类水利工程整体的防洪作用和排涝效果达到最优[8]。

3.6 智慧决策

3.6.1 水工程调度规则库建设

收集珠三角典型示范区内水工程调度方案，整理参与防洪排涝调度的水库、河道、涵闸、泵站防洪排涝调度方案。选取不同的洪水场景（历史典型、实时洪水，或降雨径流生成的洪水过程），进行水工程调度方案分析、参数配置，调度目标节点配置，模型计算，生成不同的防洪排涝调度方案成果并将调度方案电子化，使其结构化、程序化、标准化，构建珠三角典型示范区防洪排涝调度规则库。

3.6.2 调度会商决策支持

根据珠三角的洪涝特点，结合流域雨量、水位、流量、调度等实时信息，以数值模拟为基础，构建由水工程、河道、目标调度节点三者组成的动态调洪模型，采用智能算法，实现基于多目标、多调度节点控制的防洪排涝调度方案推送。同时提供人机交互设置参数生成调度方案功能，依据调度规则和专家经验，通过人机交互方式，基于可视化界面操作，设定防洪工程的运用参数，或在自动生成的调度方案基础上，进一步修改水库、闸泵等防洪排涝工程的运用参数，完成调度方案试算，生成 1 个或多个防洪工程调度运用方案。在方案的制定过程中，能够查询防洪调度规则和经验、历史洪水调度实例等信息，推选出最适合的流域防洪排涝联合调度方案，为流域、区域、城镇协同决策提供支持。

4 智慧防洪排涝平台实现路径和流程

基于云平台构建集洪涝精细模拟、预警预报、灾害动态评估和工程实时调度于一体的智慧防洪排涝平台，在珠三角典型区示范应用，提高了示范区洪水预报精度、洪灾评估精度和洪涝灾害应急调度时效性。具体实现路径和流程如下：

1）完成国内外研究现状分析、珠三角典型示范区调研与资料收集整理等工作，开展防洪排涝大数据汇集方法研究，并解决海量数据存储和批处理问题，搭建智慧防洪排涝平台基本框架。

2）完成防洪排涝实时调度大数据汇集方法研究，提出防洪排涝海量多源数据融合与挖掘技术，同时研究解决多个异构模型间的集成应用问题，开始研发智慧防洪排涝平台。

3）完成珠三角典型示范区智慧防洪排涝平台示范应用调研与需求分析，深入研究多源异构数据融合与挖掘通用算法。

4）研发基于云服务的多模型集成技术，构建面向多用户，基于云平台，集信息挖掘、风险控制、智能调控、决策服务于一体的智慧防洪排涝平台，开展珠三角典型示范区平台定制与部署设计。

5）完成防洪排涝海量多源数据汇集与融合研究，成功构建珠三角典型示范区智慧防洪排涝平台，将其纳入珠江流域防汛抗旱指挥系统。

5 结语

珠三角典型示范区智慧防洪排涝平台研究与开发吸收了珠江水利委员会防汛体系现有成果，集成暴雨洪涝天-空-地立体监测与多部门互联互通等信息，运用大数据、云计算、机器学习等技术，不仅实现了对各站点和断面实时水雨情的预警，也通过构建重要节点水文预报、河道管网水动力学等模型，生成了洪水预报方案，实现了预报方案基础上组合调度后的预警功能。基于云服务构建的智慧防洪排涝平台，有效提高了珠三角地区洪灾评估精度和洪涝灾害应急调度的时效性，对推进珠三角防洪排涝实时调度管理工作的现代化与决策科学化，提供了由理论研究到应用落地的实际意义。今后应进一步优化智慧防洪排涝平台的框架结构，提升平台整体的计算运行速度，同时加强流域、城市洪涝一体化预测预报技术的研究，提高城市内涝预报精度和决策效率。