智慧水利防汛会诊系统设计与实现

黄兰波，张秀峰，黄 凯，杨 阳

(1.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 330029；2.江西武大扬帆科技有限公司，江西 南昌 330029；3.南昌市水利安全监测与预测预警工程技术研究中心，江西 南昌 330029)

2020年6月入汛后，长江中下游的强降雨就进入“车轮战”，短短一个半月时间，前后7轮强降雨轮番来袭。“超警”、“历史同期最高”、“刷新历史极值”，不少地区的河湖水位和降雨量不断创下新高，多条河流水位迅速上涨，江西省面临着自1998年以来最为严峻的防汛形势。7月11日，江西省委书记刘奇在省防指主持召开的全省防汛工作调度会上强调，全省防汛工作已经进入战时状态、关键时候。要始终坚持人民至上、生命至上、全力以赴做好防汛抗洪救灾工作。省防指、省应急厅、水利厅已经启动防汛一级应急响应，要求各有关单位积极做好防汛工作。省、市、县各级党委政府高度重视。省水利厅紧密部署，水利厅先后派出200多名水利专家奔赴鄱阳湖一线支援抗洪救灾工作。

然而传统防汛方式存在一些不足之处：①传统的巡堤查险主要是靠人力，对防汛现场不方便到达的危险区域无法的及时排查险情；②传统方式防汛后方指挥部与现场防汛专家沟通不畅，险情上报、处理情况等信息无法及时同步，后方指挥部不能及时高效的掌握实时险情导致人员、物资调度，决策、制定方案受阻；③传统防汛工作中专家任务繁重，不仅要巡堤查险，处理现场险情，还要在休息时间写文档上报每日防汛工作内容。

针对上述问题，中铁水利水电规划设计集团有限公司充分利用自身“水利专业化+信息化”的技术优势，在汛期期间开发了“智慧水利防汛会诊系统”，并已经成功应用在各级水利主管部门，在防汛抢险中发挥了重大作用。

1 目标与内容

1.1 建设目标

智慧水利防汛会诊系统服务于各级水利主管部门，致力于解决防汛过程中前后方沟通不畅，信息共享不便，前方决策支持不足，后方决策、指挥、统计效率不足等问题。系统将大大加强前后方的联动效率，减轻专家的工作强度，提高专家的工作效率，确保险情早发现、早处置、早化解，确保圩堤安全。为保障水利工程安全度汛提供有力的后台技术支撑。

1.2 建设内容

智慧水利防汛会诊系统具备以下功能:①将江西省主要圩堤资料、实时水雨情、堤防险情、抢险人员及物资储备等数据可视化呈现；②专家们通过系统进行巡堤查险，发现问题可随时向指挥后方按“管涌、流土险情，渗水险情，滑坡(脱坡)险情，风浪险情，崩岸险情，裂缝险情，巡查通道不畅，陷坑险情，漏洞险情，穿堤建筑物险情，漫溢险情，其他”12种险情类型上报险情状况以及处理情况；③对险情现场坐标进行采集，以图片、视频或语音的方式对险情进行描述，将圩堤所有的险情点及时收集、反映在一张图上，对防汛抢险的各类情况做全方位的统计；④对现场不方便到达的危险区域，平台可实现无人机数据实时回传对接，方便防汛专家在后台大屏综合研判险情；⑤如现场遇突发事件，可利用“专家会诊”模块，通过图像或视频连线的方式，高效处理险情；⑥实时了解抢险人员及物资的储备和运行情况，为抢险调配物资提供可靠信息。最终通过平台形成“一键式”工作报告。

2 系统设计

2.1 系统架构

智慧水利防汛会诊系统以物联网技术、数字视频技术、3S技术、计算机网络技术、大数据技术等为依托的具有“水利专业化+信息化”特性的综合性平台。系统总体框架主要包括基础设施层、共享服务层、业务应用层等部分组成。系统架构如图1所示。

图1 系统架构图

(1)基础设施层：主要包括数据感知和采集以及水利基础设施，数据感知和采集主要是用于采集各类数据信息，包括遥感数据、水情、雨情等监测数据，视频图像数据、外部交换数据以及其他统计报送数据等；水利基础设施包括网络通信、计算存储、网络安全保障资源等。

(2)共享服务层：依据国家及水利部有关规范标准体系要求，实现基础数据、业务数据、专题数据、多媒体数据等数据资源的接入、接收与运行、维护、管理，实现数据资源的统一标准、统一接收、统一管理、分布式存储与集中数据发布服务体系，通过资源服务支撑各类业务服务。

(3)业务应用层：应用层是建设的核心部分，结合当前的主流开发技术和防汛实际管理需求，建立智能监视识别、预报、智慧预警、智慧决策、专家管理、险情处理为一体的业务应用软件服务体系，为各级用户提供统一的服务管理、业务应用和信息展示。

2.2 关键技术

2.2.1基于Netty实现高可用消息服务中间件

智慧水利防汛会诊系统使用Netty实现了一套高可用的统一数据消息接收服务架构，用来接收、发送、处理物联网、socket等高并发应用场景的数据。Netty是基于Java NIO的网络应用框架，是一款优秀的高性能网络应用程序框架，具有是异步通信，事件驱动的特点。可用于快速开发可维护的高扩展，高可用的基于网络协议的服务器和客户端。整个框架的层次分为五层：消息客户端、通用层、网络通信层、消息服务器、以及存储介质。每个层次相互独立，同时又相互协作。层次之间提供对应的服务接口调用：消息服务器通过调用消息持久化模块的接口来实现消息的存储与删除；消息接收与投递模块通过使用网络通信模块的接口，来实现底层的通信传输；服务器提供获取与保存订阅关系的接口。

2.2.2基于WebGIS实现多源数据融合的防汛、抢险一体化的一张图

智慧水利防汛会诊系统采用 WebGIS作为应用集成的主要技术手段，搭建了多源数据融合的防汛、抢险一体化综合一张图。一张图整合接入了江西省主要圩堤资料、实时水雨情、堤防险情实时语音、抢险人员队伍分布、物资分布等、人员巡查轨迹、无人机直播、视频会商等数据。使之成为整个系统的综合决策、指挥、调度的门户入口，实现信息共享、实时指挥、支撑决策。

2.3 关键业务流程

防汛专家使用APP系统进行巡堤查险，对险情现场坐标进行采集，以图片、视频或语音的方式对险情进行描述，将圩堤险情点和处理情况及时收集并发送给防汛抗旱指挥部。这些数据会即时反映在一张图上，方便指挥部在后台综合研判险情。对现场不方便到达的危险区域，防汛专家可使用无人机巡堤查险并通过移动APP系统实时传输数据、视频到防汛抗旱指挥部。各级防汛抗旱指挥部也可利用系统中视频连线的功能直接与防汛一线的专家进行视频连线，高效处理险情。在完成了日常巡堤查险任务后，防汛专家们可通过后台管理系统 “一键式”导出工作报告，既提高了专家的工作效率，也降低了工作强度。最终确保防汛工作高标准、高质量、高效率。

3 系统功能实现

智慧水利防汛会诊系统实现包括移动端(APP和小程序)，后台管理系统，GIS一张图三部分。主要功能如下。

3.1 防汛会诊汇总大屏

防汛会诊汇总大屏是为了直观、全面地展示防汛抢险过程中的主要工作内容及重要关注事项。包括险情情况、防汛抢险知识库、视频信息、新闻动态、险情数量以及分类统计、水位监测、雨量监测、防汛巡查、智能巡查、随时拍、签到打卡等以图表形式进行直观的统计并展示。

3.2 GIS一张图

GIS一张图主要包括险情实时播报、险情查询、险情统计、人员布置统计、人员物资分布图、灾后高清影像、视频连线、无人机直播，回放、水雨情实时信息、三维倾斜摄影等功能。

3.3 即时水情

主要实现监测数据和监测预警记录的汇总、整理、可视化展示和查询等应用。主要包括水位、雨量、流量、图像、闸门、视频监测。

3.4 防汛管理

防汛管理主要包括巡查管理、专家巡查、无人机巡查、签到打卡、随手拍、险情管理、专家考勤日历、专家排班、专家防汛物资管理、知识库等功能。

3.5 移动端(APP和小程序)

移动端模块包括主页、工作台、一张图、消息、我的。

(1)主页：综合展示了逐年以及不同工程类型的险情情况统计、防汛工程出现情况统计、险情类型统计、险情数量统计。

(2)工作台：防汛开展防汛工作的主要界面，包括防汛巡查、险情补录、险情审核、专家会诊、专家排班、无人机巡查、工程导航、坐标拾取、物资管理等功能。

(3)一张图:将防汛相关地理数据按基础数据、监测数据、业务数据在一张图上进行综合展示。

(4)消息:系统按照用户画像推送给对应专家的水雨情、现场险情、代办任务等信息、

(5)我的:我的模块包括专家个人上报的险情情况、巡查记录、随手拍记录、专家通讯录等功能。

3.6 其他

包括基础信息、水情管理、系统管理等。基础信息主要包括工程基础信息、专家信息、测站信息、视频信息、无人机信息等功能；水情管理主要包括历史水情数据、水情日、月、年度报表及导出功能；系统管理主要包括系统人员管理、角色管理等功能。

4 结语

2020年防汛期间智慧水利防汛会诊系统累计用户达6000人，同时在线用户超千人，200余名省级专家使用系统巡堤查险。系统有效提高了水利工程防汛抢险效率，但在“主动防汛”、“提前预警”等方面存在不足。下一步将在现有成果的基础上，完善和建设以下内容：①研发基于仿生机器狗的堤防险情巡查装备，研发基于图形、温度场、力学传感变化等多元数据的险情智能识别技术，实现常见险情的自动识别，逐步代替部分传统人工巡堤查险；②利用大数据、人工智能等先进技术，对历史险情数据进行研究分析，争取在“主动防汛”、“提前预警”方面进行突破。