基层智慧防汛决策系统建设分析

刘帅

关键词：智慧防汛；5G；智慧决策；调度指挥

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）14-0082-04

0 引言

水是人类从事生产活动的重要资源，又是自然环境的重要因素，保障“水安全”能够维系人与生态环境健康发展，确保群众生命财产免受水旱灾害与水环境污染等损失，满足群众生活宜居生态环境优美的需要。近年來随着全球气候的变化不断出现极端天气现象，基层防汛决策能力问题日益突出[1]：一是现有基础感知不能满足更高标准的水利管理需求；二是现有系统决策调度支持能力滞后，不满足科学指挥调度需求；三是区域工程群管控支撑能力不足，阻碍规范化进程；四是信息发布内容偏少，公众服务能力不足。因此，本文以县区水库、河流防汛工作为例，探索基层智慧防汛决策系统构建，项目软件业务模块可定制化开发，硬件模块可自主扩展，平台建设满足各种复杂情况水域需求，为智慧水利的现代化建设提供参考。

1 总体设计分析

1.1 系统框架

为实现防汛智慧决策平台的建设，首先需要建立系统运行维护体系、安全运行保障体系。系统总体框架设计如图1所示，可以划分为基础设施、信息资源中心、智慧支撑、智慧应用、智慧感知、智慧媒体六个层面。

运行维护体系：组织建立严密的工程运行体系、维护管理体系和人才培训机制。严格按照建设管理相关规定，实施计划进度管理和项目过程控制，保障系统平台安全稳定运行。

安全运行保障体系：为保障系统正常运行，从系统数据安全、软件运行安全等方面出发，建立开放、有效、主动防御的安全体系。

基础设施：主要由服务器、网络（有线/无线）、存储设备等部分组成，提供整个平台的基础硬件服务。

信息资源中心：它是不同类型数据的存储、管理、调度的核心层，主要包含感知数据库、业务应用数据库、实时雨情水情数据库、多媒体数据库、App数据库等。

智慧支撑层：为应用服务提供统一的支撑平台，在该平台上统一实现各类业务应用，主要包括操作系统、数据库系统、系统运行中间件、报表引擎、GIS引擎等。

智慧水利应用：包含用户使用层面的各种软件应用平台，主要有智慧感知数据统一采集平台、监控一张图、视频综合分析、水情分析、水情预报、实时气象、台风防御、警情中心、调度指挥、防汛信息、巡查管理、信息发布、防汛App等。

智慧感知层：即数据的采集层，主要包括河道水位感知、流量感知、视频感知等站网监测，通过物联网手段，自动采集识别水位、流量等信息，并结合人工上报、互联网抓取等方式，为业务应用提供水利数据信息。

智慧媒体：电脑、移动终端、指挥中心、户外屏、VR等多种媒体设备，满足不同类型的用户使用需求。

1.2 关键技术分析

1）物联网技术

物联网技术为水利信息化提升奠定基础。以全面支撑“水利工程管理、水资源管理、河湖管理、水旱涝灾害防御、水文管理、水行政及公共服务”等业务为目标，构建多级统一的水利智能物联网，切合前端采集设备异构性的需求，整合控制设备资源和基础感知，实现数据的高效传输，防止数据的丢失、重传，并结合Web GIS、水利专业知识、设备管理运维知识等[2]，实现设备的智能管护，以实现多级水利物联设备的统一管理、数据共享、高效运维，最终能够达到系统可自动切换链路、动态调节数据参数、通用化的协议解析、智能巡检系统健康运行状态的目标。

2）视频智能分析技术

视频的智能分析是以计算机视觉技术为基础，通过对连续图像的加工处理，分析图像中的特征数据，检测并定位视频背景中运动物体，从而将其分离出来，经过数据的筛选和过滤，有效分析目标数据，当达到符合用户设定规则的事件时，系统自动发出报警并将数据进行存储，使普通监控系统具备了人工智能的计算机视觉能力。

视频的智能分析是利用特定的算法对视频里每帧的每一个像素进行自动运算，使监控系统具有自动检测和分析能力，将监控系统从“事后取证”升级到“自动预警-报警”级别，可满足水利行业的场景需要，也满足各厂家设备的接入，同时可以与各种监控平台进行二次对接。将成熟的智能视频分析技术应用在水利行业，从而提升水利行业监管的智能化水平[3]。

3）AI人工智能技术

结合AI智能语音交互、机器学习等技术，基于水利专业知识图谱，构建语音助手，对水利常用语音指令进行识别与执行，在指挥决策、业务管理等场景中，实现各类水利专题信息的模糊检索、智能查询，为移动应用增加听觉输出功能，实现视听觉的双重交互，有效提高管理效率，降低专业知识门槛，创新管理手段。

4）微服务架构技术

微服务技术是相对于单体开发而言的，它将智慧防汛决策系统中复杂的功能拆分为多个独立功能的个体服务，每个个体独立测试、部署、升级、发布，微服务之间不会相互干扰，方便版本迭代、功能扩展、技术升级。

2 系统建设分析

2.1 智慧感知建设分析

360度视频一体监测站是智慧防汛决策系统的智慧感知终端系统，为防汛决策、水库工程管理提供准确、及时、可靠的基础信息服务[4]。它主要包括雷达水位计、360度球机摄像头、智能感知终端、无线硬盘刻录机、供电系统、太阳能电池板、一体化支架等组成。监测站点结构如图2所示。

智能感知终端自动按照规定频率采集雷达水位计感知的水位数据后，终端对数据进行处理封装后通过GPRS无线传输信道将数据发送到信息中心，由数据统一采集平台进行数据接收、解析、入库。

360球机视频摄像头采用有线方式连接无线硬盘刻录机，无线硬盘刻录机通过5G无线网络建立与信息中心的信息通道。视频摄像头直接连接信息中心的视频管理软件，可以接收定时采集图像指令、摄像头上下左右360度方向调整及焦距调整等指令。球机不仅可以实时监控水尺刻度，还可以设置自动轮巡检测水面的安全情况（人员溺水、大坝决堤等）。

站点功能如下：

1）采用智能遥测终端，可采集多种参量，如：水位、站点电压等，并具有控制功能。

2）雷达水位计传感器的天线以波束的形式发射电磁波信号，信号传播速度V固定不变，发射波在被测水域表面产生反射，天线接收反射回来的回波信号并记录时间T。通过超声采样的方法对发射及反射波束中的每一点进行数据采集，利用智能处理器对信号进行处理后得出探头与水面之间的距离S。

3）智能遥测终端记录由雷达水位计安装的高程H，减去水位计到水面的距离S，计算出水位高程L，按照水文传输规约封装成报文，发送到信息中心。

4）视频摄像头通过有线连接无线硬盘刻录机建立的网络通道，向信息中心定时发送采集的图像信息。

5）在需要的实时视频的情况下，视频摄像头将实时影像多媒体数据流通过无线路由器建立的网络通道实时传输到信息中心。

6）智慧感知数据统一采集平台通过视频管理软件，可以直接定时采集视频设备的影像信息，实现定时定向采集图像、定时按需录制视频等功能。数据统一采集平台利用图像识别技术，对图像中的水尺读数进行识别解译，生成水位数据。

7）防雷接地电阻小于10欧姆，并加装电源避雷器，防止雷击。

该检测站点的水位检测精确度达到毫米级，巡视机制灵活，便于实现信息中心对水位遥测数据、视频、图像等数据的接收及水面安全巡查的有关控制，適合建设于水库大坝、主干道河流区域，动态检测水量以及水安全问题。

2.2 数据中心建设分析

数据中心是应用系统的信息支撑平台，用于存储和管理各应用系统所需的数据。数据中心各数据库在遵循国家、水利部颁布的行业标准和地方相关行业数据库设计规范的基础上，结合业务系统的实际需要可定制化建设[5]：

感知数据库：主要用于存储和管理遥测站上报的原始报文、解析记录、解析结果、业务计算结果、网络抓取的台风数据、卫星云图、雷达回波图、气象数据等信息。

标准实时雨水情数据库：以《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》（SL-2011）为基础，结合本项目的实际需要，建设测站基本信息、水位、流量等相关的水情信息表[6]。

业务数据库：用于存储和管理本项目中实时监控、水情专题分析、围堰巡查等水利业务有关的数据信息，包含为应用提供服务的中间计算成果、人工填报数据等内容。

多媒体数据库：用于存储和管理图像、视频、文件等多媒体信息。

App应用数据库：App服务应运行在DMZ区，因此需要单独配置数据库，支撑移动App的运行。

本项目为满足以上数据库交互的需求搭建4台服务器支撑，数据中心设备部署如图3所示。

视频服务器：用于部署视频管理软件，对视频终端进行管理、视频数据进行管理等。

数据库服务器：用于部署应用系统的数据库系统。

应用服务器：用于部署防汛智慧决策系统。

移动App 服务器：用于部署移动App 的服务端程序。

2.3 智慧防汛决策平台功能分析

智能感知数据统一采集平台：平台通过视频检测站实时接收、解析、存储、推送数据，一是利用数字图像处理获取视频图像中的水尺读数，将多媒体中的水文数据进行解译，生成水尺水位数据并存储入库；二是直接调取视频检查站雷达水位计计算出的水量数据并存储。同时从上级管理单位数据库中同步有关的雨量实时监测数据、河道水位监测数据、水库水位监测数据等，对数据进行整理后存储入库。通过互联网汇聚网络的雨量预报数据、台风数据、气象台发布的云图、雷达回波图等数据，实现内外网数据的交换。

防汛一张图：基于GIS空间地图，以地形图、影像图为底图，叠加政区、水系图，以降雨、河道水情、水库工情、台风等监测为主要监控要素，通过感知数据与预警指标数据进行对比，实时发现水灾害风险，突出展现正在发生警情的站点。系统引入AI语音识别技术，能够根据用户的语音输入，实现地图导航、站点定位搜索等功能。

视频综合分析：它是影响防汛决策工作的重要因素，平台将各个站点的视频监测数据流接入，可以采用多种宫格的形式展示各类视频终端图像画面，通过远程指令对球机监测站的摄像头进行360度全方位调整，达到多角度观测水库水情、大坝安全等多目标监控。视频综合服务器通过样本训练，实现各个视频监测站对水尺画面中水尺读数的识别，达到视频监测站自动生成水库水位信息的目的。

水情分析：用于满足日常的防汛查询、报表工作需要，实现对降雨、河道水情、水库水情等各类业务数据的专业分析，包括实时雨情、雨量过程分析、雨强统计、水位多媒体查询、河道实时水情、水情均值、水情极值、水位流量过程线、河道大断面、水位流量关系曲线、上下游流量合成、水库水情统计等功能。

水情预报：利用大数据挖掘技术，实现河道断面的洪水预报、水库纳雨量预报等服务。

警情中心：对接当地有关预警系统，展示上级、本单位发布的有关警情信息。

气象动态：实现对云图、雷达回波图的图像管理、动态播放，掌握区域的气象动态。实现对气象台发布的降雨网格数据展示、降雨量计算等。

台风防御：对实时台风路径信息、强度信息的空间展示、路径跟踪、相似台风分析。

会商调度：通过对防汛预案、专家库、知识库、决策模型库、防汛指挥情景库、历史调度指挥库的管理，实现调度指挥的基础服务功能。结合实时监控、视频监控等场景，利用标绘功能等实现多终端异地联合会商，对会商结果进行记录管理。对会商调度指挥决策结果进行发布，指导工作人员处置险情。

防汛材料：根据防汛工作的实际需要，生成防汛有关的日报、水情简报等报表，能够导出成Word或Excel格式文件。

巡检管理：实现巡检任务的制定、发布、执行管理，能够对巡检工作进行考核，对巡检工作的各项进程进行统计分析，全面了解巡检工作的开展情况。

防汛信息管理：主要实现测站基本信息的管理、河道断面数据管理、闸门基本信息管理、水位流量关系曲线、人工报送水情数据管理等。

防汛App：与Web系统相融合，实现对雨情、河道水情的实时信息查询、统计、趋势分析等，实现卫星云图、雷达拼图、气象预报等信息的查询、展示，实现视频站点的在线集成查看，实现对水库工程巡检的填报、巡查、维护工作考核等。

3 成效分析

3.1 增强防汛指挥服务能力

系统建成后，有效利用智慧感知站点实时采集基础数据，通过智慧防汛决策平台大数据分析形成防汛信息预警，同时巡查员在第一现场使用手机终端与指挥中心平台建立连接协同办公，实现多级会商决策，实时调度指挥开展防汛工作，极大解决了传统会商指挥调度效率慢的问题。

3.2 提高水利行业管理水平

智慧防汛决策系统的建设不仅是保障工程安全、防汛安全的重要保证，还是获得高质量防汛管理综合信息的重要渠道。系统采用先进的物联网、大数据、人工智能等技术，通过实时监控平台、业务管理系统的整合、共享[7]，构建一体化的业务协同平台，大大提高信息共享的实时性和一致性，使水利业务工作高效、有序开展，可作为水利行业现代化管理的试点。

3.3 降低运维成本投入

系统通过建立流量资源池的方式将每个视频采集站点的物联网卡流量共享，采用多种灵活的流量机制，做到按时按需计费，大大降低后期网络运维成本的投入。智慧防汛系统改变传统的现场人工巡河方式，视频会商、远程巡查、舆情自动报警等智能化的服务既提高工作效率，又降低了人工成本的投入，使防汛工作更智能化。

4 结束语

基层智慧防汛决策系统是在水利信息化、数字化基础之上的创新应用建设，利用新一代移动通讯5G 技术、物联网、大数据等信息化高新技术，深层开发和高度整合水利信息化资源，拓展水利信息化的深度和广度，实现水利感知、传输、应用的网络化，有效地实现水利信息的数据共享，提升基层防汛决策能力，提高水利工程运用管理的效率和效能，以水利信息化引領和带动水利现代化发展，以水利现代化促进水利信息化，以信息化手段解决人员紧缺，系统功能分散，基础信息采集部分缺失和管理模式不足等四个方面的问题，系统建设模式可复制推广，达到全面支撑管理单位防汛管理和工程管理等工作的目标。