广东水利防汛智能机器人的功能设计

谢 欢 ，赵凯华，程 冀，郎欣宇

(1.广东省防汛保障与农村中心，广州 510635；2.云河(河南)信息科技有限公司，郑州 450003；3.黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003)

1 概述

广东省特殊的地理气候条件，决定了降水时空分布不均，水旱灾害频发。近年来，省委省政府高度重视防洪抗旱减灾体系建设，防洪抗旱减灾工作取得了巨大成效，但是由于气候变化加剧，极端天气增多，对防洪抗旱安全保障的要求越来越高，由于“智慧水利”建设工作起步较晚，发展时间相对较短，所以广东省水利工作与信息技术的融合程度依旧有待加深[1]。随着人工智能、大数据等信息技术的发展，对水利防汛数据挖掘、分析的需求也越来越强烈。这些先进技术的应用可以帮助广东省更好地了解和掌握水文气象信息，提高防汛决策的准确性和效率。通过利用人工智能和机器学习技术，可以对大量的水利防汛数据进行快速、准确的分析和处理，为防汛决策提供更加科学、可靠的依据。为解决防汛工作强度大、知识范围广、指挥决策难等问题，应用智能机器人，进一步提高防汛值班、会商支撑能力及指挥决策水平，非常必要和迫切。

2 国内外相关系统

国内外有许多典型的防汛系统。Shim等人开发了一个用于多座水库的实时流域的防洪系统，应用于韩国汉江流域，为汉江中下游的防洪工作提供了支持，大大降低了洪水影响[2]；Honghai等人基于ArcGIS开发一个用于综合洪水管理系统，系统通过对美国佐治亚州辛克莱大坝溃坝作为案例研究，为防洪设施设计的决策过程提供了信息支持[3]。

在水利信息化的基础之上，我国各省结合实际情况，陆续开发了各自的防汛抗旱系统[4]，一定程度上促进了防汛抗旱应急指挥的信息化发展，提升了地区救援、指挥能力。方红卫等人将水文学与水力学模型结合起来，对大量数据的分析和挖掘，开发出了提供了二维淹没范围分析的青岛大沽河流域防洪决策支持系统[5]。黄丙湖等人基于ArcGIS Engine嵌入式组件GIS技术开发了济南市城市洪水决策支持系统，为济南市防洪提供科学决策依据[6]。李禄等人研究并开发了集地理信息、综合监视、预报调度以及防汛会商于一体的沈阳市防汛抗旱指挥系统[7]。但是上述系统都是基于电脑端，交互方式侧重于手动操作，人机交互方式不够灵活，智能化水平普遍较低。

机器人技术的发展，为各行各业智能化水平的提升提供了路径。它的发展起源于第二次世界大战后，人员的匮乏以及人口老龄化的加剧，劳动力越来越紧缺，而传统的机器人离不开人的控制，这时人们对机器人的智能化需求不断提高，技术的发展使得机器人变得越来越趋向于智能化。随着人工智能的爆发，各行各业的智能机器人应用也层出不穷。

智能机器人在商业方面的应用最为普遍的就是扫地机器人，扫地机器人运用了信息融合技术和机器视觉技术，能够自动在房间内完成地板清理工作[8]；在军事方面，“三防”侦查机器人在战场上可被用于对核沾染、化学染毒和生物污染进行侦测、识别、标记和取样[9]；在医疗方面可用于疾病诊断，沃森可以通过询问病人的病症、病史，通过使用人工智能技术等，综合从各渠道获取的信息，迅速给出诊断提示和治疗意见。综上所述，目前智能机器人已经广泛应用于商业、军事、医疗等方面，但是还没有在水利行业防汛方面得到深入应用。

3 设计思路

采用能够自主移动、人机交互良好、具备较好定制开发能力的智能机器人产品，使用Android平台操作系统，拥有易用的图形界面、适用于手机及平板电脑等移动设备的控制接口，以及2只拟人化手臂，具有自主行动能力、完备的避障防撞机制等；并基于语音识别、语义分析、大数据等人工智能技术开发语音问答、综合查询、智能预警、智慧分析等功能，可应用在水利防汛工作的多个业务环节。

4 总体架构

防汛机器人基于语音识别、语义分析、大数据等人工智能技术开发构建，具备语音问答、综合查询、预警警示、智慧分析等功能，旨在解决广东省水利防汛工作强度大、知识范围广、指挥决策难等多方面问题。

防汛机器人的总体架构为基于广东省防汛相关的基础数据、水情数据、雨情数据、工情数据、空间数据等多源数据[10]，通过数据服务、地图服务等基础服务，为业务应用提供语音识别、语义分析、大数据等人工智能技术支持。核心功能包括：

1)数据抓取：利用人工智能技术，从各类应用、各个功能或子功能中抓取防汛信息，如水利知识、水库、河道、雨情、图表、文档等，直接、迅速地提供支持。

2)语音交互：以语音交互的形式，为用户提供智能防汛支持。

3)综合查询：开发构建具备雨情、水情、工情、图表文档等信息的综合查询功能，使用户能够快速查询所需信息。

4)智能预警：开发构建具备降雨预警、水库水情预警及警示、水文站水情预警及警示等预警信息的功能，及时向用户发出预警。

5)智能分析：开发构建具备水库水情同期对比、河道水情同期对比、雨洪相似性分析、水位流量分析等统计信息的智能分析功能，帮助用户更好地了解防汛情况(总体架构图如图1所示)。

图1 水利防汛机器人开发总体架构示意

5 机器人设计与功能

5.1 智能机器人基础功能

智能机器人具备自主移动、人机交互良好、具备较好定制开发能力等特点。

具备高精度的导航和运动控制功能，能够在室内多种环境中独立行动，支持语音、文字、视觉等多种交互方式，使得操作人员可以方便地对机器人进行控制和指令下达；具备强大的自定义开发功能，可以针对特定的防汛需求进行软件和硬件的定制化开发，提升机器人的智能水平和应用范围。

另外，能够完成高精度人脸识别功能，具有自主行动能力、完备的避障防撞机制，保障双臂在运动过程中对用户及自身的安全，具备充电器充电功能，拥有360度开口的激光雷达，可以全方位采集、存储、分析、管理数据信息；同时提供开放API，可根据应用场景进行二次开发等。

5.2 定制开发防汛相关功能

以机器人为载体，利用人工智能、大数据、物联网和云计算等信息技术，定制开发服务于广东防汛的相关功能，包含综合查询、预警警示、智慧分析、语音交互等四个功能模块。

5.2.1综合查询功能

综合查询功能包括通过语音问答或触屏交互两种方式，综合考虑实用、安全、标准、易维护、可扩展等要求[11]，基于GIS地图实现对广东省及相关站点水库水情、河道水情、雨情、工情、文档、视频等重要防汛特征指标、历史防汛数据、防汛图表、调度文档等多源数据的综合检索及统计分析等功能。

1)水库水情：水库水情主界面通过地图、列表方式展示水库实时水位、出入库流量等实时信息，可按“流域”和“行政区划”对水库进行筛选查询，通过GIS图、列表可实现水库详情的查询。详情页面包含水雨情过程线、水库特征值、库容曲线、基础信息4个部分。水雨情过程线可查询水库水雨情过程线、实时水位、出入库流量、当前库容；水库特征值可查询汛限水位、死水位等实时及防洪特征数据；库容曲线可以断面图的形式展示水库的汛限水位、设计洪水位、校核洪水位、死水位等水库特征数据及水库对应“行政责任人”、“技术责任人”和“巡查责任人”3个责任人等信息；基础信息可查询水库代码、建设时间、所在行政区、主管单位、所在乡镇、主管责任人等信息。

2)河道水情：河道水情可通过GIS图、列表两种形式对实时水情及历史水情等实测信息进行查询，用户可按“流域”和“行政区划”两个维度对河道进行筛选，点击某一河道可进入河道水情的详情页面。详情页面包含水雨情过程、断面水情、基础信息3个部分。水雨情过程可查询实时水情、历史水情、警戒水位等相关信息；断面水情可以断面图的形式展示河道站的警戒水位、左岸高程、右岸高程等河道特征数据；基础信息可查询河道代码、建设时间、所在行政区、主管单位、所在乡镇、主管责任人等信息。

3)雨情：雨情主界面通过地图、列表方式展示降雨等值面图、展示全省实况降雨图等实时信息，可按“流域”和“行政区划”对雨量站进行筛选查询。可查询实时雨情和累计3 h、6 h、12 h、24 h等时段的雨情统计。在雨情列表中可通过点击搜索框输入“全省最近12 h降雨情况”和语音交互询问“全省最近12 h降雨情况”两种方式对雨情实时数据进行查询。在GIS图层和列表查询中，可选择并点击某个具体站，查看雨量站的具体情况。

4)工情：工情查询可通过地图服务和列表查询展示广东省病险水库、病险水闸、险工险段等工程的分布情况。具备通过地图、列表方式展示、查看广东省病险水库、病险水闸、险工险段的基本信息：工程等级、汛限水位、工程位置等信息。在详情页面可查询统计病险水库、病险水闸、险工险段、库容曲线等工程的相关特征数据。

5)文档：包括水情简报(如图2所示)、水库调度方案、历史洪水资料等文档；可通过语音交互或手动搜索的方式对广东省的水情简报、水库调度方案等文档进行查询、目录预览、在线预览等。

图2 文档预览页面示意

5.2.2预警警示功能

预警警示需要以GIS为信息组织中心，将实测或预报的雨情、水情，以及实时工情(视频监控)有机地结合起来[12]，实现相关区域内降雨、水库及河道水位流量的实时监视、变幅警示及超限告警；按照其相关区域不同的阈值进行计算判断，将降雨预警、水库预警、河道预警、水库警示及河道警示信息结果定时推送到机器人APP应用，并且可以让用户查看近期的预警警示信息。降雨预警、水库预警、河道预警、水库警示及河道警示功能均采用GIS图和列表两种方式对预警警示站点进行综合展示(如图3所示)。

图3 预警警示页面示意

1)降雨预警：该功能是针对广东省各个流域内的雨量站降雨情况进行分等级预报预警，单个雨量站的雨量预警阈值分为4级，分别是蓝色、黄色、橙色和红色。其中按照各个预警级别相应的阈值进行判断雨量站的预警情况。该功能可以展示出各个降雨预警雨量站的降雨信息，并且在GIS地图上展示流域内降雨预警雨量站的基本信息和闪烁的图标，还可以展示降雨雨量站的降雨等值面图。降雨预警信息可以以消息的方式推送到防汛智能机器人端或者以手机短信的方式推送到用户手机。

2)河道预警：该功能是针对广东省各个流域内的河道水文站水情进行预报预警，河道水文站一般情况下是在实时水位超过水文站警戒水位的时候进行预警警示。该功能可以展示出各个河道水文站的水情信息，其中包括河道水文站的实时水位、超警戒水位、超警戒值等信息，并且在GIS地图上展示各个预警水文站的基本信息和闪烁的图标。河道预警信息可以以消息的方式推送到防汛智能机器人端或者以手机短信的方式推送到用户手机。

3)水库预警：该功能是针对广东省各个流域内的水库水情进行预报预警，水库一般情况下是在实时水位超过水库汛限水位的时候进行预警警示。该功能可以展示出各个预警水库的水情信息，其中包括水库实时水位、汛限水位、超过汛限水位等信息，并且在GIS地图上展示各个预警水库的基本信息和闪烁的图标。水库预警信息可以以消息的方式推送到防汛智能机器人端或者可以以手机短信方式推送到用户手机上。

5.2.3智慧分析功能

依据水利防汛业务实际应用需求，定制化开发包括河道水情同期对比、水库水情同期对比、雨洪相似性分析等智慧分析功能。实际功能内容待进一步明确需求，并根据需要分期建设，不断完善。

1)河道水情同期对比：河道水文站、水位站、潮位站的水位、流量是反映河道实时水情的最重要指标。采用数理统计法统计当年与历史不同年份中对比时段内水文站、水位站、潮位站的水位、流量等指标的均值，并以柱状图和表格方式进行展示，同时还可将选定年份与当前年份水位、流量变化过程线进行绘制以对比分析。通过对比分析近期与历史不同年份相同时期的水位、流量指标，可以反映河道水情与历史同期系列相比的丰枯变化情况，可以筛选出水情相似年份，为当前防汛抗旱形势的分析提供支撑，为水库、闸泵等水工程调度方案的制定提供参考。

2)水库水情同期对比：水库的库水位、入库流量、出库流量是反映水库实时水情的最重要指标。采用数理统计法统计当年与历史不同年份中对比时段内水库库水位、入库流量、出库流量等指标的均值，并以柱状图和表格方式进行展示，同时还可将选定年份与当前年份水位、流量变化过程线进行绘制以对比分析。通过对比分析近期与历史不同年份相同时期的库水位、入库流量、出库流量指标，可以反映水库水情与历史同期系列相比的丰枯变化情况，可以筛选出水情相似年份，为水库的当前防汛抗旱形势的分析提供支撑，为水库调度方案的制定提供参考。

3)雨洪相似性分析：暴雨洪水演变过程中的这些规律，往往是以相似性的特征在历史场次洪水资料中重复出现。在防洪调度的各个阶段，有效利用历史上相似场次暴雨洪水的发生、发展和演化信息，研究相似性暴雨洪水的特性并进行快速有效的分析表达，对指导实时洪水的预报和调度具有重要意义。

雨洪相似性分析功能根据实时或预报结果，通过空间分析、指标筛选、情景匹配、机器学习等方法，从庞大的历史过程中查找到最符合当前情况的降雨和洪水过程实例，并将信息推荐给决策者，让决策者在极短的时间内提出科学有效的应对方案。同时还支持任意范围、任意历史过程的相似情景的分析，为防汛决策提供高效的支撑。

5.2.4语音交互功能

梳理水利防汛业务涉及内容，对专业词汇、防汛句式进行分类、提取、整理为能够满足语音识别的知识源，形成语音知识图谱。在语音知识图谱基础上，基于科大讯飞AIUI平台，根据广东省水利防汛业务特点，优化实体、意图、技能构建，实现模糊问、精确答的水利防汛语音智能问答体系(如图4所示)。

图4 语音服务平台总体架构示意

在语音服务平台总体架构的基础上，完成语音控制平台框架及流程的设计与实现，并提供语音唤醒功能，为广东省水利防汛系统的全功能智能问答提供语音服务基础支撑。

在机器人系统内建立知识问答库，知识问答库内可分为：水利通用知识、广东省防汛知识问答。

1)水利通用知识包括常规的水利基本知识，比如：“降雨等级如何划分”、“什么是病险水库”、“什么是特大洪水”等通用水利知识。

2)广东省防汛知识包括广东省特定的防汛知识，比如：“请介绍一下广东省降雨特点”、“什么是龙舟水”、“广东省有多少个中型水库”等广东省防汛知识(如图5所示)。

图5 广东防汛知识查询页面示电

6 结语

广东水利防汛智能机器人是我省水利智慧化发展的一个重要成果，符合新时期新要求下，广东水利规划的发展方向[13]。本文介绍了广东水利防汛智能机器人的功能以及设计的思路。水利防汛机器人以其卓越的智慧性和灵敏的反应能力，在防汛工作中发挥着关键作用，这款机器人可以从管理库中快速抓取数据，并运用先进的人工智能技术进行分析，省去了人工翻阅查找的时间和精力，同时，它的智能算法可以敏锐地发现异常数据，及时发出预警，使相关人员能够迅速采取应对措施，有效预防洪涝灾害，水利防汛机器人的智慧性和灵敏反应能力，大大提高了防汛工作的效率和应对突发事件的能力。目前，该系统已经建设完成综合查询、预警警示等部分功能，运行良好，并在我省防汛工作中投入使用，可以为各地水利智能化提供参考和借鉴。