基于大數(shù)據(jù)與B/S結(jié)構(gòu)的淮河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)研究及應(yīng)用

趙夢(mèng)杰 胡友兵 王 凱 陳紅雨

（淮河水利委員會(huì)水文局（信息中心） 蚌埠 233001）

1 引言

淮河流域地處我國(guó)南北過渡帶，易發(fā)生受梅雨影響而產(chǎn)生持續(xù)性時(shí)間長(zhǎng)、范圍大、洪水總量大的暴雨洪水，如1954年、1991年、2003年、2007年。自2007年流域大洪水后，已近10年沒有發(fā)生流域性大洪水，而近些年極端天氣頻發(fā)，洪澇造成的損失慘重，淮河流域發(fā)生大洪水的概率也在逐漸增加。隨著水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)于新形勢(shì)下的防洪調(diào)度，加強(qiáng)大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在防汛中的應(yīng)用非常必要，一旦發(fā)生流域性大洪水，防汛部門能夠及時(shí)對(duì)流域的實(shí)時(shí)雨水情、工情信息進(jìn)行分析，這對(duì)于流域的防汛調(diào)度與社會(huì)穩(wěn)定意義重大?？v觀國(guó)內(nèi)防洪調(diào)度系統(tǒng)的研究及應(yīng)用，很多專家學(xué)者在這方面做了很多探索與實(shí)踐，王鵬生等進(jìn)行了B/S模式的長(zhǎng)江流域防洪調(diào)度WebGIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，趙旭升等構(gòu)建了B/S模式的珠江防洪調(diào)度系統(tǒng)，彭勇等基于Web Service構(gòu)建了豐滿水庫防洪調(diào)度系統(tǒng)，王洪等進(jìn)行了防洪決策支持系統(tǒng)調(diào)度體系自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)研究，李寧寧等嘗試了開源框架在水庫防洪調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。從中不難看出，采用B/S結(jié)構(gòu)的可交互式防洪調(diào)度系統(tǒng)正逐漸成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。防洪調(diào)度技術(shù)是一項(xiàng)重要的防洪非工程措施，在防汛工作中占有十分重要的地位，利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，研究并建立現(xiàn)代化的防汛指揮系統(tǒng)，對(duì)于提高應(yīng)急指揮能力，科學(xué)合理地實(shí)施防汛搶險(xiǎn)和指揮調(diào)度，有效地減輕洪澇災(zāi)害損失具有重要的意義。

2 防洪調(diào)度系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 防洪調(diào)度系統(tǒng)總體框架

淮河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)嚴(yán)格按照國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)“兩臺(tái)一庫”的框架體系，采用WebGIS技術(shù)、B/S結(jié)構(gòu)，基于“一張圖”地圖背景，以調(diào)度對(duì)象為主體，基于防洪調(diào)度主線，實(shí)現(xiàn)降雨影響范圍自動(dòng)分析、防洪工程提示預(yù)警、防洪工程關(guān)聯(lián)資料多方式綜合展示?？傮w上以需求為導(dǎo)向，應(yīng)用為目的，強(qiáng)化資源整合，促進(jìn)信息共享，提升防汛指揮信息化管理效率與水平?；春恿饔蚍篮檎{(diào)度系統(tǒng)中各類功能模塊歸入“兩臺(tái)一庫”體系，主要包括數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層三層體系架構(gòu)。

（1）數(shù)據(jù)支撐層。主要包含各種信息成果數(shù)據(jù)庫服務(wù)，包括大數(shù)據(jù)綜合庫、調(diào)度業(yè)務(wù)庫、預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)庫、災(zāi)情評(píng)估業(yè)務(wù)庫等，其中大數(shù)據(jù)綜合庫包括水雨情庫、防洪工程庫、實(shí)時(shí)工情庫、社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料庫、災(zāi)情統(tǒng)計(jì)庫、空間地理數(shù)據(jù)庫等；根據(jù)防洪調(diào)度系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息的實(shí)際需求，數(shù)據(jù)支撐層可對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料進(jìn)行可拓展的補(bǔ)充完善。

（2）應(yīng)用支撐層。應(yīng)用支撐層的建設(shè)是對(duì)平臺(tái)業(yè)務(wù)服務(wù)層的開發(fā)和完善，主要包括模型支撐（調(diào)度模型、預(yù)報(bào)模型、水動(dòng)力學(xué)模型、頻率分析模型等）、集成支撐（界面集成、應(yīng)用集成、環(huán)境集成、數(shù)據(jù)集成）、安全支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)流域運(yùn)行調(diào)度管理過程中各專項(xiàng)服務(wù)之間的相互調(diào)用、觸發(fā)及數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種專題服務(wù)的總體集成。

（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。建立基于Web Services服務(wù)架構(gòu)的人機(jī)交互應(yīng)用層，主要包括防洪形勢(shì)分析、調(diào)度方案制定、成果可視化、成果評(píng)價(jià)比較、成果上傳等應(yīng)用，將流域運(yùn)行調(diào)度管理過程涉及到的眾多分析方法、表現(xiàn)手段通過數(shù)據(jù)輸出與界面表現(xiàn)。既能以圖表界面方式直接面向用戶直觀展示，也能通過統(tǒng)一接口訪問標(biāo)準(zhǔn)體系，為抗旱業(yè)務(wù)、災(zāi)害評(píng)估、洪水預(yù)報(bào)、綜合服務(wù)等外部系統(tǒng)提供預(yù)警監(jiān)視、模擬仿真、評(píng)估評(píng)價(jià)等信息訪問與交互響應(yīng)服務(wù)，并由這些外部系統(tǒng)自主決定數(shù)據(jù)的界面表現(xiàn)形式。

2.2 防洪調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)支撐

淮河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)采用的技術(shù)路線中的核心技術(shù)包括Java Spring MVC技術(shù)、Web API技術(shù)、ArcGIS API for JavaScript技術(shù)、Dojo框架、JSON技術(shù)、MyBatis技術(shù)、Tomcat等。后臺(tái)服務(wù)以Java Spring MVC技術(shù)為核心，都基于JAVA MVC構(gòu)建，部署在tomcat MVC運(yùn)行環(huán)境中運(yùn)行，并通過B/S模式為用戶提供服務(wù)。系統(tǒng)采用的地圖使用ArcGIS API for JavaScript技術(shù)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)配置、項(xiàng)目管理信息的傳遞和處理都采用流行的數(shù)據(jù)格式JSON實(shí)現(xiàn)，并提供JSON、XML、二進(jìn)制文件格式的數(shù)據(jù)訪問接口，可提供分布式部署。使用Echarts和Esayui實(shí)現(xiàn)圖表的展示功能，使用JavaScript實(shí)現(xiàn)界面之間的交互，使用CSS和HTML實(shí)現(xiàn)界面樣式的動(dòng)態(tài)控制，SVG工具矢量圖實(shí)現(xiàn)概畫圖的動(dòng)態(tài)控制，Dojo框架使各個(gè)控件之間靈活調(diào)用，使用Bootstrap來布局整個(gè)界面，GIS作為地圖展示與處理工具。

2.3 “大數(shù)據(jù)”應(yīng)用設(shè)計(jì)

多年來，水利業(yè)務(wù)實(shí)踐積累了大量分布異構(gòu)獨(dú)立的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括水文觀測(cè)信息、地表地下水量水質(zhì)信息、水利工程信息、水資源信息等。同時(shí)，為了加強(qiáng)水文氣象災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警能力，延長(zhǎng)防災(zāi)減災(zāi)的預(yù)見期，降雨觀測(cè)、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)探測(cè)、遙感數(shù)據(jù)等各類氣象資料都被應(yīng)用到防汛抗旱減災(zāi)業(yè)務(wù)工作中，成為防汛工作科學(xué)、高效指揮調(diào)度的有力工具。水文預(yù)警預(yù)報(bào)還涉及到大量相關(guān)空間地理資料，例如基礎(chǔ)地理信息資料、DEM數(shù)據(jù)、土壤植被、土地利用等資料。對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行普查和匯總形成的普查成果數(shù)據(jù)，如人口分布、工業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)畜牧、固定資料等信息，進(jìn)一步豐富了水利大數(shù)據(jù)集。隨著水文水資源監(jiān)測(cè)手段的現(xiàn)代化發(fā)展和水文數(shù)據(jù)收集方法的轉(zhuǎn)型升級(jí)，以及水利信息服務(wù)需求的擴(kuò)大和水利服務(wù)能力的提升，各種數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間維度上呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，水利大數(shù)據(jù)集已經(jīng)逐漸形成。充分利用數(shù)據(jù)資源，運(yùn)用大數(shù)據(jù)創(chuàng)新的思維和技術(shù)，可使得新研制的防洪調(diào)度系統(tǒng)性能和先進(jìn)性得到極大提升。

水利作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。通過收集大數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，將水文水利信息、天氣雷達(dá)信息、空間地理信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息等海量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，建立綜合性的大數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)上建立各種模型，如洪旱災(zāi)害預(yù)測(cè)模型、洪水調(diào)度管理模型、水資源優(yōu)化調(diào)度模型等，從而使得水利管理部門能夠有效地預(yù)測(cè)洪水流量，提前優(yōu)化水庫蓄水，合理進(jìn)行洪水調(diào)度與管理；針對(duì)旱災(zāi)，在對(duì)旱情預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，增加引水調(diào)水工程的建設(shè)投入，加強(qiáng)水資源優(yōu)化調(diào)度，加大節(jié)水宣傳等，降低旱災(zāi)發(fā)生的可能性，減輕旱災(zāi)損失，防洪調(diào)度“大數(shù)據(jù)”應(yīng)用框架見圖1。

3 淮河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)及任務(wù)

3.1 防洪調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

以防洪調(diào)度和管理為核心，針對(duì)淮河流域的工程調(diào)度及智慧水利的需要，根據(jù)防洪調(diào)度系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建從防洪形勢(shì)分析到調(diào)度成果評(píng)價(jià)的可交互式的應(yīng)用決策支持系統(tǒng)?；诖髷?shù)據(jù)信息，應(yīng)用水文及水力學(xué)模型、智能算法、洪水預(yù)報(bào)與防洪調(diào)度技術(shù)，開發(fā)淮河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制、調(diào)度方案自動(dòng)生成、方案模擬仿真等功能，最終實(shí)現(xiàn)淮河流域防汛抗旱指揮的實(shí)時(shí)化、智能化、可視化。

3.2 防洪調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)

圖1 防洪調(diào)度“大數(shù)據(jù)”應(yīng)用框架圖

淮河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)一期工程是在淮河上中游調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建設(shè)了淮河水系蚌埠以上大型水庫、分洪河道、閘壩和行蓄洪區(qū)等水利工程的洪水調(diào)度，與支流河道洪水演進(jìn)、干流王家壩至正陽關(guān)二維動(dòng)態(tài)洪水演進(jìn)相結(jié)合，并與洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行耦合，建成了蚌埠以上地區(qū)防洪調(diào)度系統(tǒng)。

在一期工程已建系統(tǒng)基礎(chǔ)上，淮河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)二期工程對(duì)現(xiàn)有防洪調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行完善，建設(shè)范圍增加淮河蚌埠至洪澤湖、沂沭泗河水系，提高和完善系統(tǒng)整體功能，與一期工程整體集成，建立全面覆蓋淮河流域重點(diǎn)防洪地區(qū)、功能較完善的防洪調(diào)度系統(tǒng)。在洪水預(yù)報(bào)模型等基礎(chǔ)上，建設(shè)流域新增區(qū)域的防洪調(diào)度方案，建立河庫聯(lián)合調(diào)度模型方案，完善調(diào)度模型功能，增強(qiáng)調(diào)度模型的適應(yīng)性，同時(shí)進(jìn)一步完善調(diào)度系統(tǒng)軟件功能，重點(diǎn)建設(shè)防洪形勢(shì)分析、調(diào)度成果制定與管理、調(diào)度成果可視化、調(diào)度成果評(píng)價(jià)比較等功能模塊。制作精確的研究區(qū)域地形圖，基于WebGIS和WebService技術(shù)，利用數(shù)據(jù)庫充分的還原研究區(qū)域的水利工程及地形地貌情況，以“一張圖”為背景，增加調(diào)度方案所涉及的各類氣象、水雨情、工情、災(zāi)情等信息的集中展示，形象生動(dòng)地將調(diào)度成果可視化，實(shí)現(xiàn)防洪調(diào)度成果的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)顯示。結(jié)合流域?qū)嶋H需求，并通過對(duì)流域上報(bào)調(diào)度方案的模擬仿真，實(shí)現(xiàn)調(diào)度成果在時(shí)空上的動(dòng)態(tài)二維演示。

4 防洪調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

圖2 淮河水系防洪調(diào)度邏輯圖

圖3 淮河水系聯(lián)合調(diào)度結(jié)果展示圖

淮河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)針對(duì)流域防洪調(diào)度工作的現(xiàn)狀與實(shí)際需求，充分研究了淮河流域調(diào)度方案，以現(xiàn)行的防洪調(diào)度工作流程、組織分工為基礎(chǔ)，建立覆蓋流域重點(diǎn)防洪地區(qū)的實(shí)時(shí)防洪調(diào)度決策支持系統(tǒng)?；诜篮檎{(diào)度決策的流程分析和業(yè)務(wù)要求，淮河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)軟件由防洪形勢(shì)分析、調(diào)度方案制定、調(diào)度成果展示、調(diào)度方案評(píng)價(jià)比較、調(diào)度成果上報(bào)、系統(tǒng)管理等功能模塊組成。

4.1 防洪形勢(shì)分析

防洪形勢(shì)分析主要包括防洪形勢(shì)總覽、雨情分析、水情分析、工情分析、綜合分析。防洪形勢(shì)總覽主要從整個(gè)流域?qū)用媪私饨涤昵闆r、水情告警信息、災(zāi)情信息等；雨情分析提供降雨等值面圖、衛(wèi)星云圖等信息；水情分析主要關(guān)注河道、閘壩、水庫超警或者超汛限情況；工情分析可以查詢流域內(nèi)工程的基礎(chǔ)信息及災(zāi)情信息；綜合分析是根據(jù)前面的各項(xiàng)分析成果形成綜合防洪形勢(shì)報(bào)告。

4.2 調(diào)度方案制定

調(diào)度方案制定是整個(gè)防洪調(diào)度系統(tǒng)的核心部分，主要包括淮河水系調(diào)度、沂沭泗水系調(diào)度，涉及到豐富的模型庫、方法庫及較為復(fù)雜的調(diào)度邏輯圖，如淮河水系防洪調(diào)度邏輯見圖2、聯(lián)合調(diào)度結(jié)果展示見圖3。淮河水系調(diào)度對(duì)象主要分為水庫單庫調(diào)度、庫群聯(lián)合調(diào)度、行蓄洪區(qū)調(diào)度、分洪河道調(diào)度、水閘調(diào)度、洪澤湖調(diào)度、臨淮崗工程調(diào)度、聯(lián)合調(diào)度等；沂沭泗水系調(diào)度對(duì)象主要分為水庫單庫調(diào)度、臨沂調(diào)度、大官莊調(diào)度、南四湖調(diào)度、駱馬湖調(diào)度、聯(lián)合調(diào)度等。對(duì)于各類調(diào)度對(duì)象的計(jì)算邏輯，首先讀取預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以圖表的形勢(shì)展示；然后進(jìn)入調(diào)度頁面，根據(jù)調(diào)度邏輯圖選擇調(diào)度節(jié)點(diǎn)，根據(jù)不同的調(diào)度對(duì)象選擇不同的調(diào)度模型進(jìn)行計(jì)算，其中調(diào)度方式均提供智能化計(jì)算模型與人機(jī)交互模型；最后以圖表的形式輸出調(diào)度成果，并且統(tǒng)計(jì)分析調(diào)度結(jié)果特征值。

4.3 系統(tǒng)其他部分

系統(tǒng)其他部分還有調(diào)度成果展示、調(diào)度方案評(píng)價(jià)比較、調(diào)度成果上報(bào)、系統(tǒng)管理。調(diào)度成果展示主要將調(diào)度結(jié)果形象生動(dòng)地展示出來，包括3D仿真與概化圖仿真；調(diào)度方案評(píng)價(jià)比較主要是將不同的調(diào)度方案進(jìn)行綜合比較，從而為決策者提供推薦的調(diào)度方案；調(diào)度成果上報(bào)主要是將淮河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度成果上傳到水利部防洪調(diào)度系統(tǒng)，為上級(jí)部門的決策部署提供技術(shù)支撐；系統(tǒng)管理主要包括流域相關(guān)調(diào)度文件、工程概化圖、系統(tǒng)配置、權(quán)限管理等。

5 結(jié)語與展望

本文針對(duì)淮河流域防洪調(diào)度的現(xiàn)狀與實(shí)際需求，基于“兩臺(tái)一庫”技術(shù)架構(gòu)，采用WebGIS技術(shù)與B/S結(jié)構(gòu)，充分利用大數(shù)據(jù)信息，建立了全面覆蓋淮河流域重點(diǎn)防洪地區(qū)、功能較完善的防洪調(diào)度系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了淮河流域防洪調(diào)度的實(shí)時(shí)化、智能化、可視化。隨著人工智能技術(shù)與大數(shù)據(jù)的進(jìn)一步發(fā)展，歷史洪水再現(xiàn)、專家經(jīng)驗(yàn)計(jì)算機(jī)化、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等將成為防洪調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的研究方向。此外，對(duì)于大數(shù)據(jù)的快速查詢?cè)L問、高效運(yùn)行處理、數(shù)據(jù)科學(xué)整合等還需要進(jìn)一步研究與探索■