盧健濤，侯貴兵，薛 嬌，李媛媛，陳俊賢

（中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510611）

0 引言

珠江三角洲（以下簡稱珠三角）流域由西江、北江、東江及三角洲諸河復合而成，構成“三江匯流，八口出?！钡乃蹈窬?，河網(wǎng)區(qū)河道縱橫交錯，水流互相連通，為世界上最復雜的河網(wǎng)區(qū)之一。河網(wǎng)密集的珠三角經(jīng)多年“聯(lián)圍筑閘”形成相對獨立的圩區(qū)，西北江三角洲已建成景豐、樵桑、中順、江新、中珠、佛山大堤等聯(lián)圍，初步形成聯(lián)圍抵御圍外洪水，圍內(nèi)水庫、閘泵等工程防洪排澇的格局。隨著珠三角城市群規(guī)模不斷擴大，圍內(nèi)集中排澇規(guī)模越來越大，流域、區(qū)域、城鎮(zhèn)防洪排澇相互影響且矛盾日益突出。前山河流域中珠聯(lián)圍位于珠三角西江干流磨刀門東岸，上受西江干流洪水威脅，下受臺風暴潮襲擊，洪澇災害頻繁且成因復雜。珠三角示范區(qū)內(nèi)防洪排澇互相影響，上下游、左右岸防洪排澇矛盾突出，治理需求非常迫切，社會關注度高，《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》中已明確提出“建設和完善澳門、珠海、中山等防洪排澇體系，有效解決城市內(nèi)澇問題”，解決好前山河流域的防洪排澇問題，是保障粵港澳大灣區(qū)國家戰(zhàn)略順利實施的需要，也是充分體現(xiàn)“一國兩制”優(yōu)越性的需要[1]。

近年來，依托信息技術的高速發(fā)展，我國防洪排澇信息化建設取得了長足發(fā)展，行業(yè)內(nèi)水信息采集、水管理系統(tǒng)的開發(fā)應用，在水資源管理、河湖管理、水工程調(diào)度與運行等方面不斷實踐也取得了顯著成效[2]。構建集信息挖掘、風險控制、智能調(diào)度、決策服務于一體的防洪排澇實時調(diào)度智能決策支持平臺，成為提升高度城鎮(zhèn)化地區(qū)洪澇監(jiān)測預警與應急管理能力的最佳途徑。通過融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進信息技術與多目標多對象綜合調(diào)度決策技術，將全面提升防洪排澇信息分析與處理能力，促進調(diào)度任務間的協(xié)同效用，推動由人主導的經(jīng)驗調(diào)度向計算機推送結(jié)合人機互動的智慧調(diào)度轉(zhuǎn)變，提升高度城鎮(zhèn)化地區(qū)防洪排澇實時調(diào)度管理的現(xiàn)代化、信息化、智能化水平。

為此，基于多源信息快速獲取處理平臺和云服務框架，采用水文水動力耦合、水工程群聯(lián)合調(diào)度、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術，對珠三角典型示范區(qū)前山河流域中珠聯(lián)圍智慧防洪排澇平臺（以下簡稱智慧防洪排澇平臺）框架和功能進行設計，以實現(xiàn)預報調(diào)度一體化和風險實時動態(tài)評估，為珠三角典型示范區(qū)防洪排澇實時調(diào)度管理提供技術支持。

1 智慧防洪排澇平臺需求分析

為提高智慧防洪排澇平臺在珠三角典型示范區(qū)的洪水預報、洪災評估精度，以及洪澇災害應急調(diào)度時效性，需深度分析應用平臺研發(fā)所面臨的內(nèi)在需求。內(nèi)在需求主要包含以下幾個方面：

1）多源數(shù)據(jù)匯集與融合需求。城市內(nèi)澇涉及暴雨洪澇立體監(jiān)測數(shù)據(jù)及多部門互聯(lián)互通信息，存在海量、多源、異構、冗余等特點，必須構建基于大數(shù)據(jù)存儲體系的結(jié)構化數(shù)據(jù)和非結(jié)構化數(shù)據(jù)庫，同時，進行數(shù)據(jù)資源目錄和多層數(shù)據(jù)體系建設，初始數(shù)據(jù)入庫，并通過數(shù)據(jù)融合、同化處理為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎[3]。因此智慧防洪排澇平臺必須滿足多源數(shù)據(jù)匯集與融合需求，提高數(shù)據(jù)的有效性和準確性，為城市內(nèi)澇決策計算提供支撐。

2）實時調(diào)度決策支持需求。通常在研究和解決防洪排澇實時調(diào)度問題時，涉及水位、排水量、斷面水量等多個調(diào)度目標，多采用最優(yōu)準則和單一目標給出最優(yōu)方案供決策者參考和采用。但這樣的最優(yōu)方案易于失真，不能反映作為約束條件處理的各目標之間的利益轉(zhuǎn)換關系。由于各目標之間的不可公度性，多目標優(yōu)化的結(jié)果在生成的非劣解集中如何決策又較為復雜，因此需要解決多目標非劣解集的決策優(yōu)選問題，由單純追求 1 個目標最優(yōu)的擇優(yōu)準則，向復雜事物固有的多目標優(yōu)化滿意準則轉(zhuǎn)化，提高實時調(diào)度的決策能力。

3）多模型調(diào)用與耦合需求。防洪排澇實時調(diào)度決策支持平臺涉及到多個模型、多種應用。來自不同系統(tǒng)、應用，數(shù)據(jù)結(jié)構類型也不盡相同的多源異構數(shù)據(jù)，面臨著數(shù)據(jù)格式、結(jié)構、粒度、完整性等問題，因此需要結(jié)合多模型調(diào)用和互操作協(xié)調(diào)機制，研究智慧防洪排澇平臺的數(shù)據(jù)標準化、調(diào)用、批處理、展示等技術問題，建立模型管理系統(tǒng)對模型和數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理[4]。

4）聯(lián)合調(diào)度智慧化需求。為保證高度城鎮(zhèn)化地區(qū)防洪排澇平臺保持多年的先進性，需要加強大數(shù)據(jù)分析、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術在城市內(nèi)澇決策支持系統(tǒng)建設中的應用，提高洪澇信息監(jiān)測匯集效率，識別城市洪澇實時信息潛在的規(guī)律。利用人工智能技術結(jié)合水文、市政、運籌學、管理學等多種科學方法，實現(xiàn)防洪排澇決策方案的智能生成，并形成多方案優(yōu)選的體系，與預報預警有效對接，能夠提高應急決策效率，降低應急處置時間；同時，加入專家經(jīng)驗到?jīng)Q策支持系統(tǒng)，并激發(fā)專家知識系統(tǒng)進行創(chuàng)造性思維，推動由人主導的經(jīng)驗調(diào)度向計算機推送結(jié)合人機互動的智慧調(diào)度轉(zhuǎn)變。

2 智慧防洪排澇平臺總體架構

智慧防洪排澇平臺在模型庫管理系統(tǒng)和多模型調(diào)用與互操作原理的基礎上，搭建實時調(diào)度決策支持系統(tǒng)總體框架。按照“集中管理、統(tǒng)一服務、靈活配置”的基本原則和設計思想，智慧防洪排澇平臺總體架構采用 4 層架構設計，自下而上分別為感知層（智能感知端）、數(shù)據(jù)層（數(shù)據(jù)資源庫）、支撐層（智慧調(diào)度應用支撐平臺）、應用層（智慧應用），具體架構如圖1 所示。智慧防洪排澇平臺的拓撲結(jié)構是基于 Web 服務的技術架構，是一種新型的分布式計算模型和協(xié)作關系，有利于實現(xiàn)動態(tài)、跨組織的資源協(xié)同共享，可根據(jù)用戶的需求，實現(xiàn)分散、獨立的 Web 服務的無縫自動組合[5]。

圖1 智慧防洪排澇平臺總體架構

4 層架構具體分析如下：

1）感知層是智慧防洪排澇平臺的基礎。感知層利用各種感知設備、技術手段和方法，采集江河湖泊水系、水利工程設施、水利管理活動三大類水利感知對象的要素，狀態(tài)，事件信息，這些數(shù)據(jù)和信息分別采用物聯(lián)傳感、導航定位、衛(wèi)星無人機遙感和音視頻采集及內(nèi)容解析等獲取，經(jīng)過加工處理后，通過骨干網(wǎng)絡輸送到上層大數(shù)據(jù)中心，為智能應用和公共服務提供必要的數(shù)據(jù)和信息支撐[6]。

2）數(shù)據(jù)層是智慧防洪排澇平臺的核心。數(shù)據(jù)層采用多源數(shù)據(jù)匯集的方式，基于珠江流域水利大數(shù)據(jù)中心，主要依托 ETL 和網(wǎng)絡爬蟲技術，提供專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫、第三方監(jiān)測的數(shù)據(jù)源與本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行交換。針對防洪排澇海量多源數(shù)據(jù)來源分散、存儲方式不同等情況，分門別類地制定數(shù)據(jù)的采集方式和頻次，并對采集的數(shù)據(jù)實行清洗及標準化，采用開源的分布式存儲的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng) MongoDB 進行防洪排澇多源異構數(shù)據(jù)存儲。依據(jù)數(shù)據(jù)庫標準與編碼規(guī)范，結(jié)合已經(jīng)收集到的基礎數(shù)據(jù)，將防洪排澇數(shù)據(jù)分為基礎地理、工程管理、歷史和動態(tài)監(jiān)測等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)庫劃分為相應的基礎地理（矢量、柵格）、涉水工程管理、歷史和動態(tài)監(jiān)測等數(shù)據(jù)庫。

3）支撐層為上層業(yè)務應用提供可復用的基礎和支撐。支撐層包括以下 2 個支撐平臺：

a.防洪排澇實時調(diào)度應用支撐平臺。應用支撐平臺主要包括基礎支撐組件和決策支持平臺：基礎支撐組件為各類應用提供二次開發(fā)、交互封裝、軟件運行的組件基礎；決策支持平臺將各類決策支持方法嵌套進防洪排澇實時調(diào)度系統(tǒng)，可以根據(jù)決策者的需求，綜合運用各類決策支持方法，全方位、多層次地系統(tǒng)認知各個非劣方案的優(yōu)缺點，進行更科學準確的優(yōu)選。

b.智慧平臺。智慧平臺圍繞防洪排澇業(yè)務需求，開展降雨產(chǎn)流計算、水動力過程計算、水利工程調(diào)度模擬、洪澇風險模擬、優(yōu)化決策等所需的通用模型，以及數(shù)據(jù)挖掘、機器學習、知識圖譜等算法工具建設，通過數(shù)據(jù)挖掘、知識運用、業(yè)務建模、融合分析、規(guī)則應用等手段，進行調(diào)度決策智能的開發(fā)與能力輸出，支撐防洪排澇實時調(diào)度的智能應用。

4）應用層為智慧防洪排澇平臺功能的實現(xiàn)層。應用層建立在服務層的基礎之上，依托應用支撐平臺環(huán)境，實現(xiàn)洪澇精細模擬、預警預報、災害動態(tài)評估和工程實時調(diào)度等業(yè)務應用功能。智慧防洪排澇平臺基于 WebGIS 環(huán)境構建，通過調(diào)用、組合支撐層各相關組件和訪問數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)防洪排澇實時調(diào)度的各項功能，最終在 B/S 端進行展示。

3 智慧防洪排澇平臺功能設計

在充分利用珠江流域現(xiàn)有防洪調(diào)度系統(tǒng)的基礎上，針對珠江流域防汛抗旱指揮系統(tǒng)軟硬件運行環(huán)境條件和洪澇實時調(diào)度決策業(yè)務等需求，定制側(cè)重于珠三角防洪排澇工程設施的智慧防洪排澇平臺，提供珠三角典型示范區(qū)綜合展示、預警預報、洪澇模擬、風險評估和工程調(diào)度等綜合功能。

3.1 綜合展示

3.1.1 防洪排澇調(diào)度一張圖

以流域水利一張圖、珠三角地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫為基礎，融合河流、重點水庫、水閘、泵站、堤防等水利工程及相關監(jiān)測站點信息，共享疊加氣象、水文等部門的業(yè)務專題圖，建成面向珠三角城市群防洪排澇業(yè)務主題的防洪排澇實時調(diào)度一張圖，全面展示水雨情、臺風暴潮等實時監(jiān)測信息及分析預測數(shù)據(jù)，整體提升和增強珠三角城市群水安全感知信息服務能力。

3.1.2 信息綜合查詢

以防洪排澇調(diào)度一張圖為背景，通過多種不同條件的組合，全面展示與珠三角典型示范區(qū)防洪排澇實時調(diào)度相關的各類基礎數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)庫建設成果，使用戶能方便、快捷、全面地，查找掌握氣象、水文、工情、災情等歷史和實時信息，并且以統(tǒng)計圖表和 GIS 圖形等方式展現(xiàn)。支持在移動終端進行綜合查詢，通過簡化查詢界面及調(diào)整查詢結(jié)果的展示方式，使用戶能夠隨時隨地通過移動終端設備訪問系統(tǒng)，查詢自己關注的水利信息，為管理和決策提供支持。

3.2 預警預報

3.2.1 實時洪水預報預警

依托防洪排澇調(diào)度一張圖空間信息集成平臺，進行珠三角典型示范區(qū)水文、潮汐等常規(guī)實況監(jiān)測信息的可視化與告警。展示珠三角示范區(qū)重要控制斷面的來水預報，控制目標節(jié)點來水量預測及三角洲咸情預報等信息，根據(jù)設置的預報預警閾值指標，對超標情況進行預警，按照黃色、橙色、紅色3 個等級在控制斷面閃爍顯示實時洪水預報預警信號，為水工程群聯(lián)合調(diào)度提供判斷和決策依據(jù)，以提醒防汛抗旱指揮部門進行相應操作。

3.2.2 防洪排澇調(diào)度預警

防洪排澇調(diào)度預警根據(jù)歷年水庫、閘泵運用特點，按照實測和預報洪水調(diào)度提醒進行預警。當珠三角已發(fā)生實測洪水，系統(tǒng)實時讀取水雨情庫，在河道各控制斷面水位達到警戒水位時，對應達到啟用條件的閘泵閃爍顯示黃色或紅色預警信號。當預報將有洪水發(fā)生時，系統(tǒng)通過預報方案模擬計算后，在預報河道各控制斷面水位達到水庫、閘泵等工程規(guī)劃調(diào)度水位時，對達到啟用條件的閘泵根據(jù)12，24 h 內(nèi)及 24 h 后 3 級調(diào)度提醒進行預警，閃爍顯示黃色、橙色、紅色 3 級預警信號[7]。

3.3 洪澇模擬

3.3.1 水文模擬

根據(jù)珠江流域產(chǎn)匯流特性模擬需要，新增定制平原區(qū)水文、新安江、TopModel 等水量預測模型。依據(jù)實時及預報的雨水情及工情信息，完成自動預報計算，同時對預報結(jié)果進行分析、綜合，實現(xiàn)珠三角典型示范區(qū)的自動、交互、模擬試算等預報，以及河道洪水演進計算，并實現(xiàn)多模型專家交互分析、智能預報校正等功能。

3.3.2 水動力計算

通過采用零維調(diào)蓄、一維河網(wǎng)、二維河網(wǎng)、湖泊準三維管網(wǎng)等水動力模型與水文模型進行耦合計算，分析區(qū)域分洪對河道、管網(wǎng)水位的影響，以及河道、管網(wǎng)水位變化對城市積水的影響，提高模擬精度和可靠性。

3.4 風險評估

3.4.1 動態(tài)展示

利用無人機航測點云數(shù)據(jù)，借助虛擬地理環(huán)境、BIM、三維 GIS 等信息技術，構建典型區(qū)域虛擬環(huán)境，利用洪水動態(tài)時空模擬推演和成災風險影響評估模型，動態(tài)模擬洪峰傳播過程，實現(xiàn)洪水三維動態(tài)建模與繪制，直觀生動地展示洪水淹沒過程。

3.4.2 災損評估

結(jié)合淹沒區(qū)內(nèi)的社會經(jīng)濟情況，綜合分析評估洪水影響程度，包括淹沒范圍內(nèi)不同淹沒水深區(qū)域內(nèi)的受淹行政區(qū)、建設用地、耕地等的面積，以及受影響人口和 GDP 等。在災害損失評估已有數(shù)據(jù)基礎上，實現(xiàn)平臺端流域及區(qū)域災害損失數(shù)據(jù)快速統(tǒng)計分析及展示。

3.5 工程調(diào)度

3.5.1 實時調(diào)度

基于水利工程間的拓撲關系，概化水利工程布局，模擬河道各類水利工程在各類來水條件下的蓄放過程。在較小時間尺度下模擬水利工程針對不同來水量時的精細化調(diào)度過程，包括閘門的啟閉時間和程度，流域內(nèi)不同的閘門啟閉組合等。

3.5.2 優(yōu)化調(diào)度

基于風險評估結(jié)果，在滿足水力、調(diào)度、入流等各種約束條件下，運用優(yōu)化算法的尋優(yōu)策略，對比洪澇模擬模型計算出的多組閘泵調(diào)度方案的目標函數(shù)值，確定各個計算時段內(nèi)的閘泵群最優(yōu)啟閉組合及開度，使各類水利工程整體的防洪作用和排澇效果達到最優(yōu)[8]。

3.6 智慧決策

3.6.1 水工程調(diào)度規(guī)則庫建設

收集珠三角典型示范區(qū)內(nèi)水工程調(diào)度方案，整理參與防洪排澇調(diào)度的水庫、河道、涵閘、泵站防洪排澇調(diào)度方案。選取不同的洪水場景（歷史典型、實時洪水，或降雨徑流生成的洪水過程），進行水工程調(diào)度方案分析、參數(shù)配置，調(diào)度目標節(jié)點配置，模型計算，生成不同的防洪排澇調(diào)度方案成果并將調(diào)度方案電子化，使其結(jié)構化、程序化、標準化，構建珠三角典型示范區(qū)防洪排澇調(diào)度規(guī)則庫。

3.6.2 調(diào)度會商決策支持

根據(jù)珠三角的洪澇特點，結(jié)合流域雨量、水位、流量、調(diào)度等實時信息，以數(shù)值模擬為基礎，構建由水工程、河道、目標調(diào)度節(jié)點三者組成的動態(tài)調(diào)洪模型，采用智能算法，實現(xiàn)基于多目標、多調(diào)度節(jié)點控制的防洪排澇調(diào)度方案推送。同時提供人機交互設置參數(shù)生成調(diào)度方案功能，依據(jù)調(diào)度規(guī)則和專家經(jīng)驗，通過人機交互方式，基于可視化界面操作，設定防洪工程的運用參數(shù)，或在自動生成的調(diào)度方案基礎上，進一步修改水庫、閘泵等防洪排澇工程的運用參數(shù)，完成調(diào)度方案試算，生成 1 個或多個防洪工程調(diào)度運用方案。在方案的制定過程中，能夠查詢防洪調(diào)度規(guī)則和經(jīng)驗、歷史洪水調(diào)度實例等信息，推選出最適合的流域防洪排澇聯(lián)合調(diào)度方案，為流域、區(qū)域、城鎮(zhèn)協(xié)同決策提供支持。

4 智慧防洪排澇平臺實現(xiàn)路徑和流程

基于云平臺構建集洪澇精細模擬、預警預報、災害動態(tài)評估和工程實時調(diào)度于一體的智慧防洪排澇平臺，在珠三角典型區(qū)示范應用，提高了示范區(qū)洪水預報精度、洪災評估精度和洪澇災害應急調(diào)度時效性。具體實現(xiàn)路徑和流程如下：

1）完成國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析、珠三角典型示范區(qū)調(diào)研與資料收集整理等工作，開展防洪排澇大數(shù)據(jù)匯集方法研究，并解決海量數(shù)據(jù)存儲和批處理問題，搭建智慧防洪排澇平臺基本框架。

2）完成防洪排澇實時調(diào)度大數(shù)據(jù)匯集方法研究，提出防洪排澇海量多源數(shù)據(jù)融合與挖掘技術，同時研究解決多個異構模型間的集成應用問題，開始研發(fā)智慧防洪排澇平臺。

3）完成珠三角典型示范區(qū)智慧防洪排澇平臺示范應用調(diào)研與需求分析，深入研究多源異構數(shù)據(jù)融合與挖掘通用算法。

4）研發(fā)基于云服務的多模型集成技術，構建面向多用戶，基于云平臺，集信息挖掘、風險控制、智能調(diào)控、決策服務于一體的智慧防洪排澇平臺，開展珠三角典型示范區(qū)平臺定制與部署設計。

5）完成防洪排澇海量多源數(shù)據(jù)匯集與融合研究，成功構建珠三角典型示范區(qū)智慧防洪排澇平臺，將其納入珠江流域防汛抗旱指揮系統(tǒng)。

5 結(jié)語

珠三角典型示范區(qū)智慧防洪排澇平臺研究與開發(fā)吸收了珠江水利委員會防汛體系現(xiàn)有成果，集成暴雨洪澇天-空-地立體監(jiān)測與多部門互聯(lián)互通等信息，運用大數(shù)據(jù)、云計算、機器學習等技術，不僅實現(xiàn)了對各站點和斷面實時水雨情的預警，也通過構建重要節(jié)點水文預報、河道管網(wǎng)水動力學等模型，生成了洪水預報方案，實現(xiàn)了預報方案基礎上組合調(diào)度后的預警功能。基于云服務構建的智慧防洪排澇平臺，有效提高了珠三角地區(qū)洪災評估精度和洪澇災害應急調(diào)度的時效性，對推進珠三角防洪排澇實時調(diào)度管理工作的現(xiàn)代化與決策科學化，提供了由理論研究到應用落地的實際意義。今后應進一步優(yōu)化智慧防洪排澇平臺的框架結(jié)構，提升平臺整體的計算運行速度，同時加強流域、城市洪澇一體化預測預報技術的研究，提高城市內(nèi)澇預報精度和決策效率。