丁曉磊 房 媛

（安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院（安徽省水利工程質(zhì)量檢測(cè)中心站），合肥 230088）

0 引 言

洪澇災(zāi)害是我國(guó)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，特別是2020 年，安徽省氣候異常，入梅前干旱嚴(yán)重，入梅后長(zhǎng)江及巢湖、淮河、新安江三大流域同期發(fā)生了罕見(jiàn)的全省性大洪水。長(zhǎng)江干流大通站出現(xiàn)歷史第二大流量，馬鞍山站出現(xiàn)歷史最高水位，巢湖流域發(fā)生超保證超歷史超百年水位洪水，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生了巨大威脅[1]。

防汛預(yù)警平臺(tái)是防御洪澇災(zāi)害的強(qiáng)力支撐與保障，全面監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)預(yù)報(bào)能夠使防汛工作搶占先機(jī)[2-3]。隨著人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入信息時(shí)代，信息技術(shù)在防洪減災(zāi)各方面有著廣泛的應(yīng)用，如基于云計(jì)算技術(shù)的湖南省防汛抗旱云平臺(tái)，基于大數(shù)據(jù)架構(gòu)的杭州市城市防汛決策支持系統(tǒng)等[4-6]。本文以安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)為例，介紹信息技術(shù)在平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用。

1 平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)

安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)是充分利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)信息技術(shù)，整合各種防汛業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)資源，以防汛預(yù)警工作需求為導(dǎo)向，建設(shè)技術(shù)先進(jìn)、內(nèi)容完整、服務(wù)智能、專(zhuān)業(yè)性和易用性并重的智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)，以科學(xué)的決策指導(dǎo)防汛工作，為防汛業(yè)務(wù)提供更好的服務(wù)支撐[7-8]。

1.1 信息的多元性

安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)涉及領(lǐng)域廣泛，所需的信息復(fù)雜多樣。涉及水利對(duì)象的信息有河流水系、氣候、水利工程等；水利信息時(shí)間跨度涵蓋過(guò)去、現(xiàn)在及未來(lái)；信息來(lái)源有傳感器監(jiān)測(cè)、遙測(cè)數(shù)據(jù)；信息存儲(chǔ)格式也多種多樣，如圖像、數(shù)字、音頻和視頻等。

1.2 監(jiān)測(cè)的全面性

安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)應(yīng)全面、系統(tǒng)地收集水利相關(guān)信息，充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+”、政務(wù)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、4G網(wǎng)絡(luò)、5G網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)、新終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)防汛重點(diǎn)部位、重點(diǎn)領(lǐng)域、重點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、全面采集。采用圖表、GIS地圖、視頻等多種形式實(shí)現(xiàn)對(duì)全省雨水情、氣象、視頻、預(yù)警等信息的綜合監(jiān)視。

1.3 預(yù)警的及時(shí)性與精確性

洪澇災(zāi)害具有快速性、突發(fā)性的特點(diǎn)，所以預(yù)警信息必須及時(shí)發(fā)出，盡量做到超前預(yù)警。受洪澇災(zāi)害威脅的人員必須能夠及時(shí)獲取預(yù)警信息，才能在災(zāi)害來(lái)臨前采取避險(xiǎn)行為。同時(shí)，洪澇災(zāi)害也具有局地性特點(diǎn)，安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)應(yīng)針對(duì)受災(zāi)地區(qū)發(fā)出預(yù)警信息，做到預(yù)警信息的精確送達(dá)。

1.4 平臺(tái)的智能性

安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)應(yīng)具有智能決策與智能查詢(xún)的能力，當(dāng)有險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，平臺(tái)可以根據(jù)采集到的信息，結(jié)合以往的決策意見(jiàn)，提出決策建議。在業(yè)務(wù)查詢(xún)中，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別與語(yǔ)義分析技術(shù)，智能判斷服務(wù)對(duì)象所需要查詢(xún)的內(nèi)容，向服務(wù)對(duì)象提供全面的防汛信息服務(wù)。

2 平臺(tái)總體架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)以上建設(shè)目標(biāo)，安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)的建設(shè)中需要做到：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及時(shí)收集汛期相關(guān)數(shù)據(jù)信息，利用大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)，處理汛期全量數(shù)據(jù)，精確把握汛期的特征與實(shí)際情況，提前識(shí)別不利條件并發(fā)出預(yù)警信息；結(jié)合歷史大數(shù)據(jù)，分析風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的規(guī)律和條件等，提前制定應(yīng)急預(yù)案；針對(duì)突發(fā)性災(zāi)害，快速匹配應(yīng)急預(yù)案，提高抗災(zāi)救災(zāi)效率，減少災(zāi)害損失[9-10]。

安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)的建設(shè)是將先進(jìn)的信息技術(shù)與傳統(tǒng)的防汛業(yè)務(wù)相結(jié)合，整體上采用表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)訪問(wèn)層3 層架構(gòu)，如圖1 所示。此架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了軟件工程中高內(nèi)聚、低耦合的思想，忽略了數(shù)據(jù)庫(kù)之間的差異，使系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，能夠更好地適應(yīng)變化[11-12]。

圖1 安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)3層架構(gòu)

其中表現(xiàn)層是針對(duì)用戶(hù)的交互界面，用戶(hù)可以通過(guò)表現(xiàn)層輸入信息，并查看平臺(tái)返回的數(shù)據(jù)。對(duì)于防汛監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，用戶(hù)可通過(guò)表現(xiàn)層查看GIS地圖；查詢(xún)各個(gè)防汛監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位、流量、水雨情信息；查詢(xún)平臺(tái)所發(fā)布的預(yù)警信息；查看各個(gè)視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)的視頻信息；可以通過(guò)語(yǔ)音查詢(xún)，并查看輔助決策信息。

業(yè)務(wù)邏輯層處于表現(xiàn)層與數(shù)據(jù)訪問(wèn)層之間，是平臺(tái)的業(yè)務(wù)、計(jì)算等業(yè)務(wù)邏輯處理層。業(yè)余邏輯層與表現(xiàn)層通過(guò)RESTful API 進(jìn)行通訊，RESTful 架構(gòu)是目前最流行的一種互聯(lián)網(wǎng)軟件架構(gòu)。它結(jié)構(gòu)清晰、符合標(biāo)準(zhǔn)、易于理解、擴(kuò)展方便，被越來(lái)越多軟件系統(tǒng)采用。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作。用戶(hù)的請(qǐng)求經(jīng)過(guò)業(yè)務(wù)邏輯層處理之后交給數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，數(shù)據(jù)訪問(wèn)層根據(jù)請(qǐng)求在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)相關(guān)數(shù)據(jù)，并將查詢(xún)到的信息返回業(yè)務(wù)邏輯層，再由業(yè)務(wù)邏輯層返回給表現(xiàn)層，最終展示給用戶(hù)。

依據(jù)以上架構(gòu)，安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)的系統(tǒng)整體框架如圖2所示。

圖2 安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)整體框架圖

安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與匯集層、業(yè)務(wù)支撐層和智慧應(yīng)用層。

其中數(shù)據(jù)采集層用來(lái)采集防汛過(guò)程中的各類(lèi)數(shù)據(jù)，包括氣象數(shù)據(jù)、人工上報(bào)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與匯集層包括系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、人員信息數(shù)據(jù)庫(kù)、預(yù)警信息數(shù)據(jù)庫(kù)和業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。防汛監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)需建立多源和多種類(lèi)信息體系，即不同傳感器、不同時(shí)空尺度的信息，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，遙感信息，歷史數(shù)據(jù)，視頻信息等。由于防汛數(shù)據(jù)既多且雜，需要對(duì)各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，但是所有的防汛數(shù)據(jù)必須要整體管理，需要進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)，經(jīng)過(guò)分類(lèi)與存儲(chǔ)后的數(shù)據(jù)有利于下一步的數(shù)據(jù)融合與挖掘。

業(yè)務(wù)支撐層將建立起以業(yè)務(wù)為核心、大數(shù)據(jù)平臺(tái)支撐、人工智能輔助的智慧防汛綜合性應(yīng)用體系。各應(yīng)用間低耦合，通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與匯集層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。各業(yè)務(wù)間互相協(xié)作，為上層的智慧應(yīng)用提供業(yè)務(wù)支撐。

智慧應(yīng)用層基于業(yè)務(wù)支撐層，向用戶(hù)提供更精準(zhǔn)更全面的服務(wù)。依靠人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同與智能化應(yīng)用。將用戶(hù)被動(dòng)選擇服務(wù)改為機(jī)器主動(dòng)提供服務(wù)，最大程度降低工作人員的工作量。

3 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)基層防汛的工作需求，安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)在業(yè)務(wù)功能上主要包含以下模塊。

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

針對(duì)水情、雨情和水庫(kù)水情等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與在線展示，建立及時(shí)、精準(zhǔn)、全面的防汛信息監(jiān)測(cè)與展示體系。對(duì)防汛重要位置需進(jìn)行24 h視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控，構(gòu)建河道、水庫(kù)、排灌站等區(qū)域的視頻監(jiān)控體系，并整合所有視頻資源。在平臺(tái)中可對(duì)氣象信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢(xún)，包括衛(wèi)星云圖、24 h降雨及臺(tái)風(fēng)路徑等。

3.2 防汛預(yù)警

平臺(tái)可根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)布預(yù)警信息，基層防汛人員可以在平臺(tái)上處理預(yù)警信息，也可以人工發(fā)布預(yù)警信息，進(jìn)行靶向預(yù)警。依托現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行循環(huán)展播。同時(shí)利用傳統(tǒng)手段與高新技術(shù)，對(duì)信息進(jìn)行多渠道發(fā)布，使預(yù)警信息準(zhǔn)確、快速、及時(shí)、有效地展現(xiàn)。利用網(wǎng)站、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、廣播等多種發(fā)布手段，加之手機(jī)客戶(hù)端（App移動(dòng)定位等技術(shù)，擴(kuò)大預(yù)警信息的覆蓋范圍，將預(yù)警信息精準(zhǔn)、及時(shí)送達(dá)目標(biāo)群體。

3.3 業(yè)務(wù)管理

平臺(tái)可對(duì)防汛相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行管理。平臺(tái)內(nèi)存儲(chǔ)全省防汛人員的通訊錄與水利工程信息，各級(jí)防汛人員可以根據(jù)自身權(quán)限進(jìn)行查看，獲取水利工程的基本情況。平臺(tái)上可以發(fā)布防汛工作相關(guān)文件，包括通知公告、培訓(xùn)資料、重要公文、法律規(guī)范等，供防汛人員查看學(xué)習(xí)。平臺(tái)需要對(duì)防汛中各項(xiàng)任務(wù)的責(zé)任人信息進(jìn)行管理，可以查看責(zé)任人的姓名、電話(huà)、單位與職責(zé)。平臺(tái)還能記錄日常巡查信息，包括巡查時(shí)間、巡查內(nèi)容和處理方案。

3.4 輔助決策

平臺(tái)具有防汛預(yù)案知識(shí)庫(kù)，對(duì)各地市的防汛預(yù)案進(jìn)行統(tǒng)一管理，防汛人員可在平臺(tái)上查看、更新預(yù)案。根據(jù)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及預(yù)警信息與險(xiǎn)情情況，對(duì)預(yù)警提出相應(yīng)的決策意見(jiàn)，供工作人員參考。平臺(tái)對(duì)防汛決策全過(guò)程進(jìn)行記錄與展示，防汛工作者可以隨時(shí)查詢(xún)決策信息，決策者也可以清晰地掌握最新的防汛資訊。

3.5 系統(tǒng)功能

平臺(tái)的系統(tǒng)功能包括賬號(hào)管理、語(yǔ)音查詢(xún)與意見(jiàn)反饋，其中語(yǔ)音查詢(xún)功能通過(guò)人工智能算法，將語(yǔ)音轉(zhuǎn)為文本，依據(jù)算法所提取出的關(guān)鍵字，理解用戶(hù)意圖，在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行全局搜索，返回相關(guān)數(shù)據(jù)信息。安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)的具體業(yè)務(wù)功能如圖3所示。

圖3 安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

4 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

防汛監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)的表現(xiàn)層分為網(wǎng)頁(yè)端與App，其中網(wǎng)頁(yè)端采用漸進(jìn)式框架VUE 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，App 的平臺(tái)為Android操作系統(tǒng)，采用混合式開(kāi)發(fā)模式?；旌鲜介_(kāi)發(fā)兼具原生App良好的用戶(hù)體驗(yàn)和Web App跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)，在涉及語(yǔ)音查詢(xún)、定位、二維碼掃描等需要移動(dòng)設(shè)備的特性和功能時(shí)，以原生開(kāi)發(fā)為主。在展示數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控時(shí)，以Web開(kāi)發(fā)為主。

業(yè)務(wù)邏輯層中還包括一套權(quán)限控制系統(tǒng)，針對(duì)不同用戶(hù)，開(kāi)放不同的權(quán)限，用戶(hù)僅能使用對(duì)應(yīng)權(quán)限的資源。用戶(hù)與權(quán)限是多對(duì)多的關(guān)系，同一用戶(hù)可能具有多個(gè)權(quán)限。用戶(hù)權(quán)限都存儲(chǔ)在權(quán)限數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)鑒權(quán)服務(wù)器進(jìn)行分配與核驗(yàn)。整個(gè)平臺(tái)采用Spring Security 框架來(lái)進(jìn)行身份驗(yàn)證與訪問(wèn)控制。

在安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)的智慧應(yīng)用中，語(yǔ)音采集設(shè)備采集用戶(hù)語(yǔ)音輸入，將音頻文件發(fā)送給語(yǔ)音聽(tīng)寫(xiě)引擎，語(yǔ)音聽(tīng)寫(xiě)引擎將語(yǔ)音文本發(fā)送給語(yǔ)義解析引擎，解析出用戶(hù)語(yǔ)義，包括查詢(xún)地點(diǎn)、信息、時(shí)間等信息。將這些信息發(fā)送到業(yè)務(wù)支撐層中，與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)數(shù)據(jù)融合與挖掘出來(lái)的結(jié)果，對(duì)用戶(hù)需要查詢(xún)的信息進(jìn)行智能篩選與排序，最終返回給用戶(hù)。返回的結(jié)果包括水情、雨情等多維度數(shù)據(jù)。

輔助決策應(yīng)用的工作流程圖如圖4所示，平臺(tái)通過(guò)采集雨量與水位信息，同時(shí)監(jiān)測(cè)氣象信息，對(duì)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行判斷。當(dāng)某一指標(biāo)超出閾值之后，平臺(tái)觸發(fā)預(yù)警機(jī)制，一方面發(fā)起預(yù)警，包括向相關(guān)責(zé)任人發(fā)送短信，展播預(yù)警信息，通過(guò)App推送預(yù)警消息；另一方面提取當(dāng)前預(yù)警中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，判斷預(yù)警類(lèi)型，并根據(jù)提取出的關(guān)鍵信息，檢索平臺(tái)內(nèi)的決策庫(kù)，提出決策建議。在防汛人員處理完此次預(yù)警之后，平臺(tái)將自動(dòng)記錄處理結(jié)果，并存入系統(tǒng)決策庫(kù)內(nèi)。

圖4 輔助決策流程圖

5 平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)與傳統(tǒng)的防汛預(yù)警平臺(tái)的區(qū)別在于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上增加了更多節(jié)點(diǎn)，包括防汛應(yīng)急指揮部、與防汛相關(guān)的政府機(jī)關(guān)、社會(huì)群眾和基層防汛人員。

安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)目的是為了連接更多部門(mén)，基于政務(wù)專(zhuān)網(wǎng)，將氣象、水務(wù)、應(yīng)急等多部門(mén)的業(yè)務(wù)進(jìn)行連接，進(jìn)而將各部門(mén)的天氣、水文等多維度信息進(jìn)行融合，以此構(gòu)建更多防汛場(chǎng)景，包括防汛的預(yù)報(bào)結(jié)果、實(shí)時(shí)信息以及決策結(jié)果。

防汛監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)社會(huì)公眾及基層防汛人員提供移動(dòng)信息服務(wù)。通過(guò)顯示屏向社會(huì)公眾提供預(yù)警服務(wù)與知識(shí)服務(wù)，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，宣傳防汛相關(guān)知識(shí)。通過(guò)App應(yīng)用，向基層防汛人員提供水雨情信息，推送防汛預(yù)警信息，為基層防汛工作提供信息支撐。

6 結(jié) 語(yǔ)

安徽省基層防汛預(yù)警平臺(tái)的設(shè)計(jì)與建設(shè)，整合了多維度的數(shù)據(jù)，并對(duì)各個(gè)維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，確保數(shù)據(jù)來(lái)源的一致性；實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)，提高了大數(shù)據(jù)的使用效率，實(shí)時(shí)監(jiān)控水情、雨情等數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了特定時(shí)間、特定地點(diǎn)、特定數(shù)據(jù)的分析，對(duì)防汛工作起到了良好的技術(shù)支撐；基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)，優(yōu)化了業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程，對(duì)防汛工作起到輔助決策作用，為防汛業(yè)務(wù)提供更好的應(yīng)用支撐；實(shí)現(xiàn)了多渠道的預(yù)警推送，讓預(yù)警信息更及時(shí)、更精準(zhǔn)的展示在目標(biāo)人群中。該平臺(tái)將信息技術(shù)與防汛業(yè)務(wù)相結(jié)合，提高預(yù)警精度，提前預(yù)報(bào)時(shí)間，擴(kuò)大預(yù)報(bào)范圍，提升了基層防汛監(jiān)測(cè)預(yù)警的現(xiàn)代化水平。