陳 華，徐 堅，盛 晟，劉 峰，馬能武，朱躍龍

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2.武漢大學計算機學院，湖北 武漢 430072； 3.長江空間信息技術工程有限公司，湖北 武漢 430010；4.河海大學計算機與信息學院，江蘇 南京 211100)

我國是世界上洪澇災害最為頻繁和嚴重的國家之一，洪澇災害對社會經(jīng)濟造成的損失占各類自然災害的首位。目前各類氣象、降雨、水位、歷史災情、衛(wèi)星遙感等海量數(shù)據(jù)監(jiān)測體系已初步形成[1-3]，但數(shù)據(jù)量過大、種類繁多且關聯(lián)性不強，無法為防洪決策提供直觀有效的信息。因此，如何綜合利用海量數(shù)據(jù)，掌握和理解防洪安全態(tài)勢，為綜合決策提供科學依據(jù)，從而減少洪澇災害損失，是亟待解決的問題。

態(tài)勢感知(situation awareness, SA)是指在特定的空間和時間中，對環(huán)境中各元素或對象的察覺、理解和預測。“態(tài)”是指有形的場景實體、事件和環(huán)境，需要通過“察覺”獲取信息；“勢”則是在準確“理解”了“態(tài)”的基礎上，通過“預測”獲取系統(tǒng)的發(fā)展方向[4]。隨著態(tài)勢感知理論的發(fā)展，其在軍事作戰(zhàn)指揮、網(wǎng)絡安全管理和電力系統(tǒng)安全管理等領域也形成了較為完善的理論體系且應用廣泛。軍事作戰(zhàn)指揮領域主要包括戰(zhàn)場態(tài)勢評估綜述[5]、態(tài)勢理解方法[6]、態(tài)勢預測方法[7]、態(tài)勢可視化[8-9]等，對于戰(zhàn)場形勢預估有重要作用。網(wǎng)絡空間態(tài)勢感知是指在網(wǎng)絡環(huán)境中，對各類要素的獲取、理解、可視化，并預測其未來發(fā)展趨勢的信息技術，具體包括網(wǎng)絡安全態(tài)勢評估綜述[10]、態(tài)勢理解方法[11]、態(tài)勢預測方法[12-13]、態(tài)勢可視化[14]等。

與戰(zhàn)場和網(wǎng)絡空間類似，流域可以看作復雜開放的系統(tǒng)。結合流域防洪安全要素的時空特征與關系，引入態(tài)勢感知理論方法，可準確把握防洪安全中各態(tài)勢要素的性質(zhì)，形成對未來防洪態(tài)勢發(fā)展的預估，最終滿足流域防洪安全管理需求。本文從基本概念、指標構建、圖譜建模和可視化等方面對流域防洪安全的態(tài)勢感知開展研究。

1 流域防洪安全態(tài)勢感知概念

“態(tài)勢感知”源于軍事需求，最初由Endsley[15-17]提出。態(tài)勢要素是指系統(tǒng)或場景中影響態(tài)勢變化的時空要素。態(tài)勢感知過程由察覺、理解和預測三部分組成，察覺主要是指系統(tǒng)獲取需要的態(tài)勢要素，并掌握各要素之間的關系；理解主要是對獲取的態(tài)勢要素的性質(zhì)和重要性開展綜合判斷，歸納形成系統(tǒng)獨特的理解；預測是指通過理解，形成對未來態(tài)勢發(fā)展變化趨勢的估計。

1.1 時空對象特征、關系與行為

從哲學領域來講，運動是物質(zhì)的根本屬性與存在方式，其具體表現(xiàn)形式是行為與存在[18]。時空對象的表達內(nèi)容包括特征、關系和行為，表達如下：

O={C,R,B}

(1)

式中：O——時空對象本體；C——時空對象特征，包含空間特征、時間特征、屬性特征；R——時空對象關系，包含空間關系、時間關系、屬性關系；B——時空行為。

行為代表時空對象的動態(tài)變化，與態(tài)勢感知中的“態(tài)勢”相對應，特征和關系的動態(tài)變化分別稱為特征行為和關系行為。單獨的時空對象本體描述一個系統(tǒng)中個體對象所處的狀況，可由一組測度表征。但單一的時空對象本體不能稱為態(tài)勢，系統(tǒng)中所有時空對象本體的集合共同構成態(tài)勢的概念。數(shù)據(jù)是傳感器產(chǎn)生的未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)，反映了大自然的觀測結果；數(shù)據(jù)通過有效性處理后形成的數(shù)據(jù)記錄稱為信息，是可以被利用的；通過信息，分析時空對象的行為，得到其特征和關系，形成對系統(tǒng)的理解，可形成知識；通過對知識的理解，分析時空對象對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，進行狀態(tài)評估，即可預測未來。這一映射過程如圖1所示。

圖1 對象與態(tài)勢感知的過程映射Fig.1 Procedure mapping of object and situation awareness

1.2 流域防洪安全態(tài)勢要素

流域防洪安全系統(tǒng)是開放復雜的巨系統(tǒng)，要素彼此關聯(lián)，相互制約。其態(tài)勢要素可初步劃分為水文氣象、社會環(huán)境、應急環(huán)境和應急組織4類(圖2)。其中水文氣象要素對于洪澇災害來說是致災因子，是洪澇災害產(chǎn)生的直接因素；社會環(huán)境要素是承災體，是水文氣象要素的作用對象；應急環(huán)境要素和應急組織要素則與應急救災對應，一個代表環(huán)境因素，一個代表人為因素，良好的堤防建設和救災設施，以及良好的防洪救災隊伍組織都可提高防洪安全性。

圖2 流域防洪安全態(tài)勢要素Fig.2 Situation factors of flood control security of river basin

2 流域防洪安全態(tài)勢指標體系

2.1 態(tài)勢指標體系構建

流域防洪安全態(tài)勢要素包含水文氣象、社會環(huán)境、應急環(huán)境和應急組織4大類，考慮水文氣象要素可構建相應的指標體系(圖3)：包括雨量、流量、水位以及庫容。首先通過態(tài)勢察覺，基于采集系統(tǒng)中的歷史和實時數(shù)據(jù)，探索觀測值的時序變化規(guī)律，通過模型訓練預報未來多時段數(shù)據(jù)，再基于矩陣分解算法挖掘水文數(shù)據(jù)的時空分布特征，進行點-線、線-面等空間轉換計算；然后通過態(tài)勢理解，基于觀測數(shù)據(jù)進行信息挖掘，計算與防洪安全主題密切相關的量值、風險等級、距平百分率等數(shù)據(jù)，形成態(tài)勢三級指標；最后通過態(tài)勢預測，由低級至高級，從站點到流域，由單一到綜合逐步計算態(tài)勢指標，得到一個綜合的態(tài)勢量化值，對應到相應的安全級別，為防洪調(diào)度及指揮提供參考。

圖3 流域防洪安全態(tài)勢指標體系Fig.3 Situation indicator system of flood control security for river basin

2.2 態(tài)勢指數(shù)計算方法

基于流域防洪安全態(tài)勢指標體系結構，按照從低到高的次序，逐層計算態(tài)勢指數(shù)：

(2)

式中：S3——三級指數(shù)；S2Z——站點二級指數(shù)；S2L——流域二級指數(shù)；S1——一級指數(shù)；ωk、λk、ξk——三級指標、站點二級指標、流域二級指標對應的權重；n3、n2、n1——各級指數(shù)的個數(shù)。

一級指數(shù)取值[0,10](保留一位小數(shù))：0～2.0優(yōu)；2.1～4.0良；4.1～7.5中，7.6～9.0差，9.1～10.0危。

2.3 三級指數(shù)的定義

a. 按照量值的大小，劃分量值態(tài)勢指數(shù)：

(3)

式中：X——某時刻的量值；Q1、Q2、Q3——歷史值的下四分位數(shù)、中分位數(shù)和上四分位數(shù)。

b. 風險等級態(tài)勢指數(shù)：挑選歷史場次洪水數(shù)據(jù)，繪制P-Ⅲ頻率曲線。根據(jù)GB/T 22482—2008《水文情報預報規(guī)范》[19]對頻率區(qū)間和風險等級的劃分標準，根據(jù)洪水特征值X的大小劃分風險等級態(tài)勢指數(shù)(表1)。

表1 風險等級態(tài)勢指數(shù)劃分Table 1 Classification of eigen value of risk levels

c. 距平百分率態(tài)勢指數(shù)Pa為

(4)

參照國家標準GB/T 20481—2006《氣象干旱等級》[20]，根據(jù)距平百分率劃分態(tài)勢指數(shù)：81%～100%為10；71%～80%為8；51%～70%為6；26%～50%為4；0～25%為2。專家廣泛打分后，形成權重庫，通過構建模糊判斷矩陣、去模糊化、層次排序、一致性檢驗等過程，可對指標權重進行率定，提高權重的準確度。

3 流域防洪安全態(tài)勢圖譜建模

基于時空對象特征、關系和行為，以及態(tài)勢理論本體的方法，結合UML統(tǒng)一建模語言，可構建態(tài)勢圖譜模型。目的是為了形成統(tǒng)一的概念，便于在計算機中統(tǒng)一映射和表達現(xiàn)實世界的態(tài)勢。

3.1 態(tài)勢圖譜分類

態(tài)勢圖譜是指研究對象某一局部或整體特性，及其時間、空間發(fā)展演變規(guī)律的圖形表達方式，由態(tài)勢底圖疊加感知表現(xiàn)圖組成(圖4)[21]。研究對象的物理特征疊加地理空間信息的圖形，稱為態(tài)勢底圖，分為：(a)地理信息圖，表示研究對象的地理環(huán)境；(b)研究對象圖，表示研究對象的功能特性、靜態(tài)特性、資源特性等。

圖4 態(tài)勢圖譜分類Fig.4 Situation map classification

感知表現(xiàn)圖包含感應圖、感知圖和預測圖。其中感應圖是對研究對象場景的直接反映；感知圖是對研究對象場景要素進行分析綜合后形成的間接信息；預測圖是根據(jù)分析后采用某種算法得到未來一段時間的預測值。感知表現(xiàn)圖可由多種形式表現(xiàn)，例如二維圖表、三維圖表、專題地圖、動態(tài)地圖等。

3.2 態(tài)勢理論本體

Kokar等[22]基于本體理論從邏輯上形成了統(tǒng)一的框架，將態(tài)勢感知的相關概念融入其中，認為人和計算機分別對現(xiàn)實世界有獨特的態(tài)勢感知流程，需要用一套基于本體的理論將二者綜合，融入統(tǒng)一框架中，也就有利于將態(tài)勢感知理論應用于決策支持系統(tǒng)中，提出了態(tài)勢理論本體(situation theory ontology, STO)的概念，并將涉及的類和屬性予以描述(圖5)，形成了抽象的體系。其中核心類為態(tài)勢類，與態(tài)勢緊密相關的包括關系類和個體類；個體類指態(tài)勢感知場景中的對象，關系類定義了個體之間的關系；為了提供一種推斷關系的方法，引入規(guī)則類；而屬性類是態(tài)勢感知理論中對于對象性質(zhì)的概括，一個屬性可以有一個與之關聯(lián)的維度，例如空間位置屬性可以用(x,y,z)這3個維度表達；極值類也是數(shù)值類的一種特殊化形式。本文將根據(jù)這一理論，采用面向對象的設計方法，將防洪安全態(tài)勢圖譜涉及的內(nèi)容抽象成計算機可以理解的類。

圖5 態(tài)勢理論本體類和屬性Fig.5 Ontological classes and properties of situation theory

3.3 態(tài)勢圖譜建模

態(tài)勢圖譜建模是利用UML語言對態(tài)勢圖譜相關對象的關系和邏輯結構進行關聯(lián)。在概念層次將態(tài)勢圖譜相關建模對象及其關聯(lián)抽象，將數(shù)據(jù)流依次從數(shù)據(jù)源抽取、態(tài)勢圖表達、態(tài)勢感應、態(tài)勢感知、態(tài)勢預測的全過程用UML類圖表達?？蓪⒏黝惞芾碇黝}、數(shù)據(jù)、可視化方法、預測算法在同一個面向對象的體系中關聯(lián)，便于態(tài)勢模型體系的形成及擴充，以及在計算機中的表達。

將傳感器記錄的數(shù)據(jù)通過有效性分析后形成信息，是態(tài)勢察覺的過程；通過理解形成知識就需要將信息按一定方式組織成為知識。數(shù)據(jù)是現(xiàn)實世界中時空對象的數(shù)字映射，是在計算機中構建態(tài)勢圖模型的基本要素。結合時空本體的概念，數(shù)據(jù)具有時間、空間和屬性3個維度特征。時間類型分為連續(xù)型時間(時間段)和離散型時間(時間點)，按時間可分為歷史態(tài)、實時態(tài)和未來態(tài)?？臻g類型可分為：(a)場模型(即柵格數(shù)據(jù)表達的模型)；(b)實體模型(即矢量數(shù)據(jù)表達的模型)，實體模型根據(jù)空間圖形的類型又可分為點、線、面。例如某雨量站的雨量可表達為點，某條河段的平均水位可表達為線，某流域的日平均雨量可表達為面。屬性類型和管理主題對應，例如降雨徑流管理主題的態(tài)勢圖包含的指標有降雨量、流量、水位等，而水庫入庫流量主題則包含入庫流量、水位等。部分UML模型見圖6。

圖6 態(tài)勢圖譜UML建模Fig.6 UML modeling of situation map

4 流域防洪安全態(tài)勢可視化方法與實例

4.1 態(tài)勢可視化要素

態(tài)勢圖表達的內(nèi)容包括特征和關系，其中特征包括時間特征、空間特征和屬性特征，關系包括時間關系、空間關系和屬性關系。

時間特征分為：(a)時間點，用來表示某一時刻；(b)時間段，用來表示某一時間段，可用起始和終止時間表示，常用來表示某一時間段的平均值?？臻g特征分為：(a)點，表達現(xiàn)實世界中的點狀地理要素，表示為三維坐標(x,y,z)；(b)線，表達現(xiàn)實世界中的線狀地理要素，表示為三維坐標序列；(c)面，表示現(xiàn)實世界中的面狀地理要素，表示為首尾閉合的三維坐標序列。屬性特征根據(jù)管理主題而定，包括降雨量、流量、水位、庫容、污染負荷、引水量、需水量、用水量、可供水量等屬性集合中的一個或多個要素組成的子集。

時間維度是線性連續(xù)的，因此采用先后順序表達時間關系。空間關系表達了空間數(shù)據(jù)之間的約束，常見的空間關系有：(a)拓撲關系：滿足拓撲幾何學原理的各空間數(shù)據(jù)間的相互關系；(b)順序關系：前后、左右、東南西北等；(c)度量關系：表示歐式空間和度量空間上的關系，包含長度、周長、面積、距離等定量的度量關系。屬性關系包括：(a)單一屬性關系：表示為強弱、大小等；(b)多屬性關系：可構建特征空間，采用多維度多層次聚類法提取。

4.2 態(tài)勢可視化方法

將數(shù)據(jù)以圖形圖像的方式表達出來，并提供友好的交互手段，建立人與數(shù)據(jù)之間的圖像通信，借助人們的視覺處理能力觀察防洪安全數(shù)據(jù)中隱含的信息，可進一步提高防洪決策人員感知、分析和理解流域防洪安全現(xiàn)狀和預測未來的能力[16]。對于二維圖表，采用常見的折線圖、柱狀圖、餅圖、散點圖、K線圖、雷達圖、熱力圖、關系圖等二維圖表來表達數(shù)據(jù)關系，例如用折線圖可表達降雨徑流關系(圖7 (a))；對于三維圖表，采用時空立方體、三維散點圖等三維圖表來表達數(shù)據(jù)關系，例如用三維散點圖可表達降雨中心遷移路徑(圖7 (b))；對于專題地圖，在地理底圖上按照地圖主題的要求，突出并完善地表示與主題相關的一種或幾種要素，可表達數(shù)據(jù)關系，地圖作為底圖，每個點位用時間序列柱狀圖來表達，可同時表達空間、時間和指標關系，例如用熱力圖疊加在地圖上表達降雨分布和轉移(圖7 (c))；對于動態(tài)地圖，即是具有動畫效果的專題地圖，可動態(tài)表達數(shù)據(jù)空間、時間和屬性的特征關系(圖7 (d))。

圖7 態(tài)勢可視化方法Fig.7 Visualization method of situation map

4.3 態(tài)勢可視化應用實例

丹江口水庫位于漢江中上游，是國家南水北調(diào)中線工程水源地、國家一級水源保護區(qū)、中國重要的濕地保護區(qū)、國家級生態(tài)文明示范區(qū)，因此丹江口水庫流域的防洪安全至關重要。課題組開發(fā)了流域防洪安全態(tài)勢管理平臺，包含防洪態(tài)勢圖、水情查詢、雨情查詢、洪水預報、氣象預報等模塊，其中防洪態(tài)勢圖模塊以動態(tài)地圖的形式構建丹江口庫區(qū)防洪安全態(tài)勢圖譜(圖8)。根據(jù)防洪安全態(tài)勢要素，選擇了必要的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)接入；按照態(tài)勢圖譜建模方法設計了類對象，貫穿整個系統(tǒng)從前端到后臺的設計；依據(jù)態(tài)勢圖譜分類方法設計了地圖層，包含態(tài)勢底圖和感知表現(xiàn)圖；根據(jù)態(tài)勢指標體系計算了各子流域的防洪安全態(tài)勢指數(shù)，并在地圖中表示。系統(tǒng)功能方面，時間軸功能設計為可暫停和自動播放，可查看當前時刻之前一段時間內(nèi)的實測值和一段時間內(nèi)的預測值，以及防洪安全態(tài)勢指標；在信息欄和地圖中均可動態(tài)表示庫區(qū)以及各子流域的降雨、流量、水位、庫容等防洪安全態(tài)勢指標。

圖8 流域防洪安全態(tài)勢管理平臺實例Fig.8 Situation management platform of flood control security for river basin

5 結 語

基于態(tài)勢感知的相關理論，本文探討了其在防洪安全領域應用的可能性，初步探討了與防洪安全相關的態(tài)勢要素、態(tài)勢感知過程、態(tài)勢指標體系、態(tài)勢圖譜構建、態(tài)勢可視化等理論方法，并以漢江流域(丹江口以上)，構建了防洪安全態(tài)勢圖譜，對態(tài)勢感知理論在防洪安全等領域的應用具有啟發(fā)和借鑒意義。未來可圍繞以下方面展開研究：

a. 目前態(tài)勢指標主要介紹了水文氣象要素，未來可將社會環(huán)境要素、應急環(huán)境要素、應急組織要素等納入，將流域防洪安全態(tài)勢指標體系逐步完善。

b. 通過匯聚更多的防洪安全數(shù)據(jù)和深度學習算法，采用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術，在態(tài)勢預測方面開展更多研究。

c. 本文從態(tài)勢理論本體展開，描述態(tài)勢圖譜構建的方法，具有一定的普適性，可不局限于防洪安全態(tài)勢感知，可擴展至水資源利用、水質(zhì)安全等領域。