黃蘭波，張秀峰，黃 凱，楊 陽

(1.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團有限公司，江西 南昌 330029；2.江西武大揚帆科技有限公司，江西 南昌 330029；3.南昌市水利安全監(jiān)測與預(yù)測預(yù)警工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

2020年6月入汛后，長江中下游的強降雨就進入“車輪戰(zhàn)”，短短一個半月時間，前后7輪強降雨輪番來襲?！俺?、“歷史同期最高”、“刷新歷史極值”，不少地區(qū)的河湖水位和降雨量不斷創(chuàng)下新高，多條河流水位迅速上漲，江西省面臨著自1998年以來最為嚴峻的防汛形勢。7月11日，江西省委書記劉奇在省防指主持召開的全省防汛工作調(diào)度會上強調(diào)，全省防汛工作已經(jīng)進入戰(zhàn)時狀態(tài)、關(guān)鍵時候。要始終堅持人民至上、生命至上、全力以赴做好防汛抗洪救災(zāi)工作。省防指、省應(yīng)急廳、水利廳已經(jīng)啟動防汛一級應(yīng)急響應(yīng)，要求各有關(guān)單位積極做好防汛工作。省、市、縣各級黨委政府高度重視。省水利廳緊密部署，水利廳先后派出200多名水利專家奔赴鄱陽湖一線支援抗洪救災(zāi)工作。

然而傳統(tǒng)防汛方式存在一些不足之處：①傳統(tǒng)的巡堤查險主要是靠人力，對防汛現(xiàn)場不方便到達的危險區(qū)域無法的及時排查險情；②傳統(tǒng)方式防汛后方指揮部與現(xiàn)場防汛專家溝通不暢，險情上報、處理情況等信息無法及時同步，后方指揮部不能及時高效的掌握實時險情導(dǎo)致人員、物資調(diào)度，決策、制定方案受阻；③傳統(tǒng)防汛工作中專家任務(wù)繁重，不僅要巡堤查險，處理現(xiàn)場險情，還要在休息時間寫文檔上報每日防汛工作內(nèi)容。

針對上述問題，中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團有限公司充分利用自身“水利專業(yè)化+信息化”的技術(shù)優(yōu)勢，在汛期期間開發(fā)了“智慧水利防汛會診系統(tǒng)”，并已經(jīng)成功應(yīng)用在各級水利主管部門，在防汛搶險中發(fā)揮了重大作用。

1 目標與內(nèi)容

1.1 建設(shè)目標

智慧水利防汛會診系統(tǒng)服務(wù)于各級水利主管部門，致力于解決防汛過程中前后方溝通不暢，信息共享不便，前方?jīng)Q策支持不足，后方?jīng)Q策、指揮、統(tǒng)計效率不足等問題。系統(tǒng)將大大加強前后方的聯(lián)動效率，減輕專家的工作強度，提高專家的工作效率，確保險情早發(fā)現(xiàn)、早處置、早化解，確保圩堤安全。為保障水利工程安全度汛提供有力的后臺技術(shù)支撐。

1.2 建設(shè)內(nèi)容

智慧水利防汛會診系統(tǒng)具備以下功能:①將江西省主要圩堤資料、實時水雨情、堤防險情、搶險人員及物資儲備等數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)；②專家們通過系統(tǒng)進行巡堤查險，發(fā)現(xiàn)問題可隨時向指揮后方按“管涌、流土險情，滲水險情，滑坡(脫坡)險情，風(fēng)浪險情，崩岸險情，裂縫險情，巡查通道不暢，陷坑險情，漏洞險情，穿堤建筑物險情，漫溢險情，其他”12種險情類型上報險情狀況以及處理情況；③對險情現(xiàn)場坐標進行采集，以圖片、視頻或語音的方式對險情進行描述，將圩堤所有的險情點及時收集、反映在一張圖上，對防汛搶險的各類情況做全方位的統(tǒng)計；④對現(xiàn)場不方便到達的危險區(qū)域，平臺可實現(xiàn)無人機數(shù)據(jù)實時回傳對接，方便防汛專家在后臺大屏綜合研判險情；⑤如現(xiàn)場遇突發(fā)事件，可利用“專家會診”模塊，通過圖像或視頻連線的方式，高效處理險情；⑥實時了解搶險人員及物資的儲備和運行情況，為搶險調(diào)配物資提供可靠信息。最終通過平臺形成“一鍵式”工作報告。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧水利防汛會診系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字視頻技術(shù)、3S技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等為依托的具有“水利專業(yè)化+信息化”特性的綜合性平臺。系統(tǒng)總體框架主要包括基礎(chǔ)設(shè)施層、共享服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層等部分組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)基礎(chǔ)設(shè)施層：主要包括數(shù)據(jù)感知和采集以及水利基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)感知和采集主要是用于采集各類數(shù)據(jù)信息，包括遙感數(shù)據(jù)、水情、雨情等監(jiān)測數(shù)據(jù)，視頻圖像數(shù)據(jù)、外部交換數(shù)據(jù)以及其他統(tǒng)計報送數(shù)據(jù)等；水利基礎(chǔ)設(shè)施包括網(wǎng)絡(luò)通信、計算存儲、網(wǎng)絡(luò)安全保障資源等。

(2)共享服務(wù)層：依據(jù)國家及水利部有關(guān)規(guī)范標準體系要求，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源的接入、接收與運行、維護、管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一標準、統(tǒng)一接收、統(tǒng)一管理、分布式存儲與集中數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)體系，通過資源服務(wù)支撐各類業(yè)務(wù)服務(wù)。

(3)業(yè)務(wù)應(yīng)用層：應(yīng)用層是建設(shè)的核心部分，結(jié)合當前的主流開發(fā)技術(shù)和防汛實際管理需求，建立智能監(jiān)視識別、預(yù)報、智慧預(yù)警、智慧決策、專家管理、險情處理為一體的業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件服務(wù)體系，為各級用戶提供統(tǒng)一的服務(wù)管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用和信息展示。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1基于Netty實現(xiàn)高可用消息服務(wù)中間件

智慧水利防汛會診系統(tǒng)使用Netty實現(xiàn)了一套高可用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)消息接收服務(wù)架構(gòu)，用來接收、發(fā)送、處理物聯(lián)網(wǎng)、socket等高并發(fā)應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)。Netty是基于Java NIO的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架，是一款優(yōu)秀的高性能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架，具有是異步通信，事件驅(qū)動的特點?？捎糜诳焖匍_發(fā)可維護的高擴展，高可用的基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的服務(wù)器和客戶端。整個框架的層次分為五層：消息客戶端、通用層、網(wǎng)絡(luò)通信層、消息服務(wù)器、以及存儲介質(zhì)。每個層次相互獨立，同時又相互協(xié)作。層次之間提供對應(yīng)的服務(wù)接口調(diào)用：消息服務(wù)器通過調(diào)用消息持久化模塊的接口來實現(xiàn)消息的存儲與刪除；消息接收與投遞模塊通過使用網(wǎng)絡(luò)通信模塊的接口，來實現(xiàn)底層的通信傳輸；服務(wù)器提供獲取與保存訂閱關(guān)系的接口。

2.2.2基于WebGIS實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合的防汛、搶險一體化的一張圖

智慧水利防汛會診系統(tǒng)采用 WebGIS作為應(yīng)用集成的主要技術(shù)手段，搭建了多源數(shù)據(jù)融合的防汛、搶險一體化綜合一張圖。一張圖整合接入了江西省主要圩堤資料、實時水雨情、堤防險情實時語音、搶險人員隊伍分布、物資分布等、人員巡查軌跡、無人機直播、視頻會商等數(shù)據(jù)。使之成為整個系統(tǒng)的綜合決策、指揮、調(diào)度的門戶入口，實現(xiàn)信息共享、實時指揮、支撐決策。

2.3 關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程

防汛專家使用APP系統(tǒng)進行巡堤查險，對險情現(xiàn)場坐標進行采集，以圖片、視頻或語音的方式對險情進行描述，將圩堤險情點和處理情況及時收集并發(fā)送給防汛抗旱指揮部。這些數(shù)據(jù)會即時反映在一張圖上，方便指揮部在后臺綜合研判險情。對現(xiàn)場不方便到達的危險區(qū)域，防汛專家可使用無人機巡堤查險并通過移動APP系統(tǒng)實時傳輸數(shù)據(jù)、視頻到防汛抗旱指揮部。各級防汛抗旱指揮部也可利用系統(tǒng)中視頻連線的功能直接與防汛一線的專家進行視頻連線，高效處理險情。在完成了日常巡堤查險任務(wù)后，防汛專家們可通過后臺管理系統(tǒng) “一鍵式”導(dǎo)出工作報告，既提高了專家的工作效率，也降低了工作強度。最終確保防汛工作高標準、高質(zhì)量、高效率。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

智慧水利防汛會診系統(tǒng)實現(xiàn)包括移動端(APP和小程序)，后臺管理系統(tǒng)，GIS一張圖三部分。主要功能如下。

3.1 防汛會診匯總大屏

防汛會診匯總大屏是為了直觀、全面地展示防汛搶險過程中的主要工作內(nèi)容及重要關(guān)注事項。包括險情情況、防汛搶險知識庫、視頻信息、新聞動態(tài)、險情數(shù)量以及分類統(tǒng)計、水位監(jiān)測、雨量監(jiān)測、防汛巡查、智能巡查、隨時拍、簽到打卡等以圖表形式進行直觀的統(tǒng)計并展示。

3.2 GIS一張圖

GIS一張圖主要包括險情實時播報、險情查詢、險情統(tǒng)計、人員布置統(tǒng)計、人員物資分布圖、災(zāi)后高清影像、視頻連線、無人機直播，回放、水雨情實時信息、三維傾斜攝影等功能。

3.3 即時水情

主要實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測預(yù)警記錄的匯總、整理、可視化展示和查詢等應(yīng)用。主要包括水位、雨量、流量、圖像、閘門、視頻監(jiān)測。

3.4 防汛管理

防汛管理主要包括巡查管理、專家巡查、無人機巡查、簽到打卡、隨手拍、險情管理、專家考勤日歷、專家排班、專家防汛物資管理、知識庫等功能。

3.5 移動端(APP和小程序)

移動端模塊包括主頁、工作臺、一張圖、消息、我的。

(1)主頁：綜合展示了逐年以及不同工程類型的險情情況統(tǒng)計、防汛工程出現(xiàn)情況統(tǒng)計、險情類型統(tǒng)計、險情數(shù)量統(tǒng)計。

(2)工作臺：防汛開展防汛工作的主要界面，包括防汛巡查、險情補錄、險情審核、專家會診、專家排班、無人機巡查、工程導(dǎo)航、坐標拾取、物資管理等功能。

(3)一張圖:將防汛相關(guān)地理數(shù)據(jù)按基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在一張圖上進行綜合展示。

(4)消息:系統(tǒng)按照用戶畫像推送給對應(yīng)專家的水雨情、現(xiàn)場險情、代辦任務(wù)等信息、

(5)我的:我的模塊包括專家個人上報的險情情況、巡查記錄、隨手拍記錄、專家通訊錄等功能。

3.6 其他

包括基礎(chǔ)信息、水情管理、系統(tǒng)管理等。基礎(chǔ)信息主要包括工程基礎(chǔ)信息、專家信息、測站信息、視頻信息、無人機信息等功能；水情管理主要包括歷史水情數(shù)據(jù)、水情日、月、年度報表及導(dǎo)出功能；系統(tǒng)管理主要包括系統(tǒng)人員管理、角色管理等功能。

4 結(jié)語

2020年防汛期間智慧水利防汛會診系統(tǒng)累計用戶達6000人，同時在線用戶超千人，200余名省級專家使用系統(tǒng)巡堤查險。系統(tǒng)有效提高了水利工程防汛搶險效率，但在“主動防汛”、“提前預(yù)警”等方面存在不足。下一步將在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，完善和建設(shè)以下內(nèi)容：①研發(fā)基于仿生機器狗的堤防險情巡查裝備，研發(fā)基于圖形、溫度場、力學(xué)傳感變化等多元數(shù)據(jù)的險情智能識別技術(shù)，實現(xiàn)常見險情的自動識別，逐步代替部分傳統(tǒng)人工巡堤查險；②利用大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術(shù)，對歷史險情數(shù)據(jù)進行研究分析，爭取在“主動防汛”、“提前預(yù)警”方面進行突破。