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 基于MAPGIS與人工智能的防汛指揮視頻會商支持系統  瀏覽次數:1806

 

1 總體思路

基于MAPGIS與人工智能的太原市防汛指揮視頻會商系統是一項大型信息系統工程,用于防汛信息的采集、傳輸、處理,以及防災減災決策支持和調度指揮。該系統含蓋水利工程技術、網絡技術、軟件技術、通訊技術、多媒體技術、數據庫技術等多學科內容,信息繁多、結構復雜。研制開發工作需要在切實可行的總體設計思路指導下順利進行。本課題組在充分研究分析現有素材的基礎上,提出了建設完善的防汛指揮視頻會商支持系統,包括信息數據庫系統、 GIS地理信息系統、洪澇險情預報系統等子系統的總體設計思路。具體內容如下:

①、建設合理、完善的防汛數據庫。能夠將各類防汛信息實時、完整地以各種格式進行收集、傳輸、整理、處理、存儲、調用和查詢等。

②、建立基于GIS的雨、水、工情基本地理信息錄入系統。

③、在數字化地圖上實現各類防汛信息的動態查詢顯示。

④、實現氣象、雨、水、工情信息實時自動傳輸。

⑤、建立自動化的可不斷細化的防洪預案決策系統。

⑥、完成太原市主要河流(附表所列)洪水預報計算模型的建立、實現汛期實時洪水預報和數值仿真。

⑦、在GIS數字化地圖上實現各種信息及預報的專題地圖,同時具有實時標繪功能,用于主要河流在汛期的洪水預報。

⑧、根據洪水預報結果,提供相關防汛搶險預案的查詢。

 

2系統功能

整個系統包含GIS管理系統、洪水預報系統、實時氣象系統、雨水工情系統、應急預案系統、防汛辦公系統、城市排澇系統、專題地圖系統、查詢系統、指揮系統、預案演示系統、用戶管理等12個子系統實現了信息采集和報送、信息接收和處理、數據深加工、預報預測分析、搶險調度決策、災情評估統計和救災對策分析、險情災情緊急事務處理、組織管理及日常業務處理等功能。利用現代GIS技術、衛星遙感技術和數據庫技術將各種防汛信息有效集成,實現實時信息傳遞及時、洪水預報準確、調度指揮優化、防汛管理可視,并內嵌防洪預案系統,將防洪預案與決策支持緊密結合等功能。具備智能作用,能自動生成多種圖表報告、能自動生成參考指揮方案,提供真正意義上的決策支持,真正做到了從被動預防到主動預防的轉變。

2.1 GIS 管理系統

GIS管理系統依托MAPGIS系統提供的二次開發接口,采用delphi語言的強大開發功能,在150000的地圖上實現了對太原市防汛信息的動態管理。主要收錄了太原市城區和各縣的河流、排退水渠、水庫、雨量站、緩洪池、淤地壩五大類信息。其中:河流48條;排退水渠9條;水庫20座;雨量站48個;緩洪池8個;淤地壩31個。具體實現了太原市基本概況;河流信息及其堤防信息;水庫及其工程信息;排退水渠、淤地壩、緩洪池信息;雨量站、水文站信息;防汛搶險隊伍信息;物資儲備信息;抗旱搶險隊伍信息;實時險情;防汛抗旱動態;河流及城市漬澇信息;工情:防洪工程布置圖、城市洪水風險圖、城市漬澇(積水)分布圖及其基本情況;排澇設施(雨水抽排泵站)分布圖及其基本情況;城市雨水管網圖及基本情況;易出險分布及其情況;搶險避險路線圖等所有防汛抗旱工作相關的基本信息的動態管理。

①、全市基本情況:包括全市的地理概況、社會經濟概況、氣象環境概況、總體防汛抗旱情況等;各縣(市、區)的地理概況、社會經濟概況、氣象環境概況、總體防汛抗旱情況等。

②、河流信息及其堤防信息:包括河流的基本情況、流域特征、河流水文特征、堤防建設情況、歷史險情、其他歷史資料、河流沿途雨量站及水文站、河道斷面、搶險通道等。

③、水庫及其工程信息:包括水庫的基本情況、流域情況、工程分布圖、工程技術指標信息、大壩剖面圖等基礎信息。

④、排退水渠信息:包括排退水渠影響范圍、斷面圖、水文信息、水位及斷面流量等相關信息。

⑤、淤地壩信息:包括所在位置、保土攔沙的性能、工程信息等基本信息。

⑥、緩洪池信息:包括所在位置、設計資料、蓄滯洪能力等信息。

⑦、雨量站信息:包括雨量站點所在河流、所控制河流區間、編號、傳輸方式等基本信息。

⑧、水文站信息:包括水文站點所在河流、控制點在河流位置等基本信息。

⑨、防汛搶險隊伍信息:包括機動搶險隊伍、專業搶險隊伍、群防隊伍、解放軍、武警、公安等搶險隊伍的基本信息。

⑩、抗旱搶險隊伍信息:包括各抗旱應急隊的信息及管理情況。

⑾、物資儲備信息:包括各級各縣區搶險物資類別、數量、存儲倉庫位置、調撥管理等信息。

⑿、實時雨、汛、旱情:包括收集實時的汛情旱情,存儲、編輯并被調用。

⒀、防汛抗旱工作動態:包括定期收集工作動態,編輯、調用查閱。

⒁、城市漬澇信息:包括城市易發生漬澇點的位置、面積、影響程度等信息,同時實現動態收集實時漬澇信息,編輯并被調用查閱。

⒂、工情:包括防洪工程布置圖、城市洪水風險圖、城市漬澇(積水)分布圖及其基本情況、排澇設施(雨水抽排泵站)分布圖及其基本情況、城市雨水管網圖及基本情況、易出險分布及其情況、搶險避險路線圖、城市抗旱水井布置圖等專題信息,結合GIS在地理信息地圖上標示,并將基本信息進入數據庫,對其管理維護修改,并可為洪水預報而形成專題地圖,且可實時編繪。

基本功能:建立了基本信息數據庫,具有信息的采集、傳輸,修改、填加、維護、管理、調用、統計報表等功能,實現了查詢方式多樣化和快捷化,查詢界面直觀化,數據庫內容可被其他模塊調用。

2.2 洪水預報

采用自主建立的水文數學模型,將采集下的實時的降雨量與已有的基本特征值相結合進行分析,對數據進行處理,計算洪水漬澇特征值以及分析漬澇特征,從而達到預報洪水和漬澇的目的。

2.2.1 建立以下各種水文計算模型:降雨分析模型塊、洪水分析模型塊,以及建立在降雨和洪水分析結果基礎上的工情分析模型塊。

特點:計算模塊的參數、模塊本身對于計算模型的部分預留了可編輯修改的功能,根據資料的積累,計算模型及其參數選擇應具有重新調整修改的功能。

2.2.1.1 雨情分析模型塊:將接收到的各測站實時雨量按照各測站之間的關系(具有共同控制范圍的雨量站的關系)進行統計分析,為水情預報提供準確的數據。提供雨量監測、雨量分布等信息,在電子地圖上實現基于GIS的雨情信息查詢、雨量動態監視、暴雨信息警示、雨量等值線、雨量等值面,并提供一系列的雨量報表、圖表統計等功能。具體模塊有:各站點雨量分析,各雨量站降雨脊背分析等,從而為預報提供數據,進而生成各測站的降雨量曲線等。

2.2.1.2 水情分析模型塊:建立了合適的各種水情分析計算模型,以河流為單位,結合河流上的雨量站雨量分析情況,分析計算河流上各斷面的水位流量、各斷面之間的水情演進、各斷面的洪水過程情況,分析洪水概率等。為在電子地圖上實現基于GIS的洪水及漬澇預報如:信息查詢、水位動態監視、汛情信息警示、并提供一系列的水位報表、報圖統計和報警等提供準確的分析數據。

2.2.1.3工情分析模型塊:利用數據分析模型塊分析計算的數據,結合工情的實際基本情況,對防洪設施的承受洪水情況進行分析,對工程受損后的影響范圍進行分析評估,為洪水預報提供準確依據。在電子地圖上實現基于GIS的河道信息的數據查詢和管理,并提供專題地圖,對其進行演示。

2.2.2洪水預報模塊

通過對雨情(自動接入和人工錄入)、水情和工情的詳細準確分析,進行比較,將分析、計算及評估的結果以文字、圖表、曲線專圖、專題地圖、圖像、動態演示等直觀的方式表現出來。可以隨時實現單條河流動態演示、多條河流同時動態演示、汾河動態演示等功能

包括:各雨量站降雨過程線、洪水過程線圖、斷面流量水位曲線、動態洪水演進、堤防淹沒范圍風險展示、洪水預報專題圖、洪水工情專題圖、漬澇情況專題圖等。為會商提供直觀的信息,從而提高會商結果的準確性。

對影響范圍進行評估,在地圖上可查詢到影響范圍及面積,相應范圍內情況,經濟損失等詳細情況;對漬澇情況分析,在地圖上可查詢到該漬澇點的影響范圍影響時間影響程度等情況。

2.2.3、漬澇預報模塊

通過降雨量信息,結合城市漬澇基本信息,以及實時漬澇情況,為會商提供基于GIS地理信息系統的漬澇專題地圖以及查詢漬澇相關信息:漬澇點分布圖、雨洪管網分布圖、排澇設施分布圖。同時,考慮漬澇點的時空分布不均,需要在專題地圖上進行實時標繪、或是實時擦除某漬澇點。

2.2.4、預報預警模塊

將洪澇預報結果數字化,與應急預案數據庫進行關聯。結合洪澇預報結果,進行預警預報,自動提供相對應的應急方案,并在電子地圖上高亮顯示報警信號,從而為會商提供輔助支持,提高決策效率。

2.3實時氣象系統

實現了衛星云圖和氣象信息自動采集、傳輸、瀏覽、查詢、實時編輯等功能。衛星云圖包括:紅外圖、立體云圖、雷達回波圖、可見光圖、水汽圖等信息。氣象信息包括:長期預報、短期預報、周報等信息。

①、信息采集:與已有的衛星云圖接收系統連接,傳輸最新的衛星云圖;以各種方式采集氣象預報信息并傳輸至本系統內。

②、云圖信息:瀏覽當前至12小時前之間所有云圖情況,云圖包括:紅外圖、立體云圖、雷達回波圖、可見光圖、水汽圖。

③、氣象情況:查閱最新氣象信息,并可根據預報進行實時編輯。

2.4 雨水工情系統

、雨量信息:接收數據、查看各雨量站接收到的實時數據,實現了所有雨量站數據的實時分析功能,包括日降雨量、月降雨量、年降雨量分析及相應的雨量走勢圖。以所在河流為劃分條件,將所有雨量站與其相關的河流關聯起來,實現了計算模塊對所有雨量信息的實時動態共享。

、水文信息:接受并可編輯實時水文數據和信息。

、實時監控工情:利用先進的監控系統得到并可隨意調用察看各斷面實時的水情、重要防洪工程工情、城市內積水漬澇點的實時情況。

2.5 應急預案系統

基于人工智能的防洪預案決策系統:實現了各類各級應急預案(防洪排澇應急預案、抗旱應急預案等)的細化,建立了應急預案數據庫,實現預案的規則化,與洪澇預報結果相關聯,為系統自動提供方案提供后臺支持。在該系統中可以編輯、添加、修改、刪除應急預案。在洪水演進中將智能啟動本系統中的相應應急預案。在系統自動提供相應預案同時,可根據汛澇旱情所在區域(縣(市、區)),提供完整的相應縣、區的防汛資料供選擇查看。根據某險情提示相應預案,同時提供該險情所在區(縣)的防辦位置、防汛機構職責、通訊錄、該區搶險隊伍信息、物資儲備信息等信息。

2.6 防汛辦公系統

本系統中包括防汛指揮部、工作通訊錄、工作動態、市防辦值班管理等信息。本部分涉及到防汛機構的職責和通訊等,可以獨立方便的進行檢索,同時與預案關聯。

①、各級指揮機構成員單位通訊錄

市級和縣(市、區)防汛抗旱指揮部成員單位通訊錄:市級防汛抗旱指揮部成員單位通訊錄,各縣(市、區)防汛抗旱指揮部成員單位通訊錄。

②、市防汛辦值班管理

市防汛辦防汛值班程序及其值班事項、值班排班表、人員通訊錄。

 

2.7 城市排澇系統

城市排澇系統實現對管涵、泵站、污水處理廠、緩洪池、積水點等基本信息進行增加、刪除、修改、查看、刷新、定位等功能。可以在圖上顯示或者隱藏每一類信息表示的圖標,對于積水點實現閃動功能,用于演示城市積水情況。

     

2.8專題地圖系統

專題地圖系統實現了對太原市暴雨漬澇積水點分布圖、太原市防洪工程及險工險段分布圖、太原市防洪排澇設施分布圖、太原市防洪搶險布置圖、太原市河道及防洪設施分布圖、太原市洪水風險圖、太原市雨量站分布圖、太原市河道斷面圖、太原市水庫分布圖等專題地圖的動態維護和動態調用。

2.9 查詢系統

     實現了組合查詢、模糊查詢、動態查詢、實時查詢等功能,可以利用數據庫查詢,也可以在圖上快速定位查詢。形式多樣、功能靈活。

2.10 指揮系統

    指揮系統實現了對整個系統所有數據和圖象、圖形等信息的調用功能,指揮系統可以靈活截取實時地圖,操作人員可以在截圖中勾畫講述城市的降雨、積水、洪澇等情況,講演完畢,截圖可以保存,以便隨時調用查看。

2.11 預案演示

    啟動預案演示,可以將會本系統細化的各類各級應急預案以PPT的形式播放

2.12 用戶管理系統

通過對用戶授權,實現對系統的系統化、合理化、安全化管理。不同的用戶,可以擁有不同的權限。本系統設定超級用戶(管理員)、市級用戶、縣級用戶、市級相關部門用戶等不同類型用戶。

①、系統嚴格設置權限,非權限范圍內之用戶,無法進入系統。

②、數據庫嚴格設置權限,非權限范圍內之用戶,無法進入數據庫。

③、凡進入系統者須輸入正確的用戶名和密碼。

④、管理員擁有最高權限,對非法進入者有權剔退出系統。

⑤、系統有自動記載數據庫使用的功能,對用戶的使用情況留有日志,作為后日復查之根據。

 

3 系統特色與創新點

本系統的最大特色是將完整的各類防汛信息的收集整理查詢、洪澇汛情實時準確預報、應對汛情的科學方案等主要功能集為一體,為防汛搶險會商決策提供科學依據和平臺。具體是:

①、 針對城市缺乏水文觀測資料的弱點,并考慮八條邊支河流和汾河上游多個排放流量的對河口水位變化的復雜影響,采用多變量綜合相關分析法研制河口水位預報方案,有效提高了洪水預報的精度和效率。

②、 綜合運用地理空間信息系統、計算機網絡應用、移動通訊和系統集成等先進技術,實現了基于網絡的信息采集傳輸與存儲、洪水預報、洪水調度、會商決策、移動GIS、自動化監控、信息發布等功能,構建起多個業務系統于一體的“數字防洪”綜合網絡應用平臺。

③、方便靈活的采集、管理、維護和查詢雨、水、工情等信息。包括雨水情、工情、氣象信息、河道、小水庫、主要街區等的防洪排澇調度方案、多媒體信息和防汛應急預案等在內的多種防汛信息。

④、利用模型分析數據達到預報洪澇汛情等的目的。對防汛基礎信息、實時氣象、雨、水、工、險情、洪澇災情等進行綜合分析,根據分析和計算結果,形成多種形式的分析圖表、專題地圖和動態演示,以達到洪水漬澇預報目的,為防汛指揮決策提供參考、為會商提供圖表、地圖和演示等直觀的信息。

⑤、根據綜合分析結果,自動進行災情評估和提供可能的應急方案,為防汛會商決策提供輔助性的支持。

本課題的最大成果是實現了太原市八條邊支河流和汾河的洪水實時動態演進和智能預警連動功能。

 

4結 語

本系統自投入運行以來,經歷了多場暴雨的考驗,系統較準確地預報了洪水過程和制定合理的調度方案及防汛部署方案,技術先進,運行穩定,實用性強。提高了我市水利地理信息資源的共享水平、數據集成水平和降低管理成本,提高了政府管理部門的行政、管理和服務能力,提高了我市防汛的決策水平和效能,促進本地區盡早實現水利管理現代化。同時具有相當的應用推廣前景。

 

 
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