流域水污染事故預警及應急響應系統(tǒng)整體框架設計

賴曉珍 賈 利陳煉鋼 施 勇

流域水污染事故預警及應急響應系統(tǒng)整體框架設計

賴曉珍1賈 利1陳煉鋼2施 勇2

1 引言

我國近年發(fā)生的環(huán)境事故中，水污染事故占52%～60%，列居首位。水污染事故具有不確定性、流域性、處理的艱巨性和危害的長期性，直接影響居民飲用水安全，易對區(qū)域經濟、社會穩(wěn)定構成威脅和損害，是典型的公共安全問題。《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中的重點領域“公共安全”明確提出“加強對突發(fā)公共事件快速反應和應急處置的技術支持，形成科學預測、有效防控與高效應急的公共安全技術體系，構建國家公共安全早期監(jiān)測、快速預警與高效處置一體化應急決策指揮平臺”。《水利發(fā)展“十二五”規(guī)劃》指出，當前水污染事件時有發(fā)生，嚴重威脅公共安全，而水利應急處理能力不足，需要健全應對嚴重自然災害和突發(fā)事件的能力。《水利科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃》指出水利信息化和防災減災領域需要重點突破和解決“極端水事件預警預報信息支撐技術”、“重大突發(fā)水事件的應急管理機制及對策”，為建立突發(fā)水資源事件應急調度與管理技術體系提供技術支撐。因此，以3S技術為支持、水質預警預報模型為核心、信息采集為基礎、網絡通訊為保障，建設面向管理和服務于決策的可視化動態(tài)應用型流域水污染事故預警及應急響應系統(tǒng)是非常必要的。

2 系統(tǒng)邏輯架構

依據(jù)決策指揮流程（情報活動—決策分析—決策實施），流域水污染事故預警及應急響應系統(tǒng)的邏輯架構應包括以下6層：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)存儲層、決策支持層和決策調度層，如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集層

作為整個系統(tǒng)基礎，數(shù)據(jù)采集層主要完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作。采集的數(shù)據(jù)源主要由實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和非實時的常規(guī)數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)形式構成。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸是整個系統(tǒng)的神經中樞，負責各類采集數(shù)據(jù)的有效傳輸。根據(jù)各類采集工作的地理位置、網絡環(huán)境現(xiàn)狀、緊急程度和所采集數(shù)據(jù)類型的不同，將視具體情況采用GPRS/GSM、北斗衛(wèi)星、水利專網和Internet網等多種方式互為備用，同時使用數(shù)據(jù)壓縮和加密技術，確保各類信息及時、有效、準確傳輸。

2.3 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理是將采集的信息進行加工處理,內容包括數(shù)據(jù)標準和格式的統(tǒng)一、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)導入及導出接口開發(fā)等項工作。按照數(shù)據(jù)性質的不同又進一步分為實時數(shù)據(jù)處理、GIS數(shù)據(jù)處理、遙感數(shù)據(jù)處理，同時通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)維護與更新等。

2.4 數(shù)據(jù)存儲層

數(shù)據(jù)存儲層基于大型商業(yè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，負責各類業(yè)務相關數(shù)據(jù)的存儲管理。根據(jù)流域水污染事故預警及應急響應的需要，按照數(shù)據(jù)性質以及服務對象的不同進行分類組織，設計10種類型的數(shù)據(jù)庫：地理空間數(shù)據(jù)庫、危險化學品數(shù)據(jù)庫、水文信息數(shù)據(jù)庫、水質信息數(shù)據(jù)庫、工情數(shù)據(jù)庫、應急資源信息數(shù)據(jù)庫、模型參數(shù)庫、文檔及多媒體數(shù)據(jù)庫、模型計算成果數(shù)據(jù)庫和專家知識庫。

2.5 決策支持層

決策支持層主要針對水污染事故預警及應急響應的業(yè)務需求，開發(fā)業(yè)務分析子系統(tǒng)。系統(tǒng)由若干功能服務模塊組成，提供模型計算、知識推理，共同解決水污染事故預警及應急響應中的結構化與非結構化問題，同時通過GIS可視化技術將模擬計算成果直觀展示。

2.6 決策調度層

決策調度層基于決策支持層提供的各類決策信息，利用監(jiān)控中心提供的硬件環(huán)境，為領導、專家和業(yè)務管理人員提供決策調度的支撐平臺，實現(xiàn)水污染事故應急管理的工作目標：水資源保護基礎信息的數(shù)字化管理、重大危險源辨識與預警、水質實時監(jiān)控與預警、事故源快速準確定位、污染物擴散快速預報預警、信息快速上報下達、應急監(jiān)測與處置方案快速制定、應急監(jiān)測與處置資源快速調配、事故后果科學評估、多元決策支持（定量模型計算與定性專家知識高度整合）。

3 系統(tǒng)物理架構

根據(jù)系統(tǒng)的邏輯架構，流域水污染事故預警及應急響應系統(tǒng)應由以下5個子系統(tǒng)組成：信息采集子系統(tǒng)、網絡通訊子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、業(yè)務分析子系統(tǒng)和監(jiān)控中心，同時在多個方面采用安全設計來保障系統(tǒng)的安全運行。系統(tǒng)物理架構如圖2所示。

3.1 信息采集子系統(tǒng)

信息采集子系統(tǒng)通過建設移動監(jiān)測與常規(guī)監(jiān)測體系，實時監(jiān)測水質的動態(tài)變化。其中，移動監(jiān)測通過配備應急指揮車、應急監(jiān)測船和相應的監(jiān)測設備，一方面能在水污染事件發(fā)生時，第一時間趕赴事發(fā)地點，跟蹤監(jiān)測污染物的推移變化，為水質預警預報提供更全面的實時信息；另一方面能對所管轄河段排污進行監(jiān)督巡查。常規(guī)監(jiān)測通過建設水質自動/人工監(jiān)測站，實時監(jiān)控主要斷面的水質變化，在未及時發(fā)現(xiàn)污染事件時通過分析水質變化趨勢進行預警。

3.2 網絡通訊子系統(tǒng)

網絡通訊子系統(tǒng)主要負責信息的傳輸與交換，一方面將信息采集子系統(tǒng)采集到的水質信息、GPS定位信息以及視頻圖像等傳輸?shù)奖O(jiān)控中心經過處理進入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；另一方面將決策會商確定的人員與設備的調度指令下達或傳達到對應的責任部門和責任人員，同時負責將事件的相關信息在有關部門之間進行通報以協(xié)調應急工作的展開。

3.3 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)主要負責存儲各類信息，一方面存儲系統(tǒng)業(yè)務分析所需的各類基礎數(shù)據(jù)；另一方面存儲系統(tǒng)業(yè)務分析成果。水污染事故影響的范圍大、涉及的專業(yè)領域廣，所需信息量相當龐大。根據(jù)水污染事故應急管理的需要，采用Oracle商業(yè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為系統(tǒng)運行過程中各類數(shù)據(jù)存儲和管理的平臺。

3.4 業(yè)務分析子系統(tǒng)

從服務應急管理工作需求出發(fā)，水污染事故應急管理業(yè)務分析子系統(tǒng)采用B/S與C/S混合結構，采用J2EE的SSH框架開發(fā)6個功能服務模塊：信息管理模塊、應急預防模塊、應急預警模塊、應急決策模塊、應急調度模塊、系統(tǒng)幫助模塊。

3.5 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心為水資源保護的信息管理和水污染事故的應急管理提供一個集數(shù)據(jù)匯集、處理、查詢、分析、顯示等多功能于一體的信息中心。中心主要建設內容包括信息收發(fā)及處理系統(tǒng)，大屏幕信息監(jiān)控系統(tǒng)，中心局域網及相關配套設施建設三大部分，實時監(jiān)控水質變化，同時在水污染事故期間作為應急響應的決策調度指揮中心。

3.6 安全保障

水污染事故應急響應管理工作對系統(tǒng)安全性有很高的要求，系統(tǒng)應能長時間持續(xù)穩(wěn)定運行，在出現(xiàn)故障的情況下能快速恢復。為此，系統(tǒng)將采用物理安全設計、系統(tǒng)安全防護設計和數(shù)據(jù)備份與恢復多重措施來充分保障系統(tǒng)的安全運行。

4 系統(tǒng)業(yè)務流程

在應對水污染事故時，系統(tǒng)需要完成污情、水情、工情等與事故應急響應相關信息的收集、整理；完成污染物推移擴散的預測預報、災情預測，依據(jù)決策目標和可使用的減污手段設計出一組實現(xiàn)決策目標的可行方案，分析每個可行方案的風險及后果；在認清事故形勢的基礎上，以損失最小等為目標，通過會商進行方案補充調整，定出滿意方案予以實施。系統(tǒng)業(yè)務流程如圖3所示。

5 結語

根據(jù)流域水污染事故預警及應急響應工作的需求，系統(tǒng)架構在邏輯上分為6層：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)存儲層、決策支持層和決策調度層；在物理架構上由5個子系統(tǒng)組成：信息采集子系統(tǒng)、網絡通訊子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、業(yè)務分析子系統(tǒng)和監(jiān)控中心。系統(tǒng)在應對突發(fā)水污染事故時，按照信息采集、信息傳輸、決策支持業(yè)務分析、決策會商和決策實施5個流程，調用相應的子系統(tǒng)和功能模塊，實現(xiàn)水污染事故應急管理的10個目標：水資源保護基礎信息的數(shù)字化管理、重大危險源辨識與預警、水質實時監(jiān)控與預警、事故源快速準確定位、污染物擴散快速預報預警、信息快速上報下達、應急監(jiān)測與處置方案快速制定、應急監(jiān)測與處置資源快速調配、事故后果科學評估、多元決策支持

1.淮河流域水資源保護局 233001 2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室 210029）