基于物聯網技術的突發水污染事件應急決策指揮體系構建

郭 爽，龍 巖，李有明，楊藝琳，龍 策

（1.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056038；

2.河北工程大學河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038；3.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038；4.天津大學建筑工程學院，天津 300350；5.河北省易縣第三小學，河北 保定 074200）

隨著經濟和社會的迅猛發展，環境污染突發事件也頻繁發生。水是人們生活不可缺少的資源，水污染對人類環境的健康可持續發展帶來嚴重威脅[1，2]，同時突發水環境問題引發的群體性事件呈顯著上升趨勢，引起國外廣泛關注[3，4]。我國2014年國務院更新發布的《國家突發環境事件應急預案》，從法規層面對防止突發環境污染事件做出明確規定[5]，對當前形勢下如何科學建立突發水污染事件應急決策指揮系統、進行快速高效地應急管理提出了更高要求。

目前國內已有不少學者針對突發水污染事件應急管理進行研究并提出一些有效措施，如，封桂敏[6]以黃河寧夏段為研究對象，模擬豐、枯水期的突發性水污染擴散過程；魏澤彪[7]針對突發水污染事故進行多工況仿真模擬，提出應急調控方案；郭龍[8]針對不同類型污染物，研究不同處置裝置下的水力學特性，提出相應處置方案；穆杰[9]基于DPSIR 模型構建了突發水污染事件風險等級評價方法；龍巖[10]開展了閘門調控下污染物輸移擴散規律及污染物快速識別的研究；王浩[1]從模擬、評價、預測、調控和處置5個方面建立了突發水污染應急調控與處置技術體系；史斌[5]構建水污染動態預警監測模型并分析了應急處置工程風險的研究。

雖然針對突發水污染應急事件的應急管理，特別是在預警評價、調控處置等方面的研究在最近幾年發展迅速，但由于突發污染事件本具有較多不確定性，應急指揮調控管理涉及多方面多部門，在實際工程應用依然存在較多局限，主要包括：①缺乏對突發水污染事件的快速監測種類識別及精確定位的研究；②事故風險等級的評估，缺乏動態評價模型；③缺乏信息快速反饋給相關部門的技術手段；④事故處理后的監控反饋較慢，導致社會危害或影響較大等。因此，急需加強污染物在線實時監測，污染源精準識別定位傳輸網絡，污染物擴散動態監控、風險識別評估，動態預警等相關研究和應急決策指揮體系的建設。

物聯網技術是在信息技術迅猛發展的大好形勢下應運而生的。我國也將物聯網作為戰略性的新興產業予以重點關注和推進[11]。2018年3月5日，李克強總理在“兩會”工作報告中再次指出：推動大數據、云計算、物聯網廣泛應用，加強新一代人工智能研發應用，政府的高度重視突顯出整個物聯網大產業的活力與潛力[2]。就目前而言，物聯網技術在醫療服務領域[12]、環境監測領域[13]、工程安全管理領域[14]等都已經得到快速且廣泛的應用[15，16]。根據麥肯錫全球經濟研究所預測，到2050 年，物聯網技術對全球經濟影響估計值在2.7萬～6.2 萬億美元[17]。

將物聯網技術引入突發水污染事件應急決策指揮體系中，初步融合形成各處應急信息采集點的整體信息處理系統，通過整合感知層各相關方面的信息，在專家知識庫和模型技術庫的支持下，進行預警預報和應急管理。構建基于物聯網技術的突發水污染事件應急決策指揮體系，對于完善和健全我國水環境應急響應系統具有較高的理論意義和實踐價值。

1 物聯網技術與突發水污染事件概述

1.1 物聯網技術

“物聯網概念”是在“互聯網概念”的基礎上，隨著智慧地球的概念而提出的。物聯網技術的總體架構分為感知層、傳輸層、應用層，具有全面感知、可靠傳送、智能處理等特征。其中，感知層是物聯網的核心、信息采集的關鍵部分，主要包括RFLD、水質水量傳感器網絡等，將浮標、固定監測臺站、移動監測車船、衛星遙感、水下仿生機械人、視頻監控等大量的感知節點散布在監測區域內進行監測[15，17]，主要功能體現在：①高效化；②智能化；③互聯化[18，19]。

物聯網技術（LOT技術）契合了水安全保障的國家重大需求，在我國水利行業已逐步開展廣泛的應用實踐。蔣云鐘等[11]提出基于物聯網技術構建國家河湖系連通工程，為實現水質調控自動化、信息化、智能化、業務化的物聯網系統提供了理論支撐；馬朝[20]從軟件和硬件不同角度，探討了物聯網技術在水文監測信息系統中的作用；丁春梅[21]等根據水體產生黑臭現象的機制，選擇多種監測指標，構建基于物聯網技術的水質自動監測網；而目前針對突發水污染事件的物聯網聯動應用技術還未見相關研究。

1.2 突發水污染事件

突發水污染事件發生突然，影響水資源有效利用，使經濟、社會正常活動受到嚴重影響，水生態環境受到嚴重危害，帶來不良的社會影響[22]。通常突發水污染事件的發生，前兆不充分、誘因不明確、難以預料，情況緊急且較難控制，處理過程較為復雜，一旦處理不當，危害嚴重，損失慘重，短時間內很可能造成水源的污染、沿線全面停水等問題，易對社會的生產生活造成巨大的影響與危害[23]。其特征表現為：①形式多樣性；②發生突然性；③危害嚴重性；④處理艱巨性；⑤影響時間長。事發緊急要求短時間內做出及時正確有效的決策，時效性強，如何科學建立快速高效的應急決策指揮體系成為一個亟待解決的問題。

1.3 常規突發水污染應急決策指揮體系

在常規的應急決策指揮體系（如圖1 所示）中，通過水質監測數據或人工巡檢上報異常情況，對可能導致突發環境事件的信息進行逐級上報。按照事件發生的可能性大小、緊急程度和可能造成的危害程度，對突發環境事件進行評價診斷和預警分級，上級部門審批并通報同級相關部門和單位進行決策，啟動應急模式，通過“追蹤溯源—快速預測—水質預警—應急調度”后采取有效的處理處置措施。

應急調控指揮體系的服務對象是應急指揮機構，負責事故的接警、應急方案的啟動、應急過程的整體統籌和指揮以及后勤保障等任務，由應急指揮決策機構、現場應急處理及后勤保障3個部分組成。事件應急處理期間，各級運行管理部門都有職責參與應急救援，根據各自職能特點和現場應急需要，成立7 個應急專業組，包括水質監測組、調度組、現場處置組、后勤保障組、新聞宣傳組、綜合信息組、專家組，其職責分別為各自專業相應的相關響應內容[24]。

圖1 常規突發水污染應急調控與處置流程[1]

2 基于物聯網技術構建突發水污染事件應急指揮體系

從突發水污染事件的特征出發，基于集合應對平臺，對相關因素（包括突發水污染事件的主題、信息、過程）進行系統分析，利用知識拓撲圖（知識圖）、組件按照應急管理業務和流程，逐步實現應急預案的可視化、自動生成功能和應急預案的快速修改與制定，為應急決策及水污染事件處理、各層用戶應對提供支持。綜合考慮環境、安全、經濟等多方面的因素，同時將物聯網技術應用在數據收集和處理的任務中，以構建高效、優化的突發水污染事件應急決策指揮體系（六步法）：信息識別—定位追溯—調控管理—信息跟蹤—效果定位—后續調控管理，其框架如圖2所示。

圖2 基于物聯網技術的突發水污染事件應急決策指揮體系框架

（1）信息識別。信息識別為應急指揮體系直接提供信息資源的采集和匯總，主要是通過在線智能監測，利用無人機、水下仿生機器人、移動水質監測車（船）等設備從污染事故區獲取數據，監測數據包括：污染事件的在線監測、事故區域的形狀尺寸和水力條件、發生事故時的氣象數據、周圍環境及人口分布情況，該層定義為數據層。

（2）定位追溯。定位追蹤主要包含分析層和存儲層。通過對數據層中的數據進行預處理，然后再結合分析層中的動態評價模型、實時預報模型和綜合調度模型，對污染物進行追蹤溯源、事件風險等級確定以及污染范圍預測；最后結合存儲層中的應急決策支持庫、應急處置信息庫和實時監測數據庫提出相應的調控策略。

（3）調控管理。調控管理過程主要包括決策層和應用層。其中，風險識別及評估、調控及處置方案為決策層的內容，主要是對存儲層和分析層中的信息資源進行挖掘提取，為信息應用提供基礎和依據，尋找最優的調控處置方案。而應用層的主要作用在于將決策層中分析的有效信息進行直觀傳遞，例如把風險等級及調控處置方案，通過可視化技術的人機交互界面展現在計算機顯示屏上，給決策指揮部門領導人提供參考；并根據現場反饋信息進行實時更新，給各執行部門下達指令，進行污染事件的應急調控及處置，該層主要內容包括2個方面：決策通知指揮和有效信息傳遞。

（4）信息跟蹤。信息跟蹤主要是對數據層中實時監測的調控后的水質情況、經濟損失數據及環境破壞數據進行預處理，為下一步的分析提供數據支撐。

（5）效果定位。效果定位主要是通過分析層中調控后的評價模型對跟蹤獲得的數據進行評價，確定該調控處置方案的效果，為下一步的工作提供信息支撐，是一個信息集成分析評價以及再決策的快速動態聯動環節。

（6）后續調控管理。后續調度管理包括決策層（恢復通水和調節閘門）和應用層（決策通知指揮和有效信息傳遞），該過程主要是對調控后的效果進行分析，以確定是恢復通水還是繼續調節閘門，然后將決策層中獲取的信息以圖像和文字的形式出現在計算機顯示屏上，給決策指揮部門領導人提供決策參考。

3 突發水污染事件應急指揮體系的情境模擬

情景模擬是在常規方式的應急指揮體系中，引入物聯網技術，以最大程度地提高對險情信息收集處理效率，并加強不同組織部門之間的協調性，同時運用多源信息融合技術及計算機人工智能，實現對事故信息的快速收集、分析處理、信息發布以及信息反饋。①信息收集。通過在線監測設備（包括GPS水質監測傳感器，水下機器人等）獲取污染事件的基本信息，包括得知事故發生的時間、污染位置、監測的濃度、事故渠道的幾何尺寸和水力條件、當時的氣象數據、周圍環境及人口分布情況。②信息處理分析。對收到的信息進行預處理，然后將信息在線遠程傳輸到服務器，利用實時預測模型確定污染源的位置及總量，然后利用動態評價模型對突發水污染事件的風險程度進行判定，結合已有的應急決策支持數據庫和應急處置數據庫，迅速提煉出有效的建議措施。③信息發布。結合《國家突發環境事件應急預案》等相關規章規范的要求，進行風險識別劃分，例如將污染事件分為特大事故、重大事故、較大事故與一般事故。通過物聯網技術將信息有針對性同步地反饋給相關管理部門，并利用可視化技術對事件進行實時跟蹤，借助物聯網平臺可進行在線會商討論決策。④信息反饋。由有關管理部門在線發布指令進行調控處置，并通過物聯網保證繼續對處置后的水體、經濟、環境的影響進行實時跟蹤，利用調控后評價模型進行再次評估，將信息快速反饋給相關部門，最終確定恢復下一步調度方案。

目前，水資源分布的不均勻性和人類社會需水的不均衡性使得長距離輸水成為必然。在長距離輸水工程中，水質安全是輸水工程發揮經濟效益和社會效益的重要保障[25]。針對不同種類的污染物進行智能決策并采取應急措施是快速有效處理此類事件的核心和切實需要。選取南水北調中線工程，分別利用常規方式下與優化后的應急指揮體系對突發水污染事件進行情景模擬。

3.1 基于物聯網技術的應急決策指揮體系優勢

（1）常規方式的應急決策指揮體系，在事故發生時，由地方管理處的監測部門上報，監測手段一般為人工巡檢，人工巡檢有一定周期，不能在第一時間發現問題，反應時間較長；而基于物聯網技術的應急決策指揮體系是地方管理處利用在線監測技術對管理地區的水污染數據進行在線收集，發生突發水事故時負責的地方管理處即可立刻收到通知，第一時間即可傳達到負責該區域的南水北調中線的建管分局，再由建管分局傳達至建管總局。

（2）常規方式的應急決策指揮體系，在事故發生后，地方管理處需要安排工作人員去確定水事故發生位置，并需測定污染物種類及濃度，過程較復雜；而基于物聯網技術的應急決策指揮體系可以通過智能在線監測系統追根溯源確定水事故發生位置，并確定實時污染物數據。

（3）常規方式的應急決策指揮體系，在事故發生后，需要根據人工確定的現場情況由應急決策部門確定應急處理方案，這樣確定的方案可能缺乏一定準確度；而基于物聯網技術的應急決策指揮體系可以在事故發生時根據污染區域實時數據進行風險分析，確定風險等級并根據系統儲存的信息先確定出幾套處理方案再由應急決策部門確定處理方案。

（4）常規方式的應急決策指揮體系，在決策指令完成預警解除后，還需要進行數次人工測定處理過后的水事故發生現場的各項指標數據來確定是否可以恢復渠道正常通水；而基于物聯網技術的應急決策指揮體系可以隨時獲取處理過后的各項現場指標數據，及時反饋給上級，并帶入系統調控后評價模型來確定是否可以恢復渠道正常通水，更加準確方便快捷。

3.2 情景設置

假設在某日12時30分，南水北調中線總干渠河南到河北段的某公路橋處發生車輛突發交通事故導致車輛翻入調水干渠，車輛所載物質為1 t不可降解物。事故發生時水污染處渠道輸水流量為50 m3/s。在應對突發水污染事故時，常規方式的應急決策指揮體系和基于物聯網技術的應急決策指揮體系應急流程時間線對比如圖3所示。

圖3 中線工程突發污染事件情境下常規方式與基于LOT技術的應急決策指揮體系流程對比

3.3 實際影響

（1）對生態環境影響。利用基于物聯網技術的應急決策指揮體系應急處理事故相比于常規方式的應急決策指揮體系的前期反應時間明顯減小，有效減少污染物擴散面積，減少生態環境污染。

（2）對經濟影響。基于LOT 技術的新體系首先減少人工巡檢所需費用，其次從事故發生到預警解除相比于傳統體系處理時間縮短了半小時，按河北省石家莊市當地居民基本水價為2.9 元/m3計算，渠道輸水流量為50 m3/s，可以得出少棄水水量為90 000 m3，可減少直接經濟損失約26萬元。同時，也可減少對下游綠化和農作物影響造成的經濟損失。

（3）對社會影響。突發水事件導致南水北調中線工程主渠道供水地區用水產生問題，水量和水質都會產生影響，影響當地居民和工廠用水安全；同時，還會造成動植物死亡，影響下游農作物生長甚至是產生有毒的農作物，影響當地居民的心理健康。基于LOT技術的新體系的快速反應處理可有效減少污染物擴散的范圍，盡快地使渠道恢復正常通水，減小對社會的影響。

4 結論

根據突發水污染事件特點和常規方式應急指揮體系的局限，以當下“智慧水利”為背景，融合物聯網技術構建了一套全新高效的應急決策指揮理念體系，該體系具有如下特點：①系統采用風險評價模型，內置應急調控及處置預案，利用先進技術實時在線監測，可科學、準確判斷出水污染突發事件的風險等級并給出對應的應急預案；②系統利用物聯網技術將采集的監測數據經加工處理后，把有效信息直觀展示給決策者以便制定有效的應急方案，同時將應急方案層層傳達至直接執行單位，可有效縮短事故反應時間、提高各管理部門協調合作能力，及時制止污染事故的進一步惡化。