黃河智慧防凌云平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究

徐路凱 李書(shū)霞 于國(guó)卿

摘 要：顯著的緯度差和特殊的氣候條件，使得黃河凌汛災(zāi)害成為我國(guó)冬春季節(jié)大江大河中最突出、最重大的自然災(zāi)害，并具有孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜、突發(fā)鏈發(fā)性強(qiáng)和防控難度大等特點(diǎn)。當(dāng)前針對(duì)黃河凌汛問(wèn)題的網(wǎng)絡(luò)信息化普遍存在平臺(tái)功能較為單一、數(shù)值仿真參與度低、凌情數(shù)據(jù)獲取來(lái)源以及獲取手段受局限、缺乏全鏈條全過(guò)程動(dòng)態(tài)智慧化管理等問(wèn)題。針對(duì)當(dāng)前存在的問(wèn)題，面向黃河防凌安全的現(xiàn)實(shí)需求，提升黃河防凌減災(zāi)智慧管理能力，設(shè)計(jì)基于云計(jì)算服務(wù)的黃河智慧防凌云平臺(tái)。該平臺(tái)以“數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)構(gòu)建—模型集成耦合—云端仿真計(jì)算—虛擬現(xiàn)實(shí)展示”為技術(shù)主線，整體采用3層架構(gòu)，其中計(jì)算服務(wù)層由以Docker容器技術(shù)為平臺(tái)的防凌模型庫(kù)提供強(qiáng)大的虛擬計(jì)算環(huán)境。集成開(kāi)發(fā)凌情監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)警、凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估、凌汛災(zāi)害情景推演、水庫(kù)群與分凌區(qū)聯(lián)合防凌調(diào)度和凌災(zāi)防控決策支持方案優(yōu)選等功能模塊，覆蓋凌汛災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)管理、調(diào)控決策和效果評(píng)估等全過(guò)程。

關(guān)鍵詞：智慧防凌;云平臺(tái);模型集成;容器技術(shù);黃河

Abstract：Due to the difference in latitude and special climatic conditions， the flood disaster of the Yellow River is the most prominent and significant natural disaster in the big rivers in China. The Yellow River ice flood is characterized by complex disaster environment， strong burst chain and great difficulty in prevention and control. At present， the network information platform generally exists many problems， for an example， single function， low participation in numerical simulation， limited data source acquisition and lack of dynamic intelligent management. In the face of these real demands， this paper designed the ice flood of the Yellow River intelligent platform based on cloud computing service. The technical route of the platform was “Data warehouse construction-Model integration coupling-Cloud simulation computing-Virtual reality display”. The computing service layer provided a powerful virtual computing environment for the platform's model library by Docker container technology. The functional modules of the platform included monitoring and disaster early warning， dynamic assessment of ice flood risk， scenario development of flood disaster， combined ice-prevention operation of reservoir group and ice flood diversion area， optimization of decision support scheme for disaster prevention and control. The function covered the whole process of disaster chain. It had important application value for the establishment of efficient and scientific natural disaster prevention system.

Key words： intelligent ice flood control; cloud platform; model integration; container technology;Yellow River

1 前 言

近年來(lái)，黃河凌汛河段多次發(fā)生決口，給沿黃地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的影響。顯著的緯度差和特殊的氣候條件，使得黃河凌汛災(zāi)害成為我國(guó)冬春季節(jié)大江大河中最突出、最重大的自然災(zāi)害，具有孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜、突發(fā)鏈發(fā)性強(qiáng)和防控難度大等特點(diǎn)[1-2]。

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的科研人員嘗試運(yùn)用信息化手段來(lái)解決黃河凌汛的突出問(wèn)題，在黃河凌情監(jiān)測(cè)、凌災(zāi)預(yù)警預(yù)報(bào)、防凌應(yīng)急管理等方面取得了較大進(jìn)展。例如：黃委信息中心于2018年開(kāi)發(fā)的防凌會(huì)商決策支持系統(tǒng)是一種用于防凌調(diào)度決策的重要非工程手段，系統(tǒng)集成相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合“黃河一張圖”，建立會(huì)商會(huì)議管理、防凌會(huì)商主題信息組織、防凌會(huì)商匯報(bào)、會(huì)商結(jié)果管理四大會(huì)商模塊，快速收集、準(zhǔn)備相關(guān)凌情及工程等詳細(xì)信息，為防凌會(huì)商決策提供支撐，確保防凌會(huì)商決策科學(xué)、及時(shí)、高效[3]。黃委信息中心許志輝等開(kāi)發(fā)的黃河凌情遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建凌情信息解譯模型和信息服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的快速化獲取、自動(dòng)化預(yù)處理、海量化存儲(chǔ)和管理，為黃河防凌決策提供信息保障[4]。內(nèi)蒙古防汛部門(mén)開(kāi)發(fā)的內(nèi)蒙古黃河防凌防汛決策支持平臺(tái)，功能包括地理信息、河道監(jiān)測(cè)與決策支持等。其凌情信息服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了凌情遙感監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀信息、封河前后對(duì)比信息、歷史凌情信息、河道槽蓄水量分布、堤防偎水、典型凌情事件等信息服務(wù)，集成沿河分布的各類(lèi)固定點(diǎn)視頻圖像和水雨情等信息。但是，當(dāng)前的研究成果普遍存在平臺(tái)功能較為單一、數(shù)值仿真參與度低、凌情數(shù)據(jù)獲取來(lái)源以及獲取手段受局限、缺乏全鏈條全過(guò)程動(dòng)態(tài)智慧化管理等問(wèn)題。

為了滿足國(guó)家“要建立高效科學(xué)自然災(zāi)害防治體系”的迫切要求及保障黃河防凌安全的現(xiàn)實(shí)需求，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“黃河凌汛監(jiān)測(cè)與災(zāi)害防控關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”在凌汛災(zāi)害的突發(fā)鏈發(fā)機(jī)理及演化機(jī)制、重要凌情監(jiān)測(cè)精度及實(shí)時(shí)性、凌汛險(xiǎn)情災(zāi)情預(yù)警預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性及效率、重點(diǎn)防凌河段水庫(kù)群調(diào)度的精細(xì)化及智能化和凌汛險(xiǎn)情災(zāi)情搶護(hù)的時(shí)效性及安全性等方面開(kāi)展研究。本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，面向國(guó)家建立高效科學(xué)的凌汛災(zāi)害防治體系和提升黃河防凌減災(zāi)智慧管理能力的要求，以“數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)構(gòu)建—模型集成耦合—云端仿真計(jì)算—虛擬現(xiàn)實(shí)展示”為技術(shù)主線，對(duì)黃河智慧防凌云平臺(tái)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，并針對(duì)平臺(tái)研發(fā)中的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究。

2 黃河智慧防凌云平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)防凌減災(zāi)業(yè)務(wù)需求，研究具有高度可維護(hù)性、可移植性和可擴(kuò)展性的黃河智慧防凌云平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)平臺(tái)整體功能框架和應(yīng)用系統(tǒng)詳細(xì)功能，建立平臺(tái)研發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。基于三維GIS集成開(kāi)發(fā)凌情監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)警、凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估、凌汛災(zāi)害情景推演、水庫(kù)群與分凌區(qū)聯(lián)合防凌調(diào)度和凌災(zāi)防控決策支持方案優(yōu)選等功能模塊，提供標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算云服務(wù)，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的黃河智慧防凌云平臺(tái)。研發(fā)數(shù)據(jù)和服務(wù)等多種高效引擎和訪問(wèn)接口，將凌汛災(zāi)害快速防控決策支持平臺(tái)納入黃河和國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)示范應(yīng)用;針對(duì)冰塞冰壩等凌汛事件，建立虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下“事件觸發(fā)—模型驅(qū)動(dòng)—智能決策—效應(yīng)評(píng)估”的防凌減災(zāi)高效管理模式，形成高效科學(xué)的凌汛災(zāi)害綜合防治技術(shù)體系。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

黃河智慧防凌云平臺(tái)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容。

（1）搭建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境：通過(guò)應(yīng)用商用數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)以數(shù)據(jù)為檢索單位的資料（結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)管理;通過(guò)文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)以記錄為檢索單位的資料（非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)管理，并由商用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)其元數(shù)據(jù)、檢索路徑進(jìn)行統(tǒng)一管理。

（2）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)可插拔的系統(tǒng)體系架構(gòu)：以核心控制、松散結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，建立智慧防凌平臺(tái)成果應(yīng)用與展示子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，并發(fā)布公共組件的標(biāo)準(zhǔn)化接口、實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接口管理、交互控制等結(jié)構(gòu)。

（3）基于B/S技術(shù)架構(gòu)：考慮到系統(tǒng)運(yùn)算效率，系統(tǒng)絕大部分算法實(shí)現(xiàn)在服務(wù)端，客戶端通過(guò)調(diào)用服務(wù)端算法完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理。

（4）提供一致的接口訪問(wèn)方式：黃河智慧防凌云平臺(tái)系統(tǒng)向其他應(yīng)用系統(tǒng)提供采用C++語(yǔ)言的編程接口，方便其他應(yīng)用系統(tǒng)在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上二次開(kāi)發(fā)與調(diào)用。數(shù)據(jù)管理部分提供基于TCP/IP的遠(yuǎn)程調(diào)用方式，并采用標(biāo)準(zhǔn)多維雙精度數(shù)組的標(biāo)準(zhǔn)接口為其他子系統(tǒng)提供訪問(wèn)接口。

（5）采用面向?qū)ο?組件技術(shù)：按不同需求封裝標(biāo)準(zhǔn)客戶端和服務(wù)器組件，供其他系統(tǒng)調(diào)用。

（6）以數(shù)據(jù)為中心的設(shè)計(jì)思想：由于數(shù)據(jù)處理算法的多樣性，對(duì)相同的處理流程存在多種不同的處理方法，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要以數(shù)據(jù)為中心。

（7）子系統(tǒng)無(wú)縫集成：子系統(tǒng)功能模塊之間遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范接口，由系統(tǒng)集成組件解耦子系統(tǒng)之間的直接交互，使之保持松耦合關(guān)系，并最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)縫集成。

（8）解耦業(yè)務(wù)邏輯與界面：通過(guò)常用的數(shù)據(jù)、邏輯、界面設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效集成，確保軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中界面與算法的分離，解耦業(yè)務(wù)邏輯和接口界面。

4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

采用3層架構(gòu)研發(fā)黃河智慧防凌云平臺(tái)（見(jiàn)圖1），軟件測(cè)試貫穿平臺(tái)研發(fā)的全過(guò)程。圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)服務(wù)層。主要由分布式文件管理系統(tǒng)、分布式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和分布式地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)組成。考慮研究成果與示范應(yīng)用單位的后期對(duì)接，主數(shù)據(jù)庫(kù)采用通用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，文件管理系統(tǒng)采用開(kāi)源的MongoDB。為了保證平臺(tái)方案決策的高效實(shí)時(shí)性，地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)用Spark RDD內(nèi)存計(jì)算技術(shù)進(jìn)行地理空間計(jì)算，SparkSQL提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)服務(wù)，HBase提供矢量空間存儲(chǔ)服務(wù)。數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化模塊主要是針對(duì)平臺(tái)運(yùn)行后面對(duì)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化改造，更好地為模型計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐[5]。

（2）計(jì)算服務(wù)層。計(jì)算服務(wù)層由以Docker容器為平臺(tái)的多模型計(jì)算提供強(qiáng)大的虛擬計(jì)算環(huán)境，并完成相關(guān)模型應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化封裝任務(wù)。構(gòu)建黃河防凌模型庫(kù)，采用OpenMI模型接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，定義各類(lèi)模型的輸入輸出數(shù)據(jù)文件、格式和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)模型輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)化，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)內(nèi)部不同模型之間的數(shù)據(jù)交互，完成對(duì)前期開(kāi)發(fā)模型的綜合集成應(yīng)用。

服務(wù)接口為外部程序提供訪問(wèn)接口，便于應(yīng)用層對(duì)于數(shù)據(jù)服務(wù)的查詢和應(yīng)用。服務(wù)接口分為兩類(lèi)：一類(lèi)是服務(wù)的基礎(chǔ)訪問(wèn)，如SOAP服務(wù)、REST服務(wù)、OGC服務(wù);另一類(lèi)是服務(wù)的程序訪問(wèn)，即各類(lèi)API訪問(wèn)服務(wù)的能力，如Flex API、Silverlight API、ArcEngine API及WebService的訪問(wèn)框架。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層采用Gis Tools for Hadoop組件關(guān)聯(lián)ArcMap前臺(tái)技術(shù)，結(jié)合3D GIS完成模型計(jì)算結(jié)果的動(dòng)態(tài)展示，更好地為模型計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐。提供包括多類(lèi)型數(shù)據(jù)查詢、凌情監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)接后的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)展示、模型計(jì)算結(jié)果的三維動(dòng)態(tài)模擬仿真等服務(wù)。

5 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

黃河智慧防凌云平臺(tái)包含兩大子系統(tǒng)，分別是成果應(yīng)用與展示子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，并配套開(kāi)發(fā)移動(dòng)端微信程序，具體見(jiàn)圖2。

（1）成果應(yīng)用與展示子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要面向流域與省級(jí)防凌決策部門(mén)、一線防凌業(yè)務(wù)人員與科研人員，功能覆蓋災(zāi)害鏈全過(guò)程、全鏈條。系統(tǒng)包含“信息查詢”“凌情動(dòng)態(tài)感知”“凌災(zāi)預(yù)警與動(dòng)態(tài)評(píng)估”“應(yīng)急管理”“智慧決策與分析”五大模塊及若干子功能模塊。

在信息查詢方面包括：凌情信息與歷史凌災(zāi)數(shù)據(jù)，水情、工情、氣象數(shù)據(jù)的查詢與展示，WEBGIS功能，關(guān)鍵河段遙感信息數(shù)據(jù)的查詢與展示等。

在凌情動(dòng)態(tài)感知方面包括：通過(guò)數(shù)據(jù)接口關(guān)聯(lián)凌情數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)接，動(dòng)態(tài)獲取凌汛期不同階段主要水文站點(diǎn)的水位、流量數(shù)據(jù)，各主要斷面水溫、冰溫、氣溫、流凌密度、流凌速度、冰厚變化情況，并自動(dòng)計(jì)算重點(diǎn)河段不同時(shí)期的槽蓄水增量。通過(guò)云端，可實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)式凌情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、什四份河段定點(diǎn)式雷達(dá)監(jiān)測(cè)設(shè)備、視頻測(cè)量系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)、手機(jī)移動(dòng)端微信巡查程序的數(shù)據(jù)協(xié)同共享，全面構(gòu)建多時(shí)空尺度、多要素的凌情動(dòng)態(tài)感知體系，為后續(xù)精確的動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算提供扎實(shí)有效的數(shù)據(jù)支撐。

在凌災(zāi)預(yù)警與動(dòng)態(tài)評(píng)估方面包括：凌汛洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算與分析，多方案對(duì)比，淹沒(méi)過(guò)程動(dòng)態(tài)展示，凌汛災(zāi)害預(yù)警，凌災(zāi)損失快速評(píng)估，封開(kāi)河預(yù)報(bào)及發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)等。

在應(yīng)急管理方面包括：無(wú)人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測(cè)，水庫(kù)群與分凌區(qū)聯(lián)合調(diào)度與綜合評(píng)價(jià)，破冰排凌方案管理。

在智慧決策與分析方面包括：調(diào)用冰水動(dòng)力學(xué)模型開(kāi)展凌情計(jì)算與推演，并通過(guò)三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示凌情演變與發(fā)展過(guò)程。通過(guò)凌災(zāi)防控方案優(yōu)選模型，對(duì)模擬的防控方案進(jìn)行交互推演和滾動(dòng)修正，并通過(guò)平臺(tái)的防凌會(huì)商功能，為防汛決策部門(mén)防凌決策提供科學(xué)的決策依據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。

該子系統(tǒng)包含功能：模型庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行，模型計(jì)算成果審核、上傳、發(fā)布，地圖發(fā)布與管理，近實(shí)時(shí)或階段性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上報(bào)管理，平臺(tái)數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)管理。

6 結(jié) 語(yǔ)

黃河智慧防凌云平臺(tái)建成后，將系統(tǒng)整合黃河凌汛災(zāi)害防御方面的研究成果，通過(guò)凌情視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、移動(dòng)巡查系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，實(shí)現(xiàn)黃河凌情動(dòng)態(tài)感知。運(yùn)用模型標(biāo)準(zhǔn)化封裝技術(shù)，集成封開(kāi)河預(yù)報(bào)模型、一維河道模型、二維冰水動(dòng)力學(xué)模型、凌災(zāi)損失評(píng)估模型等，構(gòu)建黃河凌情模型庫(kù)，進(jìn)行多時(shí)序、多類(lèi)型模型間的交互計(jì)算，耦合冰水動(dòng)力學(xué)模型與水上水下一體化三維實(shí)景河道模型，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下凌汛過(guò)程與凌災(zāi)情景推演預(yù)警。系統(tǒng)平臺(tái)采用云服務(wù)架構(gòu)，模型上云，數(shù)據(jù)上云，實(shí)現(xiàn)云端共享，并納入黃河流域防汛指揮決策系統(tǒng)進(jìn)行示范應(yīng)用，可為黃河流域凌汛災(zāi)害防御提供有力支撐。

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【責(zé)任編輯 許立新】