黃河防汛會商預演系統設計及“四預”功能構建研究

杜 文，張夢初，段丹丹

(1.黃河水利委員會 信息中心，河南 鄭州 450003； 2.河南建筑職業技術學院，河南 鄭州 450064)

0 引 言

國家“十四五”規劃綱要明確提出推進構建智慧水利體系，以流域為單元，提升水情測報和智能調度能力。國家“十四五”新型基礎設施建設規劃要求推動大江大河大湖數字孿生、智慧化模擬和智能業務應用建設。當前，隨著云計算、大數據、人工智能技術快速發展，水利發展向數字化、網絡化、智能化轉變的技術條件已經基本具備。水利部提出了推進智慧水利建設，按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為途徑，全面推進算據、算法、算力建設，加快構建具有“四預”(預報、預警、預演、預案)功能的智慧水利體系[1]。

當前，促進黃河流域生態保護和高質量發展已上升為國家戰略，提出讓黃河成為造福人民的幸福河的總體目標[2]。國務院印發的《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》明確提出強化對水文、氣象、地災、雨情、凌情、旱情等狀況的動態監測和科學分析，搭建綜合數字化平臺，建設智慧黃河，加強防洪減災、排水防澇等公共設施建設，增強其抵御自然災害能力的工作要求。

受連續強降雨影響，2021年9月下旬至10月上旬，黃河接連出現3次編號洪水，秋汛期間降雨過程長，雨量大，水庫河道水位高[3]，支流渭河、汾河、伊洛河、沁河均發生有實測資料以來同期最大洪水。秋汛期間，黃河水利委員會(以下簡稱“黃委”)已通過水旱災害信息化系統，有效支撐了各級水旱災害防御單位防汛業務工作，但同時也暴露出了“四預”支撐能力不足的問題。針對2021年黃河秋汛工作中暴露出的工作短板，黃委明確提出了建設黃河防汛會商預演系統的工作目標，在已有“黃河一張圖”基礎上，搭建數字孿生黃河數據底板，進一步提升“四預”能力，實現對黃河流域降雨、洪水預報、水庫調度、洪水演進、洪水淹沒等水旱災害防御工作的實時預警、預報分析、調度決策、精準化預案和數字化仿真模擬。

1 系統總體設計

按照水利部數字孿生流域和“四預”工作要求，以黃委防汛會商工作為業務支撐目標，構建黃河防汛會商預演系統。黃河防汛會商預演系統是數字孿生黃河智慧應用的重要組成部分，系統框架由基礎設施、云平臺、數字孿生平臺、智慧應用、網絡安全體系以及技術標準與保障體系組成。

通過基礎設施實現對系統各類監測信息的感知采集，主要包括黃委采集感知網和黃委水利信息網。采集感知網是在黃委已有水利監測體系基礎上，充分利用智能感知技術和通信技術，從航天、航空、地面、地下、水下等空間維度，對點、線、面等尺度范圍涉水對象屬性及其環境狀態進行監測和智能分析，是系統獲取全面、真實、客觀與動態水利數據的渠道。水利信息網包括黃委工控網、水利業務網、電子政務內網(非涉密域)等網絡資源設施，可支撐保障系統各類基礎、空間、監測、監視和業務等信息網絡傳輸和通信。基于黃河水利委員會現有的私有云和數據存儲體系，為系統運行提供可靠的算力支撐。數字孿生平臺是系統運行的服務支撐，利用物聯網、大數據、人工智能、虛擬仿真等技術，以時空數據為底座、水利模型為核心、水利知識為驅動，對物理流域全要素和水利治理管理活動全過程進行數字化映射與智慧化模擬，實現對黃委水旱災害防御會商工作中，各類相關水利對象和業務工作環節的同步仿真、虛實交互，為系統實現精準化決策目標提供算法、數據和功能服務，包含數據底板、通用支撐、模型平臺和知識平臺等建設內容。流域智慧應用包括流域防洪、水資源管理與調配、N項治黃業務智慧應用。黃河防汛會商預演系統是流域防洪領域先試先行的數字孿生應用。基于信息基礎設施和數字孿生平臺提供的算據、算法與算力資源，實現系統預報、預警、預演和預案能力。網絡安全體系依托黃委現有網絡安全軟硬件資源，為系統建設提供安全管理、防護、監督等方面的支撐。依據黃河防汛會商工作場景特點，制定規范和指導系統建設，為系統運行建設提供實施指南和管理規范。

系統根據降雨預報和水工程上游來水預報，調用模型平臺和知識平臺服務對水庫與蓄滯洪區等水工程進行動態調度。針對生成的不同調度方案，對水工程下游水文斷面洪水過程進行預報，并對來水、蓄水、調水、演進等洪水變化過程進行預演，為黃委防汛會商工作提供氣象預報、水雨情實時監測、水雨情預報預警、水工程調度、洪水演進、洪水淹沒、工程出險搶險、防汛工作部署等多維度、全方位的會商決策支撐。系統總體框架如圖1所示。

圖1 黃河防汛會商預演系統架構Fig.1 Framework of the Yellow River flood control consultation and emulation system

2 建設任務

黃河防汛會商預演系統服務于黃河防汛會商工作，遵循水利部智慧水利建設總體要求，利用數字孿生技術，基于“黃河一張圖”搭建黃河流域數據底板，收集黃河防汛工作中已有降水預報、洪水預報、防洪調度和洪水演進等模型的計算成果，為汛期黃委防汛抗旱會商工作提供具備“四預”功能的全方位、多視角、跨時空的決策支撐。系統建設任務主要分為數據底板、預警、預報、調度、預演與預案6個部分。

(1) 數據底板。在“黃河一張圖”的基礎上，建設黃河中下游重點河段、重點區域的二級數據底板，集成匯聚流域管理范圍省區和工程管理單位基礎數據、地理空間數據、監測數據、業務管理數據等成果。通過數據治理，為流域防汛會商工作提供標準化的數字化場景，滿足河道洪水演進、水工程調度和洪水淹沒分析等會商場景二三維一體化預演仿真需求。

(2) 預警。建立流域防汛綜合預警庫，匯聚融合國家預警信息發布中心氣象預警數據。依據黃防總辦〔2016〕10號《黃河水情預警發布管理辦法》文件，搭建黃河防汛水情動態預警規則引擎。根據閾值指標，實時動態生成黃河流域河道主要水文測站水情預警信息。在“黃河一張圖”開發的統一數據底板基礎上，動態監視跟蹤流域氣象與水情預警信息。

(3) 預報。集成已有流域降雨預報、河道中短期洪水預報模型，實現對流域降雨落區和降雨強度的中短期精準預報，對自然徑流條件下河道水文斷面洪水過程進行動態演算。系統與水工程調度模型進行交互，實現對不同工程調度方案實施后，下游主要河道水文斷面洪水預報的演算。

(4) 調度。集成黃河中下游水工程調度模型，實現對三門峽、小浪底、故縣、陸渾等黃河中下游重要水庫工程、北金堤與東平湖兩個蓄滯洪區內，不同洪水量級調度方案的動態調度。可通過控制水庫下泄策略和調控水庫下游目標測站流量策略，動態編制水庫調度方案。通過水庫調度方案對比，提供對最優化調度方案的決策建議。

(5) 預演。基于“黃河一張圖”二三維一體化場景，對來水預報、水工程調度和河道洪水演進的場景進行仿真預演，計算在黃河下游主槽及灘地內洪水的水深與流速變化過程，判斷典型水文斷面(水文站洪水演進變化過程和可能上灘及淹沒地區的范圍)。

(6) 預案。結合黃河中下游主要水工程運行狀況、工程及河道周邊地區經濟社會發展現狀等，對預演結果進行分析評估，根據分析評估結果動態調整水工程運行、應急調度、人員防災避險等應對措施，科學合理制定水工程運行和調度等黃河防洪方案，有效提高預案的科學性和可操作性。

3 業務流程分析

黃河防汛會商預演系統核心功能在于實現對黃河中下游河道來水預報、工程調度和洪水演進過程的預演，主要包括水雨情監視及預報、水工程調度和洪水演進3個業務流程。

水雨情監視及預報指的是對氣象及水雨情實況的監視、氣象及降雨情況的預報和對河道洪水發展變化情況的預報。通過氣象和洪水預報兩類模型進行動態演算，其中洪水預報模型通過調用氣象預報模型和水工程調度模型成果進行調整計算。具體來說，氣象模型主要包括歐洲中心、中央氣象臺和黃委水文局人工預報調算模型成果。洪水預報模型基于水情實況、氣象預報模型中的降雨實況和預報成果，利用原有黃河洪水預報系統中馬斯京根、新安江等模型，對自然條件下黃河中下游主要水文斷面的洪峰流量與峰現時間進行預測。當降雨預報發生改變或通過水工程對河道洪水進行控制后，洪水預報模型可根據降雨預報修正值或水工程調度成果，對洪水預報結果進行動態調整。

水工程調度環節實現對水庫及蓄滯洪區的實時調度。調度模型包括單庫調度和庫群規則調度。單庫調度模型包括完全自由敞泄、維持汛限水位敞泄、進出庫平衡和泄流過程控制四類調度策略。庫群規則調度模型可根據經驗模型預置的調度算法插值，實現對多個水庫與蓄滯洪區等水工程的聯合調度演算。水庫調度方案包括對黃河中下游主要水庫出入庫、庫水位和蓄水量變化過程的預測，以及對東平湖和北金堤兩個蓄滯洪區水位、蓄水量和退水過程的預測。水工程調度運用后，可將結果反饋給洪水預報模型，實現對水工程下游水文斷面洪水預報結果的動態更新。

圖2 黃河防汛會商預演系統主要業務流程邏輯Fig.2 Consultation process of the Yellow River flood controlcon sultation and emulation system

洪水演進環節實現對洪水演進過程的仿真預演及對洪水引發洪災情況的分析。通過預置不同洪水量級下水動力模型，對應洪水在黃河下游主槽及灘地內水深與流速變化演進的過程，對洪水演進過程中洪水淹沒范圍及災情損失情況進行分析。根據洪水預報和水工程調度情況，采用插值法對自然條件下和不同水工程調度方案下河道洪水演進、洪水淹沒及受災情況進行快速動態計算及分析。黃河防汛會商系統主要業務流程邏輯如圖2所示。

4 關鍵技術研究

4.1 數據底板構建技術研究

數據底板構建技術通過匯集整理相關基礎、地理空間、監測、業務管理和跨行業共享數據，建設多維多尺度時空數據模型，將水利對象實體作為數據表達與分類組織的基本單元，以時空屬性為紐帶融合和重組各類數據，實現多級嵌套的時空數據底板[4]。在實施層面，以水利部L1級數據底板為基礎，根據黃河流域防汛會商工作需要，匯聚流域自然地理、干支流水系、水利工程、經濟社會信息，對物理流域全要素數據化映射[5]，基于“黃河一張圖”構建下游小花區間流域L2級數據底板，以小浪底水庫、東壩頭治河工程為試點開展L3級數據底板建設。系統數據底板構建邏輯如圖3所示。

圖3 黃河防汛會商預演系統數據底板構建邏輯Fig.3 Logic process of building up the database board of the Yellow River flood control consultation and emulation system

4.2 洪水預報技術研究

近年來，伴隨著系統科學的發展，洪水預報方法也逐漸從相關圖、謝爾曼單位線、馬斯京根法為代表的傳統方法過渡到系統與傳統方法相結合的不斷創新過程[6]。目前，開展洪水預報的方法主要分為基于機理的水文模型、基于機器學習算法的數據驅動模型和基于規則的預測模型。在黃河防汛會商預演系統中采用的洪水預報模型主要包括基于機理的水文模型和基于機器學習算法的數據驅動模型。其中，基于機理的水文模型采用流域降雨產匯流模型和馬斯京根流量演算等河道匯流模型。基于機器學習方法的數據驅動模型采用基于神經網絡學習訓練的河道洪水預測模型。

4.3 調度洪水實時演算算法

傳統洪水預報模型在處理水工程調度下游水文斷面洪水預報時，計算時間較長，無法滿足防汛會商實時性決策需要，針對此問題提出了調度洪水實時演算算法。算法包括以下步驟。

(1) 根據黃河中下游某重點水庫給定的調度過程，對該重點水庫工程以下至某重點水文斷面區間有關預報水文斷面進行預報，并將洪水預報過程結果進行預置存儲。水庫出庫至下游預報水文斷面采用逐斷面演算的方式，洪水演進模型采用馬斯京根河道流量演算模型。

(2) 在調度洪水實時演算時，先將預置給定的水庫出庫過程進行河道洪水演進計算，計算出在下游各預報水文斷面的洪水貢獻，并將其流量過程作為計算基準。

(3) 水庫出庫實時調整時，按照調整的出庫流量過程再次計算下游水文斷面的流量過程。

(4) 對水庫出庫流量調整前后步驟(2)和(3)中流量過程進行差值計算。

(5) 將水庫計算流量過程差值與對應預報水文斷面的預置洪水預報過程進行疊加，進而計算出調整出庫流量后各預報水文斷面的計算流量過程。

4.4 規則引擎技術研究

規則引擎由規則庫、工作內存和推理引擎三部分組成。規則庫是對系統業務規則的定義集合，儲存在關系型數據庫和XML文件中。進行規則應用匹配時，在工作內存中動態產生推理引擎定義的邏輯。工作內存是規則引擎進行邏輯判定的生產環境，臨時存儲規則引擎產生匹配判斷和推理推演時所需的待處理數據、規則緩存數據和計算參數數據。推理引擎是規則引擎的核心部件，由模式匹配器、沖突處理器和執行引擎3個部分組成。模式匹配器負責將規則庫中定義的規則與工作內存中的待處理數據進行匹配和推理。沖突處理器負責處理模式匹配器上匹配的多個規則，按照對規則沖突時預先制定的執行邏輯進行仲裁，并選取最優化的匹配項。執行引擎負責將待處理數據按照模式匹配器和沖突處理器匹配或推理的規則進行執行，從而產生規則應用后的結果。

黃河防汛會商預演系統在預警的工作環節，需要對黃河中下游流域氣象、水雨情等情況實時預警，對信息實時性要求較高。對于系統生產預警數據的需求，傳統處理方法通過開發語言編制與預警閾值，對比程序控制腳本來實現。規則引擎技術對比傳統開發技術，具備預警規則易于維護、實時處理能力強的特點。通過利用規則引擎對洪水預警規則進行系統化定義，根據系統重要水文斷面(水位、流量)、水庫(庫水位)動態的預報數值，可實時自動產生重要水文斷面、水庫等水情預警信息。黃河防汛會商預演系統效果見圖4。

圖4 黃河防汛會商預演系統效果Fig.4 Design sketch of the Yellow River flood controlcon sultation and emulation system

5 系統建設成效

系統嚴格落實黃委黨組工作要求，針對黃河防汛會商工作，基于水利部數字孿生流域技術框架，聚焦黃河流域中下游區域，對水雨工險情進行監測預警，對洪水預報、水工程調度方案、洪水演進和洪水風險情況進行計算機仿真預演，對洪水實況、歷史洪水和預報結果進行分析展示。系統按照水利部“四預”的工作要求對黃委防汛會商工作進行了系統化的分析、組織和梳理，集成了流域監測、預警、預報、調度、演進、淹沒、工程基礎、遙感、視頻等各類防汛相關基礎、空間、監測及業務信息，為黃委防汛會商工作提供了可靠的信息化支撐工具。系統數據內容豐富，對比原有防汛會商相關應用，具有較強的數據資料查詢能力。系統中流域數據底板匯聚了各類預報、預警、預演、預案相關數據資源。系統應用場景明確，功能實用，聚焦黃河中下游流域，達到了“四預”工作目標，貼合當前黃委防汛會商工作實際需求。

系統已于2022年4月上線試運行，6月底正式上線運行，目前是汛期黃委防汛會商工作的核心應用。系統試運行以來，運行穩定，實現了水雨情監視、水庫調度方案、水雨情預報分析、數學模型計算、洪水演進情況等的在線查看，支撐了調度方案研判、工作安排部署、調度指令簽發等各項會商調度工作全流程數字化辦公，解決了以往會商中不同信息在不同業務系統間反復切換、數據資料不全、調度預案無法動態調算對比、洪水演進過程無法形象化展現等問題。系統投入使用后，有力支撐了2022年黃河防御大洪水調度演練和汛期黃委防汛會商工作，黃委防汛會商工作效率顯著提升。

6 總結與展望

習近平主席在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上指出“黃河流域生態保護和高質量發展是重大國家戰略”[7]。“黃河平，天下寧”，黃河水旱災害安全防御工作是黃河高質量發展的基礎。當前，中國經濟社會發展已邁入新時代，對做好水旱災害防御工作、保障防洪和供水安全提出了新的更高要求。隨著時代發展、科技進步，水旱災害防御離不開現代化和信息化的支撐[8]。對于水旱災害防御工作，“智慧黃河規劃”中明確要求整合已有資源，提升數字化、網絡化水平，著力提升“四預”能力。黃河防汛會商預演系統作為2022年黃委重點督查督辦建設任務，是水利部信息化“四預”總體工作要求在黃委的典型應用。系統服務于黃河汛期防汛會商工作，針對黃河防汛會商工作重點環節，可提供具備“預警、預報、預演、預案”功能的綜合性會商決策支撐，進一步提升黃委水旱災害防御現代化會商和管理工作能力。

本文探討了水利信息化“四預”工作目標，提出了黃河防汛會商預演系統的建設任務。設計了系統總體框架，重點分析了黃河中下游河道來水預報、工程調度與洪水演進過程進行預演工作的邏輯和業務流程，詳細討論了系統在構建過程中存在的業務難點和技術解決方案，對相關數字孿生流域及“四預”信息化應用開發建設具有一定參考意義。

數字孿生流域及具備“四預”功能的信息化系統建設是龐大的水利行業性工程，涉及人工智能、大數據分析、5G、三維、BIM等多類高新尖信息化技術，對比傳統水利信息化工程，具有建設及推廣應用周期相對較長的特點。黃河防汛會商預演系統作為黃委“智慧水利”和“數字孿生流域”建設的先試先行任務，建設周期短、開發任務量大，配套管理機制后續需要不斷完善。按照水利部“需求牽引，應用至上”的信息化系統建設要求，系統的實用性至關重要。為此，后續工作將緊密圍繞水利部智慧水利和數字孿生流域建設總體要求，根據當前黃委防汛會商工作實際需要，在實用性上多加研究。根據系統應用情況進一步完善系統數據和功能短板，補充完善下游重點防洪工程偎水情況等成果，完善工情險情、淤地壩、水庫基礎信息等數據，優化水工程調度模型算法計算效率，不斷優化系統“四預”功能，真正讓系統做到實用、好用。