廣東水利防汛智能機器人的功能設計

謝 歡 ，趙凱華，程 冀，郎欣宇

(1.廣東省防汛保障與農(nóng)村中心，廣州 510635；2.云河(河南)信息科技有限公司，鄭州 450003；3.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，鄭州 450003)

1 概述

廣東省特殊的地理氣候條件，決定了降水時空分布不均，水旱災害頻發(fā)。近年來，省委省政府高度重視防洪抗旱減災體系建設，防洪抗旱減災工作取得了巨大成效，但是由于氣候變化加劇，極端天氣增多，對防洪抗旱安全保障的要求越來越高，由于“智慧水利”建設工作起步較晚，發(fā)展時間相對較短，所以廣東省水利工作與信息技術的融合程度依舊有待加深[1]。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術的發(fā)展，對水利防汛數(shù)據(jù)挖掘、分析的需求也越來越強烈。這些先進技術的應用可以幫助廣東省更好地了解和掌握水文氣象信息，提高防汛決策的準確性和效率。通過利用人工智能和機器學習技術，可以對大量的水利防汛數(shù)據(jù)進行快速、準確的分析和處理，為防汛決策提供更加科學、可靠的依據(jù)。為解決防汛工作強度大、知識范圍廣、指揮決策難等問題，應用智能機器人，進一步提高防汛值班、會商支撐能力及指揮決策水平，非常必要和迫切。

2 國內(nèi)外相關系統(tǒng)

國內(nèi)外有許多典型的防汛系統(tǒng)。Shim等人開發(fā)了一個用于多座水庫的實時流域的防洪系統(tǒng)，應用于韓國漢江流域，為漢江中下游的防洪工作提供了支持，大大降低了洪水影響[2]；Honghai等人基于ArcGIS開發(fā)一個用于綜合洪水管理系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對美國佐治亞州辛克萊大壩潰壩作為案例研究，為防洪設施設計的決策過程提供了信息支持[3]。

在水利信息化的基礎之上，我國各省結(jié)合實際情況，陸續(xù)開發(fā)了各自的防汛抗旱系統(tǒng)[4]，一定程度上促進了防汛抗旱應急指揮的信息化發(fā)展，提升了地區(qū)救援、指揮能力。方紅衛(wèi)等人將水文學與水力學模型結(jié)合起來，對大量數(shù)據(jù)的分析和挖掘，開發(fā)出了提供了二維淹沒范圍分析的青島大沽河流域防洪決策支持系統(tǒng)[5]。黃丙湖等人基于ArcGIS Engine嵌入式組件GIS技術開發(fā)了濟南市城市洪水決策支持系統(tǒng)，為濟南市防洪提供科學決策依據(jù)[6]。李祿等人研究并開發(fā)了集地理信息、綜合監(jiān)視、預報調(diào)度以及防汛會商于一體的沈陽市防汛抗旱指揮系統(tǒng)[7]。但是上述系統(tǒng)都是基于電腦端，交互方式側(cè)重于手動操作，人機交互方式不夠靈活，智能化水平普遍較低。

機器人技術的發(fā)展，為各行各業(yè)智能化水平的提升提供了路徑。它的發(fā)展起源于第二次世界大戰(zhàn)后，人員的匱乏以及人口老齡化的加劇，勞動力越來越緊缺，而傳統(tǒng)的機器人離不開人的控制，這時人們對機器人的智能化需求不斷提高，技術的發(fā)展使得機器人變得越來越趨向于智能化。隨著人工智能的爆發(fā)，各行各業(yè)的智能機器人應用也層出不窮。

智能機器人在商業(yè)方面的應用最為普遍的就是掃地機器人，掃地機器人運用了信息融合技術和機器視覺技術，能夠自動在房間內(nèi)完成地板清理工作[8]；在軍事方面，“三防”偵查機器人在戰(zhàn)場上可被用于對核沾染、化學染毒和生物污染進行偵測、識別、標記和取樣[9]；在醫(yī)療方面可用于疾病診斷，沃森可以通過詢問病人的病癥、病史，通過使用人工智能技術等，綜合從各渠道獲取的信息，迅速給出診斷提示和治療意見。綜上所述，目前智能機器人已經(jīng)廣泛應用于商業(yè)、軍事、醫(yī)療等方面，但是還沒有在水利行業(yè)防汛方面得到深入應用。

3 設計思路

采用能夠自主移動、人機交互良好、具備較好定制開發(fā)能力的智能機器人產(chǎn)品，使用Android平臺操作系統(tǒng)，擁有易用的圖形界面、適用于手機及平板電腦等移動設備的控制接口，以及2只擬人化手臂，具有自主行動能力、完備的避障防撞機制等；并基于語音識別、語義分析、大數(shù)據(jù)等人工智能技術開發(fā)語音問答、綜合查詢、智能預警、智慧分析等功能，可應用在水利防汛工作的多個業(yè)務環(huán)節(jié)。

4 總體架構(gòu)

防汛機器人基于語音識別、語義分析、大數(shù)據(jù)等人工智能技術開發(fā)構(gòu)建，具備語音問答、綜合查詢、預警警示、智慧分析等功能，旨在解決廣東省水利防汛工作強度大、知識范圍廣、指揮決策難等多方面問題。

防汛機器人的總體架構(gòu)為基于廣東省防汛相關的基礎數(shù)據(jù)、水情數(shù)據(jù)、雨情數(shù)據(jù)、工情數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)[10]，通過數(shù)據(jù)服務、地圖服務等基礎服務，為業(yè)務應用提供語音識別、語義分析、大數(shù)據(jù)等人工智能技術支持。核心功能包括：

1)數(shù)據(jù)抓取：利用人工智能技術，從各類應用、各個功能或子功能中抓取防汛信息，如水利知識、水庫、河道、雨情、圖表、文檔等，直接、迅速地提供支持。

2)語音交互：以語音交互的形式，為用戶提供智能防汛支持。

3)綜合查詢：開發(fā)構(gòu)建具備雨情、水情、工情、圖表文檔等信息的綜合查詢功能，使用戶能夠快速查詢所需信息。

4)智能預警：開發(fā)構(gòu)建具備降雨預警、水庫水情預警及警示、水文站水情預警及警示等預警信息的功能，及時向用戶發(fā)出預警。

5)智能分析：開發(fā)構(gòu)建具備水庫水情同期對比、河道水情同期對比、雨洪相似性分析、水位流量分析等統(tǒng)計信息的智能分析功能，幫助用戶更好地了解防汛情況(總體架構(gòu)圖如圖1所示)。

圖1 水利防汛機器人開發(fā)總體架構(gòu)示意

5 機器人設計與功能

5.1 智能機器人基礎功能

智能機器人具備自主移動、人機交互良好、具備較好定制開發(fā)能力等特點。

具備高精度的導航和運動控制功能，能夠在室內(nèi)多種環(huán)境中獨立行動，支持語音、文字、視覺等多種交互方式，使得操作人員可以方便地對機器人進行控制和指令下達；具備強大的自定義開發(fā)功能，可以針對特定的防汛需求進行軟件和硬件的定制化開發(fā)，提升機器人的智能水平和應用范圍。

另外，能夠完成高精度人臉識別功能，具有自主行動能力、完備的避障防撞機制，保障雙臂在運動過程中對用戶及自身的安全，具備充電器充電功能，擁有360度開口的激光雷達，可以全方位采集、存儲、分析、管理數(shù)據(jù)信息；同時提供開放API，可根據(jù)應用場景進行二次開發(fā)等。

5.2 定制開發(fā)防汛相關功能

以機器人為載體，利用人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等信息技術，定制開發(fā)服務于廣東防汛的相關功能，包含綜合查詢、預警警示、智慧分析、語音交互等四個功能模塊。

5.2.1綜合查詢功能

綜合查詢功能包括通過語音問答或觸屏交互兩種方式，綜合考慮實用、安全、標準、易維護、可擴展等要求[11]，基于GIS地圖實現(xiàn)對廣東省及相關站點水庫水情、河道水情、雨情、工情、文檔、視頻等重要防汛特征指標、歷史防汛數(shù)據(jù)、防汛圖表、調(diào)度文檔等多源數(shù)據(jù)的綜合檢索及統(tǒng)計分析等功能。

1)水庫水情：水庫水情主界面通過地圖、列表方式展示水庫實時水位、出入庫流量等實時信息，可按“流域”和“行政區(qū)劃”對水庫進行篩選查詢，通過GIS圖、列表可實現(xiàn)水庫詳情的查詢。詳情頁面包含水雨情過程線、水庫特征值、庫容曲線、基礎信息4個部分。水雨情過程線可查詢水庫水雨情過程線、實時水位、出入庫流量、當前庫容；水庫特征值可查詢汛限水位、死水位等實時及防洪特征數(shù)據(jù)；庫容曲線可以斷面圖的形式展示水庫的汛限水位、設計洪水位、校核洪水位、死水位等水庫特征數(shù)據(jù)及水庫對應“行政責任人”、“技術責任人”和“巡查責任人”3個責任人等信息；基礎信息可查詢水庫代碼、建設時間、所在行政區(qū)、主管單位、所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、主管責任人等信息。

2)河道水情：河道水情可通過GIS圖、列表兩種形式對實時水情及歷史水情等實測信息進行查詢，用戶可按“流域”和“行政區(qū)劃”兩個維度對河道進行篩選，點擊某一河道可進入河道水情的詳情頁面。詳情頁面包含水雨情過程、斷面水情、基礎信息3個部分。水雨情過程可查詢實時水情、歷史水情、警戒水位等相關信息；斷面水情可以斷面圖的形式展示河道站的警戒水位、左岸高程、右岸高程等河道特征數(shù)據(jù)；基礎信息可查詢河道代碼、建設時間、所在行政區(qū)、主管單位、所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、主管責任人等信息。

3)雨情：雨情主界面通過地圖、列表方式展示降雨等值面圖、展示全省實況降雨圖等實時信息，可按“流域”和“行政區(qū)劃”對雨量站進行篩選查詢。可查詢實時雨情和累計3 h、6 h、12 h、24 h等時段的雨情統(tǒng)計。在雨情列表中可通過點擊搜索框輸入“全省最近12 h降雨情況”和語音交互詢問“全省最近12 h降雨情況”兩種方式對雨情實時數(shù)據(jù)進行查詢。在GIS圖層和列表查詢中，可選擇并點擊某個具體站，查看雨量站的具體情況。

4)工情：工情查詢可通過地圖服務和列表查詢展示廣東省病險水庫、病險水閘、險工險段等工程的分布情況。具備通過地圖、列表方式展示、查看廣東省病險水庫、病險水閘、險工險段的基本信息：工程等級、汛限水位、工程位置等信息。在詳情頁面可查詢統(tǒng)計病險水庫、病險水閘、險工險段、庫容曲線等工程的相關特征數(shù)據(jù)。

5)文檔：包括水情簡報(如圖2所示)、水庫調(diào)度方案、歷史洪水資料等文檔；可通過語音交互或手動搜索的方式對廣東省的水情簡報、水庫調(diào)度方案等文檔進行查詢、目錄預覽、在線預覽等。

圖2 文檔預覽頁面示意

5.2.2預警警示功能

預警警示需要以GIS為信息組織中心，將實測或預報的雨情、水情，以及實時工情(視頻監(jiān)控)有機地結(jié)合起來[12]，實現(xiàn)相關區(qū)域內(nèi)降雨、水庫及河道水位流量的實時監(jiān)視、變幅警示及超限告警；按照其相關區(qū)域不同的閾值進行計算判斷，將降雨預警、水庫預警、河道預警、水庫警示及河道警示信息結(jié)果定時推送到機器人APP應用，并且可以讓用戶查看近期的預警警示信息。降雨預警、水庫預警、河道預警、水庫警示及河道警示功能均采用GIS圖和列表兩種方式對預警警示站點進行綜合展示(如圖3所示)。

圖3 預警警示頁面示意

1)降雨預警：該功能是針對廣東省各個流域內(nèi)的雨量站降雨情況進行分等級預報預警，單個雨量站的雨量預警閾值分為4級，分別是藍色、黃色、橙色和紅色。其中按照各個預警級別相應的閾值進行判斷雨量站的預警情況。該功能可以展示出各個降雨預警雨量站的降雨信息，并且在GIS地圖上展示流域內(nèi)降雨預警雨量站的基本信息和閃爍的圖標，還可以展示降雨雨量站的降雨等值面圖。降雨預警信息可以以消息的方式推送到防汛智能機器人端或者以手機短信的方式推送到用戶手機。

2)河道預警：該功能是針對廣東省各個流域內(nèi)的河道水文站水情進行預報預警，河道水文站一般情況下是在實時水位超過水文站警戒水位的時候進行預警警示。該功能可以展示出各個河道水文站的水情信息，其中包括河道水文站的實時水位、超警戒水位、超警戒值等信息，并且在GIS地圖上展示各個預警水文站的基本信息和閃爍的圖標。河道預警信息可以以消息的方式推送到防汛智能機器人端或者以手機短信的方式推送到用戶手機。

3)水庫預警：該功能是針對廣東省各個流域內(nèi)的水庫水情進行預報預警，水庫一般情況下是在實時水位超過水庫汛限水位的時候進行預警警示。該功能可以展示出各個預警水庫的水情信息，其中包括水庫實時水位、汛限水位、超過汛限水位等信息，并且在GIS地圖上展示各個預警水庫的基本信息和閃爍的圖標。水庫預警信息可以以消息的方式推送到防汛智能機器人端或者可以以手機短信方式推送到用戶手機上。

5.2.3智慧分析功能

依據(jù)水利防汛業(yè)務實際應用需求，定制化開發(fā)包括河道水情同期對比、水庫水情同期對比、雨洪相似性分析等智慧分析功能。實際功能內(nèi)容待進一步明確需求，并根據(jù)需要分期建設，不斷完善。

1)河道水情同期對比：河道水文站、水位站、潮位站的水位、流量是反映河道實時水情的最重要指標。采用數(shù)理統(tǒng)計法統(tǒng)計當年與歷史不同年份中對比時段內(nèi)水文站、水位站、潮位站的水位、流量等指標的均值，并以柱狀圖和表格方式進行展示，同時還可將選定年份與當前年份水位、流量變化過程線進行繪制以對比分析。通過對比分析近期與歷史不同年份相同時期的水位、流量指標，可以反映河道水情與歷史同期系列相比的豐枯變化情況，可以篩選出水情相似年份，為當前防汛抗旱形勢的分析提供支撐，為水庫、閘泵等水工程調(diào)度方案的制定提供參考。

2)水庫水情同期對比：水庫的庫水位、入庫流量、出庫流量是反映水庫實時水情的最重要指標。采用數(shù)理統(tǒng)計法統(tǒng)計當年與歷史不同年份中對比時段內(nèi)水庫庫水位、入庫流量、出庫流量等指標的均值，并以柱狀圖和表格方式進行展示，同時還可將選定年份與當前年份水位、流量變化過程線進行繪制以對比分析。通過對比分析近期與歷史不同年份相同時期的庫水位、入庫流量、出庫流量指標，可以反映水庫水情與歷史同期系列相比的豐枯變化情況，可以篩選出水情相似年份，為水庫的當前防汛抗旱形勢的分析提供支撐，為水庫調(diào)度方案的制定提供參考。

3)雨洪相似性分析：暴雨洪水演變過程中的這些規(guī)律，往往是以相似性的特征在歷史場次洪水資料中重復出現(xiàn)。在防洪調(diào)度的各個階段，有效利用歷史上相似場次暴雨洪水的發(fā)生、發(fā)展和演化信息，研究相似性暴雨洪水的特性并進行快速有效的分析表達，對指導實時洪水的預報和調(diào)度具有重要意義。

雨洪相似性分析功能根據(jù)實時或預報結(jié)果，通過空間分析、指標篩選、情景匹配、機器學習等方法，從龐大的歷史過程中查找到最符合當前情況的降雨和洪水過程實例，并將信息推薦給決策者，讓決策者在極短的時間內(nèi)提出科學有效的應對方案。同時還支持任意范圍、任意歷史過程的相似情景的分析，為防汛決策提供高效的支撐。

5.2.4語音交互功能

梳理水利防汛業(yè)務涉及內(nèi)容，對專業(yè)詞匯、防汛句式進行分類、提取、整理為能夠滿足語音識別的知識源，形成語音知識圖譜。在語音知識圖譜基礎上，基于科大訊飛AIUI平臺，根據(jù)廣東省水利防汛業(yè)務特點，優(yōu)化實體、意圖、技能構(gòu)建，實現(xiàn)模糊問、精確答的水利防汛語音智能問答體系(如圖4所示)。

圖4 語音服務平臺總體架構(gòu)示意

在語音服務平臺總體架構(gòu)的基礎上，完成語音控制平臺框架及流程的設計與實現(xiàn)，并提供語音喚醒功能，為廣東省水利防汛系統(tǒng)的全功能智能問答提供語音服務基礎支撐。

在機器人系統(tǒng)內(nèi)建立知識問答庫，知識問答庫內(nèi)可分為：水利通用知識、廣東省防汛知識問答。

1)水利通用知識包括常規(guī)的水利基本知識，比如：“降雨等級如何劃分”、“什么是病險水庫”、“什么是特大洪水”等通用水利知識。

2)廣東省防汛知識包括廣東省特定的防汛知識，比如：“請介紹一下廣東省降雨特點”、“什么是龍舟水”、“廣東省有多少個中型水庫”等廣東省防汛知識(如圖5所示)。

圖5 廣東防汛知識查詢頁面示電

6 結(jié)語

廣東水利防汛智能機器人是我省水利智慧化發(fā)展的一個重要成果，符合新時期新要求下，廣東水利規(guī)劃的發(fā)展方向[13]。本文介紹了廣東水利防汛智能機器人的功能以及設計的思路。水利防汛機器人以其卓越的智慧性和靈敏的反應能力，在防汛工作中發(fā)揮著關鍵作用，這款機器人可以從管理庫中快速抓取數(shù)據(jù)，并運用先進的人工智能技術進行分析，省去了人工翻閱查找的時間和精力，同時，它的智能算法可以敏銳地發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，及時發(fā)出預警，使相關人員能夠迅速采取應對措施，有效預防洪澇災害，水利防汛機器人的智慧性和靈敏反應能力，大大提高了防汛工作的效率和應對突發(fā)事件的能力。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)建設完成綜合查詢、預警警示等部分功能，運行良好，并在我省防汛工作中投入使用，可以為各地水利智能化提供參考和借鑒。