安徽省基层防汛预警平台的设计与开发
时间：2022-12-05 17:55:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
丁晓磊 房 媛
（安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院（安徽省水利工程质量检测中心站），合肥 230088）
洪涝灾害是我国最严重的自然灾害之一，特别是2020 年，安徽省气候异常，入梅前干旱严重，入梅后长江及巢湖、淮河、新安江三大流域同期发生了罕见的全省性大洪水。长江干流大通站出现历史第二大流量，马鞍山站出现历史最高水位，巢湖流域发生超保证超历史超百年水位洪水，对人民的生命财产产生了巨大威胁[1]。
防汛预警平台是防御洪涝灾害的强力支撑与保障，全面监测与精准预报能够使防汛工作抢占先机[2-3]。随着人类社会进入信息时代，信息技术在防洪减灾各方面有着广泛的应用，如基于云计算技术的湖南省防汛抗旱云平台，基于大数据架构的杭州市城市防汛决策支持系统等[4-6]。本文以安徽省基层防汛预警平台为例，介绍信息技术在平台设计与开发过程中的应用。
安徽省基层防汛预警平台的建设目标是充分利用互联网、大数据、物联网、人工智能等先进信息技术，整合各种防汛业务相关的数据资源，以防汛预警工作需求为导向，建设技术先进、内容完整、服务智能、专业性和易用性并重的智能化业务系统，以科学的决策指导防汛工作，为防汛业务提供更好的服务支撑[7-8]。
1.1 信息的多元性
安徽省基层防汛预警平台涉及领域广泛，所需的信息复杂多样。涉及水利对象的信息有河流水系、气候、水利工程等；
水利信息时间跨度涵盖过去、现在及未来；
信息来源有传感器监测、遥测数据；
信息存储格式也多种多样，如图像、数字、音频和视频等。
1.2 监测的全面性
安徽省基层防汛预警平台应全面、系统地收集水利相关信息，充分利用“互联网+”、政务网、物联网、4G网络、5G网络等新技术、新终端，实现对防汛重点部位、重点领域、重点目标运行状态数据的实时、全面采集。采用图表、GIS地图、视频等多种形式实现对全省雨水情、气象、视频、预警等信息的综合监视。
1.3 预警的及时性与精确性
洪涝灾害具有快速性、突发性的特点，所以预警信息必须及时发出，尽量做到超前预警。受洪涝灾害威胁的人员必须能够及时获取预警信息，才能在灾害来临前采取避险行为。同时，洪涝灾害也具有局地性特点，安徽省基层防汛预警平台应针对受灾地区发出预警信息，做到预警信息的精确送达。
1.4 平台的智能性
安徽省基层防汛预警平台应具有智能决策与智能查询的能力，当有险情发生时，平台可以根据采集到的信息，结合以往的决策意见，提出决策建议。在业务查询中，通过语音识别与语义分析技术，智能判断服务对象所需要查询的内容，向服务对象提供全面的防汛信息服务。
为实现以上建设目标，安徽省基层防汛预警平台的建设中需要做到：利用物联网技术及时收集汛期相关数据信息，利用大数据与云计算技术，处理汛期全量数据，精确把握汛期的特征与实际情况，提前识别不利条件并发出预警信息；
结合历史大数据，分析风险发生的规律和条件等，提前制定应急预案；
针对突发性灾害，快速匹配应急预案，提高抗灾救灾效率，减少灾害损失[9-10]。
安徽省基层防汛预警平台的建设是将先进的信息技术与传统的防汛业务相结合，整体上采用表现层、业务逻辑层与数据访问层3 层架构，如图1 所示。此架构实现了软件工程中高内聚、低耦合的思想，忽略了数据库之间的差异，使系统易于维护和扩展，能够更好地适应变化[11-12]。
图1 安徽省基层防汛预警平台3层架构
其中表现层是针对用户的交互界面，用户可以通过表现层输入信息，并查看平台返回的数据。对于防汛监测预警平台，用户可通过表现层查看GIS地图；
查询各个防汛监测点的水位、流量、水雨情信息；
查询平台所发布的预警信息；
查看各个视频监测点的视频信息；
可以通过语音查询，并查看辅助决策信息。
业务逻辑层处于表现层与数据访问层之间，是平台的业务、计算等业务逻辑处理层。业余逻辑层与表现层通过RESTful API 进行通讯，RESTful 架构是目前最流行的一种互联网软件架构。它结构清晰、符合标准、易于理解、扩展方便，被越来越多软件系统采用。
数据访问层对数据库进行操作。用户的请求经过业务逻辑层处理之后交给数据访问层，数据访问层根据请求在数据库中查询相关数据，并将查询到的信息返回业务逻辑层，再由业务逻辑层返回给表现层，最终展示给用户。
依据以上架构，安徽省基层防汛预警平台的系统整体框架如图2所示。
图2 安徽省基层防汛预警平台整体框架图
安徽省基层防汛预警平台分为数据采集层、数据存储与汇集层、业务支撑层和智慧应用层。
其中数据采集层用来采集防汛过程中的各类数据，包括气象数据、人工上报数据、传感器数据与视频监控数据。
数据存储与汇集层包括系统信息数据库、地理信息数据库、人员信息数据库、预警信息数据库和业务信息数据库。防汛监测预警平台需建立多源和多种类信息体系，即不同传感器、不同时空尺度的信息，包括实时监控信息，遥感信息，历史数据，视频信息等。由于防汛数据既多且杂，需要对各种类型的数据进行分类，但是所有的防汛数据必须要整体管理，需要进行统一存储，经过分类与存储后的数据有利于下一步的数据融合与挖掘。
业务支撑层将建立起以业务为核心、大数据平台支撑、人工智能辅助的智慧防汛综合性应用体系。各应用间低耦合，通过数据存储与汇集层实现数据共享。各业务间互相协作，为上层的智慧应用提供业务支撑。
智慧应用层基于业务支撑层，向用户提供更精准更全面的服务。依靠人工智能与大数据技术，实现人机协同与智能化应用。将用户被动选择服务改为机器主动提供服务，最大程度降低工作人员的工作量。
根据基层防汛的工作需求，安徽省基层防汛预警平台在业务功能上主要包含以下模块。
3.1 实时监测
针对水情、雨情和水库水情等信息进行实时监测与在线展示，建立及时、精准、全面的防汛信息监测与展示体系。对防汛重要位置需进行24 h视频实时监控，构建河道、水库、排灌站等区域的视频监控体系，并整合所有视频资源。在平台中可对气象信息进行实时查询，包括卫星云图、24 h降雨及台风路径等。
3.2 防汛预警
平台可根据监测到的数据自动发布预警信息，基层防汛人员可以在平台上处理预警信息，也可以人工发布预警信息，进行靶向预警。依托现有网络资源，对预警信息进行循环展播。同时利用传统手段与高新技术，对信息进行多渠道发布，使预警信息准确、快速、及时、有效地展现。利用网站、互联网平台、广播等多种发布手段，加之手机客户端（App移动定位等技术，扩大预警信息的覆盖范围，将预警信息精准、及时送达目标群体。
3.3 业务管理
平台可对防汛相关业务进行管理。平台内存储全省防汛人员的通讯录与水利工程信息，各级防汛人员可以根据自身权限进行查看，获取水利工程的基本情况。平台上可以发布防汛工作相关文件，包括通知公告、培训资料、重要公文、法律规范等，供防汛人员查看学习。平台需要对防汛中各项任务的责任人信息进行管理，可以查看责任人的姓名、电话、单位与职责。平台还能记录日常巡查信息，包括巡查时间、巡查内容和处理方案。
3.4 辅助决策
平台具有防汛预案知识库，对各地市的防汛预案进行统一管理，防汛人员可在平台上查看、更新预案。根据平台的监测数据，以及预警信息与险情情况，对预警提出相应的决策意见，供工作人员参考。平台对防汛决策全过程进行记录与展示，防汛工作者可以随时查询决策信息，决策者也可以清晰地掌握最新的防汛资讯。
3.5 系统功能
平台的系统功能包括账号管理、语音查询与意见反馈，其中语音查询功能通过人工智能算法，将语音转为文本，依据算法所提取出的关键字，理解用户意图，在数据库中进行全局搜索，返回相关数据信息。安徽省基层防汛预警平台的具体业务功能如图3所示。
图3 安徽省基层防汛预警平台功能设计
防汛监测预警平台的表现层分为网页端与App，其中网页端采用渐进式框架VUE 进行开发，App 的平台为Android操作系统，采用混合式开发模式。混合式开发兼具原生App良好的用户体验和Web App跨平台开发的优势，在涉及语音查询、定位、二维码扫描等需要移动设备的特性和功能时，以原生开发为主。在展示数据和视频监控时，以Web开发为主。
业务逻辑层中还包括一套权限控制系统，针对不同用户，开放不同的权限，用户仅能使用对应权限的资源。用户与权限是多对多的关系，同一用户可能具有多个权限。用户权限都存储在权限数据库中，通过鉴权服务器进行分配与核验。整个平台采用Spring Security 框架来进行身份验证与访问控制。
在安徽省基层防汛预警平台的智慧应用中，语音采集设备采集用户语音输入，将音频文件发送给语音听写引擎，语音听写引擎将语音文本发送给语义解析引擎，解析出用户语义，包括查询地点、信息、时间等信息。将这些信息发送到业务支撑层中，与历史数据进行比对，根据数据融合与挖掘出来的结果，对用户需要查询的信息进行智能筛选与排序，最终返回给用户。返回的结果包括水情、雨情等多维度数据。
辅助决策应用的工作流程图如图4所示，平台通过采集雨量与水位信息，同时监测气象信息，对预警指标进行判断。当某一指标超出阈值之后，平台触发预警机制，一方面发起预警，包括向相关责任人发送短信，展播预警信息，通过App推送预警消息；
另一方面提取当前预警中的关键数据，判断预警类型，并根据提取出的关键信息，检索平台内的决策库，提出决策建议。在防汛人员处理完此次预警之后，平台将自动记录处理结果，并存入系统决策库内。
图4 辅助决策流程图
安徽省基层防汛预警平台与传统的防汛预警平台的区别在于网络结构上增加了更多节点，包括防汛应急指挥部、与防汛相关的政府机关、社会群众和基层防汛人员。
安徽省基层防汛预警平台目的是为了连接更多部门，基于政务专网，将气象、水务、应急等多部门的业务进行连接，进而将各部门的天气、水文等多维度信息进行融合，以此构建更多防汛场景，包括防汛的预报结果、实时信息以及决策结果。
防汛监测预警平台通过互联网对社会公众及基层防汛人员提供移动信息服务。通过显示屏向社会公众提供预警服务与知识服务，及时发布预警信息，宣传防汛相关知识。通过App应用，向基层防汛人员提供水雨情信息，推送防汛预警信息，为基层防汛工作提供信息支撑。
安徽省基层防汛预警平台的设计与建设，整合了多维度的数据，并对各个维度的数据进行统一管理，确保数据来源的一致性；
实现了大数据的统一存储，提高了大数据的使用效率，实时监控水情、雨情等数据信息，实现了特定时间、特定地点、特定数据的分析，对防汛工作起到了良好的技术支撑；
基于物联网、云计算与大数据技术，优化了业务实现流程，对防汛工作起到辅助决策作用，为防汛业务提供更好的应用支撑；
实现了多渠道的预警推送，让预警信息更及时、更精准的展示在目标人群中。该平台将信息技术与防汛业务相结合，提高预警精度，提前预报时间，扩大预报范围，提升了基层防汛监测预警的现代化水平。
