Jun.2021NO.6VOL.31
2021年6月第6期第31卷
INFORMATIZATION CONSTRUCTION
收稿日期：2020-12-23第一作者信息：王晓辉，男，主任，E-mail：****************。通信作者信息：雷冠军，男，讲师，E-mail：*********************。
王晓辉1殷峻暹2吉海1郜银梁1朱晓庆1雷冠军3张丽丽2
（1.深圳市水务科技信息中心，深圳518036；2.中国水利水电科学研究院，北京100038；
3.华北水利水电大学，郑州450046）
摘
要：对城市防洪排涝信息化建设的必要性进行分析，介绍了城市防洪排涝信息化的研究进展，总结提炼出城市防洪排涝工作的
难题，提出采用大数据等技术能够对上述难题进行解决，进而对大数据技术在城市防洪排涝中的应用研究进展进行介绍。基于对研究进展的分析，提出水利信息化和大数据技术在城市防洪排涝中应用的问题和对策。并对水利信息化和大数据技术在城市防洪排涝系统中的结构和功能进行了分析，该研究对降低城市防洪排涝的风险和提高城市防洪排涝的智能化具有重要意义和价值。关键词：水利信息化；大数据；城市防洪排涝中图法分类号：TV87；TU998.4 文献标识码：B
文章编号：1673-9264（2021）06-27-06
DOI:10.16867/j.issn.1673-9264.2020428
王晓辉，殷峻暹，吉海，等.水利信息化在城市防洪排涝中的应用研究[J].中国防汛抗旱，2021，31（6）：27-32.WANG Xiaohui ，YIN Junxian ，JI Hai ，et al.Application of water conservancy informatization in urban drainage and flood control[J].China Flood &Drought Management ，2021，31（6）：27-32.（in Chinese ）
分子动力学模拟
0引言目前我国水利现代化建设相对滞后，补足该短板的途径是建设水利信息化，以信息化促进水利现代化的实现。近年来，随着云计算、互联网、大数据、深度学习等技术的应用，水利信息化的进程得到进一步推进，为实现水资源的科学管理和高效利用提供了重要的技术支撑。近年来，由于气候变化和人类活动的影响，极端降水频发，而城市防洪和排涝工作的顺利开展为社会稳定和发展提供了基础和条件。城市在防洪和排涝工作中采用了一系列工程措施，而工程措施由于资金、技术等的限制不能无限扩大规模，因而需要采用非工程措施辅助制定防洪排涝方案、对工程措施进行合理调度、为科学决策提供依据，以提高抵御超标准洪水的能力。而信息化技术的运用，能够有效构建现代城市防洪排涝的技术体系，提高城市主动防洪排涝的能力，实现城市防洪排涝自动化和最优化。
1城市防洪排涝信息化建设的必要性及意义
1.1建设必要性
城市防洪排涝信息化建设对于城市防洪排涝体系的建立具有重要的意义和价值，主要体现在防洪排涝风险管理体制的构建、排水管网的优化设计、防洪排涝的信息化和智能化3个方面。
（1）构建防洪排涝风险管理体制。城市防洪排涝体系建设涉及多个部门，部门之间要加强信息的沟通、明确管理职责、提升应对能力、增强融合多方面信息的能力，并能够给出应急预案；并基于以往的洪涝灾害信息，运用3S 技术（遥感（Remote Sensing ，RS ）、地理信息系统（Geography Infor
mation Systems ，GIS ）和全球定位系统（Global Position⁃ing Systems ，GPS ））、数字模拟技术编制风险分析图，构建
完善的风险应对体系。
（2）优化排水管网的设计。排水能力的提高能够有效
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降低城市排水压力，可基于GIS 技术、SWMM （Storm Water Management Model ，暴雨洪水管理模型）技术[1]、InfoWorks 技术[2]、智能优化技术、欧洲水环境系统模拟软件公共接口技术[3]等对城市排水管网的布置、管径、参数等进行优化确定，提升城市应对排涝风险的能力。
（3）提升防洪排涝的自动化和智能化。为了进一步解决城市防洪排涝的问题，需要基于水利信息化建设的成果，对水利工程进行联合调度，对积水点进行预报和识别，对排水管网进行监测。同时基于水利信息化平台的建设，能够弱化对水利专业技术人才在防洪排涝中的依赖性，将经验等进行集成实现水利智能化管理，使得非专业化的人员也能迅速开展防洪排涝工作。1.2建设意义
（1）提高防洪排涝的联动性。进行信息化建设，能够共享多种资源，将流域的水利管理部门连接在一起，运用大量的数据进行综合分析，全局联动实现防洪排涝的决策最优。
（2）降低防洪排涝的成本。能够实现多部门、多设施的统一调度与管理，减少人力、物力资源的消耗，提高部门的工作效率和防洪排涝的成效。
2城市防洪排涝信息化建设的现状
水利信息化是将先进的信息技术用于水利建设中，进一步改善水利信息资源的应用水平和程度，以促进水利设施的性能和效益的发挥。水利信息化建设，对于城市防洪排涝工作的实施，具有重要的意义和价值。从20世纪70年代开始，我国水利信息化建设的基础设施、业务应用及技术标准得到了发展，城市防洪排涝信息化建设取得了相应的进步。
2.1城市防洪排涝信息化建设概况
城市防洪排涝信息化建设在部分城市取得了显著的成果。深圳市[4]防洪信息基础平台和防洪业务系统，所运用的技术有网络信息技术、视频图像多媒体技术、自动化控制技术和数据库管理技术、水文模拟技术，实现数据采集、数据传输、数据存储、视频监控、自动化控制、预报调度等功能。江西南昌市[5]城区排涝信息化系统包括数据库建设、网络通信、泵站计算机监控、视频监视及综合办公系统。江苏无锡市[6]的防洪工程信息管理系统具有业务流程和信息
流程，分为信息采集、通信网络、数据存取平台如基础数据库、工情数据库、多媒体数据库、空间数据库；应用系统包括数据管理、信息发布及移动终端。浙江丽水市[7]构建的防汛信息系统，对大部分基础工作进行整合实现资源共享，基于实时监测和预警的信息实现智能化决策，对防汛信息、物资、人员进行数字化管理。江苏常州市[8]城市防洪工程管理信息化数据中心接收处理的数据有监测信息、业务信息、基础信息和视频信息，泵闸站综合自动化监控平台及综合业务管理平台包含有调度系统、协同办公管理系统、设备维护系统及物资管理系统。2.2城市防洪排涝信息化建设存在的问题
由于极端降雨发生频率增加，再加上城市不透水面积增大速率较快，同时城市排水设施不完善，使得城市积水增加形成内涝的趋势加重。为了减弱城市内涝的威胁，海绵城市的建设进程加快，旨在将更多的雨水蓄滞下来，减少城市径流量和外排量。然而城市上游的防洪风险，城市内部积水点的识别，以及排水管网堵塞部位的确定，是海绵城市建设依然无法有效解决的难题。城市防洪排涝信息化建设的各个系统较为孤立，难以实现数据共享，而且数据量较小，对数据的分析挖掘功能亟待加强。工程
措施进展较快，但是非工程措施相对滞后，目前的信息化建设大多基于单项问题展开，空间上和时间上未形成完整的体系。
3基于大数据技术的城市防洪排涝信息化建设
城市防洪排涝信息化建设的核心问题是基于信息化手段通过远程查看实情，基于科学的分析和诊断，实现远程监控调度从而消除隐患和故障[9-10]，建立高度自动化的信息采集、监测和监控信息化平台，为防洪排涝提供决策支持。大数据技术基于对数据的采集、存储、计算以及分析应用，能够分析数据之间的关联性，运用关联场景展示的方法[11]，将数据中的规律进行展示从而为决策服务。基于大数据的城市防洪排涝信息化建设，是信息化在防洪排涝中的进一步发展，能够基于多来源的数据信息进行调度决策，有效提高防洪排涝的效益。3.1研究进展
大数据技术在我国部分城市防洪排涝信息化建设中得以应用，同时水利工作者已经做了广泛的研究。河南开封市[12]在统一标准规范的基础上，基于3S 技术、数据存储
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技术和数据库技术，结合物联网，将水利普查成果和各类
相关数据库进行整合，构建了开封市水利大数据库。江苏
常州市[13]基于数据库建设，将多信息源、尺度、类型的信息
进行集成，实现信息的集成应用和数据共享，集成监控、工
情、管理、分析、预测等功能，其中信息采集与传输、数据存
储、数据交换能够实现对信息的分析和诊断，从而实现对
防洪调度、办公、设施设备、物资、水环境、巡检等功能的管
理。陈薇薇[14]提出了基于互联网的城市内涝监测预警系统
建设思路，将互联网和传感器信息采集技术、无线传输技
术结合起来进行数据采集，为排涝提供信息基础，运用SWMM模型和GIS技术实现城市内涝模拟、应急和预警预报，为城市内涝管理提供技术支撑。
郝敬全等[15]将大数据技术与泰华排水模型相结合，能
够基于降雨预报值模拟城市积水内涝的基本情况，将大数
据与物联网、排水模型相结合，能够指导防汛应急指挥，运
用大数据技术对搜集的数据进行清洗，为神经网络的参数
率定提供较好的输入和输出数据。上海闵行区[16]构建的智
慧排水系统，运用传感、通信与计算机技术，在排水管网的
上中下游、交汇点和重要监控点对水位和流量进行采集，
将管网和泵站的监测信息上传至信息中心，能够实现对排
水系统的动态监测，有效弥补排水系统信息难以实时上报
的问题。杨太萌[17]基于大数据和云计算技术，构建防汛决嵌入式之家
策支持系统，能够储存大量的水情数据，运用数据可视化
技术分析挖掘数据的价值，能够实现对水位的查询和预
警，指导防汛工作。张驰恒一[18]运用爬虫技术获取网上公
布的大量实时的水情数据，对获得的数据进行清洗，基于
清洗后的数据构建预测模型，该技术能够用于防汛决策。
余丽华[11]指出对业务系统中的关键数据进行分析提炼，能
够分析得到数据之间的关联并为决策服务，提出了数据采
集、信息场景设计与可视化大屏3个层次的水利业务数据
的开发设计思路。张健[19]提出了运用大数据技术进行中小
河流洪水预报的思路，基于多种渠道获得的多种类型的数
据和成果，对数据进行融合，结合物理意义指导获取流域
参数，实现洪水预报。刘昌军[20]运用水文气象大数据、多源
降雨数据，基于智能学习和并行计算方法结合参数库构建
了分布式水文模型，能够获得全局最优的参数，在湿润、半
湿润、干旱和半干旱地区如新疆射月沟水库、吉林温德河
流域和陕西大理河流域进行了应用，使得洪水预报结果的精度提高了30%。吴振凯等[21]通过建立与洪水有关的大数据库，将120个因子分为5类，分析挖掘因子与洪水之间的规律，构建了基于大数据的中长期洪水预报模型。陈小康等[22]介绍了大数据、移动互联网等技术在海南省防灾减灾中的应用，该应用实现了对36个厅局灾害数据的共享，具有预警、决策、保障等功能。
3.2存在问题
随着城市防洪排涝工作基础设施建设的逐渐完善，获得的数据量巨大，进一步对数据进行分析挖掘，寻数据之间的关联和规律，是将水利现代化的基础设施运用起来的核心动力。虽然大数据等先进技术已经用于水利现代化建设，但是仍然存在诸多问题。
（1）基础设施建设尚待加强。大数据的关键是基础数据的收集，基础数据的收集源于对设备的监测。泵站、闸门等水利工程的监控设备安装尚不完善，自动化程度有待进一步提高。城市排水管网的监控，即堵塞部位的识别目前处于空白状态，城市积水点的实时自动识别与观测的能力较差。
（2）相关人才难以满足发展的需要[23]。城市防洪排涝信息化建设需要专业化人才的支撑，大数据作
蛇纹岩为新兴技术更需要优秀的人才来促进其发展。水利信息化专业人才较少，而且既懂水利信息化又懂大数据的技术人才更少，在人才培养上应该注重加强。而且基层水利机构大多没有专门的水利信息化部门，水利部门待遇差，难以吸引专业的优秀人才，使得大数据在防洪排涝中的运用得到限制，难以获得有效的提升和改进。而且水利部门的管理人员对水利信息化建设平台的认识不深入，缺乏应用的实践经验，难以对信息化建设提出实际可行的意见和建议。
（3）资源孤岛现象普遍。城市防洪排涝信息化建设涉及的水利工程较多，水利工程涉及多个领域，不但部门和系统之间缺少充分的沟通和联系，而且数据标准较多、难以形成统一的体系。水利信息化数据库难以与其他的公益化服务部门实现共享，存在行业、部门、业务的信息孤岛，而打破信息孤岛建立信息共享的桥梁恰恰是大数据得到广泛运用的关键。相关的文献资源没有得到及时的更新，难以有效跟上社会信息化的发展。由于基础设施建设的缺陷，很多小型泵站、水闸、桥涵的观测信息难以得到有效的监控识别，使得存在信息上的缺失。
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（4）深度挖掘、互联网与水利信息化融合发展缓慢。基础设施的构建以及现代GIS 、SWMM 等技术的运用，能够获得海量数据，但是构建成熟的模型进行数据挖掘，提供精准的预报、决策的方案较少，刚刚处于起步阶段。互联网技术和新兴的信息技术与城市防洪排涝相结合，还未大范围开展。
（5）资金投入有限。水利工程属于公益化项目，投资多由政府承担，使得资金来源受到限制，城市防洪排涝信息化建设难以得到资金保障，导致信息采集和传输较为落后。3.3对策
（1）提高数据的采集能力。布置先进的观测仪器和设备，努力实现数据采集的自动化、智能化，使得数据采集具备时效性和可靠性。
（2）加强人才培养。在高校水利相关专业开设大数据、深度学习等相关课程，加大水利信息化的科研、工程建设的奖励和投资力度，吸引更多的高新人才投身于水利信息化建设。通过开设培训班等方式为基层水利部门培养一批扎根实践的水利信息化人才，提升管理和技术人员的素质。
（3）标准化建设。以水利信息化为基础，发布相关数据标准，建立标准的数据化体系。增强不同系统之间的兼容性，促进部门之间信息的共享，减少资源的浪费，实现标准化建设。强化“顶层设计”，规范数据和业务应用系统。
（4）促进深度挖掘技术的应用。将智能识别技术用于数据实时观测中，提高数据的获取效率和能力。对不同数据进行分析挖掘，从而确定事件之间的关联，寻最优的决策。
（5）加大投资。水利信息化建设应该配备国家财政专项资金和水利发展基金，并列入国家基本建设投资计划中[24]。采取地方政府和国家相结合的方式，扩大投资渠道，促使当地的资金用于当地的水利信息化建设。同时可以吸引相关企业的投资[25]，将受益单位的资金用于信息化建设。加大投入力度，同时要保证建设的质量。
4应用分析
4.1水利信息化应用分析
某市的城市防洪排涝信息化系统构成如图1所示，城
市防洪排涝信息化管理系统共分为数据采集与现场控制、数据交换与服务、业务管理与应用服务三部分。数据采集与现场控制由设备自动控制和视频监视子系统构成，现场自动控制系统基于收集的电压、电流、控制信号等服务于远程监控；视频系统基于摄像机采集图像，为集控中心实现远程监控服务。数据交换与服务由数据库和通信服务系统组成，数据库负责各类数据的存储与管理，通信服务系统将收集到的数据按照一定的规范进行处理记录。业务管理与应用服务提供数据库的管理服务与相关
业务，数据库管理服务基于设备控制服务器、数据库与Web 服务器、信息发布服务器及流媒体服务器实现，监控终端、视频终端、查询终端等对相关防洪工程业务的实现。
城市防洪排涝信息化系统，能够有效减少洪水造成的洪灾损失，降低洪水淹没对生产生活的影响，改善生态环境。该信息化系统所采用的设备技术先进，占用人力资源少、土地面积小，方便维护；能够实时监控水利工程系统，便于消除隐患；水利信息化的建设能够促进人才培养，为城市发展增强动力。4.2大数据技术应用分析
将大数据技术用于城市防洪排涝，基于数字地形图、卫星遥感影像及景观模型构成的商务基础数据库，管线、规划、土地等构成的专项数据库，基于数据分析技术如统计、傅里叶变换、平滑和滤波、基线和峰值、列表和作图，对定性数据、离线数据、在线数据等进行加工、整理和分析，寻数据之间的相关性、规律性等，实现数据分析的可视
图1城市防洪排涝信息化系统
系统组成相关业务
自动控制子系统
水位报警信号机组开关状态电压电流
现场视频监视综合数据库
通信服务系统数据管理服务器
应用业务终端
泵站视频摄像机视频图像
工况水位业务数据
整编数据记录到综合数据库
系统
层次数据采集与现场控制数据交换与服务业务管理与应用服务
设备监控信息发布流媒体数据库与Web 监控终端
视频终端
查询终端
调度终端
移动终端
连接媒介接入交换机汇聚交换机租用光纤
数据中心内部网络
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化、高速化、关联化、非结构化等，从而结合监控系统、决策系统、指挥系统及发布系统，对抢险救灾、灾害评估和灾后重建进行协调指挥。运用大数据技术能够有效地协调各部门的人力、物力资源进行统一共享和指挥，高效、全面、综合、快速实现灾害防治的智能化管理与规划。
云计算降雨和计算机仿真城市洪涝能够实现城市的洪涝灾害预警。云计算能够融合高性能的计算资源，降低气象部门配置服务器、存储设备以及修建机房的开支，挖掘整合计算资源和数据资源的最大
效益。短时临近降雨预报的精度空间上可达到公里级别、时间上可达到分钟级别，由于短时临近降雨是由机理复杂的对流性天气系统形成，具有非线性、随机性和复杂性等特性，预报方法主要有统计方法、基于雷达的外推法等传统方法及人工智能等现代方法。传统的统计预报方法缺乏物理基础、统计关系的稳定性不足，且统计关系均可以具体的函数形式表示，较强的公式化和规律化使得预报的准确率较低。基于雷达的外推法受到地理因素和雷达观测数据精度的影响。人工智能方法基于数据驱动，缺乏物理机制，预报结果受到数据精度和模型稳定性的影响。运用云计算进行短时临近降雨预报，可将气象监测站点接入网络系统，站点将实时采集的具有突发性、少量、频繁的气象信息通过网络传送至云中心。云中心基于数据存储平台，对数据进行管理与维护。客户端能够对气象信息实现查询、浏览、设置等功能。短时临近降雨预报系统能够集成多地区的多普勒雷达回波外推图，能够对回波的演变进行时空分析，提高回波外推法的预报精度。可基于云计算运用人工智能技术对统计预报方法进行修正，实现数据驱动和机理驱动的融合预报。基于预报的降雨信息，构建模型对暴雨洪水进行仿真实验，能够模拟不同情景下的水情变化，进而对防洪、排涝系统的薄弱环节进行识别，并构建调整最优的防洪排涝系统。物联网基于信息传感设备感知信息，通过不同的媒介按照约定的协议运用互联网进行信息传输与管理，能够实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。
基于大数据的城市防洪排涝系统能够综合各方面的信息，为抢险救灾等提供信息综合服务，协调各部门统一行动。水文预报和计算机仿真模拟能够降低防洪减灾的成本，提升防洪救灾的信息化水平。5结语
本文对水利信息化在城市防洪排涝建设中存在的问题进行分析，提出采用大数据等技术对问题进行解决，总结分析了水利信息化和大数据技术在城市防洪排涝中的问题，并提出了相应的对策，为城市防洪排涝信息化建设提供了较好的指导和借鉴。并对水利信息化和大数据技术在城市防洪排涝系统中的结构、功能进行了论述，说明水利信息化和大数据技术能够有效提高防洪排涝的智慧化水平。
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