黄河下游洪灾风险评估决策支持系统研究

摘要: 黄河下游洪灾评估决策支持系统开发采用JAVA EE 三层框架结构、中间件技术和Web Services技术，结合MVC设计模式，以数据仓库、模型库和知识库为基础，利用各种中间件服务，集成各种基础和专业信息。系统可以方便地对相关信息进行实时查询，同时应用洪水仿真、损失评估等模型模拟不同洪水频率下最大可能淹没范围、淹没水深、流速，实现洪灾损失评估、洪灾风险分析、迁安救护决策支持等功能。

关键词: 洪灾风险评估; 决策支持系统; 应用服务平台; 黄河下游

中图分类号: TV877; TV882. 1　 文献标识码: A　

目前,黄河下游已初步建成防洪工程和非工程体系，防御洪水的能力显著增强。但是，黄河水沙异源，且泥沙尚未得到有效控制，致使下游河道淤积、萎缩，造成河流游荡，排洪能力不足，“地上悬河”成灾因素依然存在。开发建设黄河下游洪灾风险评估决策支持系统，是解决黄河防洪减灾问题的一个关键措施，对于维持黄河健康生命、促进流域和谐发展具有重要意义。

近年来，决策支持系统一直是国内外研究的热点，欧美发达国家在这一方面开展了许多理论研究和软件开发工作[1- 4]。洪灾风险评估决策支持系统的实质就是在综合集成各种基础和专业信息的基础上，对洪水的致灾因子、暴露要素、脆弱性进行分析和风险建模，研究区域洪灾发生的时空规律及其分布特征，辅助决策部门制订防洪、抗洪、救灾等方案[5] 。

1 总体架构

黄河下游洪灾风险评估决策支持系统采用基于JAVA EE的三层架构进行开发，由数据存储平台、应用服务平台和展现层组成。

展现层为用户提供统一的服务功能入口，将内部和外部各种相对分散独立的服务组成一个整体。该层通过应用生成的接口(包括应用、开发、部署3种方式)访问应用服务平台，应用生成是基于应用服务平台的应用系统开发方法集。

应用服务平台是“黄河下游洪灾风险评估决策支持系统”的软件技术支撑平台，是支撑应用系统开发与运行的重要基础，也是信息及资源共享的平台，可为系统提供统一标准的开发运行环境，并为应用系统提供数据访问、流程控制、应用服务和公共信息等功能。建设应用服务平台的主要目的是通过平台提供的机制与技术手段，形成信息资源，在系统范围内实现应用和信息共享。另外，提供基于软件复用等先进技术的业务应用开发与运行支撑平台，形成可供复用的软件资源，最大限度地减少软件的重复开发。

数据存储管理平台主要是处理各类信息(从采集到数据处理和存储)，是应用系统建设的基础。通过GIS、RS、人工等方式采集到的各类数据存入系统数据库，形成以黄河数据中心为主中心和数据分中心的数据存储管理体系。在数据库系统的基础上，一方面按不同的主题构建数据仓库，在模型和规则的指导下通过数据挖掘，对知识库进行补充; 另一方面，通过应用服务平台的数据服务接口，为应用服务提供支持，还为业务模型提供管理服务(模型库)。

2 系统功能

黄河下游洪灾风险评估决策支持系统使用统一的用户管理和安全权限机制，并与W ebG IS进行集成，具有信息查询、三维场景、预警迁安、洪水演进、灾情评估和风险管理等功能。系统以遥感影像为底图，把行政区划图、系统中涉及的各种水文信息、工程信息、区域基础资料信息以及历史信息等做成可管理的地理信息图层，制作成洪水特征图，并实现查看全图、放大、缩小、漫游、标注、点图查询、定位等功能。结合遥感影像底图、GPS技术和电子地图，展示计算结果，比较直观生动，并可迅速采集到最新数据信息，便于决策者和用户尽快获得需要的信息。

(1)信息查询。该功能模块主要满足用户对相关信息查询的需求，用W eb页面展现相关信息。水文气象信息主要包括重要站点的水位和流量、雨量站雨量数据、地面天气观测资料、高空天气观测资料、云图、天气形势数值信息等; 工情险情信息主要包括防洪工程、险工及险工坝垛、控导工程、控导坝垛和涵闸等信息; 防汛管理主要包括防汛责任单位、仓库物资、防汛队伍、防汛预警体系和防汛道路等信息; 区域基础信息主要包括居民地分布、行政区划、土地类型分布、DEM、水系、道路和城市规划等; 历史洪水灾害主要包括历史灾害、积水点、水毁工程和历史水文气象等信息; 社会经济主要包括人口、GDP、工农业、土地面积、财产和公共设施等信息。

(2)三维场景。三维场景采用1：1万航空彩色正摄影DOM 影像，全面反映黄河下游的地形、地貌特征。包括三维场景仿真、经典线路飞行、重点工程精细三维建模、剖面线绘制、水位模拟和快速定位等。同时，系统还采用1：10万的三维电子地图，标绘出防洪工程、道路、雨量站、水文站和水库等重要防汛信息。采用3D技术，结合三维场景和三维电子地图，对重点工程进行精细三维建模，结合地图漫游和工程简介配音，形象展示重点工程的结构与外形特征等。根据给定剖面位置，系统会自动绘制剖面图来反映剖面的形状和剖面上各点的高程值，从而绘制出防洪工程、堤防等的断面图。

(3)洪水演进。主要利用3S技术、二维洪水泥沙运动仿真技术等，建立黄河下游二维洪水演进模型，模拟洪水在河道、滩区、分滞洪区等区域的实时和预测的演进过程，为防汛人员提供洪水在河道、滩区、分滞洪区等区域的淹没范围、淹没水深、生产堤、道路、渠堤等的阻水情况。

(4)预警迁安。通过建立预警迁安救护模型，并与WebGIS集成，可根据洪水演进情况实现对受灾范围、水深、需要迁安救护人口等的预报; 在迁安救护过程中，在电子地图上实现对迁安救护指挥人员位置、迁移道路、迁安进度等的实时显示，为灾区群众的迁安救护提供技术支持。

(5)灾情评估。灾情评估由灾情预测、灾情监测和灾害评估组成。灾情预测主要是估算不同量级洪水的灾害范围，预估灾害的强度和经济损失，并针对不同洪水量级的灾害提出应采取的减灾措施。同时，为决策支持人员进行洪灾预案的比选提供经济损失方面的信息支持。灾情监测主要是在实际洪水发生过程中，利用卫片、航片、影像处理和GIS 技术，实时监测灾害发生变化的情况，及时掌握最新灾害信息，利用DEM 快速提供洪水淹没范围和水深、受灾人口等信息，为及时采取减灾救灾措施提供信息服务。灾害评估主要是在灾害发生的过程中,根据灾害区域社会经济资料和实地调研情况，估算不同土地利用类型(或建筑物)单位栅格的成本价值区间，并依据不同土地利用类型或建筑物类型与淹没深度的损失率函数，以及淹没深度与受灾人口或受灾面积的相关关系，进行不同频率洪水风险水平下不同地区的灾情损失评估，并为制定重大防洪灾措施与决策提供参考。另外，可对灾前和灾中提出的各种防灾减灾方案进行评估，提高防灾减灾决策的智能化水平。

(6)风险管理。风险管理包括风险区划和风险图管理。其中，风险区划是利用洪灾风险分析方法与GIS技术，采用洪水灾害风险指数因子，包括危险性风险因子、暴露性风险因子、脆弱性风险因子、防灾减灾能力因子等，在因子辨识的基础上，优选洪灾风险区划的指标体系以及各评价指标的权重系数，利用模糊综合评价法进行风险区划，并绘制在洪水风险图上。风险图管理包括风险图制作和图示管理两部分，是风险图发布的基础。

3 系统开发关键技术

(1)模型库建设。模型的建设基于重用理论，应用面向对象技术和Com pos ite设计模式[6- 7] ，从而实现标准化、灵活度高、可扩展的一体化模型库，为系统的综合集成与部署奠定基础。

在系统的开发过程中，涉及洪水预报、防洪调度、洪水演进、灾情预测、灾情监测、灾害评估、风险区划、风险评估、迁安救护方案制订和防汛物资调度等多种模型。为了便于多语言开发系统对模型的使用，采用基于模型库的思想来实现对问题的抽象，以标准方式对问题进行表示，利用模型实现对问题的计算机重构，最终实现不同软件平台之间、不同编程语言之间通过相互访问和操作，达到提高业务运行系统开发效率、运行效率，降低系统开发、部署和运行成本的目的。

模型库包括模型库管理系统、模型库、模型字典以及模型驱动系统。通过模型库管理系统界面，用户可以新建、显示、修改、删除、查询、打印模型，将已有模型组合成新的模型，编译新建的或修改后的模型，将编译通过的新建模型或修改后的模型植入模型库中，并在模型字典中加入该模型的属性信息。

(2)应用服务平台。应用服务平台的建设是该系统开发的核心。将应用系统中所需的业务处理逻辑汇集起来，从中抽取出便于复用共享的部分，形成软件资源，以避免重复开发，有效地保障系统的完整性、规范性与开放性，减少技术风险，提高系统的整体技术水平与信息资源开发利用的能力。

应用服务平台建设主要包括应用支撑服务和数据服务。各类服务资源的生成采用服务开发、集成和工具上载三种方法中的任一种。服务开发完全遵循应用服务平台技术架构开发相应的服务资源，并通过服务开发、服务登记注册，放入应用服务平台; 集成是指按照应用服务平台技术架构封装已有的服务资源，然后通过集成服务登记注册，放入应用服务平台; 工具上载提供开发支撑工具的上载,用户可以把一些有价值的构件式软件包或不易集成的服务资源通过该服务上载到应用服务平台，由应用服务平台进行统一管理，并提供下载服务。

应用支撑服务为一个和多个具体应用直接提供支撑服务,达到软件最大限度复用的目的。主要包括系统业务应用服务、工作流服务和开发支撑工具服务。支撑服务主要是系统中需要共享的业务逻辑，每一个支撑应用服务支撑一个或多个业务应用，提供软件资源共享服务; 工作流服务负责管理系统的工作流定制; 开发支撑工具服务提供对常用系统开发支撑工具的管理，常用开发支撑工具包括开发工具、类库、函数库、子程序和软件构件等。

数据服务主要提供数据管理服务和访问服务，以屏蔽数据异构异源的差异，达到数据共享的目的。数据管理服务包括数据分类、数据标准、数据更新与维护、用户权限、外部数据接口等内容。数据访问服务提供对分布式数据库中存贮的数据信息的访问和显示。数据访问服务是EJB 构件中与数据库结合较紧密的一类，它是服务平台中数据访问中间件的基础，可为服务平台数据访问中间件提供支持，是实现数据共享的基础。

参考文献:

[1] Ford David T. Flood-Warning Decisian-Support System for Sacram ento，California[J]. Journal of Water Resources Planning and Management，2001(4) : 254- 260.

[2] ItoK，Xu Z X，Jinno K，et a.l Decision- Support System for Surface Water Planning in River Basins[J] . Journal of Water Resources Planning and Management, 2001(7): 272 - 276.

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[6] Erich Gamma，Richard He lm，Ralph Johnson，et a .l 设计模式: 可复用面向对象软件基础[M]. 李英军，马晓星，蔡敏，等，译. 北京: 机械工业出版社，2005.

[7] 袁飞，李增智. 一种新的决策支持系统模型库开发方法[J]. 微电子学与计算机，2004，21(5): 111- 113.

作者简介: 郎文林(1979-) ，男，河南扶沟人，工程师，研究方向为水利信息化业务应用系统开发。