開發建設項目智慧水土保持系統建設初探

2018-02-18 05:03:36李百鳳張乃暢

西北水電 2018年6期

李百鳳，張乃暢

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

信息化是引領創新和驅動轉型的先導力量。開發建設項目智慧水土保持系統建設，旨在實現水保措施效果的自動化監測、三維展示和水保問題及時報警和處理，科學評估水保措施效果，實現水保實施效果的自動化監測、統計、分析對比等，為推動項目區自然環境和生態環境健康可持續發展，提供信息服務和業務管理技術支持。

1 智慧水土保持系統概念

智慧水土保持系統建設，是把傳感器和裝備嵌入到各種水土保持因素監測設備中，通過后端計算單元、存儲設備單元、網絡運行單元及安全運行單元等設備為基礎，以移動互聯網、衛星通訊網等通信手段和技術為連接手段，使用GIS、GPS以及云計算等關鍵技術建立起來的數據感知、有效采集、網絡傳輸、分析處理、智能控制的信息服務計算后臺，形成水土保持信息的全景直觀的視圖界面，以實現水土保持監測物聯網，再借助物聯網、云計算、大數據挖掘等新技術，組合連接監測設備物聯網、互聯網和人類社會，對水土保持監測要素實現數據智能識別，對監測數據即時傳輸和系統存儲，對海量數據智能挖掘和模擬仿真，以更加精細、及時、動態、開放的方式實現水土流失在線監測和水土流失綜合治理措施決策。

2 建設目標

開發建設項目智慧水保系統的目標是整合開發建設項目水土保持設計、施工、監測和監理系統，實現水土保持措施效果的自動化監測、三維展示和水保問題及時報警和處理，科學評估水保措施效果。為開發建設項目實行最嚴格的水保管理制度，實現水保優化配置、高效利用和科學保護目標提供支撐。與傳統的水土保持管理相比，智慧水土保持系統具有實現水保實施效果的自動化監測、統計、分析對比，實現水土保持信息實時感知等特點，使水土保持管理更加及時有效。

(1) 實現水土保持“三同時”智能管控。

通過對水保項目設計、施工、投用狀態監測，實現對項目挖填活動造成的水土流失及其防護情況、違規棄渣等問題進行全面監控和預警，主要包括以下2個方面。① 對施工區規劃的水土保持措施實施嚴格管控，確保棄渣場先擋后棄，通過智能監控手段，對違規取土棄渣等行為進行及時預警。② 對于施工過程中出現的水保問題及隱患，所有參建人員均可通過手機APP上傳至預警決策平臺，系統自動分配至相關責任單位和責任人，整改落實完畢后形成工作閉環。

(2) 實現水土保持監控預警

施工區主要監控對象包括：工程邊坡等容易造成水土流失部位的挖填活動，工程取土、棄渣等土石方取棄土活動，水土流失面積、流失量、流失強度變化情況，工程采取的水土流失防治措施數量和質量、防護工程的穩定性、完好程度和運行情況各項防治措施的攔渣保土效果等水土保持措施狀況。通過安裝監測設備實現實時監控，采集得到的環境數據及時上傳至預警決策平臺，實現對監控數據的動態分析和預警決策。初步建立水電工程建設項目風險預警體系及知識庫，實時把控工程風險點，建立投資風險稽核體系。

(3) 實現水土保持措施效果自動化評估

核心功能是實現水保實施效果的自動化監測和反饋分析。整合項目水土保持設計、施工、監理、監測系統，實現水保措施效果的自動化監測、三維展示和水保問題及時報警和處理，科學評估水保措施效果。

(4) 實現“風險識別自動化、決策管理智能化”

針對各管理層級在工程建設管理過程中的不同職責、不同深度，通過對工程建設各階段的數據集成、挖掘、對比、分析、展示，自動識別風險源，并分級預警，形成自下而上的分級管控，實現實時監控、自動分析、自動預警、互動決策，最終實現風險識別自動化、決策管理智能化。

3 建設內容

智慧水保系統的構架主要分為信息感知層、數據傳輸處理層、業務處理層和預警決策層。信息感知層起到的作用是利用相關設備，實時感知水土流失量等變化；數據傳輸處理層是將感知的數據，通過網絡進行交互處理和共享；業務處理層是利用現代技術手段，將數據進行整合分析并實時處理應對；預警決策層是評價各種風險狀態強弱程度，向管理者發出預警信號并提前采取預控對策的系統。

(1) 信息感知層

信息感知層為一體化數據平臺提供信息采集功能并可時刻掌握工程建設狀態，利用GPS、RFID、寬頻定位、電子標簽、攝像頭等設備，輔以PDA、電子表單、PC端人工錄入功能，可自動獲取工程建設管理的關鍵信息。

開發建設項目水土保持智慧系統的信息感知層建設，主要結合水土保持監測和水土保持監理工作建立，借助水土保持監理監測技術手段，并建設其他現場觀測設備等，實時感知工程建設進度、工程建設擾動土地面積、水土流失災害隱患、水土流失及造成的危害、水土保持工程建設情況、水土流失防治效果，以及水土保持工程設計、水土保持管理等方面的情況。并在重要的渣場和料場、工程區域內溝道等可能發生洪水、泥石流等部位設立定位觀測設備，實時監測可能發生的影響人們生命財產安全的水土流失災害等情況。

信息感知層將項目內的各種水土保持活動有機結合，有利于提高工作效率、減少人為干擾，為實現參建各方工程管理數據信息的自動采集、實時共享、及時反饋提供技術支持。當水土流失災害發生時，搶險人員可以通過移動采集模塊，第一時間向系統提供照片、音頻、視頻、文字及GPS準確位置等信息，通過移動視頻監測的功能，了解到周圍重點區域的情況，提高搶險效率。

(2) 數據傳輸處理層

數據管理層是對感知層信息的集成，包含平臺所需的基礎空間地理、三維模型、工程圖檔、業務流程等方面的數據信息。通過工程建設管理數據中心統一的空間對象編碼和工程模型數據配置，實現對數據庫結構的管理和開發，以避免不同來源、不同階段、不同類型的信息出現沖突、孤立、無法關聯等問題。同時，根據建設管理需要，可通過接口控制實現與項目其他智慧系統的數據共享。

數據傳輸處理層在充分集成利用現有軟、硬件資源的基礎上，集成整合項目的水土保持信息資源，通過實施數據處理與存儲系統，形成面向各個參建方數據資源匯集的基礎性架構，具有數據分析統籌全面、數據整合與數據融合、各方數據系統集成共享、數據查詢快速響應等特點及優越性。

(3) 業務處理層

業務處理層是根據功能要求來劃分管理對象，并作為與建設單位組織架構相銜接的接口，與相關機構和部門的職能一一對應。該層面主要針對項目建設中的重點問題，以對工程狀態的全面感知、信息的即時傳達為基礎，以智能信息系統為數據中心，借助物聯網、三維數字移交、BIM等前沿技術，實現對工程建設各個環節的高效管控。

業務處理層主要分析處理項目區各項水土流失防治措施，重點處理水土保持方案落實情況，取土(石)場、棄土(渣)場使用情況及安全要求落實情況，擾動土地及植被占壓情況，水土保持措施(含臨時防護措施)實施狀況，水土保持責任制度落實情況等。掌握項目區水土流失狀況和效果，及時發現重大水土流失危害隱患并進行處理。

業務處理層是智慧水土保持系統的核心層，可為各個參加方提供項目水土保持建設實施情況，實時準確地反映各個階段的水土流失問題，供各參建方發現問題、解決問題并評價實施效果。

(4) 預警決策層

預警決策層是利用多終端來創建沉浸式工程建設輔助管理和總體決策支持的虛擬現實環境，通過構建可視化平臺實現關鍵信息的快速獲取，同時滿足與上層公司實現信息鏈接與共享的需求。

預警決策主要針對工程區泥石流溝道型渣場。開發建設項目尤其是水電建設項目，工程區域堆渣場地條件較差，常常利用溝道堆渣，溝道堆渣體會占據大面積溝道而束窄泥石流流通渠道,將會改變泥石流運動特征,產生較嚴重的泥石流災害。若較大規模泥石流可能會引起堆渣體局部失穩,甚至堵塞溝道進而形成更大規模泥石流,對工程區域內人民生命及財產安全和水電站的正常運營都造成較大威脅。水土保持智慧系統通過監測泥石流運動規律和棄渣場的穩定性,可以及時對渣場穩定狀態發出預警提示,收到預警的工作人員可及時提出處理決策并通過系統向各相關人員進行命令的下達，保證渣場的穩定性和安全性,避免災害的產生或者造成較大的損失。

智慧水土保持預警決策層的建立，對于預防開發建設項目水土流失災害事件的發生意義重大。

4 關鍵技術

(1) 數據的實時監測與傳輸技術

運用先進的物聯網傳感器技術、移動互聯網技術和無線傳輸技術等IT技術實現對工程建設區域取棄挖填等擾動地表活動、水土保持措施實施過程和實施效果、棄渣場等監測站點進行連續、準確地監測和管理，并實現實時的監測數據自動上傳分類。

智慧水土保持實時監測可借助水土保持監測技術和手段，如遠距離測量、激光掃描、實時攝像、徑流泥沙自動觀測、侵蝕過程數字化攝影、航天遙感、航空遙感、無人機監測、實時攝像、地面觀測等，實現數據的高頻自動采集、遠距離信息傳輸、模型化分析處理、數字化應用與網絡共享。

(2) 數據處理技術

運用大數據、云計算等技術，整合各級數據中心，構建形成布局合理、規模適中、各種保障有力的大數據中心體系，促進各種大數據整合和數據資源的匯聚應用。建設內容包括以下幾部分：① 計算資源。數據庫服務器集群、信息數據采集前置集群、數據庫數據處理集群、中間件軟件服務器集群、業務系統應用集群。② 數據存儲資源。數據庫資源池、高并發數據資源池、常規數據資源池、視頻圖片數據資源池。③ 容災備份資源。用于數據庫備份、文件級備份、操作系統、塊數據級別備份。建立兩地三中心的實時數據災備恢復系統。④ 軟件平臺資源。服務器虛擬化系統、超融合系統、大型數據庫系統、云計算管理平臺，在PAAS基礎上構建完備的軟件平臺系統。⑤ 網絡資源。互聯網寬帶及網絡安全防護，實現完備的內外網安全設計，移動互聯網資源設計等。

(3) GIS空間顯示平臺技術

對數據中心層匯總的大數據及應用層模塊對數據信息進行多樣化的空間顯示和開發模擬。平臺的建設內容可劃分為2個主體功能部分：大數據的空間顯示及系統管理。① 大數據的空間顯示，包括中心層存儲的基礎數據及應用層各模塊處理生成信息的空間呈現。顯示的內容包括大數據中心層存儲的水土流失情況、水土保持措施實施進度形象、實施效果情況、棄渣場堆渣情況等各模塊對應用層管理模塊基于水利大數據處理生成的信息。② 大數據的系統管理，包括大數據的支撐管理系統平臺開發及變化趨勢擬合。通過機器學習和深度學習，建立相關模型，對數據進行訓練學習，通過在線數據進行測試分析，不斷提高模型準確性和健壯性，為水土流失措施實施及項目水土保持管理提供數據支持和決策依據。

(4) 信息管理平臺建設

集合大量的水土流失預測模型，結合實時監測數據庫，進行數據挖掘和模擬，通過人工智能決策和系統虛擬仿真，預測不同條件下的水土流失強度，對水土流失的防治、堆渣體的穩定性、山洪和泥石流的防控進行智能規劃和模擬，最終選擇最優決策。

信息化是引領創新和驅動轉型的先導力量。開發建設項目智慧水土保持系統的建設，可實現生產建設項目全過程信息化監控，及時準確掌握新增水土流失治理情況。縱觀山區的開發建設項目，尤其是棄渣量大、場地布置困難、溝道洪水與泥石流發育的水電建設項目，因山洪、泥石流造成的財產損失動輒上千萬，甚至造成人員傷亡，其損失更是難以計量。建設智慧水土保持系統，預防水土流失災害事件的發生，減小水土流失災害造成的人民生命財產損失，具有可觀的經濟效益。

5 結語