水庫群綜合管理市級平臺的設計與實現

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

我國水利信息化“十三五”的目標之一是加強水利信息化支撐能力建設，進行數據資源整合，促進信息共享[1]，建立統一的水利數據交換平臺和信息資源服務體系。在該規劃框架指導下，水利工程信息尤其是水庫數據資源的整合勢在必行。本文針對縣市級水管部門水庫群管理業務提出了一套資源整合、信息集成、實時分析、集中管理和綜合展示的一體化解決實施方案。該方案可實現水庫群公共信息的全面整合與共享，為水庫監管、水庫調度、應急指揮等核心業務提供強有力的信息化支撐手段。

1 現狀分析

當前，我國水行政部門針對水庫的管理呈現多級分管狀態，針對不同類型水庫的信息化管理系統的建設主體也不相同[2]。例如，我國湖北、浙江、安徽等省級主管部門建立了全省范圍內的水庫群管理系統，旨在掌握大中型水庫的工程概況、區域分布、實時水位庫容，側重于宏觀監督管理；地方水文局、氣象局根據業務需要又建立了大中型水庫水文監測、氣象預報系統，實現水庫群的水雨情信息采集；地方水利局則建立小型水庫群監管系統，重點采集小型水庫的水情、雨情和實時圖像。雖然都是水庫群管理系統，但是其分析對象、采集信息類別范圍、數據結構、物理存儲等都存在很大的差異，總體而言我國針對水庫群的信息化管理系統存在以下幾個普遍問題。

(1) 信息管理分散，標準不統一。縣市級水利管理部門針對水庫群的管理雖有一部分信息化系統，但由于分隔式的信息管理方式，數據在部門間不能互通有無，形成信息孤島，不能全面掌握水庫的基本情況和實時的運行狀況。另外由于數據內容、數據分類等標準不一致，已有的數據成果不能得到有效利用。

(2) 數據資源完整性、正確性和共享性不夠。縣市級水利管理部門和當地水文局、氣象局等單位間數據有部分重疊，存在“一數多源”現象，影響了水庫相關數據的完整性和權威性，因而必須對以上數據進行共享整合，統一數據口徑。同樣地，市水庫管理部門同省廳的業務單位間也存在數據交換與共享需求，但是現有系統之間的數據交換主要建立在點對點交換的模式上，很難擴展和管理，不能適應未來數據交換共享要求。

圖1 管理平臺架構Fig.1 Comprehensive management platform architecture

(3) 缺乏統一的信息資源管理平臺。在縣市級水利管理部門中，針對水庫群管理的各類業務系統，由于功能側重點都不一致，導致展示形式多樣，信息種類互有長短，均不能完全適應水管部門的主要業務需求，缺乏統一的信息資源管理，因此有必要建立一個能夠全面展現水庫群綜合信息的水庫群管理平臺。

針對以上信息化現狀，本文著重研究了水管部門水庫群管理業務的實際需求，設計了水庫群綜合信息管理市級平臺[3]。為了實現平臺建設，首先必須打破行政壁壘，整合信息資源；其次進行實時資料整編，保證數據正確完整可靠；然后建立統一的基礎服務平臺；最后建立滿足多層級管理需求的水庫群綜合管理業務平臺。

2 平臺架構

水庫群綜合信息管理平臺是一套綜合性信息化管理系統，平臺通過采集水庫的水情、雨情、工情、監測、圖像等信息，綜合分析水利工程運行的當前狀況、歷史過程，在建立判斷標準的前提下，自動判斷異常并進行預警報警。除此之外，系統設置管理功能，可以對轄區內的水庫進行綜合調度和系統評價，并根據需要制定分析統計報表，管理平臺的架構圖如圖1所示。

3 總體技術路線

水庫群綜合信息管理平臺在技術路線選擇時應綜合考慮運行效率、開發效率以及隨需應變能力的平衡能力，綜合運用物聯網、3S技術、云計算和大數據等先進的技術[4]，總體技術路線圖如圖2所示。

圖2 總體技術路線Fig.2 Technology roadmap

物聯網技術的特點是感知，通過前端的物聯網設備(水位計、雨量計、RTU 遙測終端、水位雨量自動報汛設備、全天候云臺攝像機、無人機)，全方位采集各種水利數據和業務數據。這些數據通過網絡傳輸到云數據中心，在數據中心，通過大數據處理方式，對GIS、水庫基礎數據、影像數據、視頻監控數據、防汛抗旱應急方案等進行數據整合，清洗，并將結構化數據和非結構化數據進行關聯；最后通過虛擬化計算和視頻融合的方式，充分利用IaaS、PaaS、SaaS 的計算資源，搭建水利模型，從而為分析決策提供支持[5]。

4 應用支撐平臺

4.1 私有云平臺

水庫群私有云平臺的建設目的是利用云計算解決水庫群運行狀況信息的資源整合、應用共享，以云計算關鍵支撐技術為突破口，建立面向開放網絡環境的水庫云服務模型與靈活的服務協同機制，為數據資源整合提供穩定可靠的軟、硬件運行環境[6]。

水庫群私有云平臺由軟件、硬件和網絡幾部分組成，其組織結構圖如圖3所示。硬件部分主要是為云平臺提供硬件基礎環境。云平臺的軟件部分為用戶提供了計算服務、存儲服務、網絡服務、模板和鏡像等多種選擇，使之更加便捷地根據需要完成各類虛擬機的擴展和管理。云平臺的網絡部分旨在搭建滿足數據資源整合和數據信息傳輸的網絡環境，它是實現水利信息數據傳輸集成的基礎，使之與水利相關系統、網絡融會貫通，形成統一的整體。

圖3 云平臺組織結構Fig.3 Cloud platform organization structure

4.2 數據資源中心

在全面梳理水利的各類數據資源的基礎上，實現現有數據資源的整合，同時健全數據標準規范體系，形成標準統一、數據規范、充分共享的中心數據庫，實現水利公共數據的全面整合與共享[7]，數據中心組織結構如圖4所示。

在水利綜合數據庫的基礎上，可以進行數據分析挖掘、信息綜合展示，為縣市級水庫群的智慧化管理，為領導決策、綜合業務聯系管理、應急指導、公眾信息服務提供強有力的數據支持。

云數據中心的數據資源可以通過數據交換方式和Web服務方式進行對外發布共享，通過智慧水利數據共享交換平臺，對上是作為省廳數據中心的縣市級分中心，對下連接各個區縣市水利部門，橫向共享到各局委辦、各業務系統。

4.3 地理信息系統

采用GIS基礎支撐軟件和空間數據庫技術，基于J2EE開發環境構建水利“一張圖”系統。通過空間數據庫管理框架，建設水利空間數據服務體系。為水利業務應用系統提供統一的空間數據應用服務，實現“一張圖”數據的瀏覽、查詢和分析功能，為水利信息化管理和宏觀決策提供可視化界面[8]。

結合數據應用需求，實現“一張圖”數據的瀏覽、查詢和分析功能，利用3S、Web Service等技術，將各類數據服務嵌入到各應用系統中，為業務系統的信息展示和管理提供全面、準確的數據支撐。

圖4 數據中心組織結構Fig.4 Data center organization structure

5 綜合信息管理平臺實現

5.1 整合數據資源

水利數據資源整合是綜合管理平臺正常運行的基礎，為了更加高效地整合離散的數據資源，應根據水利資源的特點和相關行業規范建立數據資源目錄。資源目錄分為水利業務數據、水利政務數據和水利綜合數據三大類16小類，數據資源目錄結構如圖5所示[9]。

圖5 數據資源目錄結構Fig.5 Data resource directory structure

此外，根據數據源分類和分布情況通過數據資源共享平臺(ETL)工具建立數據點對點的抽取、轉換、存儲和共享，實現數據資源的整合利用[10]。

5.2 業務功能設計實現

水庫群綜合信息管理平臺采用面向服務的思想進行設計，由數據中心、統一業務平臺及搭建在該平臺上的防汛管理相關信息化業務系統構成，提供多元業務應用和多級用戶交互的防汛業務處理以及專業智能的決策支持，滿足多業務類型、組織架構和規程規范的要求。水庫群綜合信息管理平臺的功能模塊涵蓋縣市級水利管理部門水庫群管理的主體業務，旨在建立信息集中、業務全面、風格統一、交互友好的綜合性水利工程管控一體化平臺(見圖6)。系統功能如下所述。

(1) 一張圖。借助于地理信息系統(GIS)，通過“一張地圖”的形式展示水庫相關工程的監測和統計信息，以可視化、形象化的方式將水庫的主要信息進行集中展示。

(2) 水雨情。及時了解水情、雨情實時信息和歷史變化過程。以表格、曲線、柱狀圖的形式呈現水位統計、多雨量站統計，提供環比、同比功能，實現中長期的水雨情分析。建立洪水預報模型，做好來水預報，提供調度方案。

(3) 安全監測。全面掌握大壩安全監測現狀和變化過程，繪制實時浸潤線和等值線，提供分布圖對比和輪播功能以掌握浸潤變化過程。建立回歸分析、有限元分析模型，為數據分析提供專業上的補充。提供巡視檢查在線填報、上報機制，真正做到發現問題、報告問題和解決問題的流程化管理。

圖6 綜合信息一張圖Fig.6 General map of comprehensive information

(4) 防洪調度。針對水庫的防洪業務需求，主要從防汛值班管理、防汛物資管理、輔助應急事件處理以及閘門監控等方面支撐水庫安全度汛。

(5) 灌區管理。提供可視化的灌區管理，制定灌溉計劃，跟蹤計劃執行，按需統計灌溉實績。實現可視化設備監控、檢修維護，建立設備請購上報流程制度。實現灌區有效的調度，提供來水預報、優化配水等技術模型輔助灌區科學化管理。

(6) 電站管理。全面形象地展示電站整體運行狀況，了解機組、開關站等主要設備的工作狀態，展示運行參數和統計報表，實現交接班、操作票流程化管理，建立安全生產制度。

(7) 水質監測。集水質參數監測、分析于一體，具備實時可視化監測、專業模型分析、水質污染應急處置等。

(8) 視頻監控。集成視頻監控相關軟件及硬件設備，實現水庫實時視頻監控及歷史資料檢索查看。

(9) 綜合管理。不僅具有水庫日常運行管理中的維修養護、管理考核、單元化管理、安全生產管理，而且整合了辦公自動化系統、流程管理、檔案管理等模塊，更能提供數據在線可視化整編、資料分析報告自動生成功能，全面滿足水庫管理的信息化需要。

6 結 語

水庫群的管理是水利管理部門的核心業務，本文結合當前水庫群管理系統存在的問題提出了平臺的總體架構和技術路線，搭建了以私有云平臺、數據資源中心和地理信息系統為核心的應用支撐平臺，一方面通過數據資源共享平臺實現離散數據資源整合；另一方面，業務應用系統緊密結合水庫管理單位的業務實際需求，從功能設計、數據存儲和管理、性能需求、安全需求等方面做了詳細設計，形成了一套既滿足業務需求又具備高性能特點的體系架構，很好解決了水庫群管理的主要問題，具有很高的實用價值。