灌區信息化管理平臺系統的設計與實現

張 鵬，陳宇飛，孫秀峰

(1.廣東省水利水電科學研究院,廣東 廣州 510635;2.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣東 廣州 510635)

1 背景與意義

農業是國民經濟的基礎，而發展農業離不開對水的利用。灌區工程則是農業與水利行業有機結合的重要紐帶，是發展農業的必要條件，也對當地水情調節、改善農田水分、治理旱澇、鹽堿等災害有巨大的幫助[1]。因此，做好灌區水利工程管理工作意義重大。2011年中央一號文件將我國水利建設提到了前所未有的高度，一大批興建于20世紀六七十年代的灌區工程得到了有力的資金支持，相繼進行改造。

信息化建設是當今世界經濟和社會發展的大勢所趨，隨著科技的發展，水利信息化已然成為重要建設內容之一，為解決當前水利工程中存在的問題，水利工程管理者必須打破傳統的思維定式，以信息化技術創新水利建設，真正實現水利現代化[2]。

隨著水利科技的快速發展，灌區水利工程建設也正向現代化邁進，信息化程度的高低逐漸成為衡量灌區建設管理水平的重要標準及依據，將信息化建設應用到灌區管理上，全面完善管理手段與模式意義重大，主要體現在如下幾個方面：① 信息化手段具有信息傳遞實時性、監測數據精準性等特點，因此有利于實現灌區水資源的合理調度利用[3]；② 通過設置視頻圖像監控，有利于保障灌區工程安全[4]；③ 通過信息化管理手段，可以替代傳統的人工管理、現場操作與紙質記錄等方式，有利于提高灌區管理效能；④ 通過信息化流量監控，有利于建立水費管理平臺，增加水費計收透明度[5]。

2 灌區現狀與存在問題

對于國外的灌區信息化發展情況，以美國為例，當地的農田灌溉自動化程度比較高。其信息化的重心在于水資源的有效管理及提高灌溉用水效率，通過建立作物生長需水模型，進行灌溉的精準管理和決策，以獲得最大的灌溉效益[6]。

有關我國灌區信息化建設的發展現狀，由于起步較晚，早期工作集中在水情信息的匯總整理與自動控制技術方面的研發上。近年來，有不少學者圍繞灌區信息化提出了各自觀點并付之于實踐，研究方向主要是通過計算機網絡、無人機監測、遙感衛星等技術構建灌區水資源信息感知、智能控制、動態調度，實現灌區基本數據的定時收集、遠程傳輸、自動控制、實時存儲、科學分析，實現灌區管理水平的提升[7]。

綜合分析我國灌區信息化進展，目前已實現了計算機對信息資源的可靠采集與穩定傳輸，并可作為灌區管理部門的工作參考。由于我國是農業大國，灌區信息化管理的需求龐大[8]，經濟落后地區的灌區依舊缺乏現代化管理手段，并存在以下問題：① 人力與認知方面，灌區管理人員往往只具備農田水利工程專業教育背景，大多處于基層水利系統，對于現代信息技術認識不足，無法具體參與到灌區信息化項目建設中，先進卻過于復雜的技術手段難以推廣應用；② 在設備運行方面，建設和維護成本高，現存灌區所用到的設施設備種類繁多且性能各異，缺乏功能一體化測站，而且早期建設的信息化系統因部分設備性能限制，獲取信息容易出現延遲、誤差等狀況，影響灌區管理人員的判斷。

3 需求分析

東湖灌區始建于20世紀60年代，為中型灌區，水源主要由東湖水庫和那龍河提供。歷經50多a，灌區因年久失修，設施嚴重老化，邊坡坍塌，渠道淤積，水流不暢，曾經的干渠變得支離破碎，東湖水庫水源無法順利引入沿線村民的農田，水利用系數嚴重低下。為此，陽東區實施東湖水庫灌區改造工程，重點對東、西、南三大干渠進行改造，其目標是改善灌溉條件，提高渠系水利用系數和灌溉保證率[9]。其中，信息化建設是灌區改造的內容之一，也是對灌區進行信息化管理，提高灌區運行管理效能的重要組成部分。

針對陽東區東湖灌區進行灌區信息化管理平臺系統的設計與實現，可以有效提升東湖灌區管理水平和效率，讓管理人員及時掌握東湖灌區水情、工情，從而提高各種信息的測報能力，為東湖灌區科學供水、配水、用水提供基礎保障與技術支持。

本文以陽東區東湖灌區為例，提出了一種基于J2EE架構、GIS技術及微信公眾平臺的系統應用，可作為灌區管理的有效輔助手段，系統建設主要內容如下：① 開發基于地理信息系統(GIS)的灌區信息化管理平臺；② 根據灌區日常管理需要，在渠首、主要取分水口等布設監視監測設備；③ 建設灌區管理門戶網站，對外發布灌區服務信息；④ 實現“互聯網+”技術與灌區管理的有機結合，開發灌區微信平臺。

4 設計與實現

4.1 系統關鍵技術

1) 微信公眾號開發接口

本系統采用微信公眾號實現東湖灌區各個測站的信息的移動查詢，如水雨情信息與位置信息等。

微信公眾號開發接口是微信公眾平臺提供服務的基礎[10]，開發者在公眾平臺網站中創建公眾號，獲取接口權限后，可以通過調用接口來實現公眾號應用，為微信用戶提供資訊和服務。公眾號主要通過消息會話和網頁為用戶提供服務。本系統采用了公眾號的網頁形式，可為更復雜的場景提供服務[11]，開發者通過微信原生功能的工具包JS-SDK，可在網頁上進一步通過JavaScript代碼調用，實現上傳圖片、拍照和定位等能力[12]。

2) SSH框架

本系統采用基于MVC模式的輕量級Web應用框架SSH進行軟件系統的開發，其原理架構如圖1所示。

圖1 SSH架構示意

SSH是由Struts、Spring和Hibernate 3個框架集成[13]。其中，Struts 是一個很好的MVC框架，主要技術是Servlet和Jsp。Struts的MVC設計模式可以使系統邏輯變得很清晰，讓程序層次分明。Spring 提供了管理業務對象的一致方法，并鼓勵注入對接口編程而不是對類編程的良好習慣，使系統在最大程度上解耦。Hibernate 是用來持久化數據的，提供了完全面向對象的數據庫操作。Hibernate對JDBC進行了非常輕量級的封裝，它使得與關系型數據庫打交道變得非常輕松[14]。

WebGIS即萬維網地理信息系統，是GIS和WWW技術的結合，是Internet環境下的一種傳輸、存儲、處理、分析、顯示與應用地理空間信息的計算機系統，它使GIS各項功能不再局限于局部計算機[15]。目前ArcGIS Server是全球使用最廣的地圖發布軟件，可以提供SOAP、REST接口等多種形式發布。ArcGIS API for JavaScript是ESRI根據JavaScript技術實現的調用ArcGIS Server REST API接口的一組腳本。可以在多種不同的設備上使用，開發人員可通過調用所需要的的API功能接口開發的地圖應用。而利用最新的HTML 5和CSS 3標準可使地圖應用程序的靈活性和性能進一步增加。可為地理信息模塊開發提供查詢、編輯、定位等功能。

4.2 系統總體結構

系統系統總體結構層次劃分如圖2所示。

圖2 軟件系統總體結構示意

1) 數據支撐層：主要包括灌區基礎資料，灌區改造設計資料，監測點水位、流量等采集數據，監視點視頻、圖片等流媒體，空間數據及專題圖等。

2) 數據集成層：主要包括基礎數據庫、動態數據庫、電子地圖等，提供數據存儲與查詢服務。

3) 公共支撐平臺：提供 DHCP、DNS、IIS、GIS等服務，數據接收、存儲與讀取接口，通用檢索、查詢模塊，業務邏輯管理，成員管理，權限管理。

4) 應用層：灌區管理信息系統，包括灌區信息管理子系統、灌渠水位流量監測子系統、視頻監視子系統、灌區業務管理子系統、信息發布與管理子系統等。

5) 表示層：包括內網的灌區管理信息和外網的門戶網站，同時包括微信公眾平臺對灌區測站的信息查詢。

4.3 系統網絡結構

灌區監控中心建立局域網，采用星形結構，結構化布線，客戶端自動分配 IP地址；租用包含固定 IP地址的 ADSL連接互聯網。灌渠水位、流量監測點及關鍵工程圖像視頻監視點通過無線通信網絡連接互聯網，進而把數據傳輸到監控中心。網絡采用通用的 TCP/IP協議。水位流量監測點和圖像視頻監視點一般采用運營商提供的通信網絡進行信息傳遞，傳輸速度和質量基本可滿足在線視頻查看的要求。

從表1看出，不同品種間氨基酸含量差異明顯。其中，春季雌蛹氨基酸總含量平均值為40.1%，變化區間為35.1%～44.6%；秋季雌蛹氨基酸總含量平均值為46.6%，變化區間為44.8%～47.9%。春季雄蛹平均值為32.8%，變化區間為29.5%～34.1%，雌雄平均值差值為8.4%；秋季雄蛹平均值為36.3%，變化區間為34.9%～38.7%，雌雄平均值差值為10.3%。同品種雌雄蛹之間氨基酸總量的差值最小的為2.2%，最大差值為13.1%。研究發現，強健性家蠶品種雌雄蛹氨基酸總量秋期差距較大，除品種104外，其余品種的雌雄蛹氨基酸總含量差異在10%左右。

4.4 系統功能設計

系統功能設計主要包括門戶網站、灌區信息管理系統、微信公眾平臺等3部分內容(如圖3所示)。

圖3 系統功能結構示意

1) 門戶網站

門戶網站作為陽東區東湖灌區對外信息的展現窗口，為公眾展示灌區的相關信息，為業務應用系統提供統一入口登陸，同時結合權限控制，為不同使用人員提供個性化信息服務。門戶主要內容有：灌區簡介、管理機構、管理制度、法律法規、水利百科、通知公告、天氣預報、友情鏈接、信息搜索、信息發布、統一登陸等欄目等。

2) 灌區信息管理系統

灌區信息管理是該平臺系統的核心模塊。灌區信息管理子系統包括GIS功能實現、灌區的基礎信息管理、灌區測站信息管理、信息發布系統、系統用戶和權限管理。系統基于GIS開發，GIS是基礎，是公共支撐平臺，充分利用開源的電子地圖，實現電子地圖的平移、放大、縮小、距離測量、圖層管理等功能。項目采用JavaScript的方式調用天地圖作為電子底圖。坐標精度更高，也更具有權威性，適合水利行業專業的系統軟件使用。

基礎信息管理的內容較多，包括灌區信息、水源工程信息(水庫、水閘、五小工程)、渠道、渠系建筑物、農作物、受益村、排水溝、監測站點、改造工程等信息的管理。

灌區測站信息管理功能是該系統設計的亮點之一，通過架設在灌區的20個測站返回的數據資料，可實時監控整個灌區的水位、流量、現場圖像情況，并可通過設定時間范圍對歷史數據進行回溯查詢。

信息發布系統是門戶網站的動態管理實現，包括欄目(文章分類)管理、文章管理、工作記錄登記管理等內容。目前文章主要分類有：通知公告、灌區信息、水利新聞、地方新聞，這些分類在網站主頁上按不同的欄目顯示。

系統的用戶和權限設置采用角色配置，包括用戶表、角色表、功能模塊表、用戶與角色關系表、角色與功能模塊關系表。采用設置過濾器(Filter)來過濾攔截用戶的每個操作，權限控制可到頁面級，也可控制到頁面的功能按鈕。

3) 微信公眾平臺

用戶無需安裝APP，直接在微信端通過關注公眾號方便快捷地獲取灌區地圖信息以及現場20個測站的水位、流量、照片等相關數據，實現移動監控。

微信公眾平臺分為兩大模塊，地理信息查詢模塊主要以GIS技術直觀地展示灌區以及其中的測站的地理位置信息與數據信息；測站信息模塊主要通過列表展示測站信息，如水位、流量、照片等，點選測站后可進行召測與抓拍操作，讓移動用戶便捷地進行灌區遠程監控。

4.5 系統實現與測試

1) 門戶網站

用戶輸入網址后即可訪問門戶網站首頁，按欄目把所有文章分類展示，點擊標題可查看文章內容。首頁還提供管理系統的登錄界面，用戶通過輸入正確的用戶名、密碼進入灌區信息管理系統(如圖4所示)。

圖4 首頁展示示意

2) 灌區信息管理系統

登錄灌區信息管理系統后可以看到基于GIS開發的地理信息展示模塊，該模塊以專業的灌區水利底圖、天地圖、遙感地圖結合為基礎，標示出響水陂灌區的地理位置與概況。同時，在地圖上標繪灌區測站、灌區水源、渠系建筑物、受益村、排水溝等要素，并提供地圖定位服務(如圖5所示)。

圖5 灌區GIS地理信息示意

點擊測站名稱顯示灌區該位置實時水位與流量的監測信息，該模塊每15 min返回1次監測記錄，也能手動進行即時召測。按照測站條件或時間范圍條件對歷史水位流量進行查詢，可查看水位流量變化折線圖(如圖6所示)。

圖6 水位流量實時監測示意

切換至“圖像監控”界面可查看測站圖像監控信息，根據設置每天返回1張照片，也能手動進行即時抓拍。可按照測站條件或時間范圍條件對所有歷史圖像進行查詢(如圖7所示)。

圖7 圖像監控示意

點擊灌區各要素名稱顯示相應的詳細信息，并可對其進行添加、修改、刪除、圖片管理操作(如圖8所示)。

圖8 灌區相關要素詳情查看示意

3) 微信公眾平臺

地圖信息：在微信公眾號上開發的GIS地理信息系統，可查看灌區地理位置概況，可對灌區測站進行信息查詢與定位操作。

測站信息：包括測站信息的列表查詢、詳情查看、圖片查看與即時抓拍、水位流量信息查看與即時召測等功能( 如圖9～10所示)。

圖10 微信公眾平臺—地圖信息

圖11 微信公眾平臺—測站信息

經測試，灌區信息化管理平臺系統各個功能模塊全部實現，系統穩定性、易用性、可維護性等均能夠滿足需求。

5 應用推廣與展望

目前，在陽東區東湖灌區信息化管理平臺系統設計與實現的基礎上，基于J2EE架構、GIS技術及微信公眾平臺的灌區信息化管理模式已經應用到全省多個灌區信息化項目，并在灌區管理業務中發揮了重要作用，取得良好的應用效果與使用評價。

隨著各種信息化管理模式的推廣應用，展望未來，可以利用更多的信息化手段，如：智能感知技術、大數據分析技術、云平臺技術等，使灌區信息化管理水平進一步調高，為農業發展與國民經濟帶來更大的效益。

6 結語

本文以東湖灌區管理為例，針對其管理模式的現狀與存在問題，通過設計與實現基于J2EE架構、GIS技術及微信公眾平臺的灌區信息化管理平臺系統，使系統用戶及時掌握灌區水情、工情，提升灌區管理水平和效率，提高各種信息的測報能力，為灌區管理提供基礎保障與強而有力的技術支撐。在系統使用體驗上，由于是B/S架構的系統，無需再安裝軟件即可通過瀏覽器輸入網址訪問使用，具有較高的兼容性；也由于微信公眾平臺是國內使用率最高的應用之一，令系統移動端具備較廣的普及性。在系統功能上，作為非管理員的普通百姓也能通過門戶網站了解公開的灌區信息，具有良好的宣傳認知效果。而灌區管理人員可通過登錄系統對灌區相關信息進行管理操作，借助已架設的灌區測站隨時監測和追蹤灌區實時動態。經過模式的推廣應用，可見該系統具有較廣闊的應用場景與較強的應用價值。在以后水利領域相關系統設計中，將進一步按照“水利工程補短板、水利行業強監管”的總基調，讓其成為水利現代化、信息化建設的重要踐行。