縣域灌區信息化管理平臺設計與實現

朱 磊

（馬鞍山市金土地勘測評估有限公司，安徽馬鞍山243000）

0 引言

灌溉是中國農業生產重要水資源來源，據不完全統計，我國的灌區多興建于20 世紀50 年代到70 年代，受限于當時的技術條件和年限，灌區的水資源運行效率逐漸降低，效益呈衰減趨勢［1］。進入21 世紀后，中國的治水從傳統方式向現代化、信息化、可持續化發展，即依托現代信息技術、綜合利用灌區管理的信息資源，形成信息的采集、傳輸、存儲與處理等鏈式過程，提高信息采集和信息加工的準確性、傳輸的時效性，做出及時、準確的反饋和預測，旨在為管理部門提供決策的依據，提升工作效率和水平，有效降低管理的成本，實現灌區的科學與高效管理［2］。

以美國等國家為代表的國外水利信息化起步較早，依托信息革命的成果，及時將信息科技引入水利事業，開始了水利信息化的建設與應用［3］。國內眾多學者與單位也逐步進行了大量的研究與應用開發工作，取得了很多成果［4］。一是基于計算機技術的信息化探索，如將jsp、Java 技術應用于水利信息系統，進行灌區水資源實時優化調配決策和灌區的管理［5-7］。二是對通信技術的優化探索，灌區信息化中的設備長期處于潮濕環境，土壤也具有較高的酸堿性，容易導致通信電纜的老化，降低系統的可靠性［8-9］。三是側重傳感器技術的研究，即利用傳感器技術通過密集部署傳感器節點，實現對監測區域有效覆蓋［10］，完成灌區信息化的建設，實現灌區智能傳感監測。灌區信息化作為地方水利發展重要建設任務之一，是實現建管并重、提升地方水安全保障能力、加快推進水利現代化的重要手段。全面提升水務管理的效率和效能，最終實現更透徹的感知、更科學的調度、更智能的管理、更及時的處置、更高效的監管和更周到的服務。

然而對于縣域來說，需要滿足灌區管理的業務需求，建設內容須覆蓋日常的灌區工作，同時，還要綜合考慮投入和運維成本。本文以縣域為研究對象，進行了灌區信息化管理系統的設計。

1 縣域灌區信息化建設需求

縣域灌區信息化的總體建設目標是依托現代化技術手段，建成水利信息基礎感知體系，健全保障支撐環境，推動水利綜合業務精細化管理，提升科學化決策調度管理水平，最終形成農村防汛基層預警、灌區智能化、河長制、泵站水量監測、辦公自動化等系統為一體的智慧化管理平臺。具體建設需求如下：

（1）系統應具有開放性和可擴展性。系統所采取的技術方案、使用的硬件設施和軟件平臺等應考慮未來的科技發展趨勢，最大限度減少因技術發展升級而造成的重復投資和資源浪費。

（2）根據漣縣區局信息化現狀，優化設計，突出重點，確保把有限資金用在實處。

（3）灌區重要閘站實現閘門遠程控制，其他重要閘站位置實現水位、視頻實時監測，重要渠道和分水口實現視頻監測，定時上報、超限預警，確保不發生漫堤、潰壩等危險。

（4）水位計、閘位計、視頻、閘門遠程控制等監測設備要適合灌區運行管理實際情況。

（5）建設灌區、政務辦公系統、河長等智能移動應用系統。通過移動終端（手機APP、微信公眾號等）向管理者和用戶提供實時信息。

（6）灌區系統管理監測設備接口、通信協議等應與省水利工程一致。

2 縣域灌區信息化管理平臺設計架構

2.1 縣域灌區信息化管理平臺設計架構系統設計思路

2.1.1 加強信息化建設，打造灌區信息化

運用物聯網、云計算、無線寬帶互聯等技術，通過互聯網絡把地方灌區渠道、水系等涉水事務智能化控制傳感器連接起來，依托機制創新整合，實現共享雨量信息、水位信息、渠道信息、氣象信息、作物信息、閘門信息、水量信息等。結合涉水事務網格化、條段化精細管理，對感知的信息進行智能化處理和分析，為決策分析提供智能化的支持，并支撐涉水事務跨行業協同管理和為社會公眾提供無所不在的個性化服務。

2.1.2 從局部單一發展向整體全面推進轉變

實行全局“一盤棋”的全面整體發展戰略，綜合考慮水利事業發展需求，協調不同業務領域的信息化建設，重視民生水利的信息化需求，實行統一規劃，實施頂層設計，區分輕重緩急，有步驟、有計劃、有層次地推進灌區信息化管理系統建設。

2.1.3 從信息技術驅動向應用需求帶動轉變

深入總結以往的經驗教訓，在充分利用先進技術的同時，更加注重從實際出發，緊密圍繞水利建設、管理和改革的業務需求，建立以應用需求為導向、技術服務業務的科學發展模式，有針對性地開發先進實用的業務系統，著力突破關鍵環節信息化瓶頸，確保需求引導建設、建設推動需求。

2.1.4 從信息資源分散使用向共享利用轉變

綜合運用多種手段，打破信息資源的部門分割與業務分割，充分考慮軟硬件在不同系統間的兼容性，規范技術標準，加快系統集成，加大資源整合，加強數據共享，建設信息交換平臺，資源優化配置，信息互聯互通，政務公開透明，促進信息系統效能最大化。

2.1.5 從片面強調建設向建管并重轉變

根據業務應用系統特點，制定相應的管理制度和技術規范，落實運行維護經費，提高運維質量，強化日常管理，使水利信息系統建得成、用得好、長受益。

2.1.6 從滿足日常需求向智慧化能力轉變

切實發揮業務應用的作用，實現信息系統從提供工作輔助工具、提高工作效率向提供信息服務能力、提升水利綜合決策支撐能力轉變，真正實現灌區信息化的總體目標。

灌區信息化管理系統是應用網絡通信傳輸系統實現信息遠程傳輸，將監測點數據匯集至中心站，最終通過PC客戶端與大屏顯示終端實現對監測數據實時顯示、查詢、管理等功能。

2.2 灌區信息化管理系統建設

灌區信息化管理系統建設分為感知層、傳輸層、智能物聯層、延伸應用層和展示層建設（見圖1）。

2.2.1 感知層

感知層主要包括：水雨情數據采集設備（水位計、雨量計）、閘站水量數據采集設備（閘位計）、泵站水量監測設備、遠程監視控制設備（高清球機、高清槍機、閘門遠控設備）。

圖1 平臺體系結構

集灌區物聯感知及水文自動測報、閘站遠程測控、用水監測、視頻監視等于一體，通過自動化感知手段采集基礎水文、工情等信息，結合網絡傳輸，實現數據信息的自動采集、傳輸、處理、存儲及應用，為灌區信息化提供強大的自動化技術支撐。

2.2.2 基礎層

基礎層主要包括數據的云存儲、汛情旱情的會商室、值班室以及總的調度中心。

2.2.3 數據層

數據層是灌區所有數據匯集的中間層，包括工程基礎數據、實時監測數據、日常管理數據、地理空間數據以及其他數據，將這些數據進行預處理、空間序化，形成符合OGC 服務的統一數據服務形式作為數據支撐。

2.2.4 應用層

應用層是依托互聯網或水利專網通過門戶對外提供服務，主要包括防汛抗旱、灌區智能化、水價改革、河長制應用、公共服務以及行政辦公等。

2.2.5 應用發布層

應用發布層是基于應用層對外提供服務的載體，通過電腦PC 端、智能手機、平板電腦、智能電視等多種終端接收或調用相應的灌區水利信息服務。

3 建設內容

縣域灌區水利信息化管理系統的主要建設內容可概括為“一張圖、一套表、一個中心、一套制度”。建設一個數據中心，是將地理空間數據、水利專題業務數據、日常管理數據、實時監測數據、其他數據進行匯集；依托建立的水雨情信息數據采集系統、水量信息數據采集系統、遠程監視控制系統、灌區知識圖譜建設、泵站水量監測系統等水利業務數據，對外輸出一張圖和一套業務的表格；編制縣域灌區水利信息建設相關的數據采集、存儲、共享交換、編碼、控制、審核與發布的運行標準，以及保障系統運行的相應管理制度。

3.1 更透徹的監測感知

構建感知方式更快捷、感知速度更及時、感知精度更準確的信息采集與工程監控網絡，采用“網格化”的思路進行監控站點的查缺補漏。網格化單元以水利工程對象為網格單元，充分分析網格單元已建、在建的監測要素，通過科學布局、適量增補，布設天-空-地-網-站一體化的監測網絡，實現內容全面感知。提高自動化監測設備的比重，實現監控監測無人化。

3.2 更科學的綜合決策

以全面的基礎數據、監測數據、管理數據等為基礎，以預案為主線，以事件為驅動，以中心站大屏為輸出中心，采用互聯網、云計算、GIS、大數據分析、“大模型”等技術為依托，實現江河調度的智能感知、智能診斷、智能仿真、智能調度，提升決策調度的科學水平。

3.3 更智能的工程管理

實現智能的水利工程建設及運行管理，建立水利工程建設全過程在線管理平臺，實現工程建設的項目前期建議、計劃申報、計劃下達、進度管理、資金管理、質量監督、竣工驗收等環節全過程業務協同。建立標準化、智能化水利工程運行管理平臺，為保障工程安全運行提供現代化監管手段，充分發揮工程運行效益和效率。

3.4 更高效的政府監管

加強水行政信息化建設，擴大政務公開，提升行政效能，依法行政，依法治水，為水行政管理、水行業管理工作提供完善的信息化支撐。水行政管理著力提升水利行政部門的政府履職管理能力，利用信息化手段進行管理創新。提升水行政監管能力，各部門全面實現在線政務管理和服務。

3.5 更周到的公共服務

水利公眾服務方面，體現在為水利局內部人員、部門之間及社會公眾提供更為周到、友好的便民服務。針對水利局內部人員，采用引導式的智能導航菜單，能夠主動告訴系統用戶有哪些待辦事項，能夠主動引導用戶進行事務的處理。針對各個部門之間，通過梳理不同部門之間的業務流和事務流，從數據層面主動進行業務的關聯，實現不同部門之間業務協同。針對社會公眾，為了達到智慧水利成果惠民的效益，變以前的被動服務為主動服務，通過展播終端、網站微信公眾號、二維碼等方式主動推送與公眾息息相關的信息。

4 關鍵技術

4.1 高效內存數據庫技術

高效內存數據庫技術是直接將空間數據放在內存中進行操作的數據庫技術，旨在提高數據讀寫的速度與效率，極大地提高應用的性能。在數據管理方式上，拋棄了傳統磁盤數據管理的方式，全部數據在內存中重新設計了體系結構，并在數據緩存、快速算法、并行操作方面也進行了相應的改進，所以數據處理速度比傳統數據庫的數據處理速度要快很多。內存數據庫的最大特點是其“主拷貝”或“工作版本”常駐內存，即活動事務只與實時內存數據庫的內存拷貝打交道。

4.2 開放共享的多源數據

采用XML標準，指定統一多種信息的數據格式，實現灌區水利信息化系統集成平臺的各子系統數據的全部開放、信息共享，在指揮中心實現多類數據信息全面、可視、實時的處理、存儲、管理和集成，綜合利用這些信息為指揮中心的業務應用輔助決策。

4.3 電子地圖技術

灌區水利信息化管理平臺采用以矢量化電子地圖和柵格（位圖或影像圖）、三維地圖相結合，實現多層和多級的地圖鏈接關系。使用電子地圖，大到全圖矢量化地圖，小到可以清晰描述某個區域的監控場所。平臺的電子地圖可根據實際區域分布，由用戶自定義設置。用戶在子地圖上編輯各種設備圖標，用戶進入到子地圖平面后，點擊設備圖標就可以打開或控制相應設備。

4.4 Web Service技術

Web Service 技術是自包含、自描述、模塊化的應用，可以用于發布、定位及利用Web 進行調用。同時，Web Service 也是一個應用組件，能夠邏輯性地為其他應用程序提供數據與服務。各應用程序通過網絡協議和規定的一些標準數據格式，如SOAP、XML、HTTP，來訪問Web Service，通過Web Service 內部執行得到所需結果。Web Service 可執行從簡單的請求到復雜事務處理的任何功能。在部署完成后，其他應用程序可以調用其部署的服務。

4.5 數據通信技術

采用消息服務中間件技術來開發各子系統之間數據訪問服務，消息服務中間件是介于應用系統和系統軟件之間的一類軟件，它使用系統軟件所提供的基礎服務（功能），銜接網絡上應用系統的各個部分或不同的應用，能夠達到資源共享、功能共享的目的。

4.6 基于SOA架構的軟件研發技術

各級集成平臺軟件采用基于B/S 開發體系的架構實現，提高內聚，降低耦合，以功能為中心的組件之間通過規范的接口通信，實現組件之間相互獨立、有序聯系，加大了并行開發的可行度，提高了系統的開發速度。由于各組件能夠獨立地進行更新和取代，新功能也可通過簡單的更新或加入組件來實現，所以簡化了系統的維護和部署。

5 結語

縣域灌區信息化管理平臺的建設包括一張圖、一套表、一個中心、一套制度等內容，能為市縣甚至省市縣三級信息共享、標準統一、服務規范的灌區信息提供有利的技術支撐，可為建設縣域級的灌區信息化管理平臺提供借鑒與參考。