大東湖深隧智慧運營系統功能設計及架構規劃

史詩樂，趙 皇，秦 雄，夏云峰，朱海軍，湯丁丁

(1.中建三局綠色投資產業有限公司科學技術研究院,湖北 武漢 430100；2.中建三局綠色產業投資有限公司，湖北 武漢 430100)

1 概述

深層隧道排水系統一般是指地下埋深超過30 m的大型排水隧道，一般用作雨、污水調蓄，治理城市內澇，防止溢流污染[1]。

隨著城鎮化進程的不斷推進，人口密度急劇增加，城區土地利用率已達到現階段的頂峰。然而城市排水系統的發展速度完全無法匹配社會的發展，導致近年來我國各大城市內澇災害頻發，排水體系亟待更新[2,3]。

2009年5月國家發改委正式批復同意武漢市《大東湖生態水網構建總體方案》?！按髺|湖生態水網”區域內規劃有龍王嘴、沙湖、二郎廟、落步咀、北湖等12座污水處理廠，其中沙湖、二郎廟和落步咀3座污水處理廠位于“大東湖生態水網”的核心區內。為統籌解決區域污水處理、內澇防治和初雨控制等問題，搬遷四廠至北湖集中處理，實現污水污泥達標，采用深隧技術傳輸現有污水處理廠污水；同時利用另一根雨水深隧調蓄超標排澇雨水，提升城市環境品質。

大東湖深隧智慧水務平臺將作為湖北大東湖深隧工程運營管理的核心平臺系統，平臺建設的目的如下。

(1)首先要實現對深隧管線運營數據的全面在線管控，特別是對于生產過程參數指標和設備運行狀態的監控、設備及構筑物的日常管理、輔助現場安全生產及異常情況的應急處理，從而實現生產單位內部的高效管理[4]。

(2)運行數據的不斷積累，對不同季節，不同時段上游來水情況，下游北湖污水廠運行情況進行分析，逐步形成深隧內各預處理站的水量綜合調度策略和各預處理站點的經濟運行策略。

(3)通過深隧預處理站進廠污水流量，下游北湖污水廠泵房液位等信息，在深隧管網自身調蓄能力范圍內合理分配污水輸送量，為北湖廠提供穩定的水源。

(4)利用智慧水務平臺，生產可進行綜合化、可視化、圖形化的數據統計、對比和分析，為生產單位優化業務生產工藝，指導實際運營管理工作，幫助基層員工找到問題解決方案，實現快速、高效、專業、科學的經營、智慧的診斷和決策，最終實現合理削減能源和人力消耗，全面落實節本增效。

(5)智慧水務平臺要滿足領導層快速掌握公司整體經營及營收情況的需要，通過對生產單位生產運營狀況和目標完成情況的實時監控、統計分析，從而為公司總部進行項目投資、生產運營優化調整、公司戰略分析決策等工作提供全面合理的數據決策支撐。

2 功能設計

2.1 設計原則

軟件系統平臺滿足如下的特點。

(1)實用性：系統應滿足操作簡單、技術先進和功能實用性的原則。具有優化的系統結構和完善的數據庫系統，友好的用戶界面。采用主流穩定框架進行底層服務構建，配合模塊化前端開發理念，實現前后端的分離，對前后端業務邏輯進行剝離，降低模塊間耦合依賴，從而提高集成性、可用性及高擴展性等，整個系統須采用純B/S架構，能夠提供最佳的使用便捷度和客戶體驗。具有遠程維護功能，對于整個系統的升級和維護，只需在服務器端即可全部完成。用戶界面應符合目前人們對計算機的使用習慣。用戶可以通過最新版本的IE、Edge、Chrome等瀏覽器進行訪問，支持主題建模、數據分析、數據挖掘、數據展示在Web頁面進行操作。

(2)先進性：以使用為前提，科學運用云計算、大數據、物聯網、虛擬化等新一代技術，充分保證智慧系統的前瞻性和先進性，從物聯通信、基礎設施、數據共享、業務應用等多維全方位保障信息安全、全面優化業務流程和業務模式，充分保障智慧水務應用的便捷高效。

(3)安全性：在提供友好的用戶使用體驗同時，應提供完善的安全性支持。可以根據需要進行各個層次的訪問控制。除了一般的用戶名驗證之外，還可以提供如：IP訪問限制，根據用戶所在地點提供不同級別的驗證要求等。本系統有較完善的網絡安全、數據安全、人員與組織安全、賬戶管理安全、系統安全等模塊，采用防火墻、入侵檢測、漏洞掃描、容錯容災等技術防護手段，形成完備的安全保障體系。

(4)可靠性：可以根據節點的重要程度，在系統的相關層面提供冗余方案，確保系統的穩定運行，如數據采集的、數據存儲的、應用服務器的冗余等。系統應提供完善的數據備份方案，應具有定時對數據庫數據，進行完全備份、差異備份或異地備份等功能。

(5)開放性：要求系統有良好的開放式結構的接口，能方便地與其它系統互連。要求提供開放型數據庫接口、業務流處理接口。選擇分布式、多用戶、關系型數據庫管理系統，提供較強的安全機制，對數據庫進行安全限制。支持備份與恢復，公開數據庫的結構及詳細的數據格式。通過WebAPI形式進行數據調用，是適應未來趨勢的主流集成接口模式。

(6)靈活性：系統應采用模塊化、組件化的體系結構，在技術架構和設計模式上保證技術的延續性，靈活的擴展性和廣泛的適應性，確保系統能夠滿足用戶，在數據及業務功能擴展方面的需求。能夠為后續系統擴展和功能完善增加組件設置接口，使得數據更新簡便、系統升級容易，保證系統的可持續發展和強大的生命力。

2.2 系統展示功能

智慧系統展示的形式要多樣，內容要豐富，充分發揮信息化成熟的數據展示優勢。系統應提供深隧管線、深隧各預處理站、豎井的三維建模，支持以GIS信息地圖為整體框架，3D全景圖形式做具體廠站展示。廠區、各工藝環節以及重點構筑物內部需高仿真模擬展示。支持將實時監測數據疊加呈現在界面的相應點位上，進行集成展示。利用實景疊加數據的動態仿真展示方式，提高企業宣傳效果，提升實際管理體驗。

門戶頁面須集成關鍵生產數據，項目經營數據，成本數據等信息。同時，支持運營關鍵指標，如處理規模、電耗、水質達標率等多源數據進行全局展示，并融合地圖界面將各生產單位的地理位置布局，形成統一的監控及調度入口，形成深隧智慧水務平臺的展示首頁。

大屏幕能展示匯集所有業務，涵蓋深隧管道、各預處理站業務系統關鍵數據，展現大東湖深隧系統視頻監控畫面、運行監控畫面，以及相關業務數據。根據需要將在線信息和生產運行數據關鍵指標等信息進行有機融合，分模塊展示，能夠直觀掌控大東湖深隧系統相關信息。

支持將各工藝點的基本信息、報警情況/報警處理統計，和相關出勤人員任務分派以及執行分布情況在區域地圖上以總攬形式統計展示，并提供各工藝點的宣傳圖片/視頻抓拍入口、廠站網關連接狀態、報警數量、設備報修數量、工藝畫面/關鍵指標/歷史報警/視頻監控快捷入口，方便用戶快速掌握各工藝點的關鍵數據和指標，同時能迅速針對工藝點設備報警發起缺陷申報，提高工作效率。

監測數據可以通過GIS地圖的形式，實時展示深隧道運行的監測數據，監測數據展示畫面采用分層結構，可以將監測點在地圖上對應的位置展示，清晰地體現各液位、流量、流速、溢流等關鍵數據，可以直接切換換到各豎井視頻畫面，也可以直接切換深隧段水量、流速等曲線圖。

2.3 系統運營管理功能

系統的管理上具有嚴格的權限管理功能，采取多種措施防止內部人員對系統軟硬件資源、數據的非法利用。系統需提供統一身份認證需求，以便于系統管理。提高口令認證系統的安全性，并實現不同應用系統間的口令的統一?；诤唵握J證機制中的口令認證機制，以用戶名和密碼為確認用戶身份的主要認證方式。

系統對每一功能操作提供檢查和校核，當操作動作有誤時或超越登錄權限時能自動被禁止并報警。任何操作動作能以事件的形式進行記錄與管理。

系統應具備高效便捷巡檢管理流程，巡檢管理應包括：巡檢點管理、巡檢步驟管理、巡檢計劃、巡檢路線制定、巡檢任務、地圖巡檢跟蹤、巡檢統計、故障申報。

通過基礎數據，分類、統計、計算可以獲取各類生產指標、經濟指標，按照周期自動生成各類運營報表，并建立數據分析系統，通過對這些指標分析，為生產運營提供決策依據。

3 架構體系

深隧智慧系統應具備實現各專業業務信息應用系統互聯互通，資源共享的能力，能夠集智慧水務、信息收集、整合、決策支持、信息發布等各類信息綜合應用為一體的體系架構。

3.1 深隧智慧系統應具備的能力

(1)穩定，能夠提供持續、穩定的服務能力。

(2)開放，適應各類不同時期建設的關聯業務系統，適應不同操作系統、程序語言的調用請求。

(3)彈性，在系統設計層面應具備二次開發、流程定制、集群熱部署、動態網絡遷移、數據自動化遷移和便于功能擴展的能力。

(4)安全，具備防破壞、防入侵、數據備份、系統容災恢復等能力。

系統集成與整合宜采用基于標準以及松散耦合的面向服務的企業架構，建立統一的數據中心，定義統一的數據接口，建立可互操作的分布式應用程序的新的信息平臺，支持企業高層決策、中層控制、基層操作和方便使用。亦可采用具有組態功能的系統整合與集成軟件工具平臺。

深隧智慧系統應具備開放式結構的接口,后期實現與污水廠等單位傳送信息的功能。

深隧智慧系統體系架構宜由數據采集(物聯感知與網絡通訊)、數據及服務支撐、業務應用、展示、深隧防淤積“五個層次”，以及信息安全保障、標準規范和建設管理“三個體系”構成。

3.2 “五個層次”的基本功能應符合的條件

(1)數據采集層應具備數據的感知采集和網絡通信功能，宜以物聯網技術為核心，通過各類傳感技術、檢測設備、視頻監控等技術手段，按需、穩定、可靠的獲取深隧運行過程的基礎數據。構建布局合理、全域覆蓋、結構完備、功能齊全、高度共享的前端監測監控系統，能夠對大東湖深隧實現標準化、規范化和智能化的管理，對所有接入信息可以進行全面展現，同時實現各類監測數據的自動監視和智能預警，為深隧日常運維管理、風險控制以及智慧深隧系統的建設與運行提供數據支撐，同時也為深隧上下游一體化聯合調度指揮提供輔助決策信息支持。

監測監控系統建設的主要建設目標為：①結合PPP項目運維目標考核辦法，提供真實且完整的量化指標和數據；②為大東湖深隧的智慧管理、調度提供決策基礎信息支持；③為項目運行質量提供全面的診斷依據。④構建標準調度服務接口，為后期跨廠對接提供信息服務。

(2)數據及服務支撐層應具備對來自數據采集層和各專業業務系統的異構數據進行融合、集成、清洗、轉化、加載功能，建立統一的數據中心，為數據挖掘和分析提供基礎和保證。宜以云計算和大數據技術為核心，結合傳統數據倉庫技術，數據挖掘技術，統計分析等實現全結構數據的統一存儲、分布式部署、集中分析、高效訪問、統一決策，為決策支持提供輔助服務。

(3)應用層應涵括在數據采集層、數據和服務融合層基礎上建立的各類專業業務應用系統，具備為企業內部用戶、上下游水務部門等提供整體的信息化應用和服務的功能。

(4)展示層體現在企業大屏端，服務器端、移動終端、對系統工藝，設備運行狀態，能耗電耗，水質參數，人員巡檢情況，現場實時視頻等多維度，多角度數據層面進行集中展示。

(5)深隧防淤積在現場數據的采集上，利用成熟的水利學模型計算預測深隧管道淤積情況，根據預測結果，及時采取啟動防淤積措施。

3.3 “三個體系”的基本功能應符合的條件

(1)安全保障體系，深隧信息系統應構建符合信息系統等級保護要求的安全保障體系，構建安全應用支撐平臺，建立科學實用的全程訪問控制機制。

(2)標準規范體系，需規范通信協議、通信接口、數據格式、存儲機制等，規避接口、數據等類型異構所帶來的數據組織結構散亂嚴重影響信息科技一體化運營的現象。

(3)管理體系，應包括規劃、實施、運營3個方面。

3.4 總體架構

總體架構體系按“五個層次”的總體要求部署。其中數據的感知采集和網絡通信層實現數據的采集功能；數據中心層對采集的數據進行集成、清洗、轉化、加載功能，為數據挖掘和分析提供基礎和保證；應用平臺層以應用業務為導向，涵蓋各種運營管理功能；集中展示層提供形式多樣，內容豐富的展示效果，實現系統可視化功能；根據深隧運行特點，管道淤積產生的危害，在現場采集數據的基礎上，利用水利模型預測，對深隧管道的淤積進行預警功能。

系統開發基于.NETFramework和RESTfulAPI的B/S架構技術，使用HTML、CSS、JavaScript和服務器腳本創建網頁和網站，應用Vue進行前端組建化頁面構建，結合WebAPI2.0進行后端服務接口構建，并遵循Swagger標準進行定義實現。采用Git或其他類似代碼管理軟件進行源碼的統一管理。頁面前端采用WebGL渲染模型模擬結果和其它動態數據，WebGL是一種3D繪圖標準，這種繪圖技術標準允許把JavaScript和OpenGLES2.0結合在一起，通過增加OpenGLES2.0的一個JavaScript綁定，可以為HTML5Canvas提供硬件3D加速渲染，這樣系統就可以借助系統顯卡來在瀏覽器里更流暢地展示模擬場景和模型，特別是針對大數據量GIS數據渲染能豐富可視化效果，能夠極大提高系統數據編輯交換的效率和運行展示的流暢度(圖1)。

3.5 應用架構

應用架構見圖2。

3.6 數據服務架構

數據中心為確保數據穩定性，將通過數據庫服務實現相關數據的持久化存儲，提高應用平臺利用數據資源的數量和效率。通過該系統可以創建、部署、管理相應的業務、數據服務容器，是系統日常運營管理部分。集群化數據管理能夠根據業務需求或者數據中心負載進行動態調配物理服務器集群中可用的服務器資源，尤其考慮到深隧設計運行時間較長，遠期可能進行南線擴展等因素，能夠快速動態增加或刪減相應業務功能容器數量從而保證數據中心有效應對不同的計算需求變化。

大東湖深智慧智慧水務平臺數據服務架構整體可以劃分為以下三部分。

(1)數據采集：通過物聯網采集不同來源的數據。數據采集層對數據來源無特殊限制，可以根據實際情況進行擴展。

(2)數據平臺：對數據采集層所產生的各類數據進行清洗、加工、整合，形成不同的專題數據庫，建設大東湖深隧智慧運營平臺信息資源庫；同時，面向業務應用層提供完整的數據服務能力支撐。

(3)智慧應用：主要包括綜合展示、深隧調度、運營管理、設備管理、智能巡檢、數據管理、移動端應用(圖3)。

3.7 系統平臺網絡架構

智慧智慧水務平臺網絡拓撲包含子站(沙湖泵站、二郎廟預處理站、落步咀預處理站、武東預處理站、3、4、6、7入流豎井)現場網絡架構、項目公司網絡架構兩部分，子站現場端內包括生產數據采集、視頻監控采集系統作為智慧智慧水務平臺數據采集系統(數據感知系統)，以及項目公司端服務器集群中部署智慧運營管理平臺軟件、運行組件，完成對現場感知體系獲取并上傳的數據統計、計算、分析、存儲、展示等一系列綜合利用。預留總部公司可以通過網絡，對智慧智慧水務平臺進行訪問的接口(圖4)。

圖1 大東湖智慧深隧系統架構

圖2 應用架構

圖3 數據服務架構

圖4 平臺網絡拓撲

3.8 系統安全要求

3.8.1 數據安全要求

數據資源是信息應用的系統的基礎，數據安全是整個系統安全的核心和重點。大東湖深隧智慧系統數據安全包括數據訪問安全、數據傳輸安全、數據存儲安全。數據訪問安全主要通過建立全局的統一認證中心來保證；敏感數據存儲安全通過存儲加密來保證；數據并發通過事務控制等數據庫提供的并發性控制來保證安全。

(1)數據訪問安全：控制用戶可否進入系統以及進入系統的用戶能夠讀寫的數據集。數據訪問安全包括身份認證和操作權限兩部分功能。身份認證是通過建立全局的認證中心，完成用戶和服務的雙向身份鑒別，保證用戶身份唯一性；操作授權則是通過授權來限制用戶可以訪問的資源數據根據不同內容的數據，以及不同級別的用戶設置不同的數據訪問權限。特定的數據只允許經過特別授權的用戶進行訪問，其他系統的數據根據角色不同設置授權，保證數據訪問的安全性。

(2)數據傳輸安全：在移動端應用或遠程端進行數據訪問和流程報批的過程中。需要考慮數據遠程傳輸的安全性，數據系統通過數據壓縮傳輸，加密傳輸等方法和措施，保證數據傳輸安全性。

(3)數據存儲安全：為了防止數據遭到意外或惡意的破壞，保證大東湖運行數據的可用性和完整性，采用系統數據本地備份。管理中心設置專業數據庫數據存儲設備，用于深隧運行各類數據的存儲，同時通過數據共享與交換系統，將重要數據進行抽離和數據定期自動備份。

3.8.2 網絡安全要求

網絡是整個信息系統傳輸數據的渠道，系統應具有高度的安全保障特性，能保證數據的傳輸過程中有一定的保密措施，具體滿足以下要求。

(1)物理安全要求。為保證信息系統的安全可靠運行，降低或阻止人為或自然因素對硬件設備的安全可靠運行帶來的安全風險，應對硬件設備及部件采取適當安全措施[5]。

(2)訪問控制要求。在沒有任何防范措施的情況下，網絡的安全主要是靠主機系統自身的安全，如用戶名及口令字等簡單的控制來防范的。但這種保護方式很難防止網絡攻擊。按實際工程經驗，靈活配置安全防范策略，可采?。号渲梅阑饓?，加密訪問控制，設置IP黑白名單防止假冒的非法訪問，安裝入侵檢測系統，網絡安全掃描系統和防病毒軟件等方式[6]。

(3)應用安全要求。在Web應用中最大的安全隱患是“跨站點腳本攻擊”和“注入缺陷”[7]，因此，系統在開發時應進行必要的安全規則配置及網絡規劃，結合硬件級防火墻、入侵檢測、行為分析管理、網關訪問控制、運維審計等一系列安全軟硬件措施，為深隧智慧平臺提供可靠的安全保障。

(4)軟硬件設備要求。防火墻應符合現行國家標準《信息安全技術第二代防火墻安全技術要求》GA/T1177-2014的相關規定。并應具備下列基本功能：①狀態檢測及動態過濾；②安全通道控制；③IP地址盜用自動探測；④網絡地址轉換(NAT)；⑤入侵檢測(IDS)；⑥審計和告警；⑦可有效阻斷多種攻擊類型；⑧支持高可用及負載均衡；⑨能夠提供多線程，多會話的高性能透明代理技術；支持多種網絡通信協議和應用協議；網絡吞吐量不宜低于200Mbps，并發連接數不宜低于150萬個；QoS技術，能夠對網絡實時傳輸速度進行測量，對網絡擁塞情況進行監測并按照預先定義的優先級別，保證關鍵業務的網絡帶寬占用。

防病毒系統應具備下述基本功能：①允許安全管理員通過控制臺，集中實現所有節點上防毒軟件的監控、配置、查詢等管理工作；②控制臺能夠實時顯示防(殺)病毒客戶端的信息；③提供遠程病毒報警手段，網內任何一臺計算機終端上發現病毒時，殺毒軟件自動將病毒信息傳遞給系統管理；④支持集中的病毒報警和報告；⑤實時和定時檢測/清除病毒；⑥發現病毒后，提供多種處理方法；⑦內存監控與殺毒技術，能夠直接對運行的進程和線程進行掃描，并直接在內存中對正在運行的染毒文件進行清除病毒的工作；⑧實時檢測和清除來自各種途徑的各類惡意代碼和特洛伊木馬；⑨支持DOS下查殺NTFS文件系統病毒的功能；具備對未知病毒的查殺技術。

4 結語

本文針對大東湖深隧項目研發智慧深隧系統，保障智慧深隧系統精細化管理運營，通過數據的交換共享推動系統運營的良性循環。研發健康監測系統，實現隧道運維階段的24 h監測、多重分級預警、應急預案處理、結構損傷機理研究等功能。

作為國內唯一深隧項目實施案例，大東湖深隧工程具備極高的實施意義，智慧深隧系統是深隧領域運維技術的一大突破，可解決國內外關于深隧系統研究的重點難題。