水庫綜合智慧管理平臺總體設計

劉德龍，滿運濤，李慧芳

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.內(nèi)蒙古地礦科技有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

截至2019年，我國現(xiàn)有各類型水庫數(shù)量為98 112座[1]，是調(diào)控水資源時空分布、優(yōu)化水資源配置的重要水利工程措施[2]。傳統(tǒng)水庫工程運營期一般會擁有多套業(yè)務信息系統(tǒng)來實現(xiàn)工程的信息化管理，如檢修管理、財務管理、安全監(jiān)測管理、自動控制、應急管理、辦公自動化等等，甚至有的工程運營期信息系統(tǒng)有10套之多，這些信息系統(tǒng)通常由不同的廠商提供，相互之間的聯(lián)通性較差，信息交互困難，人為地給運營管理帶來諸多麻煩，主要問題體現(xiàn)在數(shù)據(jù)一致性、信息共享、資源整合等方面[3-5]。水庫運行管理工作需要一套綜合智慧管理平臺提供技術支撐工作。

1 平臺建設思路

綜合智慧管理平臺要從解決水庫實際管理需要出發(fā)，利用先進的地理信息技術、數(shù)據(jù)庫技術、決策模型技術等整合監(jiān)控數(shù)據(jù)，打造統(tǒng)一的信息平臺，從頂層設計統(tǒng)一接入標準，后續(xù)建設各項信息化成果均可接入該平臺，從而實現(xiàn)一個賬號統(tǒng)一入口進入智慧平臺，從整體監(jiān)管到實時監(jiān)控預警、水情、工情、洪水預報、三維虛擬仿真、日常業(yè)務等分項子系統(tǒng)個性化權限定制。本方案應滿足系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性、先進性、開放性的要求，以便在不同時期、不同階段建設的系統(tǒng)能相互兼容，實現(xiàn)信息的共享，具有廣泛的開放性和擴展能力。

軟件平臺基于 SOA理念，采用 WEB 客戶端技術，采用模塊化設計理念，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫訪問接口與控制接口的基礎上，構建子系統(tǒng)（子模塊）標準化接入機制，將每個業(yè)務功能抽象成一個個模塊單元，每個業(yè)務模塊獨立設計，分布式開發(fā)，解除各模塊間的偶合，從而大幅提高了系統(tǒng)的可維護性，當系統(tǒng)中某一模塊變更時，只修改模塊自身的代碼，不會牽一發(fā)動全身。通過模塊化設計，使軟件易于擴展，且升級完善方便靈活。一體化集成監(jiān)控平臺對信息化系統(tǒng)各類信息進行規(guī)范、整合，對各類應用進行統(tǒng)一化管理。實現(xiàn)各業(yè)務數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集與交互， 實現(xiàn)各業(yè)務數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、備份和維護管理，實現(xiàn)在一個平臺上多種業(yè)務的統(tǒng)一應用。

2 功能設計

智慧平臺架構按照水庫數(shù)據(jù)中心、應用支撐平臺、綜合業(yè)務平臺三層架構進行設計。智慧平臺要素為：

（1）建立統(tǒng)一的水庫數(shù)據(jù)中心

建立統(tǒng)一的水庫數(shù)據(jù)中心，建立總控中心和現(xiàn)地控制區(qū)的數(shù)據(jù)交換總線和共享機制，同時提供實時數(shù)據(jù)庫、關系數(shù)據(jù)庫、文件數(shù)據(jù)庫、地理空間庫等標準接口，從而實現(xiàn)各類實時信息的存儲、管理及與應用系統(tǒng)、信息發(fā)布平臺、調(diào)度平臺的交互。

（2）建立應用支撐平臺

應用支撐平臺建設是水庫管理平臺的后臺基礎支撐平臺。它提供各類支撐服務、功能模塊、開發(fā)組件、數(shù)據(jù)訪問接口、安全管理后臺基礎策略、應用協(xié)調(diào)和約束。主要包括統(tǒng)一用戶認證、水庫一張圖、訪問接口定制、權限設置、通用工具庫等。

（3）建立綜合業(yè)務平臺

基于電子地圖（遙感影像圖）按監(jiān)測要素進行專題分類，動態(tài)實時監(jiān)測，包括水雨情測報、水質(zhì)監(jiān)測、流量監(jiān)測、視頻運行監(jiān)視、閘門監(jiān)控、水工運行管理等，當不在指定閾值范圍時，通過高亮、動畫等方式及時告警，必要時可通過短信、語音電話、無線廣播等方式緊急告警。

圖1 水庫綜合管理智慧平臺功能結構圖

3 水庫數(shù)據(jù)中心

水庫數(shù)據(jù)中心主要包括數(shù)據(jù)庫建設、數(shù)據(jù)匯聚交換系統(tǒng)建設、數(shù)據(jù)收集整編。

3.1 數(shù)據(jù)庫建設

3.1.1 數(shù)據(jù)分類

水庫綜合數(shù)據(jù)庫主要包括基礎數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、水利工程庫、空間數(shù)據(jù)庫、OA數(shù)據(jù)庫、視頻庫等。

（1）基礎數(shù)據(jù)庫。由水庫業(yè)務部門的各專業(yè)子系統(tǒng)產(chǎn)生，為事務處理層提供服務。基本上包括子系統(tǒng)采集的未加工處理的原始數(shù)據(jù)，一些操作需要的初始化數(shù)據(jù)以及經(jīng)過初步加工 整理后的為本子系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)。有些數(shù)據(jù)提供給專業(yè)主題數(shù)據(jù)庫，有些數(shù)據(jù)直接提供給公用數(shù)據(jù)庫。

（2）實時數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫是一個數(shù)據(jù)庫集合，根據(jù)遠程實時采集數(shù)據(jù)類型，分類為水雨情實時庫、流量實時庫、視頻庫、閘門遠控庫、水質(zhì)監(jiān)測庫、大壩安監(jiān)庫等，這些數(shù)據(jù)應根據(jù)實際建設情況設定對應的傳輸接口規(guī)范，以滿足已建設的采集設備數(shù)據(jù)入庫。

（3）水利工程庫。水利工程庫按照規(guī)范要求構建水工基本信息庫和水庫安全運行庫。其中，基礎信息庫主要包括水庫管轄范圍內(nèi)的水利工程建筑物水工信息、水文特征信息、現(xiàn)場圖片等資料，安全運行庫包括水工運行情況、安全巡檢、防汛值班、安全制度等內(nèi)容。

（4）空間數(shù)據(jù)庫。空間數(shù)據(jù)庫，應包括水庫范圍及關聯(lián)上下游、周邊水工建筑物的空間信息、行政區(qū)劃空間信息及重要水利專題數(shù)據(jù)。

（5）水文模型庫。存儲水文模型和計算模擬分析相關過程及成果數(shù)據(jù)。

（6）視頻庫。主要包括歷史視頻流數(shù)據(jù)、歷史視頻圖像以及其他多媒體數(shù)據(jù)。

3.1.2 數(shù)據(jù)庫邏輯結構

為了更好的向上級領導機構傳輸水、雨情數(shù)據(jù)與調(diào)度各方面情況，同時為了今后數(shù)據(jù)庫資源網(wǎng)絡共享的需要，數(shù)據(jù)庫建設應優(yōu)先滿足國家出臺的相關標準規(guī)范，如國家防汛指揮系統(tǒng)工程的基本數(shù)據(jù)庫，主要有《國家防汛指揮系統(tǒng)工程歷史雨水情庫表結構》，保證數(shù)據(jù)一致性和規(guī)范性；專用數(shù)據(jù)庫采用了規(guī)范化設計以適應復雜的變化條件；通過在數(shù)據(jù)庫中建立模型庫組參數(shù)表和模型庫單個參數(shù)表，實現(xiàn)預報調(diào)度模型的動態(tài)調(diào)整，以便適應不同水文環(huán)境下的不同情況，用臨時表的方法使雨水情數(shù)據(jù)輸入更加方便，查詢界面更直觀。

數(shù)據(jù)庫的存儲和管理。系統(tǒng)建成后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常龐大，數(shù)據(jù)訪問性能要求非常高。在這種情況下，如何建立一個既滿足大容量數(shù)據(jù)存儲、保護，又能保證多主機、多用戶、多應用系統(tǒng)并發(fā)數(shù)據(jù)訪問性能的存儲系統(tǒng)成為系統(tǒng)建設的關鍵。

系統(tǒng)中由于數(shù)據(jù)源種類繁多，數(shù)據(jù)量大小不一，同時對數(shù)據(jù)訪問的性能要求也不相同，因此，我們在考慮數(shù)據(jù)存儲的時候，可以對不同的數(shù)據(jù)采用不同的存儲方式。

在選擇數(shù)據(jù)庫時，需要考慮以下情況：

（1）支持多業(yè)務、結構與非結構歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲；

（2）支持大數(shù)據(jù)量的并發(fā)訪問；

（3）提供完善的數(shù)據(jù)一致性機制和數(shù)據(jù)備份/恢復機制；

（4）具有完善的數(shù)據(jù)完整性機制和安全訪問控制體系。

在采用文件的方式存儲數(shù)據(jù)時，應該建立完善的元數(shù)據(jù)管理機制，通過建立元數(shù)據(jù)庫對各種文件數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的檢索，查詢，分析統(tǒng)計等。

3.2 數(shù)據(jù)匯聚交換系統(tǒng)

數(shù)據(jù)匯聚交換系統(tǒng)任務是將各類數(shù)據(jù)資源采集入庫。根據(jù)不同資源類型的實時發(fā)布要求，配置資源的采集同步頻率。在數(shù)據(jù)采集的過程中，支持數(shù)據(jù)的轉換、合并、連接等數(shù)據(jù)處理。支持xml格式的數(shù)據(jù)導入導出。

（1）數(shù)據(jù)接收校核。對各專項監(jiān)測站點研發(fā)對應接收功能，自動接收實時采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)自動判別數(shù)據(jù)類別，將數(shù)據(jù)自動寫入數(shù)據(jù)庫中的相應的基本表中。并自動記錄每次接收數(shù)據(jù)的日志和狀態(tài)。

（2）控制參數(shù)配置。對該系統(tǒng)的基本參數(shù)的功能設置和管理功能，可以對數(shù)據(jù)顯示方式、數(shù)據(jù)刷新時間、系統(tǒng)的狀態(tài)等參數(shù)進行調(diào)整。

（3）數(shù)據(jù)下載傳輸。提取采集終端固態(tài)存儲數(shù)據(jù)，可以對單站、多站進行提取，可以遠端成塊下載數(shù)據(jù)，可以對任意時段數(shù)據(jù)進行提取。對提取的數(shù)據(jù)自動進行整理歸類，數(shù)據(jù)校驗，并寫入數(shù)據(jù)庫里。

（4）測站管理。擴充增站或刪除減站，方便設置各報汛站的有關參數(shù)以使數(shù)據(jù)正確顯示監(jiān)視。

（5）人工召測。選擇單站或多站，提交監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集指令，主動獲得最新數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)收集整編

3.3.1 歷史數(shù)據(jù)采集整編

由于是新建水庫，數(shù)據(jù)整編工作量主要集中在上下游區(qū)域及水工相關資料，主要包括已建信息積累的歷史數(shù)據(jù)：水雨情歷史信息整編錄入、水工運行數(shù)據(jù)收集及其他相關信息的基礎資料整編錄入。數(shù)據(jù)整編的手段主要包括人工錄入、工具導入，需根據(jù)數(shù)據(jù)來源進行分析分類，來制定不同的整編策略。人工錄入主要是針對未實現(xiàn)觀測自動化的數(shù)據(jù)，由于沒有自動化裝置，這些數(shù)據(jù)都需要人工輸入到計算機中去，輸入過程難免有誤。所以需要在數(shù)據(jù)錄入過程中提供有效的明顯鍵入錯誤檢查機制和方便錯誤查找的數(shù)據(jù)瀏覽功能。同時這部分數(shù)據(jù)都是集中在一段比較短的時間內(nèi)完成，數(shù)據(jù)量比較大，錄入程序應考慮提供加速錄入的辦法。在手工集中大量輸入歷史觀測數(shù)據(jù)的時候有一個操作簡便，提高錄入速度的錄入軟件，以盡可能少的按鍵次數(shù)連續(xù)大批量輸入數(shù)據(jù)。

3.3.2 地理專題數(shù)據(jù)采集

將基礎行政空間數(shù)據(jù)、水利水工空間數(shù)據(jù)和水利專題空間數(shù)據(jù)整合至水庫水利一張圖中。基礎行政空間數(shù)據(jù)應至少包括（不局限）水庫轄區(qū)范圍的村莊、縣（區(qū)）界、國道、省道、市區(qū)干道重要交通干道、主要政機構位置等信息。水利水工地圖應包含關聯(lián)流域河流空間信息，如上下游及周邊河流湖泊及重要水工建筑設施空間數(shù)據(jù)。水利專題空間數(shù)據(jù)應包括水庫監(jiān)測點分布、水工拓撲關系、水利工程出險點等空間信息。

4 應用支撐平臺

應用支撐平臺是為業(yè)務層提供數(shù)據(jù)服務和工具支持的后臺應用服務，包括為業(yè)務應用提供信息表示、目錄服務、消息服務、事務處理、數(shù)據(jù)訪問、流程控制、管理服務和安全服務等支撐，方便在其上層更加快捷地搭建業(yè)務應用流程和構造信息分析發(fā)布系統(tǒng)。該層是數(shù)據(jù)與應用之間的連接紐帶，方便整個信息化平臺的靈活擴展、建立與其他水利業(yè)務系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享通道和建立業(yè)務協(xié)同關系，形成基于統(tǒng)一技術架構的水庫綜合信息管理業(yè)務開發(fā)與運行的支撐環(huán)境。

4.1 統(tǒng)一用戶認證

統(tǒng)一用戶認證基于資源目錄，實現(xiàn)統(tǒng)一用戶集中管理和權限控制，管理水庫系統(tǒng)用戶和組織機構數(shù)據(jù)，通過提供單點登錄功能，根據(jù)用戶名和密碼，使用單點登錄技術，認證綁定用戶身份，提供給接入了支撐平臺的應用系統(tǒng)，應用系統(tǒng)驗證該用戶使用權限，只需一次身份認證，實現(xiàn)對所有接入支撐平臺的應用系統(tǒng)的訪問。統(tǒng)一用戶管理實現(xiàn)用戶信息、機構信息等管理，并提供身份驗證服務、用戶信息查詢服務、機構信息查詢服務；應用系統(tǒng)注冊管理配置接入應用支撐平臺的系統(tǒng)信息，包括訪問地址、關聯(lián)用戶綁定等內(nèi)容，提供接入系統(tǒng)的注冊、編輯、注銷等功能；用戶統(tǒng)一登錄認證。

4.2 水庫一張圖

GIS服務主要是為支撐各級應用系統(tǒng)GIS應用功能軟件和應用資源的建設，為業(yè)務應用系統(tǒng)提供GIS功能構架、開發(fā)末班、數(shù)據(jù)資源的應用配置體系等，在各級應用系統(tǒng)中形成統(tǒng)一標準和共享的GIS服務。水庫一張圖應考慮與省級（市級）水利一張圖實現(xiàn)對接，在省級（市級）水利一張圖的總體框架下，顯示水庫的詳細信息。

（1）空間數(shù)據(jù)引擎建設。在水利業(yè)務應用和多源空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)之間提供開放的接口，開發(fā)完成處于應用程序和數(shù)據(jù)中心之間的中間件技術，利用Web Service對各類外部空間數(shù)據(jù)服務的接入和調(diào)用進行統(tǒng)一管理，為網(wǎng)絡地圖的顯示、數(shù)據(jù)的查詢提供底層功能支持。

（2）基礎地圖服務。利用空間信息技術，為各類水利空間數(shù)據(jù)提供在線渲染顯示，實現(xiàn)影像地圖、電子地圖、地形圖的快速切換，漫游，縮放，圖層管理，信息查詢，矢量繪制等功能。同時，為方便相關人員利用地圖開展各項業(yè)務，提供圖上長度、面積、路徑里程的量算，分屏對比顯示，經(jīng)緯度查詢定位等輔助手段。建設需要含二維的電子地圖，存儲水庫及周邊的空間地理信息數(shù)據(jù)，主要為水庫的基礎地理信息和重要工程的各類實體要素的矢量化數(shù)據(jù)，如放空閥、進水口、交叉建筑物、大壩等。屬性數(shù)據(jù)為各類實體要素的名稱、代碼等相關屬性數(shù)據(jù)。

（3）空間分析處理。提供緩沖區(qū)分析、區(qū)域疊置搜索等空間分析手段，并提供在線空間數(shù)據(jù)上傳等功能，為相關人員進行分析決策提供必要的支持。

4.3 通用工具庫

通用工具包括工作流引擎、報表工具、應用發(fā)布服務器、門戶集成組件等多個工具。構建平臺應用引擎，建設統(tǒng)一通用工具，將統(tǒng)一空間引擎、報表工具等通用工具進行復用管理，支持通用工具擴展和新增，實現(xiàn)橫向彈性伸縮。應用支撐平臺是平臺的關鍵組成部分，也為軟件系統(tǒng)集成至平臺定義了接入規(guī)范和標準。已建設的項目管理系統(tǒng)、內(nèi)網(wǎng)辦公系統(tǒng)均按照應用支撐平臺規(guī)范要求定制開發(fā)，可無縫集成至經(jīng)營管理平臺中。另外，應用支撐平臺將各業(yè)務系統(tǒng)中的通用系統(tǒng)功能進行復用，形成組件工具庫并封裝可調(diào)用的服務，最大程度地整合利用已建、在建系統(tǒng)，為后續(xù)業(yè)務系統(tǒng)開發(fā)提供高標準的公共開發(fā)和運行環(huán)境。

5 結語

水庫綜合智慧管理平臺是實現(xiàn)水庫信息化系統(tǒng)的最終體現(xiàn)，下一步按照水庫智慧管理平臺總體設計，將各類實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等匯聚至大數(shù)據(jù)庫中，對在線采集數(shù)據(jù)實時監(jiān)控預警，并通過數(shù)學模型、人工智能、虛擬仿真、自動控制、地理信息系統(tǒng)等技術手段，結合引入水庫信息化系統(tǒng)實際需求，實現(xiàn)各類生產(chǎn)業(yè)務的綜合監(jiān)控與遠程調(diào)控，以防汛減災、 工程管理、協(xié)同辦公為一體化的集成信息管控平臺，形成水文預報、視頻會議調(diào)度等綜合決策支持平臺，全面提高防洪能力及水工安全運行能力，充分發(fā)揮工程建設效益，提升工程整體信息化水平和智能化水平。