智慧水庫管理平臺設計與研究探討

朱文軍 時會省 張力

（1.河南測繪職業學院，河南 鄭州 450015；2. 長江空間信息技術工程有限公司（武漢），湖北 武漢430010）

1 引言

隨著我國水利信息化建設的快速推進，智慧水利項目有效提高了防汛抗旱、水資源優化配置、水利工程建設管理、水質監測等水利業務中信息技術應用的整體水平，以水利信息化帶動水利現代化，更好地推動社會經濟發展。智慧水庫建設是實現智慧水利的重要組成部分，涵蓋水文、水質、水資源、供水、排水、防汛防洪等各方面，充分利用網絡、多媒體、傾斜攝影等技術，以實現信息智能化識別、定位、跟蹤、監控、計算、管理、模擬、預測和管理。

利用二三維一體化GIS 平臺的可視化和空間分析功能，不僅能夠在三維視圖中實現對水庫信息的實時管理，以及對水庫工程的360 度全視角展示，還可以為有關部門及管理人員提供便利的交互式操作管理，實現對水利基礎設施的實時規范管理，提高水利基礎電子地圖數據的信息量，并運用智能融合技術，對數據進行分析、計算和存儲，從而為各級水務行政主管部門開展防汛指揮決策、水庫環境治理、水利基礎設施建設等提供可靠的空間數據支持。

2 建設內容及體系架構設計

水庫的智慧管理主要是形成人性化、個性化、便捷化成果，將智能系統的建設成果形成服務能力和產品。針對管理系統業務需求，研究軟件共享技術和集成技術 ；針對智慧水庫安全管理系統包括的數據源層、數據交換層、數據存儲層、基礎支撐服務層、應用支撐服務層等多層架構，研究大數據匯集與存儲技術、大數據服務接口和集成技術、大數據挖掘與應用技術、大數據可視化與發布技術；根據智慧水庫管理業務流程、信息推送與發布機制，研究集成機制，解決安全監測異構的業務系統之間的協同與信息共享，面向管理部門及面向公共服務的應用要方便易掌握[1]。

智慧水庫管理系統采用四層體系架構，由下至上依次為基礎設施層、數據資源層、平臺服務層、應用層、用戶層，系統總體架構如圖1 所示。

圖1 系統總體架構

（1）基礎設施層：是支撐平臺運營的基礎設施，由服務器和存儲資源池兩部分組成，為智慧水庫提供計算和數據存儲等，主要包括服務器、計算機等硬件設施，以及互聯網、4G 和5G 網絡、光纖網絡、無線網絡設施等。

（2）數據資源層：主要為智慧水庫應用系統提供數據資源，作為系統運行的“血液”，主要包括基礎空間數據庫、水庫監測數據庫、巡查管理數據庫和視頻監控數據庫。

（3）平臺服務層：在數據庫管理平臺、數據共享交換平臺、GIS 平臺和云計算平臺支撐下，建立統一的服務平臺，實現對庫區多時序空間數據的管理、分析及可視化呈現，為應用層提供數據服務、地理信息服務、框架服務、前端組件服務及運行類服務。

（4）業務應用層：作為整個平臺建設的核心，業務應用層是支撐庫區日常管理和應急管理的數字化、一體化和可視化管理平臺，包括一張圖展示、水雨情統計分析、安全監測、庫區管理、調度管理、視頻監控管理、電站管理、移動巡檢。

（5）用戶層：智慧水庫管理系統的主要用戶為水庫管理單位、上級管理部門、技術支撐單位和社會公眾。

3 系統功能設計

智慧水庫管理系統采用B/S 架構，后端開發采用SSM（Spring、SpringMVC、MyBatis）框架[2]，前端開發采用vue.js（一套構建用戶界面的漸進式框架），地圖展示使用openlayer 技術方案，空間數據管理與地圖服務發布使用ArcGIS 平臺。該系統主要功能設計如下：

（1）一張圖展示功能：將相關信息進行高效組織和直觀展示，可為用戶提供方便操作的信息查詢、信息分析、數據統計等功能。

（2）水雨情統計分析功能：用戶可以查看指定時間內的水位、雨量信息，以及前端設備返回的實時信息；通過后臺統計能夠查看“8 時水位”、汛限水位、時段平均、時段最大最小等統計分析信息，輔助管理人員做出及時、準確的科學決策。

（3）安全監測功能：通過各項安全監測設備，可以實時掌握水庫安全監測現狀和變化過程，提供智能化數據分析與報告生成功能，實現巡視檢查問題上報審批。

（4）調度管理功能：通過數據分析，動態監測各水庫閘站情況，根據情況指揮調度操作。結合洪水預報模型提供多套有效的防洪調度方案，協助相關管理單位進行科學調度指揮。

（5）視頻監控管理：接入水庫范圍內關鍵區域的視頻監控數據，例如背水面及壩腳附近、溢洪道、大壩迎水面及庫區等區域，可以進行實時監測。

（6）移動巡檢等功能：現場管理人員可以通過定制的手機端App 協助作業，主要包括移動巡檢、信息查詢、移動辦公、應急處置、實時報警等功能。

4 關鍵問題探討

4.1 數據庫建設

實現水庫智慧管理的基礎是數據，通過透徹感知，以及全方位、全對象、全指標的監測手段，提供水庫主要特征指標數據和相關的環境、水文、氣象等多種類精細化數據。結合傳統監測手段，基于多波束探測、三維激光掃描、側掃聲吶、淺層剖面儀、傾斜攝影及水下近景攝影測量等多種地形地質探測手段，以及物聯網、衛星遙感、無人機、視頻監控、智能終端等新技術應用，提升水庫安全感知能力、設備狀態感知能力、隱患缺陷管理感知能力、水雨情氣象感知能力，實時開展大數據分析[3]。

數據源分析與范圍規劃的最終目標是整合涉及環境相關的所有數據，將分散的、標準不一的數據進行集成整合，實現由數據到信息的轉化，提高數據質量，為水庫管理、施工管理等工作奠定全面的信息資源體系，為科學決策、有效管理提供信息支撐保障。智慧水庫信息數據庫組成如圖2 所示，數據倉庫數據范圍規劃如圖3 所示。

圖2 智慧水庫信息數據庫組成

圖3 數據倉庫數據范圍規劃

水庫三維數據采集主要包含水庫的水上三維數據，以及重要建筑設施或景點的傾斜三維建模，數據采集方式采用無人機傾斜攝影方法進行。傾斜攝影航飛通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，從一個垂直、四個側視等五個不同角度采集影像，將用戶引入符合人眼視覺的直觀真實世界。傾斜攝影數據獲取方式如圖4 所示。

圖4 傾斜攝影數據獲取方式

傾斜攝影技術以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，通過高效的數據采集設備及專業的數據處理流程生成數據成果，能直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證，大大降低了三維模型數據采集的資金和時間，為城市規劃、智慧水利、智慧水庫等從二維向三維發展提供了一種全新方式。傾斜三維數據如圖5 所示。

圖5 傾斜三維數據樣例

水下地形數據的采集就是水下地形測量過程，是利用測量儀器來確定水底點的三維坐標。目前，水下測量技術主要采用GPS 設備獲取平面坐標，采用測深儀獲取深度數據。為了提高GPS 測量精度一般采用差分技術，目前，主流的差分技術有偽距差分和載波相位差分，其中，載波相位差分技術通常用于高精度測量工程，定位精度較高，可達厘米級。回聲探測儀是一種單波束測深設備，深度測量根據最小聲程決定，按照使用頻率的個數分為單頻和雙頻。雙頻探測儀根據兩個頻率測量深度差獲得淤積層厚度。水下地形測量方法即利用GPS 載波相位差分測量技術進行平面定位，利用測深儀開展深度測量，GPS 和測深儀保證同步作業，獲取水底點平面坐標和深度坐標，然后利用測得的水底點坐標在3D Max 中進行水底三維建模。

為了保證庫容的計算精度，水庫庫容測量在測水底點坐標的同時，需要對庫區進行測線設計，GPS 和測深采樣也要按照水下地形測量規范等間隔或等時間采樣。為了提高測量精度，在測線布設時，還應該考慮水下地形的變化趨勢，若變化相對比較平坦，則測線間距可以適當放寬；否則，需要加密測線，這樣有利于使測點均勻分布于整個測區，同時在測區水下地形變化復雜的地區使測點深度或高程能更好地反映水下地形的真實地貌。

4.2 網絡構架及數據存儲云平臺

智慧水庫網絡構架要實現感知對象和各級平臺之間的互聯互通，推進網絡化構建，提高數據“大傳輸”效率，不僅需要光纖、微波等傳統通信技術的支撐，還需要物聯網、移動互聯網、衛星通信、WIFI 等先進技術的應用。全面構建局域網、廣域網、衛星網和移動網組成的四大數據傳輸通道，并及時將透徹感知信息傳輸至計算中心。同時，還要保證智能巡查設備、無人機、機器人等現場移動設備的感知數據實時上傳和信息及時反饋。

由于水庫大壩結構和環境的復雜性，要想實現感知對象和各級平臺之間的全面互聯互通，需要感知的基礎地理數據、勘測設計數據、幾何信息、材料信息、工程建設數據、工程運行數據、監測數據等多源信息，結合物聯網和云計算技術，開發包括水庫地形、環境、地質、結構、監測等多源信息的全景展示技術，實現多源監控信息數據的快速存儲和提取，以及多方案查詢。通過數據分析水庫結構發展變化規律，利用移動互聯網、云平臺技術構建結構安全及環境信息互饋的智能監測技術，實現水庫結構工作狀態與所在環境的多維可視化，達到多終端遠程實時監控[4]。

從節約成本的角度考慮，智慧水庫管理系統可采用云平臺架構的方式進行，將系統布置于云端，用戶只需下載App 至智能終端，或者使用IE 瀏覽器的方式即可使用系統，從而免去服務器端購置費用以及后期的管理維護費用，降低使用成本。

在應用模式上，采用基于云計算中心的集中管理、按需分配、分散控制理念，水庫數據存儲云平臺應用平臺采用IAAS 模式管理基礎設施，使用PAAS 方式提供業務應用運行環境，用SAAS 模式提供業務支持和社會服務。對新建項目，原則上使用云平臺已有的計算和存儲設施服務、平臺和組件服務；對升級改造項目，應逐步遷移到云平臺。因此建設重點是基礎設施的虛擬化，即實現IAAS 服務[5]。

5 結束語

智慧水庫實現智慧管理，不是簡單的數字化、信息化、智能化，而是將先進的信息技術、工業技術和管理技術進行高度融合，具備自動預判、自主決策、自我演進、智慧管理能力的模式，是建立在物聯網、大數據挖掘基礎上的管理變革與創新。在智慧水庫項目建設中，應在保證系統開放性和兼容性前提下，合理運用現代信息技術的最新成果，使其具有一定的先進性和穩定性，便于以后設備更新和軟件升級，充分利用現有資源避免重復建設，實現優勢互補、資源共享。

水庫的智慧管理是水利現代化的重要內容，是實現水利資源和水利工程科學利用、高效管理和有效保護的基礎，也是體現水利現代化水平的重要標志，更是實現水利現代化的重要手段。智慧水庫的關鍵問題是信息感知、信息互聯和系統智能化，這些都得到有效解決，智慧水庫才能發揮應有作用。總的來說，智慧水庫還處于發展的初級階段，許多技術問題要依賴于信息技術的進步，必須持續推進智慧水庫建設，把高新技術應用到智能化建設的各個領域，通過技術革新，優化信息化工作體制，全面提升智慧水庫的管理效率和社會服務水平，促進我國經濟建設的快速發展。