基于集群管理模式的江港堤防水利工程綜合管理平臺的建設

鄭 寧，梅傳貴，陳 翔，張語涵

(寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315033)

2021年10月12日水利部黨組書記、部長李國英主持召開部務會議，審議智慧水利建設規劃、《水資源調度管理辦法》。會議強調，智慧水利建設是推動新階段水利高質量發展的六大實施路徑之一，要按照“需求牽引、應用之上、數字賦能、提升能力”的要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，全面推進算據、算法、算力建設，構建數字孿生流域，加快構建具有預報、預警、預演、預案(以下簡稱“四預”)功能的智慧水利體系[1]。

通過建設基于集群管理模式的江港堤防水利工程綜合管理平臺(以下簡稱“平臺”)，可進一步提升水利工程規范化、專業化、信息化管理水平，增強防汛防臺、農業支撐、“四預”能力，確保工程運行安全和效益，為江港堤防防洪調度、供水通航、農業保障等工作提供堅實的支撐。

1 現狀和問題

我國江港堤防水利工程類型眾多、堤線較長、分布較廣，且各個管理單位的管理水平參齊不齊，行業管理難度較大[2]。經過多年研究和實踐，江港堤防水利工程現代化建設與管理已經取得了一定的成果[3- 5]，部分水利工程已建設完成視頻監控、閘泵控制、水雨情監測、農業供水等功能系統，但信息化建設改造覆蓋面不足、信息資源交互共享機制欠缺、智慧化場景應用薄弱，已不能滿足新時期江港堤防水利工程現代化管理要求[6]。

目前，江港堤防水利工程現代化管理主要存在以下幾方面問題。

(1)設施環境落后，信息化、智慧化建設欠缺。水利工程管理單位設施環境建設較早，老化嚴重，信息化與智慧化建設改造尚欠缺，硬件設施與環境建設有待進一步提升完善。

(2)資源利用不足，信息資源橫向共享、縱向挖掘有待進一步提升。水利工程匯聚了眾多的監測、運行數據，但是缺乏系統規劃、統一標準和信息共享機制，信息資源利用效率不高。同時對數據資源的挖掘、分析、利用深度不足[7]，無法最大化的體現數據資源的價值，需要建立數據共享機制，提高數據橫向利用效率，并對數據資源進行深度挖掘、提煉、分析和應用。

(3)管理手段與機制落后，信息化、精細化、智慧化管理水平不高。大多數江港堤防水利工程管理單位仍以傳統管理模式為主[8]，尚未形成以信息化為主的管理機制，水利工程管理信息化程度、精細化程度、智慧化程度均有所欠缺，亟需革新管理機制，建立信息化管理制度，深挖管理提升空間，采用“橫向到底、縱向到邊”的精細化管理模式，并結合最新技術手段，提高數字化、智慧化管理水平。

2 需求分析

水閘、堤防、涵洞等江港堤防水利工程作為防洪減災、供水通航、農業支撐體系的重要組成部分，在抵御洪澇潮災害、保護環境生態、城鄉供水、支撐農業發展等方面發揮著巨大的作用，是涉及社會公眾安全、城鄉農業發展、社會穩定的大事。江港堤防水利工程管理工作的重要性愈發顯著，而水利工程管理規范化、信息化越來越成為水利工程現代化管理的主要措施之一[9]。

(1)充分發揮水利工程綜合效益的需要。水利工程管理單位的規范化、信息化管理工作為防汛調度、供水通航、農業灌溉等方面做出巨大貢獻，在人民日常生活及工農業生產中發揮著巨大的工程效益，是涉及社會公眾安全、社會穩定和發展的大事。

(2)提高水利工程現代化管理水平的需要。水利工程管理單位日常管理工作涉及眾多方面，若不進行信息化改造提升，仍沿用老的作業方式勢必給管理人員日常工作造成諸多不便，也不能滿足水利現代化管理工作的需要，影響工作效率和效果。

(3)水利現代化及水利智慧化發展的需要。近年來，從中央到地方各級政府以及各級水行政管理單位明確提出水利管理信息化和現代化建設思路，水利工程的規范化、信息化管理工作建設是適應水利現代化及水利信息化發展的需要，符合中央和地方新時期水利管理現代化和信息化建設要求。

3 系統總體設計

3.1 集群管理模式設計

在計算機領域內，集群，又名分布式系統，是指由一組網絡互連的計算機組成的集合，這組計算機通過網絡實現資源共享和協同工作，集群根據一定策略通過節點IP地址進行任務分配和資源調度[10]。

江港堤防水利工程通常沿堤線及河道分布，廣而分散，傳統的單工程管理模式無法有效適配。因此，江港堤防水利工程綜合管理平臺采用集群管理模式，在管理模式上，將廣而分散的各類水利工程視為一個集群，并將該工程集群作為管理對象，即可化繁為簡，相當于只管理“一個工程”，可極大提高管理效率，增強用戶管理便捷性。

在系統模式上，將所有工程進行唯一編碼(相當于集群節點IP地址)，并配以相關基礎屬性，組成一個全平臺通用底層集群，平臺系統管理員可在后臺管理該集群，應用系統服務端基于該集群進行無差異化開發。用戶通過應用系統表現端與服務端進行交互，服務端通過集群定位工程并進行處理。

集群管理模式下，若需增加或者變更工程，只需在集群內部進行，可將集群內部的工程變更對外部業務應用鏈的影響降至最低，同時可根據一定的集群策略支持大量用戶高并發操作不同工程，從而保證了平臺的高效運行，促進江港堤防水利工程信息化管理水平提升。

集群管理模式架構如圖1所示。

3.2 平臺系統架構設計

江港堤防水利工程綜合管理平臺體系從底層到頂端共分為5層：采集層、數據層、應用支撐層、應用系統層、用戶層。平臺系統架構如圖2所示。

(1)采集層是整個平臺的數據基礎，采集基礎信息、動態信息與監測信息等。

(2)數據層對采集層采集的數據進行存儲和加工，主要包括：基本信息數據庫、數字孿生數據庫、行政辦公數據庫、檢查觀測數據庫、維修養護數據庫、調度運行數據庫、實時監測數據庫、地理信息數據庫等。

(3)應用支撐層包括數據庫建設、工程GIS服務、用戶權限管理和數據支撐服務等組件，為應用系統層提供支撐。

(4)應用系統層主要為江港堤防水利工程綜合管理平臺，包括可視化綜合指揮中心、工程“一張圖”、數字孿生系統、日常業務(行政辦公、工程信息、檢查觀測、維修養護、調度運行、實時監測、統計分析)、移動工作平臺等。

(5)用戶層主要為用戶提供了跨終端的多種訪問方式，實現應用的無差異化同步，方便用戶隨時隨地快捷掌握水利工程實時運行狀態和協同辦公。

4 平臺主要功能設計

江港堤防水利工程綜合管理平臺根據需求，主要功能系統包括可視化綜合指揮中心、工程“一張圖”、數字孿生系統、日常業務(行政辦公、工程信息、檢查觀測、維修養護、調度運行、實時監測、統計分析)、移動工作平臺，滿足平臺用戶的多樣化需求。

4.1 可視化綜合指揮中心

對江港堤防水利工程相關數據資源進行深度挖掘、提煉、分析、應用，通過信息多維關聯融合，利用可視化技術，構建智慧水利工程可視化綜合指揮中心[11]，以數字孿生系統為基礎，以數據大屏的形式對水利工程安全運行與管理等關鍵信息進行綜合展示和分析，為管理人員提供一個掌握全局、運籌帷幄的綜合指揮中心，主要包括水利工程安全運行與管理總屏、防洪減災專屏、港口調度專屏、供水通航專屏、農業民生保障專屏等。

圖1 集群管理模式架構

圖2 江港堤防水利工程綜合管理平臺系統架構

4.2 工程“一張圖”

將江港堤防各類水利工程的空間位置分布、基本信息、業務工作、動態監測等要素集成在一張圖上進行展示[12]，為用戶提供高效、快捷的總覽式查詢展示服務。主要功能包括水利工程地圖總覽、監測預警快速查看、業務工作統計分析、待辦事項通知提醒等。

4.3 數字孿生系統

數字孿生技術[13]是對真實世界的鏡像，是現實的物理世界與虛擬的計算機世界的孿生，在物理世界中所有的人、地、物、事、情、組織等要素，可以借助數字孿生技術在數字世界建設虛擬映像，實現“物理-數字”虛實融合交互。數字孿生系統主要是綜合利用GIS技術[14]、遙感技術、BIM建模技術[15- 16]，建立水利工程及管理區數字化場景，并與現有的信息化系統中的各類監測、業務數據進行無縫連接，實現管理區域的智慧化模擬應用，進行各類水利工程的調度預演復盤分析、巡查巡檢數字場景展示、監測信息數字場景融合展示等，為建設“四預”功能的智慧水利體系做出貢獻。

4.4 日常業務

(1)行政辦公。針對水利工程管理單位日常行政辦公業務，進行線上集中統一管理，主要包括組織管理、考勤管理、值班管理、日常任務管理、固定資產管理、通知公告、考核考評管理、臺賬管理等功能。水利工程管理單位可通過行政辦公系統完成絕大部分日常辦公業務，極大提高日常業務效率和信息化水平，并方便階段考核考評。

(2)工程信息。對水利工程各類靜態信息進行信息化管理，提供基礎信息、設備清單、注冊登記、安全鑒定、劃界確權、技術圖表、建設檔案等功能。將設備設施單元化精細劃分，提高設備設施精細化管理水平；將檔案資料電子化處理，提供檔案資料的線上管理查詢功能，該應用子系統可極大提高水利工程各類靜態信息的信息化管理水平和查詢效率。

(3)檢查觀測。針對水利工程各類檢查巡查，提供統計分析、經常檢查、定期檢查、特別檢查、檢查配置、設備檢測、工程觀測等功能。基于檢查配置，并結合移動工作平臺，用戶可在移動終端和電腦端進行經常檢查、定期檢查和特別檢查，平臺可即時呈現電腦端和移動終端的檢查記錄、軌跡和附件等信息，并可對各類檢查記錄進行統計分析，方便用戶快速掌握檢查情況。

(4)維修養護。針對水利工程設備設施維修、維護及項目，提供設備設施管理、維修養護項目管理、隱患管理等功能，可實現設備設施隱患的發起-處理-審核閉環化流程處理，可及時記錄設備設施的維修、維護業務，并可對維修養護項目全過程進行跟蹤管理。

(5)調度運行。針對水利工程調度運行，提供控制運用計劃、調度令管理、運行操作、防汛物資管理等功能，可實現控制運用計劃的管理及查詢，調度令的接收、下發、反饋及追蹤，各類運行操作記錄及查詢，以及防汛物資的入庫、出庫、報廢等全流程管理。

(6)實時監測。集成水利工程水情監測、雨情監測、閘門泵站開度流量監測、視頻監控等實時數據，提供閘泵站工情監測預警、水雨情監測預警、視頻監測、氣象信息等功能，可結合二維/三維電子地圖實現各類實時監測信息的快捷定位、查詢、分析、輸出。

(7)統計分析。提供各類專題統計分析功能，包括水量統計、雨情分析、水情分析、水閘工情統計、泵站運行統計等，并可生成定制報表和統計圖，方便用戶進行專題數據報表制作及輸出。

4.5 移動工作平臺

為方便用戶隨時隨地進行重要業務工作，開發移動工作平臺，提供首頁、待辦提醒、巡查檢查、閘站水情工情、視頻監控、運行操作、掃一掃、通知公告等功能，可實現移動端業務統計展示、待辦事項提醒、移動巡查檢查、實時監測信息移動快捷查詢、運行操作移動填寫查詢以及設備設施二維碼掃描打卡、查詢、隱患發起等重點功能。

5 平臺特點及創新點

本平臺建設中在管理與應用、技術與數據等方面有以下幾個特點及創新點。

5.1 管理與應用

(1)集群管理，統一高效。采用集群管理模式，將各類江港堤防水利工程視為一個集群，在集群基礎上進行業務應用系統開發，將集群內部的工程變更對業務應用鏈的影響降至最低，并支持大量用戶高并發操作不同工程，從而保證了平臺的高效運行，促進江港堤防水利工程信息化管理水平提升。

(2)統一平臺，嚴格控權。平臺的建設遵循“一個平臺”原則，管理單位各部門根據自身權限分權使用。平臺建立了嚴格而又靈活的賬戶管理和崗位權限配置體系，滿足用戶量龐大、系統運行高并發的管理需求。只有系統管理員有權更改崗位權限、配置人員賬戶，并通過配置人員賬戶的崗位規定其平臺操作權限，在不失靈活性的同時，保障了平臺的數據安全。

(3)業務覆蓋、動態更新。平臺基本實現了水利工程管理業務全覆蓋，實現了數據的動態更新，保障水利工程管理單位能夠高效、便捷地管理各水利工程，提高水利工程規范化、信息化管理水平。

(4)精細管理、多端融合。平臺采用精細化的設備設施管理模式，將所有設備設施進行單元化劃分，并進行設備編碼、二維碼生成，“一設一碼”，同時將設備二維碼張貼在對應設備設施上，可隨時通過移動終端進行掃碼查詢、巡查打卡、隱患發起等操作，實現設備設施的精細化管理和電腦端、移動終端的無縫融合。

5.2 技術與數據

(1)深度挖掘、多維呈現。平臺對現有數據資源進行深度挖掘、提煉、分析、應用，通過信息多維關聯融合，結合可視化技術，構建智慧水利工程可視化綜合指揮中心，為管理人員提供決策支撐。

(2)數字孿生、預演復盤。充分利用GIS技術(傾斜攝影建模、水下地形測量建模等)、BIM建模技術，建立水利工程及管理區數字化場景，并與現有的信息化系統中的各類數據進行無縫連接，實現管理區域的智慧化模擬應用，可實現多種場景下的預演復盤，增強江港堤防水利工程管理“四預”能力。

(3)移動辦公、多人協作。移動工作平臺包含了業務統計展示、待辦事項提醒、移動巡查檢查、水情工情查詢、運行操作填寫以及設備設施二維碼掃描打卡、查詢、隱患發起等重點功能，方便管理人員隨時隨地進行水利工程管理業務工作。同時針對定期檢查等較繁重的檢查任務，開發出多人協作功能，同一個工程的檢查可由多人協作完成，并可一鍵整合校對，極大提高了管理人員的工作效率。

(4)開放架構、上傳下達。平臺采用Bootstrap WEB開發框架[17]，可有效適配手機、平板、PC設備，同時預留充分的數據接口，可與上級主管部門和下級管理單位進行高效的數據交流共享。

6 應用情況

目前江港堤防水利工程綜合管理平臺在全國范圍內得到了較多應用，溫瑞平水系管理中心、張家港長江防洪工程管理處均已根據實際情況部署該管理平臺系統，并根據實際需求投入使用。

張家港長江防洪工程管理處建設的張家港水利工程管理平臺，覆蓋了其所管理的105.5km堤線及城區近100個水利工程，項目建設包括了基礎資料的人工收集、整編、錄入，硬件數據的收集、讀取，硬件設備保修、維護的精細劃分，以及輔助管理平臺開發建設。項目建設完成后，促進了數據及業務整合，提升了資源利用效率，保障水利工程安全可靠運行，增強了水利工程的規范化、信息化管理水平。

7 結語

江港堤防水利工程綜合管理平臺是為江港堤防水利工程管理單位研發的現代化管理工具。該平臺以集群管理模式為基礎，充分利用現代化先進技術和已有信息資源，結合實際需求構建了可視化綜合指揮中心、工程“一張圖”、數字孿生系統、日常業務、移動工作平臺等業務應用體系，能夠充分滿足江港堤防水利工程管理要求，增強江港堤防水利工程信息化、智慧化管理能力，可為相關管理單位在推進智慧水利體系建設中提供建設指導與參考。隨著技術的發展，新的管理手段和管理機制會不斷涌現，江港堤防水利工程的管理需與時俱進、不斷革新。