基于大數據的灌區信息化綜合應用系統設計

章廣騰，孫濤

（山東省德州市水利局，山東 德州 253014）

0 引言

文章以灌區運行實際為依托和基礎，結合現代化信息技術手段的綜合應用，進行灌區各級渠道及各級水工建筑物、構筑物運行狀況實時監測，水位流量及流速信息的實時獲取及共享，以便充分響應國家在農村水利管理信息系統構建方面的最新政策精神，并最終形成以互聯網信息數據為中心，以灌區子項目運行及高效管理為任務重點，以節水改造甚至是電子政務為亮點的專用性運管平臺。

1 灌區概況

潘莊灌區為山東省第二大灌區，位于德州市境內，潘莊灌區是魯北主要糧棉生產基地之一，承擔著德州市西部8 個縣（市、區）農村農業生產及作物灌溉、引黃濟冀跨流域供水任務。

隨著潘莊灌區渠道工程及配套設施的改擴建和續建，灌區傳統的灌溉模式在改革及根據現代化技術要求進行優化升級前，所采用的管理手段已非常落后，難以滿足該灌區擬升級為現代化灌區后在區域高效管理方面的實際要求，在傳統的管理模式下，突出存在以下問題：①用于灌溉現狀、流量渠道監測、水文水資源優化監控等方面的硬件設施十分欠缺。直接導致灌區各個級次的管理人員難以對實時運行的灌區水情數據有基本了解更談不上準確掌握，造成水資源使用效率低下，水費征收管理困難；更有甚者，在當前這種落后的管理模式下，管理人員更是沒有辦法對該灌區所設置的干渠、支渠、斗渠、農渠等各級次渠道險峻工段實際運行過程全面展開并落實實時監控操作，并基于這種操作保證灌區各級渠道實際存在及潛在的坍塌、滑坡等病害得以在第一時間被發現，并得到有效的處理；②絕大部分渠首和所配套的閘門安裝著視頻監控、水位測站等現代化的視頻獲取設備，但是現狀所獲得的監測信息均為碎片式割裂形式，并未在灌區各個管理分站以及各級次渠道管理站展開實時共享，也并沒有有效納入該灌區綜合信息業務管理系統，且現狀手段下所獲取的各級渠道、各模塊運行監測數據因為數據接收和拍攝口徑存在較大差異，所以后期整合也是問題，很難向該灌區高效實時管理提供科學合理、及時有效的指導、調度決策和預警預報；③專用通信網絡缺失。灌區現有管理站段雖有通信網絡，但并未實現灌區水利信息化所涉及的水庫、山洪預警、農田供水灌溉等垂直信息化管理系統的兼容，信息孤島現象突出，信息傳送效率低，數據資源無法實時共享、利用，難以實現精準灌溉及配水管控。

潘莊灌區管理局于2020年初開始進行灌區信息化綜合應用系統建設，并按照四個階段具體實施，第一階段（2020年1月至3月）：表示層和應用層構建；第二階段（2020年4月至6月）：公用支撐平臺及數據集成平臺構建；第三階段（2020年7月至9月）：數據支撐層構建及系統試運行；第四階段（2020 年10 月）維護及最終完成。

2 系統架構設計與實現

2.1 系統關鍵技術

潘莊灌區信息化綜合應用系統充分借助微信公眾號平臺實現灌區各測站信息移動查詢。微信公眾平臺服務主要借助和依據人們較為常用的微信公眾號進行接入路徑開發及接口服務功能的提供，結合國內大型灌區信息化管理系統構建相關經驗及成功做法，為保證灌區管理效果，必須以開發者為核心，尤其借助微信應用軟件的公眾平臺網站構建公眾號服務模塊，通過服務協議、接口調用等具體操作得到其應用平臺的服務及全過程運維權限。微信公眾號的服務形式具體包括網頁和消息回話兩種，為提供更為復雜的場景應用服務，潘莊灌區信息化綜合應用系統則采用網頁形式，使之具備上傳圖片、拍攝、定位等功能。

此外，潘莊灌區信息化綜合應用系統基于MVC 模式輕量級web 的SSH 框架進行開發，具體見圖1。SSH 框架由Struts、Spring 和Hibernate 等框架通過Servlet 和Jsp 等技術集成，框架邏輯系統主要通過Struts的MVC設計模式變得更加清晰；數據信息持久化及數據庫完全面向對象操作則通過Hibernate 實現，簡化關系型數據庫處理。

圖1 SSH框架圖

Web GIS技術屬于internet環境中地理空間信息存儲、傳輸、分析、處理、顯示及應用的軟件系統，其使GIS功能超越局部計算機限制，能同時提供REST還能隨時調用其基于API功能接口所開發的地圖應用，并具備地理信息模塊查詢、編輯、定位功能。

2.2 系統架構及網絡結構

由圖2可知，潘莊灌區信息化綜合應用系統架構主要包括表示層、應用層、公用支撐層、集成層和數據支撐層等層次：①表示層由門戶網站（外網）和灌區管理信息（內網）兩部分組成，還包括通過微信公眾平臺查詢灌區測站信息功能；②應用層屬于灌區管理信息系統，由灌區水位流量監測、視頻監測、業務管理、信息發布及管理等子系統構成；③公用支撐層主要提供數據接收、存儲、讀取、檢索、查詢及成員管理、權限管理、業務邏輯管理等功能；④集成層由基礎數據庫、電子地圖、動態數據庫等模塊構成，便于數據查詢及存儲；⑤數據支撐層則由灌區基礎數據、監測點水位、流量、視頻、圖片、空間數據、專題圖等構成。

圖2 灌區信息化綜合應用系統層次劃分圖

根據相關經驗及設計思路，所構建起的潘莊灌區自動化監控中心使用的局域網主要通過星形結構形式進行線路布置，并同時結合布線技術將IP地址以自動的方式任意分配，使之與相應的客戶端連接。灌區渠道水位實時觀測、流量流速等參數監測以及灌區常見水工建筑物和各級灌溉渠道工程完善及管理圖像的可能的視頻的監測以及相適應的采用通訊TCP/IP 協議。水位流量監測點及圖像視頻監測點信息傳遞則通過運營商提供的通信網絡實現，能滿足視頻、圖片、語音數據在線查看。

2.3 系統功能設計

潘莊灌區信息化綜合應用系統由門戶網站、灌區信息管理系統及微信公眾平臺構成，具體見圖3。門戶網站：是潘莊灌區對外展示灌區運行狀況的主渠道，并為灌區管理提供統一登錄入口及包括灌區管理制度檢索、法律法規、水利百科、天氣預報、信息檢索、友情鏈接等在內的個性化信息服務；灌區信息管理系統：是潘莊灌區信息化綜合應用平臺的核心模塊，該系統主要基于GIS技術，可實現灌區電子地圖縮放、平移、距離測量、圖層管理；其電子底圖為應用Java Script方式調用的天地圖，數據資料更具權威性和普適性。微信公眾平臺：潘莊灌區信息化綜合應用系統可直接通過關注公眾號進入，并獲取灌區測站水位流量、渠系建筑物運行狀況、水文氣象等相關數據，并具備移動監控功能。

圖3 潘莊灌區信息化綜合應用系統功能模塊圖

3 系統應用與測試

3.1 灌區信息管理系統

登錄潘莊灌區網址后進入門戶網站首頁，根據欄目標題便可查看內容，首頁還包括灌區信息管理系統登錄界面。輸入用戶名和密碼后登錄灌區信息管理系統，同時會顯示出基于GIS的結合灌區遙感地圖、水利底圖等的地理信息模塊，地圖上同時還標示有灌區水源、測站、渠系建筑物、排水溝等節點，具備實時定位功能。點擊測站名稱后會顯示出具體灌區水位、流量實時監測數據，且該模塊按照15min/次的頻次顯示監測結果；根據時間范圍及測站名稱等關鍵詞還能查詢測站歷史水位、流量信息。

在圖像監控界面可以通過測站條件、時間范圍等進行測站全部歷史圖像監控信息查詢。點擊灌區名稱及相關信息，還可以進行在線修改、添加、刪除及批量管理操作。

3.2 微信公眾平臺

通過微信公眾號中的GIS 地理信息系統進行灌區地理位置、渠系建筑物運行狀況、水位流量信息的實時查詢，并具有即時抓拍、隨時召測等功能。測試結果表明，該灌區新新華綜合應用平臺各功能模塊均正常運行，且在系統穩定性、可維護性、兼容性等方面良好。

當前，潘莊灌區信息化綜合應用系統正常運行后，以GIS技術、J2EE 架構和微信公眾平臺為依托的灌區信息化管理模式已經在全省大中型灌區中推廣應用，效果良好，且在灌區綜合管理中發揮著越來越重要的作用。隨著信息化管理新技術的不斷涌現，云平臺、智能感知在灌區信息化綜合應用系統中必將得到更為廣泛的應用，灌區智能化管理水平將不斷提升。

4 結論

灌區信息化系統建成并投入正式運行后之前傳統管理模式下必須由相關人員手寫填入并當面遞交的6 張灌區基本情況填寫表、10張灌區立項項目管理情況表、12張灌區渠系改擴建工程表等文檔資料全部改為電子化、無紙化方式，填寫人員只需通過該信息化應用系統相應的模塊，便可在線填寫并點擊提交，錄入系統，數據會在同一時刻傳輸至接收審核人員。基于大數據的潘莊灌區信息化綜合應用系統運行后，以其為參考和借鑒，GIS技術、J2EE架構、微信公眾平臺等技術已經在全省多個灌區信息化建設中得到應用，且在灌區管理中用戶掌握灌區水情、工情等更加及時全面，灌區運行情況測報能力明顯提升，為灌區運行維護及管理提供了強有力的技術支撐。大數據技術與B/S架構系統、GIS技術等的結合應用，使用戶省去了安裝軟件的操作，直接通過瀏覽器便可訪問使用，且系統兼容性較高；系統外部人員也可登錄門戶網站或搜索關注微信公眾號了解灌區運行信息，宣傳效果較佳。潘莊灌區信息化綜合應用系統的設計與應用是水利現代化、信息化建設的重要踐行。