基于物聯網與GIS 的丹江口水庫綜合管理平臺設計

朱文軍，時會省，管林杰，任若菡

（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）

丹江口水庫是南水北調中線工程水源地，保障水質安全和工程安全運行，是丹江口水庫管理的重點工作。目前，丹江口水庫庫區現有的管理措施仍不能完全滿足庫區管理的需要，主要體現在以下兩個方面：①丹江口水庫庫區面積大、岸線長，管理對象分布廣，庫區管理面臨人員不足、問題發現時效性不強等現實困難。②現有的各個監測系統獲取的信息較為分散，專業性強，缺乏信息的有效整合和統一管理，影響了監測信息的利用效率，水庫庫區信息管理能力亟須提升[1-2]。

為增強丹江口水庫庫區日常管理的有效性和問題應對的時效性，打造國內一流的水庫庫區信息管理能力，本文在分析丹江口水庫庫區管理現狀和管理需求的基礎上，利用物聯網和GIS 技術，設計并實現了集信息感知監測、數據采集存儲、智能分析管理于一體的智慧水庫綜合管理平臺。平臺通過強化水庫上下游相關內容的實時監測，結合水庫工程實際，利用信息技術對各種水庫管理問題進行模擬和分析，確定問題的解決對策與管理方式，為水庫調度工作提供可靠的數據和信息支持[3-4]。

1 系統總體設計

1.1 平臺框架設計

本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，如圖1所示。

圖1 系統總體架構

1）基礎數據層是支撐平臺運營的基礎設施，由服務器和存儲資源池組成，為智慧水庫提供計算和數據存儲等，可細分為計算與存儲、網絡及通信、視頻監控采集、專業數據采集（水位、流量、水雨情等）。

2）數據資源層為智慧水庫應用系統提供數據資源，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，實現對庫區管理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，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。其中水庫管理人員可利用本系統向上級主管部門推送重點斷面水質監測數據及水文水情數據，社會公眾可通過微信公眾號舉報破壞庫區生態環境，影響庫區水質的活動。

1.2 數據庫設計

實現水庫智慧管理的基礎是數據，通過透徹感知，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的數據[5]。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、設備狀態的感知能力、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[6]。

本文中數據源分析與范圍規劃的最終目標是涵蓋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持保障。智慧水庫信息數據庫組成如圖2所示。

圖2 智慧水庫數據庫設計

水庫信息數據庫的數據源分為四類：

1）基礎空間數據庫：包括基礎地理數據（影像、數字線劃圖、數字高程模型），以及用于存儲管理水利設施的三維數據等。

2）水庫監測數據庫：各水文測站(包括水庫、河道)的實時雨情水情，還包括點雨量、區域雨量、時段雨量、降雨時間、雨量分布等要素。

3）巡查管理數據庫：即移動巡查數據庫，包括巡查計劃及巡查記錄（軌跡、照片、視頻、文字描述及巡查報告等）。

4）視頻監控數據庫：水庫管理視頻監控數據。

2 系統主要技術

物聯網通過射頻識別、傳感器以及網絡互聯等技術，實現對物理世界各種物體的標志、感知、監測、跟蹤、控制和管理，在人與物、人與環境以及物與物之間實現高效、智能、和諧的信息交互，最終通過智能決策控制技術實現物理世界與信息世界的融合[6]。將物聯網技術引入水庫綜合管理領域，可以解決水庫的實時監測問題，對監測到的數據進行整合、分析，及時發現問題并快速決策，使水庫綜合管理更加智慧化。

GIS 是在計算機硬、軟件系統的支持下，對現實世界各類空間數據及描述這些空間數據特性的屬性進行采集、儲存、管理、運算、分析、表達和應用的技術，是分析、處理和挖掘海量地理數據的通用技術[7]。借助GIS 技術，可以將水庫信息和空間信息有機關聯，對水庫信息進行有效管理和綜合分析。

2.1 庫區監測技術設計

本文提出一種充分應用衛星遙感、低空遙感及地面移動巡查相結合的天、空、地一體化高精度數據采集、處理、監測手段[8]。庫區監測技術路線如圖3所示。

圖3 庫區監測技術路線圖

1）以天基衛星遙感所采集的多分辨率、多時相、多波段、多層次遙感影像作為動態監測的主要信息源，進行大范圍遙感遠程監測，及時監控庫區變化趨勢[9]。

2）以低空遙感技術開展日常監察工作，并應對由于天氣造成的衛星遙感盲區進行缺失數據及突發事件數據應急采集[10]。

3）以地面人員巡查措施來進行周期性巡視及對衛星、無人數據獲取的疑似目標進行核查，獲取監測對象完整的屬性信息。

2.2 基于服務的多源異構數據管理

水庫管理過程中涉及的數據來源不一，且結構各不相同，不僅有結構化數據，還具有視頻、圖片、文檔文件等非結構化數據。傳統做法是將數據從各自系統抽取過來進行統一存儲與管理，再對外提供統一的數據服務[11]。但隨著數據量的急劇增加，特別是非結構化數據的增加，多源數據的整合與處理將承擔極大的負荷[12]。因此，本文提出一種基于服務的數據整合方式，而不用強行進行數據的物理拷貝與集中，如圖4 所示。基于服務的整合方式并不強求真實數據在物理存儲上的集中，而是保持各業務系統（例如安全監測系統、視頻監測管理平臺等）的數據分布現狀。將各個系統的數據通過Restful 接口方式進行服務包裝，并注冊到數據服務總線，并通過數據服務總線提供統一的數據服務，從而實現數據在邏輯層面上的整合。該方式基本解決了非結構化數據整合困難、數據傳輸壓力、數據存儲冗余等問題。

圖4 數據整合技術架構

2.3 基于物聯網的水庫實時調度

防汛期間各級水庫管理人員以及防汛主管部門，都要投入大量人力與物力進行防汛調度與決策。然而中小型水庫在洪水預報和調度方面都極大地依賴于管理人員本身的經驗，一定程度上限制著水庫調度的優化與防洪效率的提高[13]。本文提出一種基于物聯網實時數據的水庫調度方案，以輔助水庫管理人員作出更科學、高效的調度決策，如圖5所示。

圖5 水庫調度流程圖

集成并分析前端物聯網設備傳回的水位、流量、雨量、視頻等信息，結合水庫本身的防洪安全與防洪任務，通過平臺預設的計算模型，實時模擬出水庫的最高水位和出庫流量過程[14]。由于本身存在不同的調度方案，借助該模式能夠快速地計算不同方案下水庫最高水位與泄流過程。再結合上下游水災害承受能力和損失水平，為水庫管理人員與防汛主管部門提供綜合最優的調度決策方案，從而為水旱災害防御提供實時的技術支持。

3 系統功能設計

本系統采用B/S 架構，后端開發采用SSM 框架[7]，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。設計并開發了一張圖展示、水雨情統計分析、安全監測、調度管理、視頻監控管理、移動巡檢等功能。

1）一張圖展示。本模塊借助地理信息技術，將涉及水庫管理相關數據（包括水利基礎信息、水文氣象信息等）進行高效組織，直觀、形象、集中展示水庫、灌區、電站等工程的特征信息和統計數據，提供方便操作的信息查詢、分析、統計等功能，方便水庫管理人員快速掌握水庫運行的主要信息，便于快速決策和指揮。

2）水雨情統計分析。該模塊通過接入前端感知設備（水位計、雨量計）傳回的水位、雨量信息，全面并高效地獲取水雨情實時信息，并結合圖形、表格、專題圖等方式直觀地掌握數據的歷史變化過程，實現中長期水雨情分析，構建洪水預報模型，進一步提供科學的調度方案。

3）安全監測。該模塊融合水庫管理處內部為水庫大壩安全構建的各項安全監測設備，實時掌握大壩安全監測現狀和變化過程，對監測數據提供智能化判斷，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，與移動客戶端的巡檢應用無縫對接。

4）調度管理。本模塊融合氣象數據、水雨情數據、河道數據、視頻監控等，動態監測各水庫閘站是否根據調度指揮或實際水旱災害防御情況進行調度操作。通過結合洪水預報模型，提供多套有效的防洪調度方案，協助管理單位進行科學調度指揮。

5）視頻監控管理。本模塊接入水庫范圍內關鍵點的視頻監控數據，例如背水面及壩腳附近、溢洪道、大壩迎水面及庫區等。考慮到現有水庫周邊網絡及信息化基礎設施建設情況，采用WIFI/4G 等無線網絡數據傳輸方式[15]。

6）移動巡檢。移動巡檢是專門為水庫現場管理人員巡檢定制開發的手機端程序，包括五大功能模塊：①移動巡檢：通過移動巡視檢查，及時上傳包括照片、文字等內容的巡檢記錄；②信息查詢：借助圖表展示，隨時隨地查詢水庫各類監控信息和實時動態信息；③移動辦公：實現移動辦公管理，及時進行行政審批和文件收發等管理；④應急處置：自動實時推送預警信息及運行簡報到指定客戶端，為管理調度提供指導依據；⑤實時報警：具備數據超限報警功能，對超限、異常等數據告警。

4 結 語

智慧水庫綜合管理平臺是基于物聯網和GIS 技術搭建的服務于水庫綜合管理的應用平臺，通過對系統總體架構、智慧水庫數據庫分類與存儲、庫區動態監測方案的設計，在分析丹江口水庫庫區管理現狀和管理需求的基礎上，設計并實現了水庫一張圖、水雨情信息、安全監測、調度管理、視頻監控、移動APP等功能，極大地提高了工作人員對水庫日常管理、巡檢、應急處置的效率，對水庫管理信息化有著較高的實際應用價值。