典型水利工程配套智慧管理系統(tǒng)設(shè)計研究

王 寧，王 偉，諶東海

（1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.濱水空間規(guī)劃設(shè)計湖北省工程研究中心，湖北 武漢 430010）

為貫徹落實水利改革發(fā)展總基調(diào)和“安全、實用”水利網(wǎng)信發(fā)展總要求，2019年7月水利部印發(fā)《加快推進智慧水利的指導(dǎo)意見》，指出智慧水利是補短板、強監(jiān)管的重要抓手，是推進新時代水利現(xiàn)代化的重要舉措[1]。2020年水利部出臺《智慧水利總體方案》，把智慧水利建設(shè)作為推進水利現(xiàn)代化的著力點和突破口，加快推進智慧水利建設(shè)[2]。水利工程配套智慧管理工程作為典型的智慧水利項目，也是大中型水利工程建設(shè)任務(wù)的重要組成部分。水利工程配套智慧管理工程建設(shè)實施，將顯著提高水利設(shè)施遠程調(diào)度可靠性，從而最終實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)涉水信息一網(wǎng)集成、閘泵調(diào)度科學(xué)高效、運營管理智慧便捷，從實質(zhì)上提升管理部門的水系管控力度和業(yè)務(wù)管理水平。

如何實施好水利工程配套智慧管理工程，相關(guān)研究學(xué)者提出過一些方案和建議[3-6]，一定程度上為水利工程智慧管理提供了技術(shù)思路和方案借鑒，但至目前，行業(yè)還沒有相對完善的智慧水利整體技術(shù)方案的標(biāo)準(zhǔn)和范本。文中根據(jù)目前參與的智慧水利設(shè)計與研究的工作內(nèi)容，通過一個典型的水利信息化工程案例（即襄陽高新區(qū)水系連通工程），詳細論述了智慧管理工程設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，包括工程建設(shè)任務(wù)，平臺的系統(tǒng)框架與架構(gòu)、軟件功能、數(shù)據(jù)庫建設(shè)及系統(tǒng)集成完整的設(shè)計方案，旨在為智慧水利研究與設(shè)計的業(yè)界同行提供有益參考。

1 項目簡介

襄陽高新區(qū)水系連通工程（一期工程）位于襄陽高新區(qū)，主要建設(shè)內(nèi)容包括生態(tài)引水工程、河道整治工程、景觀綠化工程以及智慧管理工程。項目配套的智慧管理工程主要包括：水利監(jiān)測感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、軟件平臺建設(shè)、數(shù)據(jù)資源規(guī)劃建設(shè)、配套水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面。工程實施后，可以有效改善高新區(qū)水生態(tài)環(huán)境；疏通行洪通道，提升河道行洪安全；打造景觀節(jié)點，提升濱水活力；提高水務(wù)設(shè)施遠程調(diào)度可靠性，提升襄陽高新區(qū)智慧運營管理水平。

2 智慧管理工程建設(shè)任務(wù)

2.1 水利監(jiān)測感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

水利監(jiān)測感知網(wǎng)絡(luò)是全面、實時地掌握綜合水情、水質(zhì)，以及工程現(xiàn)場情況等信息的必要技術(shù)手段。通過移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與在線監(jiān)測技術(shù)，集成已建及新建的監(jiān)測站點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)試點工程區(qū)域內(nèi)水文、水質(zhì)、視頻監(jiān)控、閘泵站運行等信息的實時監(jiān)測，為實時全面掌握河湖與水利工程運行情況提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 軟件平臺建設(shè)

軟件平臺為管理人員提供日常工作的操作平臺，是業(yè)務(wù)處理的核心，項目圍繞襄陽高新區(qū)管委會對區(qū)域內(nèi)水資源管理、閘泵設(shè)施調(diào)度、防洪管理、水環(huán)境管控的主要業(yè)務(wù)需求進行設(shè)計，針對管理人員不同應(yīng)用場景提供大屏端、Web端應(yīng)用模塊設(shè)計。軟件平臺建設(shè)主要包括綜合展示（大屏端）、實時監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報、閘泵自控、統(tǒng)計報表、值班管理。

2.3 數(shù)據(jù)資源規(guī)劃建設(shè)

基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)資源，運用數(shù)據(jù)采集技術(shù)、GIS技術(shù)等，整合各類數(shù)據(jù)資源，形成高新區(qū)水系智慧管控平臺數(shù)據(jù)資源中心，滿足應(yīng)用支撐平臺建設(shè)以及數(shù)據(jù)交換和共享的需求。高新區(qū)水系管控數(shù)據(jù)資源包括：①已有水利工程動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)數(shù)據(jù)；②新建監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備采集上傳數(shù)據(jù)；③區(qū)域內(nèi)收集的水務(wù)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；④工程建設(shè)相關(guān)數(shù)據(jù)；⑤系統(tǒng)應(yīng)用和生產(chǎn)運行產(chǎn)生的相關(guān)文檔及管理數(shù)據(jù)等。

2.4 配套水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

建設(shè)配套的水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施，包括：監(jiān)控中心建設(shè)、數(shù)據(jù)機房建設(shè)、計算機通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、大屏顯示系統(tǒng)建設(shè)等。

3 系統(tǒng)框架設(shè)計

3.1 總體架構(gòu)

襄陽高新區(qū)智慧水利管理平臺總體構(gòu)架由采集層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)支撐層、應(yīng)用層、用戶層組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

（1）采集層。整合已建水利監(jiān)測系統(tǒng)，新建水質(zhì)、水位、流量、雨量監(jiān)測、視頻監(jiān)控監(jiān)測站點等，主要應(yīng)用于水利監(jiān)測感知信息采集。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。包括現(xiàn)有和改建的光纖、專網(wǎng)、有線寬帶、無線4G/5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。通過網(wǎng)絡(luò)層，將前端數(shù)據(jù)感知層各類監(jiān)測設(shè)備采集數(shù)據(jù)實時進行傳輸，提供系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境及移動應(yīng)用功能。

（3）數(shù)據(jù)層。將信息匯集到監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫，包括基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、水利專題數(shù)據(jù)庫、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、GIS數(shù)據(jù)等。

（4）支撐層。包括工作流引擎和各類中間件，支撐跨平臺分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)源的整合，面向業(yè)務(wù)層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)。主要服務(wù)包括Web服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、報表服務(wù)、工作流引擎、消息服務(wù)、GIS服務(wù)、文件服務(wù)等，以服務(wù)的形式供應(yīng)用層各子系統(tǒng)進行調(diào)用。

（5）應(yīng)用層。應(yīng)用層提供面向用戶的各項業(yè)務(wù)功能，是整個系統(tǒng)架構(gòu)中的核心功能模塊，包括：河湖管理、水利工程管理、水資源管理、防汛抗旱管理、泵站遠程監(jiān)控管理等主要功能。所有子系統(tǒng)均采用B/S架構(gòu)。開發(fā)建設(shè)移動端APP，將應(yīng)用層大部分功能集成到手機APP中，方便工作人員隨時隨地查詢。

（6）用戶層。主要是使用系統(tǒng)平臺的用戶對象，包括監(jiān)測管理中心、運維單位，以及各級水利管理部門及人員。

（7）統(tǒng)一管理體系。為系統(tǒng)平臺提供統(tǒng)一的管理服務(wù)，保障整個平臺系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運行，主要包括數(shù)據(jù)備份、網(wǎng)絡(luò)管理、補丁管理、運維管理等。

（8）系統(tǒng)安全保障體系。主要包括統(tǒng)一認(rèn)證、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、系統(tǒng)安全、網(wǎng)絡(luò)安全等服務(wù)，保障整個平臺數(shù)據(jù)存儲、傳輸、訪問、共享及各類信息化應(yīng)用的安全。

3.2 水利監(jiān)測感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

根據(jù)高新區(qū)河湖水系綜合治理工程要求和管理部門的業(yè)務(wù)管理需求，在水系各重要節(jié)點布設(shè)水質(zhì)、水雨情、視頻等自動化監(jiān)測采集設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和實時上傳，并進行區(qū)域內(nèi)閘泵站的自動化改造，實現(xiàn)該類設(shè)施的“無人值守（少人值守）”，使管理部門在水資源調(diào)度和應(yīng)急指揮調(diào)控時具有更大的靈活性。

3.3 軟件系統(tǒng)平臺建設(shè)

襄陽高新區(qū)智慧水利管理信息系統(tǒng)平臺包括6個主要部分：①一張圖綜合展示子系統(tǒng)；②水雨情實施監(jiān)測子系統(tǒng)；③監(jiān)測預(yù)警預(yù)報子系統(tǒng)；④閘泵站遠程監(jiān)控管理；⑤統(tǒng)計報表總系統(tǒng)；⑥值班管理子系統(tǒng)。整個系統(tǒng)平臺的功能架構(gòu)見圖2所示。

圖2 系統(tǒng)平臺功能架構(gòu)圖

（1）一張圖綜合展示

提供對匯水片區(qū)、河道、水庫、湖泊、閘壩、橋梁、水利工程、排口、灌區(qū)、物資、居民區(qū)等的分布位置和基本信息查詢與統(tǒng)計。綜合展示模塊為實時信息顯示、預(yù)警地圖、風(fēng)險分析圖等提供了區(qū)域底圖沙盤，明確了區(qū)域各類靜態(tài)設(shè)施分布，可通過地圖查詢各設(shè)施屬性，也可在底圖上疊加顯示實時更新的動態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）水雨情實時監(jiān)測

根據(jù)原有水利工程動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)在高新區(qū)水系管理中的應(yīng)用，水雨情等數(shù)據(jù)監(jiān)控展示功能是用戶的迫切需求。水系智慧化管控系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)需實現(xiàn)原有系統(tǒng)功能，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)用戶應(yīng)用服務(wù)的升級。實時監(jiān)控模塊即各類實時監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)基于電子地圖的查詢和展示，包括水位、流量、雨量、視頻、閘壩運行狀態(tài)、預(yù)警信息等。實時監(jiān)測信息作為動態(tài)圖層疊加在區(qū)域水務(wù)設(shè)施靜態(tài)底圖上，可勾選圖例或顯示專題來選擇查看不同類型的動態(tài)數(shù)據(jù)。此外，提供基于監(jiān)測設(shè)施、時間、限值等篩選條件的列表查詢功能，也可將列表與地圖對照顯示，方便進一步的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和地圖分析。

（3）監(jiān)測預(yù)警預(yù)報

通過地圖高亮、彈窗、通知推送等途徑進行測值超標(biāo)預(yù)警。實時預(yù)警信息包括暴雨、洪水、水量過低、水污染、視頻識別人為破壞等情形，管理人員可以基于預(yù)警信息，利用數(shù)值計算、數(shù)據(jù)分析等手段進行進一步的風(fēng)險分析，以提供災(zāi)害在未來數(shù)小時到數(shù)天的傳播路徑、擴散情況。

（4）閘泵站遠程監(jiān)控

提供閘泵遠程控制操作平臺，界面顯示所有閘泵當(dāng)前運行狀況和上下游河道、水庫的水雨情監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供閘泵開啟時間、開啟時長、立即關(guān)閉、規(guī)定時間后關(guān)閉等多類型控制操作，為保障設(shè)備控制安全，控制操作添加領(lǐng)導(dǎo)審核和二次確認(rèn)功能，對于有人值守的大中心閘站，提供中心端發(fā)送指令，現(xiàn)地端實施啟閉操作的功能。

（5）統(tǒng)計報表

根據(jù)不同的分析專題預(yù)置不同管理業(yè)務(wù)所需的統(tǒng)計報表，報表以餅圖、條形圖、折線圖或者地圖熱點圖等形式顯示。統(tǒng)計專題包括污染事件區(qū)域統(tǒng)計、預(yù)警站點頻次統(tǒng)計、設(shè)備損壞統(tǒng)計、水資源量年際年內(nèi)變化等，也可根據(jù)用戶需求自定義報表模板。

（6）值班管理

對管理人員值班情況進行管理，方便查詢時段責(zé)任人，便捷交接班人員的信息交換。提供專人負(fù)責(zé)區(qū)域查詢，值班人員值班情況查詢（包括值班日期、值班人員、天氣概況、交接時間、交接人員等）。

3.4 數(shù)據(jù)資源建設(shè)

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、匯集和整編

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是整個智慧工程管理軟件平臺的核心，是信息展示、查詢和分析的基礎(chǔ)。從類型上可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要作為本底數(shù)據(jù)使用，包括襄陽高新區(qū)地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、歷史水文資料、工程信息、防汛調(diào)度預(yù)案等靜態(tài)數(shù)據(jù)；動態(tài)數(shù)據(jù)為實時或準(zhǔn)實時的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括自動水文監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、各個移動終端采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

（2）管理平臺數(shù)據(jù)庫建庫

管理平臺數(shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)水利設(shè)施基礎(chǔ)類、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、水雨情數(shù)據(jù)類、閘泵控制與調(diào)度類、視頻監(jiān)控類、生產(chǎn)運行類、文檔資料類等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)格式主要以庫表及文件形式表示。

4 問題與解決對策

與普通的工程信息化項目不同的是，水利信息化項目往往具有其水利行業(yè)特點。一般而言，水利工程配套智慧管理建設(shè)內(nèi)容較多，既包括前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備（如水雨情、水質(zhì)、流量、視頻監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控類設(shè)備），又包括后端的硬件設(shè)備（主要為服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）及軟件平臺開發(fā)（服務(wù)器端與手機端），往往還有配套的設(shè)施建設(shè)（如集控中心、會商中心、機房的裝修改造），因此水利信息化項目具有內(nèi)容多、專業(yè)多特點。在實施襄陽高新區(qū)水系連通項目的智慧管理工程設(shè)計過程中，遇到以下技術(shù)問題及解決對策。

4.1 技術(shù)先進性問題與對策

在考慮采用成熟技術(shù)的同時，應(yīng)采用國際上先進的軟件開發(fā)技術(shù)，使得本項目在未來一段時間內(nèi)保持在行業(yè)先進水平。因此平臺采用了“BIM+GIS+IOT”這種目前流行的數(shù)字孿生技術(shù)[7]，并與平臺一張圖應(yīng)用進行融合，通過無人機航拍采集數(shù)據(jù)進行傾斜攝影和大場景三維地形重建，并對于典型的水工建筑物進行BIM三維建模，將大場景地形與水工建筑物進行無縫拼接，并將前端布置的水雨情、水質(zhì)、攝像頭與三維場景進行對接與整合，從而實現(xiàn)主流數(shù)字孿生的技術(shù)應(yīng)用。

4.2 平臺數(shù)據(jù)交換問題與對策

本項目除了新建的水雨情監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、視頻監(jiān)控、閘站監(jiān)測站點之外，還要考慮已建設(shè)的相關(guān)監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)接入，并且新建設(shè)的軟件平臺還需要與現(xiàn)有小型水庫水雨情測報系統(tǒng)、水利工程動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)、“三農(nóng)”管理大數(shù)據(jù)平臺等信息化系統(tǒng)進行對接及必要的數(shù)據(jù)交換與利用。因此平臺數(shù)據(jù)庫應(yīng)嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求建庫，并且平臺建設(shè)時需預(yù)留數(shù)據(jù)接口，以確保平臺間的數(shù)據(jù)推送、獲取與交換，并且針對今后再新增的監(jiān)測站點可以直接接入，避免監(jiān)測系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)。

4.3 前端采集設(shè)備通信與供電問題與對策

針對水利工程特點，部分水雨情及水質(zhì)、視頻監(jiān)控設(shè)備布置在野外，若采用有線方式進行數(shù)據(jù)通信與供電，則電源與通信線纜施工建設(shè)成本較高，因此在設(shè)計時考慮盡可能減少這種孤立監(jiān)測點位的布設(shè)。另外對于在孤立地點布置的必要監(jiān)測點位，如網(wǎng)絡(luò)布線困難、市電供電困難的水位、流量及視頻監(jiān)測站點，則推薦采取采用NB-IOT/4G/5G無線通信的方式來解決網(wǎng)絡(luò)最后一公里的問題，并采用太陽能供電與電池組的方式來解決市電供電布線問題。

5 結(jié)語

水利工程配套智慧管理工程是“智慧水利”的典型技術(shù)應(yīng)用，也是大中型水利工程建設(shè)重要組成部分。文章結(jié)合襄陽高新區(qū)水系連通項目配套智慧管理工程為例，深入探討水利工程項目智慧管理系統(tǒng)設(shè)計工作，并針對相關(guān)的技術(shù)問題給出了解決對策。目前,水利工程智慧化系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)還沒有相對完善的標(biāo)準(zhǔn)和范本，文中工作內(nèi)容希望對國內(nèi)同行提供些許借鑒，同時為我國水利工程智慧化設(shè)計與建設(shè)進一步推進和發(fā)展提供參考。