小清河流域數字化建設實踐

朱昌濤，王雅波，馬 闊

（1.山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250014；2.濟南市水利工程服務中心，山東 濟南 250000；3.山東省水利工程局有限公司，山東 濟南 250013）

小清河流域位于魯北平原南部，干流全長229 km，自西向東流經濟南、濱州、淄博、東營、濰坊5 個市的12 個縣（市、區），在壽光市羊口鎮匯入萊洲灣。流域水系復雜，支流眾多，且多是山洪型河道，比降上陡下緩，遇到降雨天氣，河道來水急。小清河又是條平原河道，洪水往下演進相對較慢，匯入后極易引起干流水位快速上升，造成較大防洪壓力。因此，加強建設小清河自動化調度指揮系統建設，推動流域數字化管理，以全面提升小清河水旱災害防御能力。

1 建設目標及原則

1.1 建設目標

在智慧水利建設以及大數據等高新前沿技術快速發展的背景下，緊扣防洪除澇綜合治理目標和流域內洪水的統一調度指揮工作需求，整合已有資源，以防洪調度業務為核心，以預報、演進、調度、風險分析為重點，以自動化控制為手段，以硬件基礎設施和傳輸網絡為載體，以監測數據、基礎數據、共享數據為支撐，構建精準高效、信息整合、輔助決策的系統。

1.2 建設原則

1）支撐決策，安全實用。系統的建設能提高洪水預報與調度能力，加強工程之間的聯合調度，以防汛、抗旱等業務為核心，建設小清河流域水災害防御業務應用。以安全為根本，以需求為導向，以實用為原則，從前端基礎感知、硬件支撐環境、物聯通信、數據處理、業務應用等方面保障系統安全。

2）補齊短板，快速提升。要先補齊當前在基礎設施、信息采集、計算機通信網絡、應用服務支撐、應用服務等多方面存在的短板。圍繞防汛抗旱調度指揮業務，充分運用新一代信息技術，快速提升流域水災害防治能力。

3）整合資源，先進智能。充分整合山東省水利信息化已有各項資源。應用先進的信息技術，強化水利基礎設施、數據資源、業務應用的整合集約與成果復用。結合防汛抗旱調度業務實際，確保系統建設的實用性、智能性和可操作性。

4）服務全局，突出重點。從服務于小清河流域相關水利業務、全面提升防汛抗旱整體能力出發，兼顧跨流域調水和航運交通，但要突出強化水利工程之間的聯合調度應用，重點建設水災害防御智能應用。

2 總體架構

2.1 信息采集與傳輸

信息采集主要接收前端監測信息，由視頻監控、雨量、水位、流量、閘泵站監控監測等組成，建設成覆蓋庫、閘、站、河的天地一體化監測體系。

2.2 云節點硬件資源層

云節點硬件資源層主要是機房網絡、計算所需資源、存儲所需資源和安全相關設備等，為系統提供運行環境。基于已建設的網絡資源，升級優化業務外網、業務內網。

2.3 數據資源管理平臺

數據資源管理平臺包含數據治理、數據存儲、數據管理和數據服務。數據治理由通用數據匯集、空間數據匯集和數據收集處理組成。數據存儲包含業務數據庫、數據倉庫、元數據庫、ODS數據庫、多媒體數據庫等組成。數據管理包含數據空間管理、元數據、目錄管理、數據安全和數據質量組成等。數據服務包含通用數據服務、專題數據服務、大數據服務、空間數據服務和數據減緩共享等組成。

2.4 應用支撐平臺

應用支撐平臺由公共服務和基礎支撐服務組成，具體包含MQ、ETL、Cache、身份認證、規則引擎、模型計算、預報、系統日志、查詢統計、調度、GIS 等服務。

2.5 業務應用系統

業務應用系統按照功能應用劃分系統模塊，主要包括水雨情服務、洪水預報預警、防洪調度、風暴潮預報預警、數據維護、系統管理等，各系統模塊相互支持，相輔相成，協同實現流域洪水預報調度一體化系統化管理。系統以電子地圖、各類數據庫、前端監測信息、相關水動力模型、數據模型為支撐，將模型和系統緊密融合，通過人機交互的方式，實現雨量、水位、工情等信息監視、流域防洪形勢分析、預報調度計算、調度方案展示、調度方案比較等功能，有效支持小清河流域防洪調度決策。

2.6 接入層

接入層建立起用戶與系統應用之間的鏈接，包含水利業務內網門戶、水利業務外網門戶、客戶端和移動APP。

3 建設成效

3.1 基本建成流域數字場景

以構建小清河數字孿生流域為目標，建設覆蓋全流域的三維數字流域。整合與集合小清河流域現有水文、工程、視頻、遙測等信息，補充重點工程和關鍵部位監測站點，形成一套覆蓋全流域的監測感知體系，實現流域內11 個排澇泵站及干線和分洪道的27 個控制閘站遠程監控調度。同時依托GIS 平臺，結合小清河業務管理需求，融合整理基礎的地理數據、監測感知數據、業務數據、水利基礎數據、跨行業共享數據，構建了小清河流域“一張圖”。

3.2 初步實現智慧化模擬

整合流域內206 個實時水情監測點位，結合實時氣象信息，將地理信息與水雨情信息進行耦合，基本實現了對流域內預見期的降雨，河道的水位、流量等信息的有效預報；分析研究流域歷年洪水組成、流域內水庫防洪庫容及工程聯合防洪調度，形成科學精細、詳實可靠的水工程聯合調度預案。

基于機器學習模型和知識圖譜分析，使調度方案具備流域防洪調度背景場次相似性分析、防洪調度方案推薦、防洪調度方案自學習等功能；內置不同機理的洪水預報模型與方案，支持系統以自動方式和人機交互模式進行洪水預報計算與分析，基于三維數字化場景，實現小清河流域內8 座水庫的入庫流量、庫水位以及河道水位洪水演進分析，實現洪水到達和淹沒情況的及時預警，以可視化方式展示洪水預報和防洪調度結果。

3.3 逐步完善精細化決策功能

根據實時的雨量、水位、預報數據等，在已有的防洪調度預案基礎上，通過人機交互的方式，自動生成防洪調度方案，對防洪調度工作的流轉、綜合會商等起到支撐作用，調度方案生成基于機器學習模型和知識圖譜分析，具備流域防洪調度背景場相似性分析、防洪調度方案推薦、防洪調度方案自學習等功能。

3.4 積極探索智慧流域建設

研究了虛擬現實等前沿技術在水利行業中的應用，以小清河流域水行政管理范圍為邊界，以水利工程管理業務為主線，以預報預警為重要環節，對小清河流域水利工程管理活動進行全息精準化模擬，借助AR 和VR 技術，融合水利專業模型、可視化模型和數學模擬，對部分重點水利工程開展三維仿真場景建設，實現工程運行管理活動的真實模擬，為未來智慧流域建設提供前期準備。