智慧水利與河湖綜合管理應(yīng)用研究

（淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 淮安 223005）

1 研究背景

IBM在2008年提出“智慧地球”的概念后，2010年又提出了“智慧城市”的愿景。智慧水利作為智慧城市的重要組成部分，是水利信息化建設(shè)的更高層次和嶄新階段。水利是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，我國(guó)大力支持水利現(xiàn)代化發(fā)展，《全國(guó)水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確“將強(qiáng)化水利管理、進(jìn)一步提升水治理和水管理能力作為重要方向”[1]，并提出“推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)、完善水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)、推進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)”。智慧水利運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、“互聯(lián)網(wǎng)+”等先進(jìn)信息技術(shù)，充分開(kāi)發(fā)利用水利信息資源，實(shí)現(xiàn)水利信息采集自動(dòng)化、業(yè)務(wù)管理數(shù)字化、決策分析智能化，推動(dòng)水利現(xiàn)代化建設(shè)邁上新的臺(tái)階。

江蘇省濱江臨海，河湖眾多、水網(wǎng)密布，水域面積占全省土地面積的16.9%，是全國(guó)唯一擁有大江大河大湖大海的省份。2017年10月，江蘇省人民政府發(fā)布了《江蘇省生態(tài)河湖行動(dòng)計(jì)劃（2017—2020年）》，提出建設(shè)河湖信息共享平臺(tái)、建設(shè)河湖管理應(yīng)用系統(tǒng)，提高河湖智能化調(diào)度水平。智慧河湖是智慧水利的重要組成，本文研究的智慧河湖管理系統(tǒng)是以前端物聯(lián)感知系統(tǒng)為數(shù)據(jù)來(lái)源、以硬件環(huán)境和通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)支撐、以可視化軟件平臺(tái)為表現(xiàn)形式的面向河湖監(jiān)管的綜合信息系統(tǒng)工程，是積極響應(yīng)“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的新時(shí)期治水思路的重要措施。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧河湖管理系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)一共有6個(gè)層次，由下往上分別是信息采集層、保障環(huán)境層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和用戶層。其中，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和信息安全體系為整個(gè)系統(tǒng)提供可靠的運(yùn)行保障[2]。

2.1 信息采集層

信息采集層是智慧河湖管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)，以前端傳感器為基礎(chǔ)，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)光纖、GPRS、4G、超短波等信息傳輸通道存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)中心[3]。主要采集的信息有河湖水位、流量、水質(zhì)、雨量、工情、視頻等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 保障環(huán)境層

保障環(huán)境層提供數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理和系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及軟硬件設(shè)備。其中，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境包括互聯(lián)網(wǎng)、水利專網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)；保障中心包括數(shù)據(jù)中心、會(huì)商中心和控制中心；客戶端包括PC端和移動(dòng)終端。

2.3 數(shù)據(jù)資源層

圖1 智慧河湖管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)資源層是整個(gè)信息資源共享和開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)。智慧河湖管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源可分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)四大類別。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是相對(duì)靜態(tài)的、底層支撐數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、水利工程屬性數(shù)據(jù)、外業(yè)調(diào)查測(cè)量數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是通過(guò)前端感知設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)雨情、水情、水質(zhì)、視頻監(jiān)控、工程運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等；系統(tǒng)數(shù)據(jù)指系統(tǒng)平臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括應(yīng)用管理數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)等；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指水利部門(mén)日常業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如臺(tái)賬數(shù)據(jù)、檔案、預(yù)案、巡查記錄、文件報(bào)表等。

2.4 應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層是應(yīng)用架構(gòu)的載體，用戶根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求以及業(yè)務(wù)發(fā)展的規(guī)劃，在依托應(yīng)用支撐層上實(shí)現(xiàn)各種具體的應(yīng)用功能。應(yīng)用支撐層擔(dān)負(fù)支撐應(yīng)用的核心作用，為智慧河湖系統(tǒng)的建設(shè)提供信息及資源支撐服務(wù)、統(tǒng)一的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境、全系統(tǒng)共享的信息資源。

2.5 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的展示層。智慧河湖管理系統(tǒng)主要包括如下子系統(tǒng)：

2.5.1 水資源信息服務(wù)子系統(tǒng)

基于WebGIS 電子地圖，面向區(qū)域水系節(jié)點(diǎn)、重要控制斷面及取排水口的水質(zhì)、水量等各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供接收處理、監(jiān)視預(yù)警和統(tǒng)計(jì)分析功能，動(dòng)態(tài)掌握區(qū)域水質(zhì)、水量變化情況。

2.5.2 水資源業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)

針對(duì)水資源管理的各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求，提供水資源費(fèi)征收、取水許可管理、水政監(jiān)察、水資源建設(shè)項(xiàng)目論證管理等業(yè)務(wù)提供在線流程化處理。

2.5.3 水資源應(yīng)急管理子系統(tǒng)

以水文—水動(dòng)力—水質(zhì)耦合模型為支撐，與實(shí)時(shí)雨水情、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)連接，獲取對(duì)應(yīng)的邊界條件，實(shí)時(shí)在線滾動(dòng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)在各種突發(fā)狀況下集水資源預(yù)報(bào)預(yù)警、統(tǒng)計(jì)分析、調(diào)度決策為一體的應(yīng)急管理。

2.5.4 防汛監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)

提供氣象、雨水情、工情等信息在線展示與查詢服務(wù)，輔以圖表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)預(yù)報(bào)方案進(jìn)行流域拓?fù)湮募㈩A(yù)報(bào)模型、參數(shù)的加載配置，實(shí)現(xiàn)區(qū)域汛情及時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警。

2.5.5 水利工程遠(yuǎn)程測(cè)控子系統(tǒng)

針對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的水利工程，采集各工程設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)，在線展示閘門(mén)開(kāi)度、泵站流量等運(yùn)行監(jiān)測(cè)信息并及時(shí)發(fā)布預(yù)警。系統(tǒng)提供在線調(diào)節(jié)工程運(yùn)行狀態(tài)功能，遠(yuǎn)程控制設(shè)備的啟動(dòng)、停機(jī)等操作，實(shí)現(xiàn)工程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和集群控制。

2.5.6 智慧河湖移動(dòng)平臺(tái)

智慧河湖移動(dòng)平臺(tái)基于移動(dòng)終端，以PC 端平臺(tái)功能為依托，采用無(wú)線通訊技術(shù)、Android、iOS移動(dòng)操作系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)中心與PC 端平臺(tái)進(jìn)行互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)河湖管理業(yè)務(wù)移動(dòng)化定制，使用戶隨時(shí)進(jìn)行隨身化的業(yè)務(wù)管理和溝通。

2.6 用戶層

通過(guò)嚴(yán)格的權(quán)限控制進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，面向省、市、縣各級(jí)水行政主管部門(mén)以及社會(huì)公眾、其他有關(guān)部門(mén)機(jī)構(gòu)有針對(duì)性地授權(quán)使用河湖水利信息服務(wù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1 物聯(lián)感知體系構(gòu)建

物聯(lián)感知體系是智慧河湖系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)，將與河湖管理相關(guān)的傳感器與監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，對(duì)系統(tǒng)所需的雨水情、工情、水質(zhì)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集分析[4]，實(shí)現(xiàn)水利信息的網(wǎng)絡(luò)化在線監(jiān)測(cè)和管理。

3.2 WebGIS平臺(tái)——“一張圖”構(gòu)建

WebGIS平臺(tái)作為智慧河湖系統(tǒng)的應(yīng)用支撐平臺(tái)，以二維地理圖形為主要表現(xiàn)形式，梳理區(qū)域河湖、堤防、閘泵、測(cè)站等水利工程屬性信息，基于電子地圖實(shí)現(xiàn)專題要素導(dǎo)覽。整合前端采集的各類實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，支撐實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取和表達(dá)等任務(wù)，形成區(qū)域河湖“一張圖”，基于“一張圖”模式進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)的匯聚與整合、查詢與展示、共享與交換等功能，為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)提供一體化的展示支撐平臺(tái)。

3.3 數(shù)據(jù)資源服務(wù)體系構(gòu)建

圖2 數(shù)據(jù)資源服務(wù)體系架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)資源是智慧河湖系統(tǒng)建設(shè)的核心，針對(duì)傳統(tǒng)水利數(shù)據(jù)服務(wù)模式的不足，避免“信息孤島”和“同源不同值”問(wèn)題，以面向服務(wù)的體系架構(gòu)（SOA）為理念，構(gòu)建數(shù)據(jù)資源服務(wù)體系，提供全系統(tǒng)平臺(tái)信息資源的整合與分析，擔(dān)負(fù)著對(duì)下管理匯集數(shù)據(jù)、對(duì)上支撐應(yīng)用的核心作用[5]。

3.3.1 系統(tǒng)資源服務(wù)層

系統(tǒng)資源服務(wù)層針對(duì)水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，整合系統(tǒng)硬件、通信、存儲(chǔ)資源，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)字典等服務(wù)，為使用者提供數(shù)據(jù)資源分類和定位服務(wù)，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的資源共享和開(kāi)發(fā)利用基礎(chǔ)。

3.3.2 公共基礎(chǔ)服務(wù)層

公共基礎(chǔ)服務(wù)層的功能在于將數(shù)據(jù)資源服務(wù)體系所有功能都以構(gòu)件形式提供服務(wù)，使這些功能都有一個(gè)比較統(tǒng)一的調(diào)用接口，便于用戶使用。有了良好的服務(wù)管理功能，可以有效減少軟件的重復(fù)開(kāi)發(fā)，降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，提高系統(tǒng)的升級(jí)能力以及對(duì)需求改變的適應(yīng)能力。

3.3.3 專題應(yīng)用服務(wù)層

基于各類專題應(yīng)用需求，通過(guò)相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行專業(yè)化、規(guī)范化處理，全面構(gòu)建水利專題信息服務(wù)，主要包括GIS 服務(wù)、雨水情信息服務(wù)、水質(zhì)信息服務(wù)、告警服務(wù)、報(bào)表服務(wù)等。

3.3.4 資源服務(wù)管理和平臺(tái)監(jiān)控管理

提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)管理平臺(tái)，開(kāi)放各類數(shù)據(jù)服務(wù)的接口，提供服務(wù)調(diào)用、裝配、定制、監(jiān)控、定位等工具，并在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)基礎(chǔ)上提供具有服務(wù)接口，能夠使用戶靈活地依據(jù)河湖管理需求編排服務(wù)，對(duì)各業(yè)務(wù)功能在數(shù)據(jù)傳輸、處理、任務(wù)執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)視和查看。

4 實(shí)施建議

智慧河湖建設(shè)是一項(xiàng)涉及面廣的系統(tǒng)工程，需要在建設(shè)過(guò)程中加強(qiáng)管控，落實(shí)各項(xiàng)保障措施。未來(lái)在智慧河湖系統(tǒng)建設(shè)的過(guò)程中，建議通過(guò)加快水利信息化標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建、注重水利信息化運(yùn)行維護(hù)、加強(qiáng)水利信息化安全管理、健全資金及政策保障，穩(wěn)步推進(jìn)智慧河湖建設(shè)工作。

4.1 加快水利信息化標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

根據(jù)水利部、地方相關(guān)規(guī)范，全面構(gòu)建與水利信息化建設(shè)發(fā)展相適應(yīng)的信息化標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范水利信息化建設(shè)過(guò)程中的資金、進(jìn)度、質(zhì)量管理，保障水利信息建設(shè)的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性[6]，促進(jìn)水利信息化的可持續(xù)發(fā)展。

4.2 注重水利信息化運(yùn)行維護(hù)

水利信息化建設(shè)要建管并重、注重運(yùn)維，確立政府指導(dǎo)、第三方運(yùn)維、及時(shí)響應(yīng)、優(yōu)質(zhì)服務(wù)的常態(tài)化運(yùn)營(yíng)維護(hù)機(jī)制，發(fā)揮智慧河湖系統(tǒng)最大效益。

4.3 加強(qiáng)水利信息化安全管理

隨著水利系統(tǒng)信息化建設(shè)的深入發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)與信息安全問(wèn)題日趨重要。根據(jù)《信息系統(tǒng)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》，從系統(tǒng)安全、硬件安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全、管理安全等方面加強(qiáng)水利信息化安全管理，確保智慧河湖系統(tǒng)建設(shè)的健康持續(xù)發(fā)展。

4.4 健全資金及政策保障

為保證智慧河湖系統(tǒng)建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，需要根據(jù)區(qū)域水利發(fā)展需求，研究、制定、出臺(tái)相關(guān)政策，并積極推行落實(shí)。同時(shí)，應(yīng)保障專項(xiàng)資金投入，發(fā)揮地方財(cái)政的積極性，確保水利信息化健康有序發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

智慧水利是水利信息化建設(shè)的高級(jí)階段，智慧河湖管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)從水利信息化發(fā)展全局視角出發(fā)，遵循面向數(shù)據(jù)價(jià)值，圍繞系統(tǒng)應(yīng)用的建設(shè)思路。借助物聯(lián)網(wǎng)、統(tǒng)一GIS平臺(tái)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)信息技術(shù)，整體協(xié)調(diào)推進(jìn)各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)河湖監(jiān)管工作信息全面感知、資源高效共享、業(yè)務(wù)廣泛融合、決策科學(xué)智能，轉(zhuǎn)型水利發(fā)展，實(shí)現(xiàn)河湖監(jiān)管的動(dòng)態(tài)化、精細(xì)化和智慧化，推動(dòng)水利信息化建設(shè)邁向新的臺(tái)階■