張家口地區(qū)智慧水文建設(shè)與探究

□張 健

水文工作是關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)，水文數(shù)據(jù)在防汛抗旱、水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、水資源管理與開(kāi)發(fā)利用、水環(huán)境保護(hù)等諸多方面有著重要應(yīng)用。“智慧水文”是“數(shù)字水文”概念的延伸和拓展，是信息化進(jìn)步的必然趨勢(shì)。水文行業(yè)在向“智慧化”管理邁進(jìn)的過(guò)程中，引入了先進(jìn)的技術(shù)理念及管理手段，在提升抗拒自然災(zāi)害能力、改善人民生活質(zhì)量方面均作出了巨大貢獻(xiàn)。

隨著信息化建設(shè)的快速發(fā)展，水文行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、應(yīng)用等方面的要求越來(lái)越高，智慧水文建設(shè)工作的要求也愈發(fā)迫切。由于電子信息化技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，使得構(gòu)建信息一體化平臺(tái)、建設(shè)數(shù)字孿生流域以推動(dòng)水文高質(zhì)量發(fā)展成為可能。張家口水文中心充分利用可視化技術(shù)，結(jié)合水文管理及勘探應(yīng)用場(chǎng)景需求，打造了適用于張家口地區(qū)的“基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧水文集成平臺(tái)”（下文中統(tǒng)稱集成平臺(tái)）。通過(guò)此平臺(tái)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)建設(shè)，使區(qū)域水文信息的綜合應(yīng)用和數(shù)字孿生流域建設(shè)邁上一個(gè)新的臺(tái)階，推動(dòng)了張家口市智慧水文的建設(shè)與發(fā)展。

1.集成平臺(tái)實(shí)施內(nèi)容及技術(shù)措施

1.1 主要功能

為“智慧水文”集成平臺(tái)引入最新的技術(shù)手段，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)精準(zhǔn)映射各類水文數(shù)據(jù)，構(gòu)建水文一張圖，實(shí)現(xiàn)水文概況查看、實(shí)時(shí)信息查詢、視頻監(jiān)控調(diào)用、搜索定位可視化、儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程操作、運(yùn)維管理的智能化服務(wù)和水文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的可視化應(yīng)用，為做好防汛抗旱指揮調(diào)度、應(yīng)急監(jiān)測(cè)、生態(tài)輸水監(jiān)測(cè)、水資源管理和河流保護(hù)等工作，提供了重要技術(shù)支持。

1.2 技術(shù)架構(gòu)

平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)分為3 層，從下至上分別是數(shù)據(jù)集成層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用展示層。

數(shù)據(jù)集成層：主要功能是數(shù)據(jù)集成交換，它連接智慧水文平臺(tái)的各個(gè)子系統(tǒng)，把不同協(xié)議接口傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與標(biāo)準(zhǔn)化，再分別存放到數(shù)據(jù)庫(kù)的不同表中，這些數(shù)據(jù)包括地理數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理層：主要功能是數(shù)據(jù)請(qǐng)求處理，它接收來(lái)自前端的數(shù)據(jù)展示請(qǐng)求，把相應(yīng)類別、范圍和時(shí)段的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取出來(lái)，并發(fā)送到前端進(jìn)行展示。

應(yīng)用展示層：主要功能是進(jìn)行圖形展示，它根據(jù)用戶的不同操作，從后來(lái)獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，利用圖形引擎展示出地理信息數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的站點(diǎn)數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.3 技術(shù)關(guān)鍵

1.3.1 數(shù)據(jù)接入技術(shù)

ThingJS-X 目前提供幾大內(nèi)置接口的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在數(shù)據(jù)接入時(shí)，可以直接按照字段要求推送至系統(tǒng)中。主要包括資產(chǎn)數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、圖表數(shù)據(jù)的接入格式、方法等內(nèi)容，資產(chǎn)數(shù)據(jù)的接入可以調(diào)用批量新增或修改CI信息接口，按照格式傳值，可以將資產(chǎn)信息保存至ThingJS-X 系統(tǒng)中；性能數(shù)據(jù)推送可以調(diào)用系統(tǒng)中內(nèi)置的restAPI接口，通過(guò)接口程序直接將處理好的設(shè)備性能數(shù)據(jù)推送至系統(tǒng)中；告警數(shù)據(jù)推送可以調(diào)用系統(tǒng)中內(nèi)置的restAPI 接口，通過(guò)接口程序直接將處理好的設(shè)備告警數(shù)據(jù)推送至系統(tǒng)中；Server 服務(wù)主要通過(guò)DIX 或其他接口程序提供，接口跨域問(wèn)題通過(guò)在第三方系統(tǒng)中增加過(guò)濾器或通過(guò)Nginx 代理解決。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

采用vue 生態(tài)的技術(shù)棧進(jìn)行開(kāi)發(fā)，將項(xiàng)目打包部署在Nginx 服務(wù)器上，后端Spring Boot 不需要任何XML 配置即可實(shí)現(xiàn)Spring 的所有配置，?IntelliJ IDEA 一般可以通過(guò)使用Maven 創(chuàng)建和使用Spring Initializr 兩種方式創(chuàng)建，集成平臺(tái)采用 Maven 創(chuàng)建。XML 的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表示方法不僅可以定義元素的內(nèi)容，還可以定義元素間的關(guān)系，在處理多種數(shù)據(jù)關(guān)系或大型數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)時(shí)，這種特性極為有用，使得它很容易處理大型或復(fù)雜的文檔，可以便捷的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。

1.3.3 應(yīng)用展示技術(shù)

三維方面采用T3D 渲染引擎，T3D是一個(gè)Web 優(yōu)先的通用圖形渲染引擎，主要基于WebGL 和WebGPU(未來(lái))作為底層繪圖標(biāo)準(zhǔn)的通用圖形渲染庫(kù)，T3D 并不限定圖形渲染以外的其它邏輯，具有很好的適用性與擴(kuò)展性。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)計(jì)算及服務(wù)，在面對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，需要在海量原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行各種數(shù)據(jù)加工計(jì)算，并通過(guò)接口對(duì)外提供數(shù)據(jù)服務(wù)。在系統(tǒng)架構(gòu)、組件、界面、藍(lán)圖、以及周邊工具等方面都得到了提升，并支持切換渲染底層。

2.功能實(shí)現(xiàn)

2.1 站點(diǎn)分布可視化

基于真實(shí)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，在地圖上展示轄區(qū)內(nèi)水系、水庫(kù)、流域及站點(diǎn)的分布情況，并以三角標(biāo)的形式進(jìn)行標(biāo)注，同時(shí)對(duì)重點(diǎn)站點(diǎn)進(jìn)行三維建模，并基于三維化場(chǎng)景展示站點(diǎn)相關(guān)信息，包括測(cè)站地址、水系名稱、河道名稱、蓄水量。

支持基于地圖進(jìn)行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)，以及一定角度的傾斜操作。

2.2 水文信息查詢

系統(tǒng)支持多條件高級(jí)搜索，多個(gè)條件可以進(jìn)行組合過(guò)濾，支持單一條件模糊搜索，可以一鍵定位至搜索結(jié)果；鼠標(biāo)點(diǎn)擊左側(cè)列表中的某個(gè)水文站點(diǎn)，在中間地圖上突出展示該站點(diǎn)和最關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，同時(shí)，界面右側(cè)展示該站點(diǎn)的全部指標(biāo)數(shù)據(jù)詳情；可以根據(jù)不同選擇條件進(jìn)行管理對(duì)象及信息查看，主要包括：按水流量查看、按行政區(qū)域查看、按站點(diǎn)類型查看、按站點(diǎn)等級(jí)查看、按告警等級(jí)查看。

2.3 視頻監(jiān)控調(diào)取及展示

基于各水文站的三維場(chǎng)景清晰展示各視頻點(diǎn)位的分布，同時(shí)視頻點(diǎn)位與視頻影像實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，點(diǎn)擊任意位置攝像頭能夠快速地查看當(dāng)前位置的實(shí)時(shí)視頻圖像，實(shí)現(xiàn)快速定位快速瀏覽查看，同時(shí)支持設(shè)置視頻輪播區(qū)域，使用多個(gè)攝像頭窗口并行查看重要站點(diǎn)的監(jiān)控視頻。

列表方式展出所有視頻監(jiān)控點(diǎn)信息，支持通過(guò)關(guān)鍵字方式搜索視頻監(jiān)控點(diǎn)，在地圖上用圖標(biāo)展示不同視頻監(jiān)控點(diǎn)的位置信息。鼠標(biāo)點(diǎn)擊某個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)圖標(biāo)，系統(tǒng)展示該監(jiān)控點(diǎn)的詳情和對(duì)應(yīng)的視頻流窗口。

右側(cè)支持多個(gè)視頻窗口輪播，支持拖動(dòng)方式增加或者替換輪播視頻窗口。

2.4 遠(yuǎn)程操作監(jiān)測(cè)

實(shí)現(xiàn)水文站點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的遠(yuǎn)程操作，兼容各種自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操作，并能將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到監(jiān)測(cè)平臺(tái)，雨量、地下水，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和工況能夠?qū)崟r(shí)查看。

2.5 運(yùn)維管理提示

在線儀器工況出現(xiàn)異常后，能夠及時(shí)報(bào)警，并將站點(diǎn)信息及基本情況推送到運(yùn)維工作人員。

2.6 統(tǒng)計(jì)分析及展示

通過(guò)圖表等形式展現(xiàn)區(qū)域內(nèi)水文概況的基本信息，按照相關(guān)的水文指標(biāo)對(duì)水系、水庫(kù)、流域及站點(diǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，平臺(tái)效果及統(tǒng)計(jì)分析展示見(jiàn)圖1。

圖1 集成平臺(tái)統(tǒng)計(jì)分析展示

可展示不同類型站點(diǎn)總數(shù)，包括雨量、河道和水庫(kù)的站點(diǎn)總數(shù)，并支持手工方式進(jìn)行數(shù)量的修改。

降雨量統(tǒng)計(jì)：按照不同降雨量范圍，以條狀圖方式展示5 個(gè)級(jí)別的雨量站點(diǎn)的數(shù)量。

水位統(tǒng)計(jì)：按高于警戒水位，接近警戒水位和低于警戒水位3 個(gè)分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，展示各類站點(diǎn)的數(shù)量。

告警分類統(tǒng)計(jì)：按照站點(diǎn)的類型和告警與否，展示相應(yīng)站點(diǎn)的數(shù)量，根據(jù)告警閾值的變化，實(shí)時(shí)刷新展示相應(yīng)站點(diǎn)的數(shù)量。

3.建設(shè)意義及展望

智慧水文集成平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)可視化、融合水文監(jiān)測(cè)平臺(tái)和實(shí)現(xiàn)“水文一張圖”為目的，將水文管理范疇內(nèi)的各個(gè)子系統(tǒng)，包括地理信息系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水文數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)以及動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行匯聚整合，實(shí)施統(tǒng)籌了站網(wǎng)管理，推動(dòng)了“智慧水文”系統(tǒng)建設(shè)，為張家口市防汛指揮調(diào)度、水文情報(bào)預(yù)警、水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)、防洪減災(zāi)、水資源管理、基本水文站無(wú)人化值守提供了解決方案和優(yōu)化措施，也為整個(gè)河流流域構(gòu)建了一套數(shù)字孿生底座。

“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）是智慧水文建設(shè)的重要組成部分，是數(shù)字孿生流域建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，也是檢驗(yàn)數(shù)字孿生流域建設(shè)成果的主要標(biāo)準(zhǔn)。張家口地區(qū)智慧水文建設(shè)將向著“構(gòu)建預(yù)演場(chǎng)景、模擬計(jì)算、制定和優(yōu)化調(diào)度方案以及仿真可視化”等方向持續(xù)推進(jìn)，構(gòu)建具有“四預(yù)”功能的智慧水文體系，并充分應(yīng)用于測(cè)驗(yàn)運(yùn)維、水情分析、水資源計(jì)算等諸多方面，賦能水旱災(zāi)害防御、水資源集約節(jié)約利用、河湖生態(tài)保護(hù)治理，為水文高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力保障。