航天技術在流域水環境管理方面的應用
——重慶跳蹬河智慧水務管理系統解決方案

◎ 航天科工智慧產業發展有限公司 石曉飛 白 蛟 肖 楠 張彩娜

信息作為人類社會環境的一個重要方面，在社會中的地位和作用日益顯著，而在環境監測領域，把握及正確的使用有效信息對水污染的防治和水環境的管理有著深刻的影響。

航天科工智慧產業發展有限公司（以下簡稱“航天智慧公司”）發揮航天系統工程優勢，開展了智慧水務管理系統解決方案研究工作。航天智慧公司獨立開發的智慧水務管理系統通過物聯網、云計算、大數據、移動互聯網等新一代信息技術，推動了流域水環境的信息化管理工作。該系統基于物聯網設備采集的河流斷面水質環境實時監測數據，開展指標關聯分析、指標預測預警等工作，可以較好地反映流域水環境各指標的空間變化特征和影響因素，并與河長制管理要求相結合，實現了信息化與人員管理的有機統一，為管理者和決策者提供多角度、多層次的數據處理和決策信息。

跳蹬河發源于重慶市沙坪壩區歌樂山獅子巖，流經覃家崗鎮進入九龍坡區華巖鎮，在大渡口區跳磴鎮小南海注入長江，在九龍坡區境內流域面積44.48km2，流域長度約14.15km，其中華巖鎮境內9km，中梁山街道境內5.15km。根據水質檢測，目前為輕度黑臭等級。跳磴河作為重慶市重點黑臭河流之一，由中央環保督察組掛牌重點督辦，要求在2019年年底基本消除黑臭，到2020年實現河流長治久清。

跳蹬河智慧水務管理系統項目建設區域左起重慶西站，右到大渡口區，全長約14.15km。建立重慶市九龍坡區跳蹬河流域智慧水務應用平臺，能夠實現對系統中所有分析儀器設備的運行狀態及數據進行通信接收、存儲、監控、預警等全過程的信息化管理。

航天智慧公司環保事業部集成研發的斷面水環境監測儀，可實時采集水體溫度、濁度、pH值、電導率、溶解氧等8項水質指標參數，用于反映河流的水質和生態狀況。根據跳蹬河水務管理要求，在14km流域中建立22個水質斷面監測站，及時掌握各個斷面的水質變化情況，并借助流量監測站、閘門、護岸等重點區域配備的視頻監控設備，實現了全天候的監控，可隨時隨地查看現場實景狀況。

感知篇

“環境監測是環境管理的頂梁柱”“環境監測數據是環境監測工作的生命線”，重慶市九龍坡區跳蹬河的水質管理亦是如此，也需要準確、客觀、真實的水質監測數據反映該流域水環境質的量狀況和成效，以期更好地服務于水環境管理。航天智慧公司從多樣化、整體化和常態化等3個層面完成了重慶市九龍坡區跳蹬河水質監測和視頻監控等物聯網感知體系建設工作。

▲水質監測

水環境物聯網感知體系的多樣化

圍繞跳蹬河智慧水務管理訴求，航天智慧公司建設了水質在線監測、流量監測、視頻監控三大物聯網體系，從不同角度實現了流域水環境的監管。

首先，水質自動監測系統通過取水裝置、預處理裝置、數據采集與控制系統、在線監測分析儀實現了對溫度、濁度、pH值、電導率、溶解氧等8項水質指標參數的實時監測，充分保障了監測斷面水質現狀的客觀性和實時性；其次，流量傳感器可測量河道的流速流量，從而掌握河流的變化規律，實現對河水資源的合理利用；最后，通過視頻監控系統可以實現對跳蹬河水質流量監測站、閘門、護岸等重點區域的全天侯監控，使監察工作人員、水質管理者可以隨時隨地通過系統查看現場視頻，有效提升環保工作水平，為后續事件處置提供安全保障和視頻資料依據。

流域水環境監測和監管的整體化

根據排污口、各支流入口、行政斷面分界點等主要位置分布狀況，設置河流斷面監測站，全部用于實時監控水質信息及其動態變化特征，以便追蹤溯源、厘清污染責任；結合跳蹬河兩岸居民區較多的實際狀況，在岸邊窨井設置10處液位監測并進行預警，達到事故提前預判、提早發現的目的，避免管網管道堵塞、淤積及滲漏等情況發生，并第一時間通知到相關人員及時處理，避免污水溢出入河，造成河流污染。

在跳蹬河全流域的河岸兩側共設置32個視頻監測點位，實時監控全流域岸帶修復狀況及輔助篩查污染排放行為，防止垃圾滲濾液直排入河，同時視頻監控仍可實時監控岸帶水體垃圾堆放、水體漂浮物清理、違規建設等違法違規行為，達到遠程監管的目的；對攔河壩液位進行實時動態監控，支持遠程調控河壩升降，大幅度提升了工作效率，保障了極端天氣下人員的人身安全，從而實現了流域水環境監測和監管的整體化。

時域水環境監測和監管的常態化

借助物聯網、云計算、大數據、移動互聯網等新一代信息技術，及時將獲取的信息展現在應用管理平臺上，如監測點位監測因子、監測值信息、視頻監測數據、監測點位位置信息、監測設備信息、運行狀態信息、流域水質分析圖、流域污染指標統計、監測參數歷史變化分析、監測站點曲線圖等，有助于工作人員進行各項監測因子的統計分析、區域性分析及報告制作，從而加強了流域水環境監測和監管的常態化。

通過構筑重慶市九龍坡區跳蹬河水質監測控物聯網感知體系，實現了流域水環境管理的多樣化、整體化和常態化，進一步豐富了環境監測的內涵，奠定了流域水環境檢測的感知基礎。

技術篇

技術架構是智慧水務管理系統的技術核心，對整個系統起到極為重要的支撐作用。在技術體系層面，跳蹬河智慧水務管理系統采用了多元框架集合，將Edgware.SR4版本的Spring Cloud框架與Druid、Mybitis、Redis等技術框架進行結合。通過Spring Boot實現為云應用開發工具提供微服務，實現JVM在云應用開發中的配置管理、服務發現、斷路器、智能路由、微代理、控制總線、全局鎖、決策競選、分布式會話和集群狀態管理等工作，并巧妙簡化了分布式系統基礎設施的開發。

此外，Spring Cloud的微服務架構實現了服務與服務之間的解耦，將服務之間的直接依賴轉化為服務對服務中心的依賴，利用核心組件Eureka解決服務宕機導致的調用服務的雪球效應，實現了注冊中心、負載均衡、故障轉移等多重功能，并依據Spring Cloud Config實現了分布式系統的配置管理要求，避免了配置文件碎片化等。此外，依托該多元框架集合，發揮數據中心資源的規劃和整合功效，制定不同的專題數據庫，并充分發揮數據交換和共享作用，從而形成強大的數據資源中心。總體而言，借助多元架構實現了Spring Cloud各個組件的相互配合，從而保障了完整的微服務架構，為后期應用系統的實現奠定了良好的技術體系。

多元框架集合體系

Spring Cloud是一個基于Spring Boot實現的云應用開發工具，基于JVM在云應用開發中的配置管理、服務發現、斷路器、智能路由、微代理、控制總線、全局鎖、決策競選、分布式會話和集群狀態管理等實現了微服務，并簡化了分布式系統基礎設施的開發。同時，Spring Cloud解決了服務與服務之間的解耦，將服務之間的直接依賴轉化為服務對服務中心的依賴。Eureka作為Netflix開源的一款提供服務注冊和發現的產品，提供了完整的Service Registry和Service Discovery實現，它也是Spring Cloud體系中最重要、最核心的組件之一，避免了服務之間的直接調用，方便后續的水平擴展、故障轉移等。面對眾多配置文件，如果需要修改某個公共服務的配置信息，如緩存、數據庫等，難免會產生混亂，引入Spring Cloud Config，對解決分布式系統的配置管理方案碎片化等問題，也起到了積極的作用。

龐大的數據資源中心

建立涵蓋基礎信息數據、水情數據資源、預警信息數據資源的規劃體系，能夠實現對數據資源的信息編目、分類、注冊、審核、發布、查詢、更新維護和統計分析等工作的管理，具備了基礎數據集水質監測信息、流量監測信息、視頻監控數據和涉水相關部門等信息共享的功能。在數據庫建立過程中，將與跳蹬河有關的水利部門的所有需要電子化紙質數據和已有電子化數據統一整合，形成了綜合數據庫，實現對各類型數據的實時采集，以及業務相關數據和專題數據的有機融合。綜合數據庫還為上層的各類應用提供服務，同時，還是數據交換與數據共享的中心。根據數據情況和業務需求，將綜合數據庫劃分為檔案數據庫、地理信息數據庫及業務數據庫等3部分。

基于多元框架集合體系和龐大的數據資源中心，形成了堅實技術基礎，為后期各應用系統的開發鋪平了道路。同時，也為綜合自然環境信息化系統工作研究明確了思路。

▲智慧水務管理系統技術架構體系

應用篇

無論是高精尖的物聯網感知體系，還是功能強大的技術架構體系，都是為了更好地服務于決策者進行管理。只有借助應用管理系統，充分運用物聯網感知體系獲取的數據，并發揮技術架構體系的基礎支撐作用，才能發揮該系統“運籌于帷幄之中，決勝于千里之外”的作用。

圍繞跳蹬河智慧水務管理系統解決方案，航天智慧公司開發的應用系統主要包括綜合信息一張圖系統、水務監測一張網系統、河長制智慧監管系統和移動端應用管理系統。

▲跳蹬河監測信息綜合一張圖

綜合信息一張圖

綜合信息一張圖管理系統主要通過GIS一張圖的模式展示，采用圖層控制手段，將跳蹬河流域內各站點和各監測點的水質、流量、視頻監控等實時信息進行綜合展示，同時也可以查看預警信息。管理人員無需在各個業務模塊中進行切換，即可獲取各種業務的綜合信息，該系統打通了多部門的信息共享，將多部門基礎數據進行融合。結合大屏的顯示效果，綜合信息集中匯總，最終實現了跳蹬河綜合信息“一張圖”管理。

水務監測一張網系統

水務監測一張網系統包括實時監測、統計分析、預警管理、數據管理、系統管理等功能。

基于GIS平臺實現對跳蹬河所有監測點位的斷面監測，同時在地圖上展示所有監測點位的分布情況及實時運行狀態，通過具體的點位分布可查詢對應的監測點位的監測情況，查看監測點位監測因子、監測值信息、視頻監測數據、監測點位位置信息、監測設備信息、運行狀態信息、河流編碼、網格長信息、河段各負責人、河段起點、終點、流域長度及各污染物的情況。

利用在線監測的數據，對數據進行統計，根據統計的結果，形成一個時間段的統計分析圖，并以柱狀圖、曲線圖等形式展示監測數據的統計對比信息，包括流域水質分析圖、流域污染指標統計、監測參數歷史變化分析、監測站點曲線圖、報警統計、歷史同比/環比分析應用，有助于幫助工作人員進行各項監測因子統計分析、區域性分析及報告制作等工作。

該系統提供數據超標預警、監測設備斷線預警、監測值異常預警的標準設置，以及異常報警功能，能夠全方位保障數據的連續性、準確性，以及超標預警的及時性。當出現異常情況時，系統將以短信形式第一時間通知相關責任人。

河長制智慧監管系統

河長制智慧監管系統實現對跳蹬河河長制的輔助管理，針對河涌基本信息、河長制信息、巡河管理、事件處理、抽查督導、考核評估等進行管理及展現，方便工作人員了解相關信息。

河長制智慧監管系統是根據河湖管理保護需要，按照以塊為主、屬地管理、分級負責的原則，實施區、街道、鄉三級河道網格化管理思想，逐級逐段落實河長，明確各級各段河長職責，夯實河湖管理保護的屬地責任，做到守土有責、守土負責、守土盡責。

移動應用管理系統

隨著移動設備應用的不斷拓展，移動辦公已經成為提高辦公效率、解決管理瓶頸的有效技術手段之一，利用“ 互聯網+”技術，可以在任何時間、任何地點實現信息互聯互通。航天智慧公司開發了跳蹬河水務APP及跳蹬河微信公眾號，為用戶提供移動環境下的信息查詢和信息管理服務。同時，市民可通過移動端查詢周邊水質狀況，及時舉報污染問題，滿足公眾對環境的知情權，提升公眾對環境保護的參與力度。

綜上所述，通過有效利用綜合信息一張圖系統、水務監測一張網系統、河長制智慧監管系統和移動端應用管理系統等外在的應用管理系統，最終將跳蹬河的水務管理工作落到實處，在最大程度上達到監督和管理流域水質環境的目的。

▲預警管理

▲河長制智慧監管系統

感悟篇

智慧水務管理系統通過引入物聯網等新一代信息技術，建立了環境信息化的綜合集成研討體系。通過建立水質監測小型站，結合水質監測站，實現了定性與定量相結合；通過水質監測站和視頻監控進行管理，實現了監測與監督相結合；通過研發綜合信息一張圖系統、水務監測一張網系統、河長制智慧監管系統和移動端應用管理系統，實現了流域水環境管理信息化、高效化、業務化與便利化的統一。

智慧水務管理系統在實時掌握流域水質環境信息的基礎上，引入視頻監控、河長制管理模式及移動端應用管理系統，實現了測、管、人相結合，并在常態化和制度化的牽引下，進一步加快了治水治污攻堅戰的步伐。