智慧水利與河湖綜合管理應用研究

（淮安市水利勘測設計研究院有限公司 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，是水利信息化建設的更高層次和嶄新階段。水利是國民經(jīng)濟的重要基礎設施，我國大力支持水利現(xiàn)代化發(fā)展，《全國水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確“將強化水利管理、進一步提升水治理和水管理能力作為重要方向”[1]，并提出“推進節(jié)水型社會建設、完善水利基礎設施網(wǎng)絡、推進水生態(tài)文明建設”。智慧水利運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、“互聯(lián)網(wǎng)+”等先進信息技術，充分開發(fā)利用水利信息資源，實現(xiàn)水利信息采集自動化、業(yè)務管理數(shù)字化、決策分析智能化，推動水利現(xiàn)代化建設邁上新的臺階。

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)河湖行動計劃（2017—2020年）》，提出建設河湖信息共享平臺、建設河湖管理應用系統(tǒng)，提高河湖智能化調度水平。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)來源、以硬件環(huán)境和通信網(wǎng)絡為基礎支撐、以可視化軟件平臺為表現(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“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的新時期治水思路的重要措施。

2 系統(tǒng)架構設計

智慧河湖管理系統(tǒng)平臺架構一共有6個層次，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、應用支撐層、業(yè)務應用層和用戶層。其中，標準規(guī)范體系和信息安全體系為整個系統(tǒng)提供可靠的運行保障[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，以前端傳感器為基礎，將實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過光纖、GPRS、4G、超短波等信息傳輸通道存儲至數(shù)據(jù)中心[3]。主要采集的信息有河湖水位、流量、水質、雨量、工情、視頻等實時監(jiān)測數(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、處理和系統(tǒng)運行的網(wǎng)絡環(huán)境及軟硬件設備。其中，網(wǎng)絡環(huán)境包括互聯(lián)網(wǎng)、水利專網(wǎng)、無線網(wǎng)；保障中心包括數(shù)據(jù)中心、會商中心和控制中心；客戶端包括PC端和移動終端。

2.3 數(shù)據(jù)資源層

圖1 智慧河湖管理系統(tǒng)架構圖

數(shù)據(jù)資源層是整個信息資源共享和開發(fā)利用的基礎。智慧河湖管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源可分為基礎數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)四大類別。其中，基礎數(shù)據(jù)是相對靜態(tài)的、底層支撐數(shù)據(jù)，包括基礎地理信息數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、水利工程屬性數(shù)據(jù)、外業(yè)調查測量數(shù)據(jù)；實時監(jiān)測數(shù)據(jù)是通過前端感知設備采集的實時數(shù)據(jù)，包括實時雨情、水情、水質、視頻監(jiān)控、工程運行狀態(tài)數(shù)據(jù)等；系統(tǒng)數(shù)據(jù)指系統(tǒng)平臺在運行過程中產生的數(shù)據(jù)，包括應用管理數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)等；業(yè)務數(shù)據(jù)指水利部門日常業(yè)務產生的數(shù)據(jù)，如臺賬數(shù)據(jù)、檔案、預案、巡查記錄、文件報表等。

2.4 應用支撐層

應用支撐層是應用架構的載體，用戶根據(jù)實際的應用需求以及業(yè)務發(fā)展的規(guī)劃，在依托應用支撐層上實現(xiàn)各種具體的應用功能。應用支撐層擔負支撐應用的核心作用，為智慧河湖系統(tǒng)的建設提供信息及資源支撐服務、統(tǒng)一的系統(tǒng)開發(fā)和運行環(huán)境、全系統(tǒng)共享的信息資源。

2.5 業(yè)務應用層

業(yè)務應用層是整個系統(tǒng)平臺的展示層。智慧河湖管理系統(tǒng)主要包括如下子系統(tǒng)：

2.5.1 水資源信息服務子系統(tǒng)

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

2.5.2 水資源業(yè)務管理子系統(tǒng)

針對水資源管理的各項業(yè)務需求，提供水資源費征收、取水許可管理、水政監(jiān)察、水資源建設項目論證管理等業(yè)務提供在線流程化處理。

2.5.3 水資源應急管理子系統(tǒng)

以水文—水動力—水質耦合模型為支撐，與實時雨水情、水質數(shù)據(jù)庫連接，獲取對應的邊界條件，實時在線滾動計算，實現(xiàn)在各種突發(fā)狀況下集水資源預報預警、統(tǒng)計分析、調度決策為一體的應急管理。

2.5.4 防汛監(jiān)測預警子系統(tǒng)

提供氣象、雨水情、工情等信息在線展示與查詢服務，輔以圖表進行統(tǒng)計分析。根據(jù)預報方案進行流域拓撲文件、預報模型、參數(shù)的加載配置，實現(xiàn)區(qū)域汛情及時預報預警。

2.5.5 水利工程遠程測控子系統(tǒng)

針對區(qū)域范圍內的水利工程，采集各工程設備的工作狀態(tài)參數(shù)，在線展示閘門開度、泵站流量等運行監(jiān)測信息并及時發(fā)布預警。系統(tǒng)提供在線調節(jié)工程運行狀態(tài)功能，遠程控制設備的啟動、停機等操作，實現(xiàn)工程的自動化監(jiān)測和集群控制。

2.5.6 智慧河湖移動平臺

智慧河湖移動平臺基于移動終端，以PC 端平臺功能為依托，采用無線通訊技術、Android、iOS移動操作系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)中心與PC 端平臺進行互聯(lián)互通，實現(xiàn)河湖管理業(yè)務移動化定制，使用戶隨時進行隨身化的業(yè)務管理和溝通。

2.6 用戶層

通過嚴格的權限控制進行數(shù)據(jù)存取，面向省、市、縣各級水行政主管部門以及社會公眾、其他有關部門機構有針對性地授權使用河湖水利信息服務。

3 關鍵技術應用

3.1 物聯(lián)感知體系構建

物聯(lián)感知體系是智慧河湖系統(tǒng)建設的基礎，將與河湖管理相關的傳感器與監(jiān)測網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)連接起來，對系統(tǒng)所需的雨水情、工情、水質等信息進行實時監(jiān)測、采集分析[4]，實現(xiàn)水利信息的網(wǎng)絡化在線監(jiān)測和管理。

3.2 WebGIS平臺——“一張圖”構建

WebGIS平臺作為智慧河湖系統(tǒng)的應用支撐平臺，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、測站等水利工程屬性信息，基于電子地圖實現(xiàn)專題要素導覽。整合前端采集的各類實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，支撐實測數(shù)據(jù)的獲取和表達等任務，形成區(qū)域河湖“一張圖”，基于“一張圖”模式進行綜合數(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)務系統(tǒng)的建設提供一體化的展示支撐平臺。

3.3 數(shù)據(jù)資源服務體系構建

圖2 數(shù)據(jù)資源服務體系架構圖

數(shù)據(jù)資源是智慧河湖系統(tǒng)建設的核心，針對傳統(tǒng)水利數(shù)據(jù)服務模式的不足，避免“信息孤島”和“同源不同值”問題，以面向服務的體系架構（SOA）為理念，構建數(shù)據(jù)資源服務體系，提供全系統(tǒng)平臺信息資源的整合與分析，擔負著對下管理匯集數(shù)據(jù)、對上支撐應用的核心作用[5]。

3.3.1 系統(tǒng)資源服務層

系統(tǒng)資源服務層針對水利基礎數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)，整合系統(tǒng)硬件、通信、存儲資源，按照統(tǒng)一的標準規(guī)范為上層應用提供數(shù)據(jù)訪問接口、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)字典等服務，為使用者提供數(shù)據(jù)資源分類和定位服務，為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的資源共享和開發(fā)利用基礎。

3.3.2 公共基礎服務層

公共基礎服務層的功能在于將數(shù)據(jù)資源服務體系所有功能都以構件形式提供服務，使這些功能都有一個比較統(tǒng)一的調用接口，便于用戶使用。有了良好的服務管理功能，可以有效減少軟件的重復開發(fā)，降低系統(tǒng)的維護成本，提高系統(tǒng)的升級能力以及對需求改變的適應能力。

3.3.3 專題應用服務層

基于各類專題應用需求，通過相關業(yè)務進行專業(yè)化、規(guī)范化處理，全面構建水利專題信息服務，主要包括GIS 服務、雨水情信息服務、水質信息服務、告警服務、報表服務等。

3.3.4 資源服務管理和平臺監(jiān)控管理

提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務管理平臺，開放各類數(shù)據(jù)服務的接口，提供服務調用、裝配、定制、監(jiān)控、定位等工具，并在基礎數(shù)據(jù)服務基礎上提供具有服務接口，能夠使用戶靈活地依據(jù)河湖管理需求編排服務，對各業(yè)務功能在數(shù)據(jù)傳輸、處理、任務執(zhí)行情況進行監(jiān)視和查看。

4 實施建議

智慧河湖建設是一項涉及面廣的系統(tǒng)工程，需要在建設過程中加強管控，落實各項保障措施。未來在智慧河湖系統(tǒng)建設的過程中，建議通過加快水利信息化標準體系構建、注重水利信息化運行維護、加強水利信息化安全管理、健全資金及政策保障，穩(wěn)步推進智慧河湖建設工作。

4.1 加快水利信息化標準體系構建

根據(jù)水利部、地方相關規(guī)范，全面構建與水利信息化建設發(fā)展相適應的信息化標準體系，規(guī)范水利信息化建設過程中的資金、進度、質量管理，保障水利信息建設的開放性和可擴展性[6]，促進水利信息化的可持續(xù)發(fā)展。

4.2 注重水利信息化運行維護

水利信息化建設要建管并重、注重運維，確立政府指導、第三方運維、及時響應、優(yōu)質服務的常態(tài)化運營維護機制，發(fā)揮智慧河湖系統(tǒng)最大效益。

4.3 加強水利信息化安全管理

隨著水利系統(tǒng)信息化建設的深入發(fā)展，網(wǎng)絡與信息安全問題日趨重要。根據(jù)《信息系統(tǒng)安全等級保護基本要求》，從系統(tǒng)安全、硬件安全、數(shù)據(jù)安全、應用安全、管理安全等方面加強水利信息化安全管理，確保智慧河湖系統(tǒng)建設的健康持續(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)建設的穩(wěn)步推進，實現(xiàn)預期目標，需要根據(jù)區(qū)域水利發(fā)展需求，研究、制定、出臺相關政策，并積極推行落實。同時，應保障專項資金投入，發(fā)揮地方財政的積極性，確保水利信息化健康有序發(fā)展。

5 結語

智慧水利是水利信息化建設的高級階段，智慧河湖管理系統(tǒng)設計從水利信息化發(fā)展全局視角出發(fā)，遵循面向數(shù)據(jù)價值，圍繞系統(tǒng)應用的建設思路。借助物聯(lián)網(wǎng)、統(tǒng)一GIS平臺、大數(shù)據(jù)等先進信息技術，整體協(xié)調推進各業(yè)務應用系統(tǒng)建設，實現(xiàn)河湖監(jiān)管工作信息全面感知、資源高效共享、業(yè)務廣泛融合、決策科學智能，轉型水利發(fā)展，實現(xiàn)河湖監(jiān)管的動態(tài)化、精細化和智慧化，推動水利信息化建設邁向新的臺階■