基于異構數據庫的水利工程信息管理系統構建

梁志開 葉倍穎 曹陽 金能 李甘

摘要：隨著計算機科學與水利行業的融合，大中型水利工程逐漸向數字化、信息化、智慧化轉型，基于異構數據庫的水利工程信息管理系統可對日益增長的海量數據實現共享和透明訪問。以福建省九龍江北溪水閘基于異構數據庫的工程信息管理系統為例，詳細介紹了基于異構數據庫的水利工程信息管理系統架構體系、異構數據庫的結構組成、工程信息管理系統智慧業務應用。提出的基于異構數據庫的水利工程信息管理系統方案具有較好的啟示性。

關鍵詞：水利工程; 信息管理系統; 異構數據庫; 智慧業務應用系統

中圖法分類號：TP315 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.024

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0137 - 06

0 引 言

水利行業正逐漸向數字化、信息化、智慧化轉型，水利工程將面臨日益增長的海量工程數據，而水利工程中涉及的各種行業標準不一，數據之間存在平臺差異、協議差異、語言差異、設備差異、廠家差異、數據結構差異等。目前尚無適用于水利工程管理系統各子系統統一的異構數據格式標準規范，直接導致數據孤島問題加劇，無法實現數據結構的共享與整合，阻礙了水利工程數據信息管理系統的智慧化應用[1]。

目前，智慧工程信息管理系統的建設包括BIM+GIS[3]、數字孿生[4]、物聯網技術[5]、傳感器集群[6]、中間件技術、云計算[7]等多種方式，筆者認為智慧工程中數據是最關鍵的環節，解決了數據孤島、數據共享等技術問題，工程信息管理系統才能實現真正的智慧化。基于異構數據庫的工程信息管理系統采用的異構數據庫集成了多個相關數據庫系統，可以實現數據的共享和透明訪問，實現不同數據庫之間的數據信息資源、硬件設備資源和人力資源的合并和共享，從而有效解決了原有綜合自動化系統存在的數據孤島問題，從而為后續智慧業務應用打下堅實基礎。

福建省九龍江北溪水閘工程基于異構數據庫的工程信息管理系統，是由原有綜合自動化系統升級改造而來，原有的綜合自動化系統包括了水情水質自動測報系統、水閘安全監測系統、閘門監控系統、工業電視及廣播系統、網絡與數據庫平臺、綜合信息管理系統以及三維仿真管理系統等多個子系統[2]，系統復雜，數據量大。本文以福建省九龍江北溪水閘基于異構數據庫的工程信息管理系統為例，詳細介紹了基于異構數據庫的結構組成和水利工程信息管理系統架構體系及智慧業務應用。

1 系統架構體系

九龍江北溪水閘基于異構數據庫的工程信息管理系統在現有的綜合自動化系統基礎上進行升級改造，構建多源異構數據庫，匯集各個子系統數據。各子庫采用統一的數據格式，匯聚數據資源，實現數據的管理、調度、運維，形成數據資源池，并在異構數據庫的基礎上建立智慧業務應用系統，從而創建基于異構數據庫的水利工程信息管理系統。現有綜合自動化系統的升級改造提供了工程信息管理系統所需的軟硬件基礎，水利工程異構數據庫為信息管理系統提供了可共享與透明訪問的數據源，智慧業務應用利用異構數據庫實現了工程信息管理系統的數字化、信息化、智慧化業務應用。

1.1 系統總體架構

基于異構數據庫的水利工程信息管理系統由自動化系統數據層、異構數據庫層、智慧業務應用層組成，其總體架構如圖1所示。

（1） 自動化系統數據層。自動化系統數據層是整個信息系統的基礎平臺。自動化系統數據層各子庫采用統一的數據格式，實現各類數據的采集、獲取。

（2） 異構數據庫層。異構數據庫層在自動化系統數據層和智慧業務應用層之間，利用數據層進行數據相關的訪問調用并提供上層的應用服務給應用層使用。異構數據庫層集成了多個相關數據庫系統，可以實現數據的共享和透明訪問。

（3） 智慧業務應用層。智慧業務應用層集成了綜合信息查詢和顯示、工程運維巡檢、決策綜合信息服務、移動端管理信息化、運行期應急響應、綜合管理辦公、工程防洪調度管理、水資源調配管理、會商決策支持等多個子系統，采用B/S（瀏覽端/服務器）架構體系，系統根據用戶權限來確定需要執行的智慧業務模塊。

1.2 IT架構

基于異構數據庫的水利工程信息管理系統IT網絡架構如圖2所示，包括：① IT基礎架構（交換機、服務器、磁盤陣列、備份存儲、光纜及配線架、中繼等）;② 網絡安全架構（防火墻、安全網關、雙向隔離網閘、數據庫審計系統、安管一體機等）;③ 數據云備份。

2 異構數據庫結構組成

作為數據支持層，異構數據庫是工程管理信息系統平臺的信息源頭和基礎，通過對北溪水資源調配所需的水文水情預報、大壩安全監測、閘門監控、工業電視、水質監測、配電監控等專業自動化系統進行收集、整合與完善[2]，各子庫采用統一的數據格式，構建數據管理、調度、運維系統，形成數據資源池，建設實用、可靠、先進、標準、兼容的工程信息管理系統異構數據庫，為實現智慧業務應用提供了數據基礎。

2.1 異構數據庫系統功能要求

基于異構數據庫的水利工程信息管理系統其異構數據庫系統需滿足以下功能要求。

（1） 數據獲取。異構數據庫從各業務系統定時批量地獲取變動數據。各業務系統應將每天更新的數據，即數據變動，放入自建臨時數據庫中，并開放通訊端口和提供接口，異構數據庫在每日的零點通過接口批量獲取變動數據。

（2） 數據篩選。異構數據庫對從各業務系統獲得的數據進行清洗，獲取的數據可能存在不符合規范的情況，還可能有數據缺失和不一致等問題，異構數據庫需要對相應的問題進行查證、識別、轉換和處理，使之符合數據分析的要求并存儲[8]。

（3） 數據接口。異構數據庫為各業務系統定制接口和開放端口，業務系統應能通過相應接口向異構數據庫主動推送所需實時信息。

（4） 數據配置。異構數據庫提供配置能力，能動態配置所要接入的系統、提供的接口及端口。

（5） 數據分析。異構數據庫對來自不同系統的數據進行整合處理，運用大數據分析技術和機器學習方法，對工程運行進行更加準確的分析，提供綜合性更強的各類統計報表，為決策提供有力支持。

（6） 數據交互。異構數據庫提供給各業務系統的接口，各業務系統提供給異構數據庫的接口都采用Web Service技術，接口的返回值為JSON字符串，使得運行在不同機器上的不同應用無須借助附加的、專門的第三方軟件或硬件，就可相互交換數據或集成。針對Web Service的安全訪問采用WS-Security協議。通信協議目前采用標準的HTTPS協議方式。在通信過程中，為了統一字符集，交易報文采用UTF-8格式傳送[9]。

2.2 異構數據庫系統信息交換流程

異構數據庫系統與各信息子系統信息交換拓撲結構如圖3所示。

各信息子系統向異構數據庫推送實時信息的交換流程包括：① 異構數據庫發起業務請求;② 分發樞紐校驗用戶名和密碼的正確性;③ 分發樞紐校驗通過后，將業務請求轉發給信息系統平臺;④ 信息系統進行用戶有效性的校驗;⑤ 信息系統進行業務處理;⑥ 信息系統將業務處理的消息返回給分發樞紐;⑦ 分發樞紐將消息的處理結果返回給異構數據庫[10]。

2.3 異構數據庫構建流程

異構數據庫的構建流程包括以下方面[11]。

（1） 基礎資料收集。采用面向對象的數據模型，構建非冗余的有序管理基礎數據。將對象劃分為標識和屬性，其中對象標識僅表達本體的存在性和唯一性，屬性則是該本體的相關特征信息，如基本屬性、業務屬性、空間屬性以及標識或屬性均有可能存在的時相特征等。對象與其屬性的數據模型如圖4所示。

（2） 數據收集與預處理。實施整合前對已有各類分散數據進行收集與預處理，是后續具體整合工作的基礎。根據整合需求，對維持數據源物理集中的需要收集各類數據資料的樣表、數據庫模型、設計模型、設計文檔資料等信息;對歸并數據源物理集中的需要收集紙質報告、數據報告、數據電子文件、數據庫備份文件及其表結構標識符等說明文檔，并對其進行初步分類與預處理，檢查數據的時效性、正確性、一致性與完整性，并進行補充完善，以滿足數據庫設計與采集相關要求。

（3） 解耦與對象抽取。對收集與預處理后的數據進行解耦，逐類對象抽取形成整合目標對象，對于多源數據還需形成并集、剔除重復、統一結構、統一編碼等處理，形成統一的對象名錄及新舊編碼對照表，并對對象名稱以及基本信息進行標準化處理，建立對象標識表和基本屬性表。

（4） 業務屬性擴展。根據已建立的標識對象逐類進行。

（5） 空間屬性掛接。對象的空間屬性一般通過點、線、面3類空間要素來表達，對有空間屬性的對象，逐類開展標識與空間要素掛接。已有空間要素數據的對象在掛接時可通過編碼或關鍵字建立關聯進行掛接。

（6） 對象關系掛接。對象與對象間的關系有依賴、相關和空間關系。經梳理，行為客體類對象（項目、事件、政策法規、標準規范、規章制度、公文、統計、規劃成果、計劃成果、設計成果、實施成果、檔案、文獻）與其他對象之間是弱關聯關系。對象間可通過關鍵字等建立相關關系，且關系需要掛接處理，否則對象間就無法建立關聯。多媒體對象與其他所有均可能存在依賴關系或相關關系，在數據建模時已對多媒體對象與其他對象之間的依賴關系建立對象關系表。空間關系則需通過分析算法得到。

（7） 數據入庫。對上述已處理好的數據通過ETL工具進行初始入庫。首先制定遷移策略，再使用腳本將處理后的數據導入至項目面向對象設計中心數據庫。需對部分數據進行人工補錄。

（8） 數據校驗與質量控制。入庫對象業務屬性數據檢驗包括：① 屬性分類合理性及一致性;② 屬性數據完整性及一致性;③ 對象屬性值（包括計量單位、長度等）的正確。

（9） 元數據采編與資源目錄編制。① 元數據采編，按元數據標準采集項并入庫，同時重點檢查核心元數據項;② 資源目錄編制，根據元數抽取或人工編制的方式進行資源目錄。

2.4 異構數據庫組成

根據北溪水閘工程信息管理系統建設的需要，本次系統平臺異構數據庫包括平臺數據庫、基礎數據庫、業務數據庫、監測數據庫、空間數據庫以及非結構化數據庫。通過高效的數據更新機制，整合數據資源，保證數據的完整性和一致性。

（1） 平臺數據庫。包括人員、組織結構、角色、菜單、通知、郵件、日志等信息。

（2） 基礎數據庫。主要管理與水利相關的自然對象、工程及設施，如河流、水系基本信息，閘站、隧洞、測站基本信息等。

（3） 業務數據庫。包含水庫管理綜合服務、水資源配置計劃與綜合調度、工程運行管理等，包括工程設施基本信息、特征信息、水資源配置計劃與調度、閘站控制與調度、日常巡檢、工程運維、精細化管理、千分制考核、綜合辦公業務等。主要通過數據交換平臺從其他業務系統同步。

（4） 監測數據庫。包含水雨情/水質監測信息、安全觀測監測信息、測站設備信息等。如降水量信息、沉降、位移信息、傳感器基本信息等。數據通過數據交換平臺從安全監測自動化系統同步。

（5） 空間數據庫。主要可分為基礎地理空間信息（DEM/DLG）、影像數據信息等，這些數據按照數據的組織形式可以分為屬性數據和空間數據。

（6） 非結構化數據庫。主要包括公文、法規、制度、規范、圖紙、影音、圖片等，通過數據交換平臺從其他業務系統同步。

3 智慧業務應用

現有綜合自動化系統的軟硬件改造升級，提供了智慧業務應用軟硬件基礎，構建異構數據庫消除了信息孤島，為智慧業務應用提供了數據基礎。智慧業務應用系統能全面提高九龍江北溪水資源調配中心的管理技術水平，對實現水資源合理配制和優化調度具有強有力的推動促進作用[12]。

智慧業務應用由綜合信息查詢和顯示系統、工程運維巡檢系統、決策綜合信息服務系統、移動端管理信息化系統、運行期應急響應系統、綜合管理辦公系統、工程防洪調度管理系統、水資源調配管理系統、決策會商支持系統等組成。主要建設內容如下。

（1） 綜合信息查詢和顯示系統。通過對各專業自動化系統數據的集成和成果展示，結合GIS+BIM進行直觀化的綜合信息展示，為用戶提供實時、統一集中的工程監控及管理，實現更快捷、準確的圖形及數據展現，讓用戶可隨時掌握工程運行狀態，并通過對實時采集數據的數據分析、結合數據模型及工程設備運行現狀，展現不同級別的安全預警信息，為用戶決策提供數據支撐。

（2） 工程運維巡檢系統。依據歷年來水閘工程維修養護經驗并結合閘門設備狀態風險評估，為用戶提供更方便、更標準的水閘維修養護流程，定制水閘運行管理維護體系。

（3） 決策綜合信息服務系統。遵循當前主流門戶系統技術規范、W3C的標準和規范、WebGIS等技術，通過應用支撐平臺實現對北溪引水調度、閘站監控、工程防洪、水質監測等信息的查詢、統計和會商決策支持等功能，能根據角色授予權限，訪問不同的資源，并能提供靈活、簡潔、個性化的應用界面，為北溪引水調度與運行管理提供信息支持。

（4） 移動端管理信息化系統。提供基于移動端的多種業務應用，提供快捷、方便移動的巡檢功能，及時地處理工程安全隱患，提高巡檢人員和管理人員工作效率。運用移動設備實時查看水閘運行狀況及風險，方便快捷查閱和處理水閘工程監測及維護出現的問題，同時使管理局各層級員工互聯互通、時刻掌握工程安全狀態。

（5） 運行期應急響應系統。總體功能分為應急信息匯集與評價、應急方案制定、應急方案執行指揮、應急檔案管理、應急回顧與知識更新五大模塊，此外還有綜合功能為各系統服務。

（6） 綜合管理辦公系統。以實現對水利政務信息流的傳輸、存儲、處理、控制為主要內容，對水利政務信息進行跨平臺整合集成，實現方便快捷、高效、準確、智能一體化水利政務管理。

（7） 工程防洪調度管理系統。以平臺為依托，在防汛信息數據庫的基礎上，開發防洪形勢分析、防洪應急響應、防洪組織管理等功能，以現代化的管理理念和工作方式，提高防洪信息綜合處理能力，為安全調水提供信息支持，并為水量調度計劃的編制提供數據資源。

（8） 水資源調配管理系統。以實時雨情、水情、工情等各類實時信息作為輸入，通過啟動計劃模型和方法，對供水量、需水量峰值出現時間等水資源配置要素進行計劃并預報，為水資源調配中心提供決策依據。根據水資源配置計劃和調度規則，制定北溪水閘和左干渠各閘站優化運行調度與控制計劃，以實現水資源充分利用和合理調配。

（9） 決策會商支持系統。通過對綜合信息查詢和顯示系統所提供的相關決策內容和相關信息進行試算分析，以提供會議輔助決策信息，并結合三維GIS+BIM仿真系統對相關內容進行會議展示，為管理者提供及時、準確、科學的決策依據。

4 結 語

本文以福建省九龍江北溪水閘基于異構數據庫的工程信息管理系統為例，詳細闡述了大中型水利工程基于異構數據庫的工程信息管理系統架構體系、異構數據庫的結構組成、工程信息管理系統智慧業務應用等內容，可為其他水利工程基于異構數據庫的工程信息管理系統構建提供參考。

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Development of engineering information management system based on heterogeneous databases in water conservancy projects

LIANG Zhikai，YE Beiying，CAO Yang，JIN Neng，LI Gan

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： With the combination of computer science and water conservancy industries， large and medium-sized water conservancy projects are gradually transforming into digital， informational， and intelligent projects. The water conservancy project information management system based on heterogeneous databases can realize data sharing and transparent access for the increasingly large amounts of data. Taking the information management system based on heterogeneous databases of Beixi Sluice Project on the Jiulong River in Fujian Province as an example， this paper introduces in detail the framework of water conservancy project information management system based on heterogeneous databases， the structure of heterogeneous databases， and the intelligent business application of engineering information management system. The water conservancy project information management system based on heterogeneous database proposed in this paper has good feasibility， advancement and demonstration.

Key words： water conservancy projects; information management system; heterogeneous databases;? intelligent business application system