智慧水庫建設研究

李祥銀，位海洪，焦遠亭，王 濤

（滕州市水庫管理服務中心，山東 棗莊 277533）

水庫是國民經濟的基礎產業和基礎設施，長期以來，在防洪、灌溉、供水、養殖、發電和生態環境等方面發揮了重要作用[1]。黨的二十大以后，加快推動新階段水庫高質量發展，不斷滿足人民群眾日益增長的水安全、水資源、水生態、水環境和水文化需要，為全面建設社會主義現代化國家、全面推進中華民族偉大復興提供有力的水安全保障[2]。世界科技發展新形勢表明，加強數字孿生、云計算、大數據、物聯網、人工智能等新一代信息技術與水庫管理的深度融合，是構建智慧水庫體系、賦能推動新階段水庫高質量發展的先進引領力和強勁驅動力[3，4]。

1 馬河水庫概況

馬河水庫位于山東省滕州市北部，地處淮河流域南四湖水系北沙河上游，1959 年11 月動工興建，1960 年5 月建成，控制流域面積240 km2，總庫容1.38 億m3，興利庫容0.7 億m3。水庫樞紐工程包括大壩、溢洪道（閘）、放水洞等。

馬河水庫大壩長3 607 m，最大壩高23.3 m；溢洪道長1 200 m，設3 孔10 m×6.5 m 溢洪閘，最大泄量1 315 m3/s。水庫于2004年底完成除險加固，防洪標準按100 a一遇設計、5 000 a一遇校核。馬河水庫是一座具有防洪、灌溉、供水、養殖、生態環境等綜合效益的大型水庫，對滕州市經濟社會發展起著舉足輕重的作用。

2 信息化建設現狀和存在的問題

馬河水庫建有雨水情監測系統、滲流監測系統、位移監測系統、水質監測系統和視頻監控系統等簡單感知系統，但信息化建設整體水平較低，主要存在以下問題。

（1）缺乏統一規劃。馬河水庫信息化建設因缺乏統一規劃，其建設內容不夠全面、新技術應用程度不高、應用系統功能模塊不完整，僅能滿足水庫基本管理需要，信息化建設整體水平較低。

（2）缺少統一綜合管理平臺。馬河水庫信息化應用系統各自獨立運行、互不兼容。各系統的信息不能實現統一管理和應用，形成“信息孤島”。系統外包括水文、氣象等信息也沒能并入接口實現共享。因各系統獨立應用，故造成運行成本高、使用效率低。馬河水庫管理急需建設一個能夠整合現有應用系統和行業信息資源，實現信息共享和業務協同的統一綜合管理平臺。

（3）基礎信息感知水平低。馬河水庫現有系統監測點布設少且以單點信息采集為主，智能傳感設備、AI圖像識別、無人機、無人船等新技術應用少，不滿足實際管理需要。因基礎感知設施覆蓋范圍不廣、感知內容要素不全，故造成基礎信息感知水平低，最終導致信息在發揮效用和實現業務協同等方面存在不足。

（4）技術標準的統一與協調問題。馬河水庫業務系統較多，因數據多源異構、結構復雜，存在坐標系統統一和數據格式規范化、標準化等問題；因不同設備其接口不同，存在數據交互性問題；因網絡層、應用層其類型、行業應用方向不同，存在不同的架構體系和網絡協議問題。對此，在智慧水庫系統建設中，應首先建立統一的網絡架構和技術標準體系，以便綜合管理平臺數據的對接和系統的研發升級。

3 智慧水庫建設架構和主要任務

以運行管理為導向，充分利用新一代數字孿生、AI 圖像識別以及云計算、大數據、物聯網、移動應用等先進技術，搭建“一張圖、一張網、一中心、一平臺”的智慧水庫全過程管控平臺。

3.1 總體架構

根據山東省水利工程標準化管理關于工程狀況、安全管理、運行管護、管理保障、信息化建設5個方面的工作要求，結合馬河水庫管理實際，以運行管理業務和工作管理業務為核心，構建包括運行管理系統、感知體系、數據資源庫和移動終端4個部分的馬河水庫運行管理數字平臺架構體系，如圖1所示。

圖1 馬河水庫運行管理數字平臺架構

3.2 運行管理系統建設

馬河水庫圍繞安全管理、管理保障、運行管理、檔案管理、監測分析、管理自評等業務工作設置運行管理系統功能模塊，實現水利工程靜態數據、動態數據、實時數據的隨時查用，確保工程狀態可查可控。馬河水庫運行管理系統架構，如圖2所示。

圖2 馬河水庫運行管理系統架構

3.3 感知體系建設

感知體系是系統的信息源。根據馬河水庫感知體系建設現狀，按照實時監測需求，需要補充、完善和增加水位、雨量、蒸發、流量、滲壓、變形、水質、閘門工情、視頻監控等設備設施。馬河水庫感知體系架構，如圖3所示。

圖3 馬河水庫感知體系架構

3.4 數據資源庫建設

數據資源的標準化、規范化是實現數據集成和共享的前提，是信息資源最大限度利用的保障。數據資源庫包括靜態數據、動態數據和實時監測信息3 種類型的數據資源：靜態數據包括工程基本信息、管理單位信息、水庫大壩安全責任人、職工培訓情況、管護經費、工程劃界、管理手冊、工程面貌、工程檢查、工程監測、觀測資料整編分析、年度調度運用計劃、年度發生險情、應急管理、閘門試運行、調度運行、大壩注冊登記、大壩安全鑒定、維修養護、除險加固等；動態數據包括工程檢查、工程監測、大壩巡查、工程問題及處理、水庫放水預警、調度運行、維修養護等；實時監測信息通過感知體系進行自動采集。在數據資源庫建設過程中，優先利用已有感知體系資源，在合理布局并滿足工程運行管理需要的基礎上按照相關規范及技術標準進行完善建設。數據資源庫可根據自身工作需要合理增減數據項。靜態數據通常每年更新1 次（必要時及時更新），動態數據根據實際情況按月、周、日進行更新，實時監測信息通常進行實時更新。馬河水庫數據資源庫架構，如圖4所示。

圖4 馬河水庫數據資源庫架構

3.5 移動終端建設

移動終端（手機App）是馬河水庫現場巡查和故障排查的主要手段，內置基礎信息查詢、實時監測預警、工程巡查管理、調度運行管理、工程安全隱患管理、維修養護管理和日志管理7 個功能模塊。馬河水庫移動終端架構，如圖5所示。

圖5 馬河水庫移動終端架構

3.5.1 基礎信息查詢

基礎信息查詢模塊主要為馬河水庫提供水利工程基礎信息查詢服務，為水利工程巡查及隱患排查提供基礎信息支撐。

3.5.2 實時監測預警

實時監測預警模塊主要包括水位監測、雨量監測、流量監測、水質監測、位移監測等。當需要水位、雨量、流量、水質、位移等實時信息時，可直接調取該模塊查看。當實時監測信息超過既定預警數值或巡查發現異常時，可通過AI圖像識別并結合大數據系統進行分析，系統將以彈出提示框、發信息、發報警音或報警截圖等方式向相關負責人員發送預警提示，相關負責人員無論身處何地，均可在第一時間收到預警信息。

3.5.3 工程巡查管理

工程巡查管理模塊具有巡查信息匯總、巡查記錄管理、巡查任務管理、巡查人員管理等功能，方便水庫監管人員對工程巡查工作進行監管。

（1）巡查信息匯總。對巡查信息進行綜合展示；亦可自定義查詢條件，按巡查部位、巡查時間對巡查及隱患排查情況進行深入了解。

（2）巡查記錄管理。包括巡查列表展示、巡查詳情查詢、巡查軌跡查詢、巡查工作提醒等。

（3）巡查任務管理。對水庫運管單位制定的管轄范圍內水利工程巡查任務，可通過平臺下發至相關責任人。

（4）巡查人員管理。進行巡查人員上報、巡查人員查詢。

3.5.4 調度運行管理

調度運行管理模塊具有調度信息接收、運行管理過程記錄等功能，實現調度任務接收、執行、反饋的“閉環”管理，提高調度運行管理水平。

（1）調度信息接收。運行管理人員可以在移動終端查看需要執行的運行管理任務。

（2）運行管理過程記錄。運行管理人員可通過移動終端對水利工程運行過程如閘門啟閉前、中、后的運行狀況以文字、圖、表等形式記錄下來并實時上報。移動終端支持拍照、錄音、錄像及音視頻上傳。

3.5.5 工程隱患管理

工程隱患管理模塊具有工程安全隱患上報、安全隱患跟蹤、安全隱患處置、安全隱患核銷等功能，實現工程安全隱患發現、跟蹤、處置、結束的“閉環”管理，提高工程安全隱患的處理效率，保障水利工程的安全運行。

（1）安全隱患上報。巡查人員對巡查及隱患排查發現的安全隱患，可上報到馬河水庫運行管理數字平臺，平臺將自動以短信、系統彈窗等方式下發至馬河水庫移動終端通知相關安全負責人進行安全隱患問題復核。

（2）安全隱患跟蹤。當發現水利工程安全隱患后，運管單位需組織專人對出險部位進行連續觀測，并將相關信息反饋到系統平臺，實時跟蹤工程安全隱患的狀態。

（3）安全隱患處置。運管單位可以通過系統查詢工程維修養護單位并通知工程維修養護單位對工程安全隱患進行處置。工程安全隱患的處理方式、處理人員信息等內容可錄入系統。

（4）安全隱患核銷。工程安全隱患處理完成后，運管單位需對工程的安全狀態進行檢查，并通過系統平臺向上級主管部門申請工程安全隱患核銷。上級主管部門可通過系統平臺查詢查看工程安全隱患處理結果，結束工程安全隱患狀態，實現工程重新恢復健康狀態。

3.5.6 維修養護管理

維修養護管理模塊具有水利工程維修養護項目跟蹤、維修養護過程記錄等功能，實現工程維修養護項目跟蹤、記錄、結束的“閉環”管理，提升工程維修養護管理的規范化、現代化水平。

（1）維修養護項目跟蹤。當水利工程維修養護項目生成后，相關管理單位需組織專人進行現場維修養護，并將相關信息反饋到系統，實時跟蹤維修養護項目的進展。

（2）維修養護過程記錄。水利工程維修養護過程可以以文字、圖、表等形式記錄在系統中。

3.5.7 日志管理

日志管理模塊主要功能是可對水庫運行管理的日志進行查詢，即在移動終端上可查詢有關日志信息。

3.6 技術標準的統一與協調

3.6.1 數據格式

數據格式采用常用標準格式。物理文件采用PDF、JPG 等不可編輯格式，數據傳輸采用JSON、XML 等格式。平臺通信采用成熟、開放、通用的標準協議與接口。數據交換依托標準化的數據接口，遵循“一數一源”原則，建立統一的安全認證、授權管理和身份認證體系，確保數據的一致性、安全性，實現數據統一交換和共享。

3.6.2 軟件平臺

馬河水庫運行管理數字平臺采用B/S（瀏覽器/服務器）架構，通過對軟件重新配置、升級，可滿足水利工程運行管理長期發展需求。

3.6.3 網絡安全

根據《信息安全技術網絡安全等級保護基本要求》（GB/T 22239-2019）[5]對系統進行定級，建立防入侵、防病毒、加密、安全認證和訪問控制于一體的安全防控體系。

3.6.4 數據集成和系統集成

在馬河水庫運行管理數字平臺建設過程中，按照山東省數據匯集格式要求，充分利用已建系統資源，實現了數據和系統的有效集成，避免了重復投資造成的浪費。

3.6.5 運行環境

本地機房運行環境符合國家現行標準，并在今后較長時期（3～5 a）內技術先進、指標參數不落后、設施設備不淘汰，因此在現有機房運行環境下進行系統部署。

3.6.6 平臺界面

平臺界面風格友好、直觀、相對統一，人機對話提示說明準確、清晰、簡潔，空間、文字、圖形之間整體均衡、美感。

4 智慧水庫建設成效

4.1 滿足馬河水庫標準化管理實際需要

智慧水庫建設是依據山東省水利工程標準化管理關于工程狀況、安全管理、運行管護、管理保障、信息化建設5 個方面的工作要求，結合馬河水庫實際構建的水庫運行管理數字平臺架構體系，建設成果滿足馬河水庫標準化管理實際需要。

4.2 提升馬河水庫管理水平

智慧水庫建設在水文監測、滲流監測、變形監測、水質監測、視頻監控、洪水預報預警和資料整編等方面提高了工作效率、降低了管理成本、細化了管理流程；依托先進的數字信息技術，實現了水利工程數據隨查隨用、工程狀態可查可控、管理行為動態監管，提升了馬河水庫專業化、精細化和標準化管理水平，確保了水庫運行安全并充分發揮效益。

4.3 實現馬河水庫內外資源整合與共享

全面整合馬河水庫原有系統資源至水庫運行管理數字平臺，豐富水利工程各類要素，實現水利工程內部信息資源的整合和共享。充分利用水文、氣象等部門現有的可利用數據資源和已有的軟硬件資源環境，實現了水利工程外部信息資源的整合與共享。移動終端（手機App）的建設，大幅提升了水庫業務協同化、智慧化管理和服務水平。

5 結語

智慧水庫建設，無論是從水庫標準化管理需要方面還是從長遠經濟社會發展要求方面，都是一項具有顯著經濟效益和社會效益的戰略舉措。馬河水庫作為山東省智慧水庫建設試點之一，以云計算、大數據、物聯網以及移動應用等先進技術為基礎，突破原有系統局限，創新水庫管理決策新模式，實現了水庫管理從信息化到數字化、智能化的完美轉變，為全省智慧水庫建設打造出了可復制可推廣的標準化效果，同時將有力促進全省水利工程標準化管理水平的進一步提升。