張玉炳，楊明化，何向陽，楊 林

（國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430010）

面向水庫及水庫群的實(shí)時(shí)監(jiān)控、集中管理和優(yōu)化調(diào)度一直是水庫管理部門的工作重點(diǎn)，但是水庫及水庫群自身具備分布廣、信息雜、業(yè)務(wù)多等特點(diǎn)，加之普遍存在基礎(chǔ)設(shè)施缺乏、管理手段落后、運(yùn)維資金有限、技術(shù)人員稀缺等現(xiàn)實(shí)問題，使監(jiān)管變得異常困難。另外，由于水庫群相互關(guān)聯(lián)復(fù)雜，影響力巨大，對其監(jiān)管不能有絲毫懈怠，實(shí)時(shí)掌握水庫群的運(yùn)行狀況，及時(shí)高效地進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)，科學(xué)合理地實(shí)施水庫群調(diào)度成為管理部門亟待解決的問題。

智慧水庫是基于水利信息化、數(shù)字化和智能化建設(shè)，運(yùn)用新一代物聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)、光網(wǎng)絡(luò)等，利用云計(jì)算技術(shù)、MSTP、3S／3G等高性能信息數(shù)字化技術(shù)，深入開發(fā)和高度整合水利信息資源，實(shí)現(xiàn)水庫感知、傳輸、應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化與智能化，有效的實(shí)現(xiàn)水庫信息的共享，提升水庫工程運(yùn)用和管理的效率和效能。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”和智慧水利的大環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)水庫管理部門從粗放管理向精細(xì)化管理的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)水庫及水庫群的集中管理和科學(xué)管理是必然趨勢。通過開發(fā)智慧水庫一體化管理平臺，集成離散而多樣的水庫管理業(yè)務(wù)和信息，實(shí)現(xiàn)水庫群工程、監(jiān)測、水文、地形等信息的綜合利用，在實(shí)施集中監(jiān)控的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水庫群的聯(lián)合管理和調(diào)度，有效地提高了管理部門的工作效率，為管理部門的科學(xué)高效管理提供了支撐，為實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+水庫管理”和智慧水利提供了輔助工具。

1 水庫信息化現(xiàn)狀分析

隨著時(shí)代的發(fā)展，在水庫監(jiān)管及運(yùn)行管理單位，水庫管理相關(guān)信息系統(tǒng)的應(yīng)用已較為廣泛。水庫管理根據(jù)各自的業(yè)務(wù)需求，分別應(yīng)用了各類專業(yè)管理軟件。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，超過2／3的大型水庫和部分中型水庫管理單位建有水雨情測報(bào)系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。此外還有部分水庫單位布設(shè)有視頻監(jiān)控、閘門自動控制、水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)，主要注重信息的采集、查詢、展示，極少數(shù)信息化系統(tǒng)具備信息發(fā)布功能。根據(jù)調(diào)研，普遍存在以下幾類問題。

（1）缺乏統(tǒng)一規(guī)劃。水庫各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)間相互獨(dú)立，每個系統(tǒng)的功能比較單一，業(yè)務(wù)不全或重復(fù)。

（2）集成程度低，存在信息孤島。已部署的軟件系統(tǒng)由于開發(fā)廠家、時(shí)間、開發(fā)語言等不盡相同，導(dǎo)致各個軟件間數(shù)據(jù)不能共享，無法有效融合。

（3）業(yè)務(wù)功能不全。目前，已開發(fā)水雨情測報(bào)、安全監(jiān)測等系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了信息采集、查詢、展示，忽視日常管理業(yè)務(wù)以及整編分析、預(yù)警、對外信息發(fā)布等功能，且大多是基于某些具體的業(yè)務(wù)需求而開發(fā)，沒有實(shí)現(xiàn)水庫的日常管理業(yè)務(wù)的全覆蓋。

實(shí)踐證明，完全依靠工程措施，已經(jīng)不能有效解決當(dāng)前復(fù)雜的水問題。廣泛應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，充分開發(fā)水庫信息資源，拓展水庫信息化的深度和廣度，工程與非工程措施并重視實(shí)現(xiàn)水庫現(xiàn)代化的必然選擇。以水庫信息化帶動水利現(xiàn)代化，以水庫現(xiàn)代化促進(jìn)水利信息化，增加水庫的科技含量，降低水庫的資源消耗，提高水庫的整體效益是新世紀(jì)水庫發(fā)展的必經(jīng)之路，智慧水庫一體化管理平臺成為有效的解決方法。

智慧水庫一體化管理平臺是針對水庫及水庫群綜合運(yùn)行管理的軟件系統(tǒng)，它是一個按照統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一平臺、統(tǒng)一運(yùn)行環(huán)境、統(tǒng)一管理、可視化一張圖的基本原則研發(fā)而成，它集成了水庫的自動化監(jiān)測、運(yùn)行維護(hù)、行政管理等主要業(yè)務(wù)，最終達(dá)到一套軟件解決水庫及水庫群管理的所有業(yè)務(wù)的目的，實(shí)現(xiàn)水庫及水庫群的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、管理等要素的有效集成，解決大部分水庫及水庫群管理的問題。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）智慧水庫一體化管理平臺大大提高雨情、水情、旱情、災(zāi)情、安全監(jiān)測采集傳輸?shù)臅r(shí)效性，提高預(yù)測和預(yù)報(bào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，為制定防洪抗旱調(diào)度方案，提高決策水平提供科學(xué)依據(jù)，最終達(dá)到充分發(fā)揮已建成水庫設(shè)施效能的作用。

（2）智慧水庫一體化管理平臺在水庫資源開發(fā)、利用和治理的同時(shí)，更為注重水庫資源的配置，節(jié)約和保護(hù)，為水庫資源的統(tǒng)一配置、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理，提供重要技術(shù)支持和信息支持。

（3）智慧水庫一體化管理平臺在政府機(jī)構(gòu)改革和職能轉(zhuǎn)變之機(jī)，深入利用信息資源以更好地管理復(fù)雜的事務(wù)，提高管理水平和工作效率，使社會各界有效的監(jiān)督部門工作，達(dá)到政務(wù)公開和改進(jìn)服務(wù)的目的。

（4）智慧水庫一體化管理平臺對于現(xiàn)在推行的節(jié)水型農(nóng)業(yè)，提高水庫資源的利用率，提高資源共享，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展將具有重要現(xiàn)實(shí)意義和長遠(yuǎn)的歷史意義。

2 一體化管理平臺的設(shè)計(jì)

智慧水庫一體化管理平臺的建立，旨在收集整編水庫的監(jiān)測管理數(shù)據(jù)、完成數(shù)據(jù)集中與共享、建成統(tǒng)一業(yè)務(wù)支撐平臺、開發(fā)和整合相互協(xié)同管理調(diào)度的業(yè)務(wù)功能，提供防汛管理多層級、多部門用戶的協(xié)作平臺，為防汛決策提供專業(yè)、快速、準(zhǔn)確的技術(shù)支持，為實(shí)現(xiàn)信息資源整合提供基礎(chǔ)，同時(shí)促進(jìn)水利行業(yè)與其它行業(yè)信息的交換與共享。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧水庫一體化管理平臺在綜合考慮水庫已有自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用分層式架構(gòu)、模塊化思想進(jìn)行程序開發(fā)和部署，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層以及表現(xiàn)層，實(shí)現(xiàn)“高內(nèi)聚、低耦合”，降低模塊之間的耦合性，增強(qiáng)系統(tǒng)的可維護(hù)性和擴(kuò)展性。系統(tǒng)邏輯構(gòu)成包括：用戶層、業(yè)務(wù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)層、采集層等部分。系統(tǒng)的開發(fā)采用以相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程規(guī)范和安全與運(yùn)維為支撐，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、業(yè)務(wù)應(yīng)用和用戶應(yīng)用等邏輯層，平臺的設(shè)計(jì)原則是靈活性、可擴(kuò)展性和兼容性。

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，相對于水庫管理部門的其他業(yè)務(wù)，針對水庫群的管理業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出多樣性。水庫的地理位置比較分散、水利工程各具特點(diǎn)、管理方式各異等因素，要求系統(tǒng)架構(gòu)必須能夠適應(yīng)業(yè)務(wù)的多樣性需求。另一方面業(yè)務(wù)的不斷變化和功能需求的不斷更新對系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性提出了更高的要求。隨著移動智能終端的普及，智能手機(jī)、平板電腦、Pad的普及和應(yīng)用要求系統(tǒng)能夠運(yùn)行在不同的硬件設(shè)備上，并且能夠適應(yīng)不同的操作系統(tǒng)。

2.2 功能特點(diǎn)

相對于其他水利信息管理軟件，智慧水庫一體化管理平臺是一套業(yè)務(wù)全覆蓋、過程全管理、資源全整合的高度集成的一體化管理平臺軟件，可解決水庫全方位的信息化管理問題。其功能特點(diǎn)主要體現(xiàn)在良好的人機(jī)交互能力，提供科學(xué)合理的業(yè)務(wù)服務(wù)，系統(tǒng)本身在運(yùn)行性能上有較高的要求，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）多層級全要素一體化解決方案。它為水庫的各級管理單位（水庫管理處、縣市級水利局、省區(qū)級水利局等）提供覆蓋自動化監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析、綜合調(diào)度、預(yù)警預(yù)報(bào)、應(yīng)急響應(yīng)、運(yùn)行維護(hù)和行政管理等實(shí)用業(yè)務(wù)功能，使其日常運(yùn)行維護(hù)管理規(guī)范化、流程化、信息化，可根據(jù)實(shí)際需求定制性部署。徹底解決“信息孤島”問題，實(shí)現(xiàn)專業(yè)信息統(tǒng)一規(guī)劃、集中存儲和綜合利用，實(shí)現(xiàn)水庫主要業(yè)務(wù)在一套系統(tǒng)中集中展示，達(dá)到數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的有效融合，最大程度發(fā)揮集中管控的作用。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（2）可視化水庫一張圖。借助于地理信息系統(tǒng)（GIS）和三維模型，在一張地圖上展示水庫各水工建筑物及設(shè)施的位置關(guān)系、數(shù)據(jù)信息和統(tǒng)計(jì)信息，結(jié)合圖形、表格、熱點(diǎn)、氣泡等表現(xiàn)方式，充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化、形象化，將水庫的氣象、水雨情、監(jiān)測、閘門開度、流量、應(yīng)急事件、待辦事項(xiàng)等主要信息進(jìn)行集中展示。

（3）基于虛擬現(xiàn)實(shí)的工程管理。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水庫工程在線巡查，管理者足不出戶即可實(shí)現(xiàn)整個工程狀況的檢查，主要體現(xiàn)在監(jiān)測點(diǎn)、視頻終端、水工建筑物、巡檢對象的在線可視化巡查，將終端信息和巡檢對象的狀態(tài)結(jié)合到一起，使管理者身臨其境的進(jìn)行工程管理與應(yīng)急處置。

（4）可視化數(shù)據(jù)整編。系統(tǒng)支持原始數(shù)據(jù)粗大誤差自動整編，保證數(shù)據(jù)基本正常，避免因儀器設(shè)備由于外界干擾造成的測值不穩(wěn)定和不準(zhǔn)確的情況出現(xiàn)。另外，系統(tǒng)支持在線可視化數(shù)據(jù)整編，通過對歷史變化過程的分析處理，快速定位到誤差數(shù)據(jù)所在區(qū)域，對數(shù)據(jù)進(jìn)行在線處理編輯，便于用戶實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理，極大提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和工作的方便性。

（5）全業(yè)務(wù)報(bào)告自動生成?；谥悄芊治龅娜珮I(yè)務(wù)報(bào)告自動生成功能。按照規(guī)范要求，支持WEB頁面配置運(yùn)行報(bào)告模板，定時(shí)自動抽取水庫日常運(yùn)行管理的各類監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、調(diào)度數(shù)據(jù)、工程檢查資料以及維修養(yǎng)護(hù)記錄等內(nèi)容，并基于專業(yè)知識智能分析自動生成全業(yè)務(wù)的運(yùn)行管理報(bào)告。系統(tǒng)可根據(jù)需要按設(shè)定周期或操作人員的要求自動生成周、月、季、年、專題等各種資料整編分析或運(yùn)行管理報(bào)告。

（6）專業(yè)智能分析評判與實(shí)時(shí)預(yù)警報(bào)警處置。系統(tǒng)提供專業(yè)智能分析手段，包括相關(guān)分析、回歸分析、有限元分析等業(yè)務(wù)功能，建立全方位的實(shí)時(shí)預(yù)警報(bào)警機(jī)制，通過比對歷史極值、變化速度極值等邊界值，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。預(yù)警報(bào)警機(jī)制還引入各種信息傳輸手段，實(shí)現(xiàn)信息、郵件等多種方式的報(bào)警，完成安全機(jī)制的立體建設(shè)。

（7）移動應(yīng)用及智能移動巡檢。巡視檢查是及時(shí)發(fā)現(xiàn)水庫大壩問題的重要手段，通過日常定期和非定期的人工巡檢發(fā)現(xiàn)工程隱患，快速進(jìn)行事故處置。隨著智能移動設(shè)備和移動網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，本系統(tǒng)基于移動終端進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)。管理人員可實(shí)現(xiàn)水庫巡檢工作的立體化全方位監(jiān)控，在日常運(yùn)行管理特別是遇到突發(fā)事件處理等緊急情況下，能通過移動終端進(jìn)行決策指揮。系統(tǒng)具有高度兼容性，實(shí)現(xiàn)了移動應(yīng)用與固定應(yīng)用的無縫對接，并可在沒有公共網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急狀態(tài)下獨(dú)立工作。

圖2 智慧水庫圖

3 典型應(yīng)用

水庫管理一體化系統(tǒng)已在湖北、安徽、廣東、四川、重慶、內(nèi)蒙古、廣西等?。ㄊ?、區(qū)）的大中型水庫進(jìn)行了應(yīng)用，得到了包括流域機(jī)構(gòu)、省、市、縣等不同管理層級的高度評價(jià)。該系統(tǒng)已被水利部科技推廣中心認(rèn)定為水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，列入《2016年水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》。該系統(tǒng)是在各座水庫原有的水雨情、安全監(jiān)測、閘門控制、視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合集成。系統(tǒng)解決了管理人員需登錄多個系統(tǒng)方可獲得所需要信息的問題，有效解決了原有子系統(tǒng)間開發(fā)接口、數(shù)據(jù)存儲、維護(hù)不統(tǒng)一導(dǎo)致存在“信息孤島”的問題，各層級管理人員可根據(jù)所屬權(quán)限快速掌握所關(guān)注的各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和成果信息。通過智慧水庫一體化管理平臺實(shí)現(xiàn)了水雨情、工情、調(diào)度、安全性態(tài)等主要業(yè)務(wù)的信息共享，并利用報(bào)告自動生成功能，智能評判大壩運(yùn)行狀態(tài)，提高工作效率和管理水平。

湖北省赤壁市陸水水利樞紐工程是智慧水庫一體化管理平臺的具體應(yīng)用，系統(tǒng)截圖如圖2所示。該平臺的部署和實(shí)施完善了陸水水庫大壩安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控等自動化系統(tǒng)，擴(kuò)大監(jiān)測覆蓋范圍，形成信息采集體系。同時(shí)，建立了信息采集與預(yù)警相結(jié)合的模式，通過設(shè)定安全臨界值、警戒值，實(shí)現(xiàn)預(yù)警預(yù)報(bào)。

平臺建立了集水（雨）情數(shù)據(jù)、工情數(shù)據(jù)、大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、水土保持?jǐn)?shù)據(jù)、空間地理數(shù)據(jù)、水利工程建設(shè)（質(zhì)量、資金、監(jiān)管）信息、多媒體（圖片、音頻、視頻）數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等所有與水利工作有關(guān)的多元多維水利信息數(shù)據(jù)中心，搭建統(tǒng)一的檢查觀測、防洪調(diào)度、防洪預(yù)警、閘門監(jiān)控、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)支撐平臺，實(shí)現(xiàn)跨子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、流程的交互。

除此之外，平臺在統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心和業(yè)務(wù)支撐平臺基礎(chǔ)之上，基于已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)，進(jìn)行功能完善和補(bǔ)充，形成由檢查觀測、視頻監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報(bào)、閘門監(jiān)控、防洪調(diào)度、綜合管理等構(gòu)成的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

4 結(jié)語

水庫及水庫群的管理是水利管理部門的核心業(yè)務(wù)，鑒于水庫群信息種類多，數(shù)量大的特點(diǎn)，智慧水庫一體化管理平臺通過靈活運(yùn)用Web GIS技術(shù)，充分發(fā)揮地理信息系統(tǒng)在展示上的優(yōu)勢，將水庫的主要信息元素化后集中在一張地圖上展示，達(dá)到提升用戶體驗(yàn)的目的。另外，系統(tǒng)緊密結(jié)合水庫管理單位的業(yè)務(wù)實(shí)際需求，從功能設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲和管理、性能需求、安全需求等方面做了詳細(xì)設(shè)計(jì)，形成了一套既滿足業(yè)務(wù)需求又具備高性能特點(diǎn)的體系架構(gòu)，很好解決了水庫及水庫群管理的主要問題，為智慧水庫的建設(shè)發(fā)揮積極的作用。

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