(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

我國(guó)水利信息化“十三五”的目標(biāo)之一是加強(qiáng)水利信息化支撐能力建設(shè)，進(jìn)行數(shù)據(jù)資源整合，促進(jìn)信息共享[1]，建立統(tǒng)一的水利數(shù)據(jù)交換平臺(tái)和信息資源服務(wù)體系。在該規(guī)劃框架指導(dǎo)下，水利工程信息尤其是水庫數(shù)據(jù)資源的整合勢(shì)在必行。本文針對(duì)縣市級(jí)水管部門水庫群管理業(yè)務(wù)提出了一套資源整合、信息集成、實(shí)時(shí)分析、集中管理和綜合展示的一體化解決實(shí)施方案。該方案可實(shí)現(xiàn)水庫群公共信息的全面整合與共享，為水庫監(jiān)管、水庫調(diào)度、應(yīng)急指揮等核心業(yè)務(wù)提供強(qiáng)有力的信息化支撐手段。

1 現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，我國(guó)水行政部門針對(duì)水庫的管理呈現(xiàn)多級(jí)分管狀態(tài)，針對(duì)不同類型水庫的信息化管理系統(tǒng)的建設(shè)主體也不相同[2]。例如，我國(guó)湖北、浙江、安徽等省級(jí)主管部門建立了全省范圍內(nèi)的水庫群管理系統(tǒng)，旨在掌握大中型水庫的工程概況、區(qū)域分布、實(shí)時(shí)水位庫容，側(cè)重于宏觀監(jiān)督管理；地方水文局、氣象局根據(jù)業(yè)務(wù)需要又建立了大中型水庫水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水庫群的水雨情信息采集；地方水利局則建立小型水庫群監(jiān)管系統(tǒng)，重點(diǎn)采集小型水庫的水情、雨情和實(shí)時(shí)圖像。雖然都是水庫群管理系統(tǒng)，但是其分析對(duì)象、采集信息類別范圍、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、物理存儲(chǔ)等都存在很大的差異，總體而言我國(guó)針對(duì)水庫群的信息化管理系統(tǒng)存在以下幾個(gè)普遍問題。

(1) 信息管理分散，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一?？h市級(jí)水利管理部門針對(duì)水庫群的管理雖有一部分信息化系統(tǒng)，但由于分隔式的信息管理方式，數(shù)據(jù)在部門間不能互通有無，形成信息孤島，不能全面掌握水庫的基本情況和實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀況。另外由于數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)分類等標(biāo)準(zhǔn)不一致，已有的數(shù)據(jù)成果不能得到有效利用。

(2) 數(shù)據(jù)資源完整性、正確性和共享性不夠。縣市級(jí)水利管理部門和當(dāng)?shù)厮木?、氣象局等單位間數(shù)據(jù)有部分重疊，存在“一數(shù)多源”現(xiàn)象，影響了水庫相關(guān)數(shù)據(jù)的完整性和權(quán)威性，因而必須對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行共享整合，統(tǒng)一數(shù)據(jù)口徑。同樣地，市水庫管理部門同省廳的業(yè)務(wù)單位間也存在數(shù)據(jù)交換與共享需求，但是現(xiàn)有系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換主要建立在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交換的模式上，很難擴(kuò)展和管理，不能適應(yīng)未來數(shù)據(jù)交換共享要求。

圖1 管理平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Comprehensive management platform architecture

(3) 缺乏統(tǒng)一的信息資源管理平臺(tái)。在縣市級(jí)水利管理部門中，針對(duì)水庫群管理的各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)，由于功能側(cè)重點(diǎn)都不一致，導(dǎo)致展示形式多樣，信息種類互有長(zhǎng)短，均不能完全適應(yīng)水管部門的主要業(yè)務(wù)需求，缺乏統(tǒng)一的信息資源管理，因此有必要建立一個(gè)能夠全面展現(xiàn)水庫群綜合信息的水庫群管理平臺(tái)。

針對(duì)以上信息化現(xiàn)狀，本文著重研究了水管部門水庫群管理業(yè)務(wù)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了水庫群綜合信息管理市級(jí)平臺(tái)[3]。為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)建設(shè)，首先必須打破行政壁壘，整合信息資源；其次進(jìn)行實(shí)時(shí)資料整編，保證數(shù)據(jù)正確完整可靠；然后建立統(tǒng)一的基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)；最后建立滿足多層級(jí)管理需求的水庫群綜合管理業(yè)務(wù)平臺(tái)。

2 平臺(tái)架構(gòu)

水庫群綜合信息管理平臺(tái)是一套綜合性信息化管理系統(tǒng)，平臺(tái)通過采集水庫的水情、雨情、工情、監(jiān)測(cè)、圖像等信息，綜合分析水利工程運(yùn)行的當(dāng)前狀況、歷史過程，在建立判斷標(biāo)準(zhǔn)的前提下，自動(dòng)判斷異常并進(jìn)行預(yù)警報(bào)警。除此之外，系統(tǒng)設(shè)置管理功能，可以對(duì)轄區(qū)內(nèi)的水庫進(jìn)行綜合調(diào)度和系統(tǒng)評(píng)價(jià)，并根據(jù)需要制定分析統(tǒng)計(jì)報(bào)表，管理平臺(tái)的架構(gòu)圖如圖1所示。

3 總體技術(shù)路線

水庫群綜合信息管理平臺(tái)在技術(shù)路線選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮運(yùn)行效率、開發(fā)效率以及隨需應(yīng)變能力的平衡能力，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、3S技術(shù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等先進(jìn)的技術(shù)[4]，總體技術(shù)路線圖如圖2所示。

圖2 總體技術(shù)路線Fig.2 Technology roadmap

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)是感知，通過前端的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(水位計(jì)、雨量計(jì)、RTU 遙測(cè)終端、水位雨量自動(dòng)報(bào)汛設(shè)備、全天候云臺(tái)攝像機(jī)、無人機(jī))，全方位采集各種水利數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)中心，在數(shù)據(jù)中心，通過大數(shù)據(jù)處理方式，對(duì)GIS、水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、防汛抗旱應(yīng)急方案等進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，清洗，并將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)；最后通過虛擬化計(jì)算和視頻融合的方式，充分利用IaaS、PaaS、SaaS 的計(jì)算資源，搭建水利模型，從而為分析決策提供支持[5]。

4 應(yīng)用支撐平臺(tái)

4.1 私有云平臺(tái)

水庫群私有云平臺(tái)的建設(shè)目的是利用云計(jì)算解決水庫群運(yùn)行狀況信息的資源整合、應(yīng)用共享，以云計(jì)算關(guān)鍵支撐技術(shù)為突破口，建立面向開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的水庫云服務(wù)模型與靈活的服務(wù)協(xié)同機(jī)制，為數(shù)據(jù)資源整合提供穩(wěn)定可靠的軟、硬件運(yùn)行環(huán)境[6]。

水庫群私有云平臺(tái)由軟件、硬件和網(wǎng)絡(luò)幾部分組成，其組織結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。硬件部分主要是為云平臺(tái)提供硬件基礎(chǔ)環(huán)境。云平臺(tái)的軟件部分為用戶提供了計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、模板和鏡像等多種選擇，使之更加便捷地根據(jù)需要完成各類虛擬機(jī)的擴(kuò)展和管理。云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)部分旨在搭建滿足數(shù)據(jù)資源整合和數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境，它是實(shí)現(xiàn)水利信息數(shù)據(jù)傳輸集成的基礎(chǔ)，使之與水利相關(guān)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)融會(huì)貫通，形成統(tǒng)一的整體。

圖3 云平臺(tái)組織結(jié)構(gòu)Fig.3 Cloud platform organization structure

4.2 數(shù)據(jù)資源中心

在全面梳理水利的各類數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源的整合，同時(shí)健全數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)規(guī)范、充分共享的中心數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)水利公共數(shù)據(jù)的全面整合與共享[7]，數(shù)據(jù)中心組織結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在水利綜合數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析挖掘、信息綜合展示，為縣市級(jí)水庫群的智慧化管理，為領(lǐng)導(dǎo)決策、綜合業(yè)務(wù)聯(lián)系管理、應(yīng)急指導(dǎo)、公眾信息服務(wù)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

云數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)資源可以通過數(shù)據(jù)交換方式和Web服務(wù)方式進(jìn)行對(duì)外發(fā)布共享，通過智慧水利數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)，對(duì)上是作為省廳數(shù)據(jù)中心的縣市級(jí)分中心，對(duì)下連接各個(gè)區(qū)縣市水利部門，橫向共享到各局委辦、各業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

4.3 地理信息系統(tǒng)

采用GIS基礎(chǔ)支撐軟件和空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，基于J2EE開發(fā)環(huán)境構(gòu)建水利“一張圖”系統(tǒng)。通過空間數(shù)據(jù)庫管理框架，建設(shè)水利空間數(shù)據(jù)服務(wù)體系。為水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)“一張圖”數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢和分析功能，為水利信息化管理和宏觀決策提供可視化界面[8]。

結(jié)合數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)“一張圖”數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢和分析功能，利用3S、Web Service等技術(shù)，將各類數(shù)據(jù)服務(wù)嵌入到各應(yīng)用系統(tǒng)中，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息展示和管理提供全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

圖4 數(shù)據(jù)中心組織結(jié)構(gòu)Fig.4 Data center organization structure

5 綜合信息管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

5.1 整合數(shù)據(jù)資源

水利數(shù)據(jù)資源整合是綜合管理平臺(tái)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，為了更加高效地整合離散的數(shù)據(jù)資源，應(yīng)根據(jù)水利資源的特點(diǎn)和相關(guān)行業(yè)規(guī)范建立數(shù)據(jù)資源目錄。資源目錄分為水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、水利政務(wù)數(shù)據(jù)和水利綜合數(shù)據(jù)三大類16小類，數(shù)據(jù)資源目錄結(jié)構(gòu)如圖5所示[9]。

圖5 數(shù)據(jù)資源目錄結(jié)構(gòu)Fig.5 Data resource directory structure

此外，根據(jù)數(shù)據(jù)源分類和分布情況通過數(shù)據(jù)資源共享平臺(tái)(ETL)工具建立數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的抽取、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的整合利用[10]。

5.2 業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

水庫群綜合信息管理平臺(tái)采用面向服務(wù)的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，由數(shù)據(jù)中心、統(tǒng)一業(yè)務(wù)平臺(tái)及搭建在該平臺(tái)上的防汛管理相關(guān)信息化業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成，提供多元業(yè)務(wù)應(yīng)用和多級(jí)用戶交互的防汛業(yè)務(wù)處理以及專業(yè)智能的決策支持，滿足多業(yè)務(wù)類型、組織架構(gòu)和規(guī)程規(guī)范的要求。水庫群綜合信息管理平臺(tái)的功能模塊涵蓋縣市級(jí)水利管理部門水庫群管理的主體業(yè)務(wù)，旨在建立信息集中、業(yè)務(wù)全面、風(fēng)格統(tǒng)一、交互友好的綜合性水利工程管控一體化平臺(tái)(見圖6)。系統(tǒng)功能如下所述。

(1) 一張圖。借助于地理信息系統(tǒng)(GIS)，通過“一張地圖”的形式展示水庫相關(guān)工程的監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)信息，以可視化、形象化的方式將水庫的主要信息進(jìn)行集中展示。

(2) 水雨情。及時(shí)了解水情、雨情實(shí)時(shí)信息和歷史變化過程。以表格、曲線、柱狀圖的形式呈現(xiàn)水位統(tǒng)計(jì)、多雨量站統(tǒng)計(jì)，提供環(huán)比、同比功能，實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)期的水雨情分析。建立洪水預(yù)報(bào)模型，做好來水預(yù)報(bào)，提供調(diào)度方案。

(3) 安全監(jiān)測(cè)。全面掌握大壩安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀和變化過程，繪制實(shí)時(shí)浸潤(rùn)線和等值線，提供分布圖對(duì)比和輪播功能以掌握浸潤(rùn)變化過程。建立回歸分析、有限元分析模型，為數(shù)據(jù)分析提供專業(yè)上的補(bǔ)充。提供巡視檢查在線填報(bào)、上報(bào)機(jī)制，真正做到發(fā)現(xiàn)問題、報(bào)告問題和解決問題的流程化管理。

圖6 綜合信息一張圖Fig.6 General map of comprehensive information

(4) 防洪調(diào)度。針對(duì)水庫的防洪業(yè)務(wù)需求，主要從防汛值班管理、防汛物資管理、輔助應(yīng)急事件處理以及閘門監(jiān)控等方面支撐水庫安全度汛。

(5) 灌區(qū)管理。提供可視化的灌區(qū)管理，制定灌溉計(jì)劃，跟蹤計(jì)劃執(zhí)行，按需統(tǒng)計(jì)灌溉實(shí)績(jī)。實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)備監(jiān)控、檢修維護(hù)，建立設(shè)備請(qǐng)購(gòu)上報(bào)流程制度。實(shí)現(xiàn)灌區(qū)有效的調(diào)度，提供來水預(yù)報(bào)、優(yōu)化配水等技術(shù)模型輔助灌區(qū)科學(xué)化管理。

(6) 電站管理。全面形象地展示電站整體運(yùn)行狀況，了解機(jī)組、開關(guān)站等主要設(shè)備的工作狀態(tài)，展示運(yùn)行參數(shù)和統(tǒng)計(jì)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)交接班、操作票流程化管理，建立安全生產(chǎn)制度。

(7) 水質(zhì)監(jiān)測(cè)。集水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)、分析于一體，具備實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)、專業(yè)模型分析、水質(zhì)污染應(yīng)急處置等。

(8) 視頻監(jiān)控。集成視頻監(jiān)控相關(guān)軟件及硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水庫實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控及歷史資料檢索查看。

(9) 綜合管理。不僅具有水庫日常運(yùn)行管理中的維修養(yǎng)護(hù)、管理考核、單元化管理、安全生產(chǎn)管理，而且整合了辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、流程管理、檔案管理等模塊，更能提供數(shù)據(jù)在線可視化整編、資料分析報(bào)告自動(dòng)生成功能，全面滿足水庫管理的信息化需要。

6 結(jié) 語

水庫群的管理是水利管理部門的核心業(yè)務(wù)，本文結(jié)合當(dāng)前水庫群管理系統(tǒng)存在的問題提出了平臺(tái)的總體架構(gòu)和技術(shù)路線，搭建了以私有云平臺(tái)、數(shù)據(jù)資源中心和地理信息系統(tǒng)為核心的應(yīng)用支撐平臺(tái)，一方面通過數(shù)據(jù)資源共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)離散數(shù)據(jù)資源整合；另一方面，業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(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(chǔ)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)，很好解決了水庫群管理的主要問題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。