費(fèi) 定，章龍飛，余 濤

（中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311100）

1 背景

21世紀(jì)是信息化時(shí)代，5G、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等熱詞一度成為新世紀(jì)的沸點(diǎn)。隨著《中華人民共和國檔案法》的修訂，水利工程檔案信息化管理有了更穩(wěn)固的實(shí)施依據(jù)。李玲霞[1]對(duì)新檔案法下水利工程檔案信息化管理做了深切研討，歸納了新時(shí)期水利工程檔案信息化管理的特點(diǎn)和有待解決的問題，提出了在檔案鑒定前提下要加強(qiáng)信息化管理工作。曹健[2]等人總結(jié)了目前天津市水務(wù)管理工程中的實(shí)際問題，提出要完善河道、閘站基礎(chǔ)觀測(cè)工作，同時(shí)提高管理人員科技素質(zhì)，大力引進(jìn)信息化、科技領(lǐng)先管理人才。李燕[3]將德州市水利信息化進(jìn)程做了重點(diǎn)概括，提出網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遙感技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)是水務(wù)信息系統(tǒng)管理工作取得提升的重要技術(shù)保障。目前，已有國家級(jí)水情數(shù)據(jù)庫用到了ArcGIS 軟件，該軟件具有簡(jiǎn)潔、實(shí)用、實(shí)時(shí)、高效集成等特點(diǎn)。信息化時(shí)代強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的可視化和同步性，對(duì)水務(wù)信息系統(tǒng)而言，兼顧多方使用者的便捷和能動(dòng)性對(duì)設(shè)計(jì)者提出了空前的挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段智慧水務(wù)的發(fā)展還處在初步階段，水質(zhì)監(jiān)測(cè)暴露出的問題還亟需解決。

作為國家重要戰(zhàn)略建設(shè)開發(fā)區(qū)，山東省東營市近年來步入了工農(nóng)業(yè)高速發(fā)展的新階段。但由于其自身一直存在的水環(huán)境問題，其在城鎮(zhèn)化、工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)出現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境破壞等問題，環(huán)境的日益惡化反過來又極大地限制了東營地區(qū)的發(fā)展。因此，采取新型的水環(huán)境監(jiān)測(cè)告警系統(tǒng)，從中切斷水環(huán)境不斷惡化的導(dǎo)線顯得尤為重要。對(duì)東營市廣利河、溢洪河（以下簡(jiǎn)稱兩河）流域進(jìn)行水環(huán)境管理，必須充分考慮河道管理的實(shí)時(shí)信息共享、信息傳輸處理快速高效等要求，建設(shè)兩河流域一體化管控、各點(diǎn)互聯(lián)互動(dòng)、全市共享統(tǒng)一的整體式智慧河流管理系統(tǒng)，進(jìn)而形成“監(jiān)控”合一的協(xié)同性管理模式，實(shí)現(xiàn)管理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性、計(jì)劃的科學(xué)化和有效化。

2 系統(tǒng)總體框架

智慧水務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)總體框架的構(gòu)建既要滿足我國水環(huán)境系統(tǒng)治理的業(yè)務(wù)需要，又要充分考慮未來業(yè)務(wù)擴(kuò)展的需求[4]。東營市兩河水環(huán)境監(jiān)測(cè)與告警系統(tǒng)借鑒國內(nèi)外同種項(xiàng)目布局經(jīng)驗(yàn)，搭建適應(yīng)的智慧水務(wù)總體框架。該系統(tǒng)總體框架分5 層設(shè)計(jì)，囊括用戶層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)資源層、運(yùn)行環(huán)境層、信息采集層，如圖1 所示。各個(gè)部分由標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議與接口結(jié)合為一個(gè)有機(jī)的整體，其中信息采集層包含水質(zhì)、水位、流量和視頻等信息。

圖1 系統(tǒng)總體框架

該系統(tǒng)框架具有如下特點(diǎn)：①功能分區(qū)明確，流程簡(jiǎn)單，運(yùn)作規(guī)范，自動(dòng)化可塑性較大；②最終面對(duì)用戶，以業(yè)務(wù)應(yīng)用層為主導(dǎo)，數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出清晰，適用性強(qiáng)；③能夠滿足東營市水務(wù)運(yùn)營管理需求，并且設(shè)置終端，充分考慮構(gòu)件擴(kuò)充和業(yè)務(wù)擴(kuò)展需要，同時(shí)終端滿足與市總系統(tǒng)連接的要求。

該系統(tǒng)采用“三條主線”進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，將水質(zhì)站點(diǎn)、水位站點(diǎn)、流量站點(diǎn)、視頻站點(diǎn)等監(jiān)測(cè)設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，具有以下功能：①圍繞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢、水質(zhì)超標(biāo)預(yù)警響應(yīng)等；②圍繞設(shè)施設(shè)備，設(shè)置巡檢計(jì)劃，按時(shí)生成巡檢任務(wù)，及時(shí)進(jìn)行站點(diǎn)的維護(hù)；③圍繞水污染，實(shí)現(xiàn)水污染事件的上報(bào)以及事件處理。

3 系統(tǒng)建設(shè)主要內(nèi)容

在科學(xué)發(fā)展觀的指導(dǎo)下，認(rèn)真貫徹《山東省東營市水利信息化建設(shè)規(guī)劃（2016—2025 年）》《東營市發(fā)展和改革委員會(huì)關(guān)于東營市中心城兩河（廣利河、溢洪河）及內(nèi)水系環(huán)境綜合治理工程可行性研究報(bào)告的批復(fù)》（東發(fā)改審批〔2019〕29 號(hào)）文件精神，采用“基礎(chǔ)先行、急用先建、示范帶動(dòng)、分布實(shí)施”的建設(shè)思路，結(jié)合東營市已開展的信息化建設(shè)實(shí)際，以人為本，務(wù)實(shí)推進(jìn)，按照實(shí)用性、易用性、先進(jìn)性、高效性、集成性、標(biāo)準(zhǔn)化和開放性的原則，穩(wěn)步推進(jìn)兩河流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系智能化建設(shè)。

3.1 信息采集與展示體系設(shè)計(jì)

水質(zhì)信息采集體系應(yīng)用SFM600WS浮標(biāo)水質(zhì)分析儀實(shí)時(shí)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)。SFM600WS浮標(biāo)水質(zhì)分析儀是一套以在線自動(dòng)分析儀器為核心，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)，由浮標(biāo)體、太陽能供電系統(tǒng)、GRRS 全球定位系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)組成的放置于水域內(nèi)的小型水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備。該設(shè)備采用全光譜掃描和電化學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、pH 值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、總氮和總磷等多參數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)快速采集[5]。

大屏信息展示為管理人員提供目前兩河的水質(zhì)概況以及各類站點(diǎn)、任務(wù)等信息的一覽和統(tǒng)計(jì)[6]。此外，大屏還能集中展示實(shí)現(xiàn)超標(biāo)預(yù)警、水質(zhì)站點(diǎn)概況、視頻站點(diǎn)狀態(tài)、水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況以及上月水質(zhì)等多種要素。大屏信息展示體系以東營市地圖為底圖，標(biāo)繪水質(zhì)站點(diǎn)、視頻站點(diǎn)等信息并結(jié)合相關(guān)圖表展示水環(huán)境監(jiān)測(cè)的相關(guān)要素；通過點(diǎn)擊“視頻”圖標(biāo)可以查看實(shí)時(shí)視頻，點(diǎn)擊“水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)”圖標(biāo)可以查看站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信息，點(diǎn)擊“切換頁簽”還可以查看巡檢任務(wù)情況以及水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況等信息；能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、排水信息、流域水系、水質(zhì)專題以及巡檢專題等要素在天地圖中的可視化展示，同時(shí)直觀展示超標(biāo)預(yù)警、水污染事件以及巡檢事件。主界面大屏展示，如圖2所示。

圖2 主界面大屏展示

3.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要提供水質(zhì)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢、查看和導(dǎo)出等，包括當(dāng)前水質(zhì)、氨氮（NH3-N）、高錳酸鹽指數(shù)、pH值、水溫、濁度、電導(dǎo)率和溶解氧等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分為已建成的站點(diǎn)和新建的站點(diǎn)2 類。已建成的站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過四信RTU上傳至四信廠家的RTU接收平臺(tái)，同時(shí)匯集到智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)中心；新建的站點(diǎn)通過自建數(shù)據(jù)接收軟件接收數(shù)據(jù)，并同時(shí)匯集到智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)中心，本系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫只讀方式讀取水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示監(jiān)測(cè)成果，該方式可有效防止“黑客”盜取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)丟失。該水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)大致流向，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)流程

此外，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照“以人為本”的用戶體驗(yàn)理念設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)（Data Interaction System），監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面提供最新的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)將超標(biāo)水質(zhì)及污染因子的超標(biāo)倍數(shù)用紅色顯著標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)界面上方同步反映了監(jiān)測(cè)站編碼、名稱、政區(qū)和時(shí)間的檢索，點(diǎn)擊“重置”即可清空檢索條件，點(diǎn)擊“導(dǎo)出”就能將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出至本地，實(shí)現(xiàn)了人與產(chǎn)品及服務(wù)之間有意義的關(guān)系。

水質(zhì)分析評(píng)價(jià)主要是針對(duì)東營市所有水質(zhì)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信息提供各個(gè)維度的統(tǒng)計(jì)分析和水質(zhì)報(bào)告的自動(dòng)生成，其中統(tǒng)計(jì)分析維度包括達(dá)標(biāo)率、水質(zhì)變化情況、污染指標(biāo)等[7]。其功能主要包括水質(zhì)報(bào)告管理、統(tǒng)計(jì)分析和污染統(tǒng)計(jì)。水質(zhì)報(bào)告管理是每個(gè)月初針對(duì)各政區(qū)上月水質(zhì)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)分析的信息自動(dòng)生成一份報(bào)告，報(bào)告的內(nèi)容主要包括水質(zhì)站達(dá)標(biāo)情況、水質(zhì)變化情況以及水質(zhì)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)詳情，幫助工作人員了解上月水質(zhì)站點(diǎn)的水質(zhì)概況以及變化情況，更好地掌握水質(zhì)信息。統(tǒng)計(jì)分析可以提供給工作人員各行政區(qū)劃不同月份水質(zhì)概覽、達(dá)標(biāo)率以及水質(zhì)變化情況和不同年度水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的同比及環(huán)比情況。此外，對(duì)不同污染指標(biāo)出現(xiàn)的污染次數(shù)也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，這可以幫助工作人員了解不同政區(qū)最為常見的污染事件。污染統(tǒng)計(jì)可以提供給工作人員各水質(zhì)站點(diǎn)不同污染指標(biāo)的污染次數(shù)，同時(shí)提供各水質(zhì)站點(diǎn)不同污染指標(biāo)污染次數(shù)的對(duì)比情況，幫助工作人員了解各個(gè)水質(zhì)站點(diǎn)的主要污染物，從而能夠有針對(duì)性地去開展水污染治理工作。

上述3 種評(píng)價(jià)功能模塊均能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式運(yùn)行，且都能按照工作人員要求實(shí)時(shí)導(dǎo)出一手?jǐn)?shù)據(jù)。水質(zhì)報(bào)告管理模塊和污染統(tǒng)計(jì)模塊均按照列表的形式展示了水質(zhì)報(bào)告和污染狀況信息，并按照?qǐng)?bào)告編號(hào)倒序進(jìn)行排序，提供政區(qū)、報(bào)告以及報(bào)告時(shí)間作為查詢條件。統(tǒng)計(jì)分析模塊則按照“可視化報(bào)告”的形式將水質(zhì)分析數(shù)據(jù)反饋給相關(guān)人員，以多種統(tǒng)計(jì)圖相結(jié)合的方式展示了水質(zhì)相關(guān)的各類統(tǒng)計(jì)信息，提供政區(qū)、月份以及年份作為查詢條件。通過該模塊，可以選擇不同的月份查看各水質(zhì)站的水質(zhì)等級(jí)分布、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率以及較上月水質(zhì)變化情況，也可以選擇不同的年份查看水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的同比及環(huán)比情況和污染指標(biāo)的出現(xiàn)次數(shù)等。

3.3 預(yù)警管理體系設(shè)計(jì)

預(yù)警管理模塊包含超標(biāo)預(yù)警、預(yù)警響應(yīng)、事后評(píng)估等，如圖4 所示。超標(biāo)預(yù)警主要是提供給值班人員對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的水質(zhì)超標(biāo)預(yù)警信息進(jìn)行預(yù)警發(fā)布的功能，并能夠?qū)λ|(zhì)超標(biāo)預(yù)警信息進(jìn)行統(tǒng)一的管理，提供包括查詢、預(yù)警發(fā)布以及導(dǎo)出等功能。預(yù)警響應(yīng)主要是提供給工作人員對(duì)已經(jīng)發(fā)布的超標(biāo)預(yù)警信息進(jìn)行響應(yīng)的功能，并能夠?qū)σ寻l(fā)布的超標(biāo)預(yù)警信息進(jìn)行統(tǒng)一的管理。

圖4 預(yù)警管理模塊

3.4 使用端接口體系設(shè)計(jì)

兩河水環(huán)境監(jiān)測(cè)與告警系統(tǒng)使用端分為PC 端和 App 端，其中 PC 端采用 B/S 結(jié)構(gòu)開發(fā)、App 端提供H5 頁面集成在防汛排澇智慧調(diào)度系統(tǒng)中的移動(dòng)App 中，2 個(gè)使用端都提供友好的用戶界面，采用HTTP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)用戶與程序之間的操作指令、數(shù)據(jù)交換[8]。其中，PC 端的各種操作通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)，App 端通過Android 或者IOS 的移動(dòng)端設(shè)備安裝智慧水務(wù)App實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)格式都是以JSON格式字符串的形式通過HTTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在用戶接口部分，根據(jù)需求分析的結(jié)果，用戶需要一個(gè)友善的用戶界面。在前端界面設(shè)計(jì)上，應(yīng)做到簡(jiǎn)單明了、易于操作，并且注意界面布局，突出顯示重要或者出錯(cuò)的信息，采用頂部下拉式菜單方式列出所有的功能。同時(shí)，運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)形式給出出錯(cuò)提示，各功能的操作界面參見功能設(shè)計(jì)中的交互設(shè)計(jì)?？偟膩碚f，系統(tǒng)的用戶界面應(yīng)做到可靠性、簡(jiǎn)單性、易學(xué)習(xí)和使用。

在外部接口中，主要介紹前端界面組件和防汛排澇智慧調(diào)度系統(tǒng)。前端界面組件使用的外部組件有天地圖、高德地圖和Echarts。天地圖WebAPI 是一套由JavaScript 語言編寫的應(yīng)用程序接口，使用它能夠制作各種地圖圖層，為兩河水務(wù)一張圖上的應(yīng)用提供支撐。高德地圖JSAPI是一套采用JavaScript語言開發(fā)的地圖應(yīng)用編程接口，移動(dòng)端、PC 端一體化設(shè)計(jì)，一套API兼容眾多系統(tǒng)平臺(tái)，為大屏上自定義深色底圖和移動(dòng)端地圖顯示提供支撐。通過防汛排澇智慧調(diào)度系統(tǒng)統(tǒng)一管理兩方系統(tǒng)的用戶體系，由防汛排澇智慧調(diào)度系統(tǒng)統(tǒng)一的登錄界面進(jìn)行登錄，登錄成功生成用戶與Token 關(guān)系，并在調(diào)整本系統(tǒng)頁面時(shí)將Token 傳遞過來，本系統(tǒng)接收傳遞過來的Token，后續(xù)系統(tǒng)請(qǐng)求都攜帶著Token，在后臺(tái)通過接口的方式請(qǐng)求防汛排澇智慧調(diào)度系統(tǒng)去驗(yàn)證Token 的有效性以及Token 代表的用戶，本系統(tǒng)再根據(jù)得到的用戶所屬權(quán)限去處理數(shù)據(jù)，兩方數(shù)據(jù)方面的權(quán)限由各自管理。

4 結(jié)語

隨著“十四五”規(guī)劃的展開，進(jìn)一步加強(qiáng)我國水利工程建設(shè)又迎來了新的挑戰(zhàn)，縣市兩級(jí)智慧水務(wù)信息化建設(shè)迫在眉睫。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，破解體制束縛、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、全面科學(xué)部署和完善總體方案是完成新一輪智慧水務(wù)創(chuàng)新性建設(shè)的總抓手。

該智慧水務(wù)系統(tǒng)集監(jiān)測(cè)與告警為一體，對(duì)保障東營市兩河流域河道沿岸的水質(zhì)安全、水環(huán)境生態(tài)多樣性和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。該智慧水務(wù)系統(tǒng)的成功建設(shè)對(duì)該流域治理實(shí)現(xiàn)智能化管控打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

根據(jù)對(duì)目前我國水環(huán)境河道智慧水務(wù)實(shí)施情況開展調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前水務(wù)信息系統(tǒng)沒有一套通用的參考標(biāo)準(zhǔn)，無法形成一套統(tǒng)一的建設(shè)體系，設(shè)計(jì)人員多在參考其他行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)來編制規(guī)范。所以，針對(duì)上述情況，我國智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)迫切需要出臺(tái)河流流域水環(huán)境體系下的智慧水務(wù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)則，建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)威的導(dǎo)則，以利于提高智慧水務(wù)信息系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用的整體水平。