高文貴

（甘肅省張掖市甘州區(qū)大滿水利電力管理處，甘肅 張掖 734000）

現(xiàn)代水利工程發(fā)展的過(guò)程中，其數(shù)字化、可視化、信息化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而隨著科技進(jìn)步，“人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)+水文環(huán)境”的發(fā)展思路已基本形成。因此，將水利工程建設(shè)與信息化高度融合必定是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。水利信息可視化系統(tǒng)能夠提高地方水資源的共享率和利用率，對(duì)于推進(jìn)水利信息化建設(shè)的發(fā)展具有重要意義[1]。

1 水利信息可視化系統(tǒng)的應(yīng)用

目前“電子河長(zhǎng)”——水利信息可視化系統(tǒng)已在我國(guó)東部沿海城市進(jìn)行了示范性建設(shè)，并且取得了良好的成效。

1.1 在防洪減災(zāi)方面的應(yīng)用

在大型河堤、水庫(kù)等地重要位置配置遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控水位信息，科學(xué)分析圖像數(shù)據(jù)，綜合評(píng)估堤防的安全狀態(tài)，對(duì)于促進(jìn)被動(dòng)抗洪向主動(dòng)防汛方式的轉(zhuǎn)變具有重要的影響。此外，水利信息可視化系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)視正在發(fā)生的災(zāi)情、險(xiǎn)情，并快速傳回?cái)?shù)據(jù)、圖像供決策者進(jìn)行分析，決策者在充分掌握現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況后，根據(jù)實(shí)際情況制定有效的補(bǔ)救措施及防汛抗洪政策，從而保證水利工程設(shè)施的安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

1.2 在水文分析方面的應(yīng)用

水文站是收集水文信息的基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)水文信息分析，不僅可以對(duì)水資源進(jìn)行有效地保護(hù)、開(kāi)發(fā)和管理，還可以合理地規(guī)劃和設(shè)計(jì)水利工程設(shè)施建設(shè)。傳統(tǒng)的目測(cè)、手測(cè)等水文信息收集方式的主觀性比較大，隨著觀測(cè)者經(jīng)驗(yàn)、方式的不同，測(cè)量結(jié)果差異較大，對(duì)水文測(cè)報(bào)的數(shù)據(jù)結(jié)果造成直接影響。此外，水文數(shù)據(jù)量比較龐大，人工統(tǒng)計(jì)分析工作量大，成本高。而水利信息可視化系統(tǒng)可以有效解決上述問(wèn)題，將水利信息監(jiān)控系統(tǒng)融入到水文站建設(shè)中，利用攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸、圖像處理獲取所需要的水文信息，不僅提高了水文信息獲取的速率與精確度，還可以利用采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立水文信息大數(shù)據(jù)庫(kù)，利用各種人工智能技術(shù)對(duì)水文狀況進(jìn)行分析，加快水利管理部門(mén)進(jìn)行水文分析的效率。

1.3 在水利工程建設(shè)方面的應(yīng)用

水利信息可視化系統(tǒng)在水利工程設(shè)施的建設(shè)、維護(hù)和管理上具有廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行水利工程設(shè)施建設(shè)時(shí)，可視化監(jiān)控系統(tǒng)可以協(xié)助決策者合理規(guī)劃建設(shè)方案，提高施工效率。在水利工程設(shè)施維護(hù)方面，人工維護(hù)的成本大且監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和安全性低，對(duì)于某些特殊情況，例如沼澤環(huán)境、強(qiáng)降水天氣等，人工維護(hù)基本不可能實(shí)現(xiàn)，但可視化系統(tǒng)在減低維護(hù)成本的同時(shí)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的安全隱患，有效提高檢測(cè)準(zhǔn)確性和水利工程設(shè)施的使用壽命。在水利工程設(shè)施管理方面，可視化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，減少人工投入。

2 水利信息可視化系統(tǒng)的功能

水利信息可視化系統(tǒng)主要分為信息監(jiān)控和狀態(tài)監(jiān)測(cè)2 個(gè)子系統(tǒng)（圖1），信息監(jiān)控子系統(tǒng)主要利用攝像頭進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綘顟B(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警、監(jiān)控信息查詢、信息統(tǒng)計(jì)分析、應(yīng)用平臺(tái)維護(hù)功能，用戶可通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)對(duì)水利信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與分析。

圖1 “電子河長(zhǎng)”——水利信息可視化系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

數(shù)據(jù)是水資源管理業(yè)務(wù)開(kāi)展的基礎(chǔ)，通過(guò)設(shè)計(jì)可視化數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，決策者就可以通過(guò)平臺(tái)掌握現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況。平臺(tái)可控制各區(qū)域監(jiān)控?cái)z像頭，可靈活操縱云臺(tái)，也可進(jìn)行攝像頭不同距離的聚焦，定位定時(shí)分析水利信息，包括水位信息監(jiān)控、水質(zhì)信息監(jiān)控等。

2.2 自動(dòng)報(bào)警功能

自動(dòng)報(bào)警是指通過(guò)信息可視化狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，對(duì)經(jīng)檢測(cè)的各區(qū)域水位、水文信息圖像數(shù)據(jù)與各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，檢索出異常圖像數(shù)據(jù)后由自動(dòng)報(bào)警裝置上報(bào)，上傳出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)、地點(diǎn)及其他相關(guān)信息，最后經(jīng)人工審核后由決策者制定相應(yīng)的保護(hù)措施，包括水面圖像信息監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控等。

2.3 監(jiān)控信息查詢功能

監(jiān)控信息查詢是指信息可視化狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)上傳報(bào)警信息后，對(duì)經(jīng)檢測(cè)的區(qū)域、檢測(cè)時(shí)間、異常狀態(tài)、處理負(fù)責(zé)人、處理狀態(tài)等信息查詢并上報(bào)的功能，同時(shí)，監(jiān)控信息查詢時(shí)效性強(qiáng)，可以迅速確定某一區(qū)域的水利信息，提高水利部門(mén)的業(yè)務(wù)效率，主要包括水文信息查詢、異常狀態(tài)查詢、設(shè)備信息查詢等。

2.4 大數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)分析功能

大數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)分析是指信息可視化狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)對(duì)所收集的區(qū)域水利信息狀態(tài)、報(bào)警信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成相應(yīng)的匯總數(shù)據(jù)及相應(yīng)報(bào)表，同時(shí)，大數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)分析可以對(duì)未來(lái)水文信息進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)，進(jìn)而為未來(lái)水利工程建設(shè)投資計(jì)劃及設(shè)備維護(hù)計(jì)劃提供依據(jù)，主要包括設(shè)備信息統(tǒng)計(jì)、信息統(tǒng)計(jì)分析、異常狀態(tài)信息統(tǒng)計(jì)等。

2.5 應(yīng)用平臺(tái)維護(hù)功能

應(yīng)用平臺(tái)維護(hù)是指信息可視化狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)可以進(jìn)行自身狀態(tài)監(jiān)測(cè)和自身系統(tǒng)維護(hù)，當(dāng)傳輸線路故障或網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，可以自主維護(hù)或是提醒決策者進(jìn)行手動(dòng)維護(hù)。此外，為避免緊急故障或突發(fā)狀況，應(yīng)用平臺(tái)需要進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)和完善性維護(hù)，便于應(yīng)用平臺(tái)適應(yīng)未來(lái)軟硬件的變化或添加在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段中沒(méi)有的功能，主要包括設(shè)備維護(hù)、傳輸線路維護(hù)、報(bào)表維護(hù)功能等。

3 水利信息可視化系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)水利信息可視化系統(tǒng)的具體應(yīng)用和實(shí)際功能，對(duì)水利信息可視化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)于了解和促進(jìn)水利信息可視化進(jìn)行具有重要意義。

3.1 圖像識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)

圖像識(shí)別技術(shù)是水利信息可視化系統(tǒng)的重要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)，圖像識(shí)別也是目前人工智能領(lǐng)域的熱點(diǎn)，它不僅可以高效精準(zhǔn)地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，還可以對(duì)未來(lái)水資源狀態(tài)的演變進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖像識(shí)別技術(shù)利用信息監(jiān)控子系統(tǒng)提供的圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)將參考原圖像與異常圖像的區(qū)域進(jìn)行比對(duì)，有效識(shí)別異常區(qū)域特征，并自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警與分類(lèi)，例如水質(zhì)級(jí)別檢測(cè)、水上應(yīng)急救援等。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)提取以往的水利信息數(shù)據(jù)特征，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)同一異常目標(biāo)反復(fù)訓(xùn)練，最終實(shí)現(xiàn)水利信息異常檢測(cè)，例如污染物追蹤、流量檢測(cè)等。此外，不論是圖像識(shí)別技術(shù)還是機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，都可以通過(guò)調(diào)整模型、優(yōu)化算法，提高異常檢測(cè)的準(zhǔn)確率，最終實(shí)現(xiàn)人工零復(fù)核，從而實(shí)現(xiàn)信息可視化系統(tǒng)的自主決策[2]。

3.2 圖像數(shù)據(jù)傳輸與處理技術(shù)

針對(duì)海量水利信息圖像數(shù)據(jù)傳輸與有限網(wǎng)絡(luò)帶寬之間的矛盾，研究制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)壓縮處理與傳輸方案是解決網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸的重要方法[3]。根據(jù)水利信息的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)高清圖像壓縮傳輸?shù)募夹g(shù)，在保證圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上有效降低圖像的數(shù)據(jù)量，研究有限帶寬下大數(shù)據(jù)快速傳輸技術(shù)，在充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬的前提下，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、快速傳輸，從而對(duì)水利信息進(jìn)行可視化監(jiān)控。

3.3 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)整合技術(shù)

隨著水利信息可視化系統(tǒng)應(yīng)用的場(chǎng)景不斷增多，水利數(shù)據(jù)的多語(yǔ)義性、多時(shí)空性以及數(shù)據(jù)表達(dá)的多尺度性和數(shù)據(jù)獲取手段的復(fù)雜多樣性，導(dǎo)致多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，這使得水文信息數(shù)據(jù)分析變得十分復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)不同來(lái)源、不同結(jié)構(gòu)的水利信息數(shù)據(jù)的融合是水利信息可視化系統(tǒng)快速發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵[4]。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)直接訪問(wèn)、存取和時(shí)空分析，避免繁瑣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，探索經(jīng)濟(jì)適用的多源數(shù)據(jù)共享模式，真正實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合使用。

3.4 基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)

用戶層面向數(shù)據(jù)使用對(duì)象，對(duì)不同使用者發(fā)放不同權(quán)限；應(yīng)用層著重體現(xiàn)水利信息可視化系統(tǒng)的具體功能，提高工作效率并推廣應(yīng)用平臺(tái)；服務(wù)層通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理發(fā)布，提供各類(lèi)開(kāi)發(fā)接口與數(shù)據(jù)資源，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能；數(shù)據(jù)層主要用來(lái)進(jìn)行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)整合并存儲(chǔ)，建立水利信息大數(shù)據(jù)庫(kù)；基礎(chǔ)層主要是支撐軟件平臺(tái)的各種硬件設(shè)施，為水利信息可視化系統(tǒng)的順利運(yùn)行提供保障[5]。分層次的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)不僅展現(xiàn)某一區(qū)域水利工程及水資源情況，還為水利業(yè)務(wù)提供了信息化支持。

3.5 應(yīng)用平臺(tái)與管理業(yè)務(wù)整合技術(shù)

制定水利信息可視化系統(tǒng)作業(yè)與管理業(yè)務(wù)的綜合解決方案，在保障水利信息可視化系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)統(tǒng)一的信息可視化作業(yè)平臺(tái)應(yīng)用軟件，使監(jiān)控作業(yè)、報(bào)警及異常處理、數(shù)據(jù)分析等相關(guān)工作密切融合并同時(shí)進(jìn)行，形成多部門(mén)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，能夠及時(shí)處理安全隱患。建立水利信息公共服務(wù)平臺(tái)，整合地域地形和水利信息二維、三維數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有的水資源和水利工程設(shè)施建設(shè)基于空間位置統(tǒng)一管理，根據(jù)水利管理部門(mén)的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)基本可視化統(tǒng)計(jì)分析功能，奠定構(gòu)建水利多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

“電子河長(zhǎng)”——水利信息可視化系統(tǒng)的建設(shè)能夠?yàn)樗ㄔO(shè)提供規(guī)范、科學(xué)、有效的基礎(chǔ)資料，提高管理的效率與水平，為水資源配置調(diào)度提供長(zhǎng)期、穩(wěn)定的信息。此外，通過(guò)水利信息可視化系統(tǒng)可以建立水資源大數(shù)據(jù)庫(kù)，協(xié)助決策者進(jìn)行科學(xué)的決策。綜上所述，水利信息可視化建設(shè)非常必要，是今后進(jìn)一步提升水利工程建設(shè)現(xiàn)代化、數(shù)字化水平的必要途徑。