開發(fā)建設(shè)項目智慧水土保持系統(tǒng)建設(shè)初探

李百鳳，張乃暢

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

信息化是引領(lǐng)創(chuàng)新和驅(qū)動轉(zhuǎn)型的先導(dǎo)力量。開發(fā)建設(shè)項目智慧水土保持系統(tǒng)建設(shè)，旨在實現(xiàn)水保措施效果的自動化監(jiān)測、三維展示和水保問題及時報警和處理，科學(xué)評估水保措施效果，實現(xiàn)水保實施效果的自動化監(jiān)測、統(tǒng)計、分析對比等，為推動項目區(qū)自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境健康可持續(xù)發(fā)展，提供信息服務(wù)和業(yè)務(wù)管理技術(shù)支持。

1 智慧水土保持系統(tǒng)概念

智慧水土保持系統(tǒng)建設(shè)，是把傳感器和裝備嵌入到各種水土保持因素監(jiān)測設(shè)備中，通過后端計算單元、存儲設(shè)備單元、網(wǎng)絡(luò)運行單元及安全運行單元等設(shè)備為基礎(chǔ)，以移動互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通訊網(wǎng)等通信手段和技術(shù)為連接手段，使用GIS、GPS以及云計算等關(guān)鍵技術(shù)建立起來的數(shù)據(jù)感知、有效采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、分析處理、智能控制的信息服務(wù)計算后臺，形成水土保持信息的全景直觀的視圖界面，以實現(xiàn)水土保持監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)，再借助物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)挖掘等新技術(shù)，組合連接監(jiān)測設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和人類社會，對水土保持監(jiān)測要素實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能識別，對監(jiān)測數(shù)據(jù)即時傳輸和系統(tǒng)存儲，對海量數(shù)據(jù)智能挖掘和模擬仿真，以更加精細、及時、動態(tài)、開放的方式實現(xiàn)水土流失在線監(jiān)測和水土流失綜合治理措施決策。

2 建設(shè)目標(biāo)

開發(fā)建設(shè)項目智慧水保系統(tǒng)的目標(biāo)是整合開發(fā)建設(shè)項目水土保持設(shè)計、施工、監(jiān)測和監(jiān)理系統(tǒng)，實現(xiàn)水土保持措施效果的自動化監(jiān)測、三維展示和水保問題及時報警和處理，科學(xué)評估水保措施效果。為開發(fā)建設(shè)項目實行最嚴(yán)格的水保管理制度，實現(xiàn)水保優(yōu)化配置、高效利用和科學(xué)保護目標(biāo)提供支撐。與傳統(tǒng)的水土保持管理相比，智慧水土保持系統(tǒng)具有實現(xiàn)水保實施效果的自動化監(jiān)測、統(tǒng)計、分析對比，實現(xiàn)水土保持信息實時感知等特點，使水土保持管理更加及時有效。

(1) 實現(xiàn)水土保持“三同時”智能管控。

通過對水保項目設(shè)計、施工、投用狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)對項目挖填活動造成的水土流失及其防護情況、違規(guī)棄渣等問題進行全面監(jiān)控和預(yù)警，主要包括以下2個方面。① 對施工區(qū)規(guī)劃的水土保持措施實施嚴(yán)格管控，確保棄渣場先擋后棄，通過智能監(jiān)控手段，對違規(guī)取土棄渣等行為進行及時預(yù)警。② 對于施工過程中出現(xiàn)的水保問題及隱患，所有參建人員均可通過手機APP上傳至預(yù)警決策平臺，系統(tǒng)自動分配至相關(guān)責(zé)任單位和責(zé)任人，整改落實完畢后形成工作閉環(huán)。

(2) 實現(xiàn)水土保持監(jiān)控預(yù)警

施工區(qū)主要監(jiān)控對象包括：工程邊坡等容易造成水土流失部位的挖填活動，工程取土、棄渣等土石方取棄土活動，水土流失面積、流失量、流失強度變化情況，工程采取的水土流失防治措施數(shù)量和質(zhì)量、防護工程的穩(wěn)定性、完好程度和運行情況各項防治措施的攔渣保土效果等水土保持措施狀況。通過安裝監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)實時監(jiān)控，采集得到的環(huán)境數(shù)據(jù)及時上傳至預(yù)警決策平臺，實現(xiàn)對監(jiān)控數(shù)據(jù)的動態(tài)分析和預(yù)警決策。初步建立水電工程建設(shè)項目風(fēng)險預(yù)警體系及知識庫，實時把控工程風(fēng)險點，建立投資風(fēng)險稽核體系。

(3) 實現(xiàn)水土保持措施效果自動化評估

核心功能是實現(xiàn)水保實施效果的自動化監(jiān)測和反饋分析。整合項目水土保持設(shè)計、施工、監(jiān)理、監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)水保措施效果的自動化監(jiān)測、三維展示和水保問題及時報警和處理，科學(xué)評估水保措施效果。

(4) 實現(xiàn)“風(fēng)險識別自動化、決策管理智能化”

針對各管理層級在工程建設(shè)管理過程中的不同職責(zé)、不同深度，通過對工程建設(shè)各階段的數(shù)據(jù)集成、挖掘、對比、分析、展示，自動識別風(fēng)險源，并分級預(yù)警，形成自下而上的分級管控，實現(xiàn)實時監(jiān)控、自動分析、自動預(yù)警、互動決策，最終實現(xiàn)風(fēng)險識別自動化、決策管理智能化。

3 建設(shè)內(nèi)容

智慧水保系統(tǒng)的構(gòu)架主要分為信息感知層、數(shù)據(jù)傳輸處理層、業(yè)務(wù)處理層和預(yù)警決策層。信息感知層起到的作用是利用相關(guān)設(shè)備，實時感知水土流失量等變化；數(shù)據(jù)傳輸處理層是將感知的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)進行交互處理和共享；業(yè)務(wù)處理層是利用現(xiàn)代技術(shù)手段，將數(shù)據(jù)進行整合分析并實時處理應(yīng)對；預(yù)警決策層是評價各種風(fēng)險狀態(tài)強弱程度，向管理者發(fā)出預(yù)警信號并提前采取預(yù)控對策的系統(tǒng)。

(1) 信息感知層

信息感知層為一體化數(shù)據(jù)平臺提供信息采集功能并可時刻掌握工程建設(shè)狀態(tài)，利用GPS、RFID、寬頻定位、電子標(biāo)簽、攝像頭等設(shè)備，輔以PDA、電子表單、PC端人工錄入功能，可自動獲取工程建設(shè)管理的關(guān)鍵信息。

開發(fā)建設(shè)項目水土保持智慧系統(tǒng)的信息感知層建設(shè)，主要結(jié)合水土保持監(jiān)測和水土保持監(jiān)理工作建立，借助水土保持監(jiān)理監(jiān)測技術(shù)手段，并建設(shè)其他現(xiàn)場觀測設(shè)備等，實時感知工程建設(shè)進度、工程建設(shè)擾動土地面積、水土流失災(zāi)害隱患、水土流失及造成的危害、水土保持工程建設(shè)情況、水土流失防治效果，以及水土保持工程設(shè)計、水土保持管理等方面的情況。并在重要的渣場和料場、工程區(qū)域內(nèi)溝道等可能發(fā)生洪水、泥石流等部位設(shè)立定位觀測設(shè)備，實時監(jiān)測可能發(fā)生的影響人們生命財產(chǎn)安全的水土流失災(zāi)害等情況。

信息感知層將項目內(nèi)的各種水土保持活動有機結(jié)合，有利于提高工作效率、減少人為干擾，為實現(xiàn)參建各方工程管理數(shù)據(jù)信息的自動采集、實時共享、及時反饋提供技術(shù)支持。當(dāng)水土流失災(zāi)害發(fā)生時，搶險人員可以通過移動采集模塊，第一時間向系統(tǒng)提供照片、音頻、視頻、文字及GPS準(zhǔn)確位置等信息，通過移動視頻監(jiān)測的功能，了解到周圍重點區(qū)域的情況，提高搶險效率。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸處理層

數(shù)據(jù)管理層是對感知層信息的集成，包含平臺所需的基礎(chǔ)空間地理、三維模型、工程圖檔、業(yè)務(wù)流程等方面的數(shù)據(jù)信息。通過工程建設(shè)管理數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一的空間對象編碼和工程模型數(shù)據(jù)配置，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的管理和開發(fā)，以避免不同來源、不同階段、不同類型的信息出現(xiàn)沖突、孤立、無法關(guān)聯(lián)等問題。同時，根據(jù)建設(shè)管理需要，可通過接口控制實現(xiàn)與項目其他智慧系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。

數(shù)據(jù)傳輸處理層在充分集成利用現(xiàn)有軟、硬件資源的基礎(chǔ)上，集成整合項目的水土保持信息資源，通過實施數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)，形成面向各個參建方數(shù)據(jù)資源匯集的基礎(chǔ)性架構(gòu)，具有數(shù)據(jù)分析統(tǒng)籌全面、數(shù)據(jù)整合與數(shù)據(jù)融合、各方數(shù)據(jù)系統(tǒng)集成共享、數(shù)據(jù)查詢快速響應(yīng)等特點及優(yōu)越性。

(3) 業(yè)務(wù)處理層

業(yè)務(wù)處理層是根據(jù)功能要求來劃分管理對象，并作為與建設(shè)單位組織架構(gòu)相銜接的接口，與相關(guān)機構(gòu)和部門的職能一一對應(yīng)。該層面主要針對項目建設(shè)中的重點問題，以對工程狀態(tài)的全面感知、信息的即時傳達為基礎(chǔ)，以智能信息系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心，借助物聯(lián)網(wǎng)、三維數(shù)字移交、BIM等前沿技術(shù)，實現(xiàn)對工程建設(shè)各個環(huán)節(jié)的高效管控。

業(yè)務(wù)處理層主要分析處理項目區(qū)各項水土流失防治措施，重點處理水土保持方案落實情況，取土(石)場、棄土(渣)場使用情況及安全要求落實情況，擾動土地及植被占壓情況，水土保持措施(含臨時防護措施)實施狀況，水土保持責(zé)任制度落實情況等。掌握項目區(qū)水土流失狀況和效果，及時發(fā)現(xiàn)重大水土流失危害隱患并進行處理。

業(yè)務(wù)處理層是智慧水土保持系統(tǒng)的核心層，可為各個參加方提供項目水土保持建設(shè)實施情況，實時準(zhǔn)確地反映各個階段的水土流失問題，供各參建方發(fā)現(xiàn)問題、解決問題并評價實施效果。

(4) 預(yù)警決策層

預(yù)警決策層是利用多終端來創(chuàng)建沉浸式工程建設(shè)輔助管理和總體決策支持的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，通過構(gòu)建可視化平臺實現(xiàn)關(guān)鍵信息的快速獲取，同時滿足與上層公司實現(xiàn)信息鏈接與共享的需求。

預(yù)警決策主要針對工程區(qū)泥石流溝道型渣場。開發(fā)建設(shè)項目尤其是水電建設(shè)項目，工程區(qū)域堆渣場地條件較差，常常利用溝道堆渣，溝道堆渣體會占據(jù)大面積溝道而束窄泥石流流通渠道,將會改變泥石流運動特征,產(chǎn)生較嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害。若較大規(guī)模泥石流可能會引起堆渣體局部失穩(wěn),甚至堵塞溝道進而形成更大規(guī)模泥石流,對工程區(qū)域內(nèi)人民生命及財產(chǎn)安全和水電站的正常運營都造成較大威脅。水土保持智慧系統(tǒng)通過監(jiān)測泥石流運動規(guī)律和棄渣場的穩(wěn)定性,可以及時對渣場穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)出預(yù)警提示,收到預(yù)警的工作人員可及時提出處理決策并通過系統(tǒng)向各相關(guān)人員進行命令的下達，保證渣場的穩(wěn)定性和安全性,避免災(zāi)害的產(chǎn)生或者造成較大的損失。

智慧水土保持預(yù)警決策層的建立，對于預(yù)防開發(fā)建設(shè)項目水土流失災(zāi)害事件的發(fā)生意義重大。

4 關(guān)鍵技術(shù)

(1) 數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與傳輸技術(shù)

運用先進的物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳輸技術(shù)等IT技術(shù)實現(xiàn)對工程建設(shè)區(qū)域取棄挖填等擾動地表活動、水土保持措施實施過程和實施效果、棄渣場等監(jiān)測站點進行連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)測和管理，并實現(xiàn)實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳分類。

智慧水土保持實時監(jiān)測可借助水土保持監(jiān)測技術(shù)和手段，如遠距離測量、激光掃描、實時攝像、徑流泥沙自動觀測、侵蝕過程數(shù)字化攝影、航天遙感、航空遙感、無人機監(jiān)測、實時攝像、地面觀測等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高頻自動采集、遠距離信息傳輸、模型化分析處理、數(shù)字化應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)共享。

(2) 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

運用大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，整合各級數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建形成布局合理、規(guī)模適中、各種保障有力的大數(shù)據(jù)中心體系，促進各種大數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)資源的匯聚應(yīng)用。建設(shè)內(nèi)容包括以下幾部分：① 計算資源。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器集群、信息數(shù)據(jù)采集前置集群、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)處理集群、中間件軟件服務(wù)器集群、業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用集群。② 數(shù)據(jù)存儲資源。數(shù)據(jù)庫資源池、高并發(fā)數(shù)據(jù)資源池、常規(guī)數(shù)據(jù)資源池、視頻圖片數(shù)據(jù)資源池。③ 容災(zāi)備份資源。用于數(shù)據(jù)庫備份、文件級備份、操作系統(tǒng)、塊數(shù)據(jù)級別備份。建立兩地三中心的實時數(shù)據(jù)災(zāi)備恢復(fù)系統(tǒng)。④ 軟件平臺資源。服務(wù)器虛擬化系統(tǒng)、超融合系統(tǒng)、大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、云計算管理平臺，在PAAS基礎(chǔ)上構(gòu)建完備的軟件平臺系統(tǒng)。⑤ 網(wǎng)絡(luò)資源。互聯(lián)網(wǎng)寬帶及網(wǎng)絡(luò)安全防護，實現(xiàn)完備的內(nèi)外網(wǎng)安全設(shè)計，移動互聯(lián)網(wǎng)資源設(shè)計等。

(3) GIS空間顯示平臺技術(shù)

對數(shù)據(jù)中心層匯總的大數(shù)據(jù)及應(yīng)用層模塊對數(shù)據(jù)信息進行多樣化的空間顯示和開發(fā)模擬。平臺的建設(shè)內(nèi)容可劃分為2個主體功能部分：大數(shù)據(jù)的空間顯示及系統(tǒng)管理。① 大數(shù)據(jù)的空間顯示，包括中心層存儲的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及應(yīng)用層各模塊處理生成信息的空間呈現(xiàn)。顯示的內(nèi)容包括大數(shù)據(jù)中心層存儲的水土流失情況、水土保持措施實施進度形象、實施效果情況、棄渣場堆渣情況等各模塊對應(yīng)用層管理模塊基于水利大數(shù)據(jù)處理生成的信息。② 大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)管理，包括大數(shù)據(jù)的支撐管理系統(tǒng)平臺開發(fā)及變化趨勢擬合。通過機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，建立相關(guān)模型，對數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，通過在線數(shù)據(jù)進行測試分析，不斷提高模型準(zhǔn)確性和健壯性，為水土流失措施實施及項目水土保持管理提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

(4) 信息管理平臺建設(shè)

集合大量的水土流失預(yù)測模型，結(jié)合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)挖掘和模擬， 通過人工智能決策和系統(tǒng)虛擬仿真， 預(yù)測不同條件下的水土流失強度，對水土流失的防治、堆渣體的穩(wěn)定性、山洪和泥石流的防控進行智能規(guī)劃和模擬，最終選擇最優(yōu)決策。

信息化是引領(lǐng)創(chuàng)新和驅(qū)動轉(zhuǎn)型的先導(dǎo)力量。開發(fā)建設(shè)項目智慧水土保持系統(tǒng)的建設(shè)，可實現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項目全過程信息化監(jiān)控，及時準(zhǔn)確掌握新增水土流失治理情況?？v觀山區(qū)的開發(fā)建設(shè)項目，尤其是棄渣量大、場地布置困難、溝道洪水與泥石流發(fā)育的水電建設(shè)項目，因山洪、泥石流造成的財產(chǎn)損失動輒上千萬，甚至造成人員傷亡，其損失更是難以計量。建設(shè)智慧水土保持系統(tǒng)，預(yù)防水土流失災(zāi)害事件的發(fā)生，減小水土流失災(zāi)害造成的人民生命財產(chǎn)損失，具有可觀的經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 語

開發(fā)建設(shè)項目智慧水土保持系統(tǒng)建設(shè)工程，通過監(jiān)測感知、數(shù)據(jù)處理、云計算中心、一體化平臺的建設(shè)，將工程建設(shè)過程中的水土保持施工、水土保持監(jiān)測、水土保持監(jiān)理等所有數(shù)據(jù)、流程進行統(tǒng)籌管理、分析、利用，實現(xiàn)工程建設(shè)管理的信息化、數(shù)字化、智能化，使水土保持管理工作的層次和決策工作更加準(zhǔn)確和智慧。實現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項目全過程信息化監(jiān)控，推進監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時動態(tài)采集與分析，及時準(zhǔn)確掌握項目水土流失治理情況，全面提升生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持現(xiàn)代化建設(shè)管理水平。