地市級“智慧水利”平臺功能設計

高 正，張 臻，俞演名，曹迪凡

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 問題的提出

伴隨著全球信息化浪潮和智慧城市、物聯(lián)網技術等概念[1-2]的提出，水利工作也逐步向信息化、數字化、智慧化邁近?！爸腔鬯边@一概念也逐步開始進入人們的視野。

目前國內水利系統(tǒng)已經初步實現水情、雨情等相關信息的采集、處理、傳輸、接收、監(jiān)測以及洪水聯(lián)機預報集于一體，并在全國范圍內建立進行國家水文數據庫的建立，取得一定的成果[3-4]。高英[5]提出“BIM+”智慧水利技術，主要針對設計方面聯(lián)合互聯(lián)網思維實現創(chuàng)新；王文光[6]等人提出基于云計算的城市供水管網系統(tǒng)，能對城市管網進行高效管理；陳鳳[7]等人提出要基于物聯(lián)網技術搭建智慧水利系統(tǒng)的基本思路；王忠靜[8]等人提出基于信息化技術實現水資源高效調度的思路，并在灌區(qū)管理中得到實踐運用。但由于水利工程地域分布廣、管理部門分散、信息量大的特點[9-10]，且現有信息自動化系統(tǒng)很難滿足各個部門管理人員對轄區(qū)內水利情況的實時、準確、全面了解的需求[11]，使得上述成果相對封閉和獨立，不能充分共享水利大數據，容易形成信息孤島[12]，極不利于區(qū)域性統(tǒng)籌和決策系統(tǒng)發(fā)揮作用。

為解決這一問題，針對地市級的水利需求，本文提出基于6大模塊的地市級“智慧水利”平臺的框架，能夠很好的地解決各個信息孤島之間的壁壘，實現區(qū)域性統(tǒng)籌和決策，支撐地市級水利信息建設。

2 平臺總體框架

2.1 地市級平臺需求特征

地市級“智慧水利”平臺直接關系到一方百姓的水利需求，相比國家級、省級的水利管理需求，其信息化平臺的建設更需要“接地氣”，更有可操作性。同時，地市級“智慧水利”平臺的搭建也能為省級、國家級信息數據庫搭建儲備必備數據，是上層平臺管理的基礎。

目前我國許多地市的水利系統(tǒng)仍依靠傳統(tǒng)方式進行工情等信息的傳輸，如電話、傳真等手段，這類方法效率較低，且信息傳遞缺少全局性[2]。相比之下，較發(fā)達地區(qū)雖然較早地進行信息化系統(tǒng)的開發(fā)，但是普遍仍局限于具體運用，缺少對數據庫的進一步梳理、整合及應用。

因此，在地市級“智慧水利”平臺的功能設計中，需要滿足下列條件：①信息數據的全面可靠；②動態(tài)信息的及時更新；③人員溝通交流的方便快捷；④相關管理流程的智能高效。

要避免信息平臺的建設淪為單純的線上展示數據，而應發(fā)揮數據庫的效能，促進人員溝通交流，簡化相關工作，提高辦事效率。

2.2 系統(tǒng)框架設計

地市級“智慧水利”平臺的應用總體框架，可以區(qū)分每層的組成部分和應用職能?？傮w框架主要包括：應用層、支撐層、存儲層、傳輸層、感知層（見圖1）。

圖1 智慧水利平臺總體構架圖

感知層是所有信息的來源與基礎，主要采集水雨情信息、水質信息、工情信息、管理信息、遙感信息、視頻信息等內容。本層既能依托大量物聯(lián)網傳感器和攝像頭等終端獲取水情工情等數據，又能利用數據提取程序從合法接口接入其他已存在的數據庫（如氣象局氣象數據庫、遙感衛(wèi)星影像數據庫等）以獲取對應信息，還可以基于PC（個人計算機）與手機終端填報、采集相關管理信息。通過這3種途徑完成感知層任務。

傳輸層主要依靠無線網絡、有線網絡在程序控制交換系統(tǒng)、加密系統(tǒng)的輔助下，依托公用網絡或者專用網絡進行數據傳遞。

存儲層用于存放所有數據，主要包括基礎數據庫（儲存如三維地形數據、水系數據等地理信息基本數據）、水情數據庫、工情數據庫、水質數據庫、管理數據庫（存放如河湖長制管理的相關資料）、遙感數據庫（存放用于遙感分析的影像）等。

支撐層是為應用層提供技術支撐，通過BIM平臺（主要提供工程建筑物幾何與屬性信息）、GIS平臺（主要提供宏觀地理信息）、數模分析組件（主要為基于云計算的水文水質計算模型以及未來依靠AI開發(fā)的決策輔助程序）、遙感分析組件（主要提供對遙感數據的反演計算功能）等提供應用層所需的各類信息。

應用層是直接面對用戶的部分。底層收集的數據經支撐層相關應用處理后，將數據與結論根據不同應用場景的需要提供給用戶，完成信息服務。應用層提供綜合信息服務、水情信息服務、工情信息服務、水質信息服務、應急指揮服務、日常管理服務。

3 水利服務功能設計

本文重點完成平臺應用層的功能設計體系框架（見圖2）。

圖2 平臺應用層功能設計體系框架圖

3.1 綜合基本信息

（1）總體概況展示：依托云端大數據分析，依據專業(yè)的權重規(guī)則，由計算機定期進行階段性水情、工情、水質等各個方面的評估打分，在平臺上展示各項分數的同時由計算機指出需重點關注的問題（扣分項），并依據管理目標提出下一步改進建議。

（2）基本地理信息展示：對區(qū)域內二維GIS地圖與三維地形、三維實景模型進行基礎性展示。

3.2 水情信息

（1）水情自動收集分析：通過與地市級水利部門轄區(qū)內的所有雨量站、水文站、水庫管理站的專網通信連接，實時獲取相關雨情、河道水庫水情等信息。由計算機自主分析提取水資源相關數據，實現系統(tǒng)化的水雨情數據查詢統(tǒng)計、相關公報的自動編制、圖表繪制以及水資源信息的自動規(guī)范化管理。

通過對本月降水、上游來水等信息的收集，由計算機結合往年數據進行專業(yè)的數據挖掘，分析評估本月水情質量并根據評分得出是否需要優(yōu)化水資源配置的綜合結論性建議。該建議鏈接到綜合基本信息頁面，在首頁中結合相關評分展示。

（2）展示形式：為提升展示效果，建議結合二維GIS地圖進行，同時也可以選擇以表格形式展示。

（3）數據整理：計算機依據規(guī)則自動在數據庫中調取地形、雨量、河流水文等數據進行封裝，作為水文模型計算的源數據以備使用。

3.3 工情信息

（1）工情信息的“BIM+GIS”組合展示。將轄區(qū)內的堤防及閘泵站工程、河道及配套工程、水庫等儲水蓄水工程、雨污水管網、污水處理廠、供水管網及自來水廠各類工程的BIM模型與位置信息均在GIS底圖中反應，并將該底圖作為宏觀工程把控的基礎，方便信息查詢以及運行管理。

在底圖中，各類工程以鮮明的圖例標志（紅、黃、綠分別代表待建、建設中、正常運行3種狀態(tài)），并簡要描述各運行工程的基本運維情況（警告、提醒、良好）。通過點擊工程，可以在彈出的窗口中跳轉查看堤防與閘泵站的工程BIM模型、實景信息與監(jiān)控視頻信息。

（2）工程信息自動收集展示?；谝延械墓こ踢\行管理系統(tǒng)（若無則可與智慧水利平臺一并建設），由計算機依據水利工程標準化管理規(guī)則對日常工作中的標準化臺賬信息（工程檢查情況記錄、維修養(yǎng)護記錄、調度運行記錄、現場采集信息、各類資金落實情況等）與工程監(jiān)測的物聯(lián)網傳感器的實時信息進行采集，以結合標準化管理需求評估各工程運維狀況并打分。

考慮到地市級水利部門的水利工程建設管理工作，各類工程的建設信息也應一并采集，或在工程立項初期即錄入在本平臺上進行錄入，這類信息包含建設狀況、建設單位、投資進度等。

（3）自動化報表導出。上述各類信息，均可以依照不同權限輸出相關的制式報表，以此保證管理部門各方的信息及時更新

（4）自動化BIM模型導出。支持工程、管網簡化模型與信息的導出，以便向常用計算模型實現信息傳遞。同時在遇到新工程建設時，建設方可以提供工程實施范圍內三維BIM模型以便設計方更精確地進行相關設計。設計方的BIM設計成果交付也能更進一步完善轄區(qū)內“BIM+GIS”模型。

3.4 水質信息

（1）“無人機+衛(wèi)星”雙平臺遙感監(jiān)測及其反演云端計算。通過建立一套衛(wèi)星遙感與無人機遙感相結合的流域水質遙感監(jiān)測方法與程序，可以將無人機遙感的靈活性與衛(wèi)星遙感的廣域性結合，充分發(fā)揮平臺間的組合優(yōu)勢。

基于上述“無人機+衛(wèi)星”雙平臺遙感數據，借助以鄧孺孺等人研發(fā)的水質遙感反演模型[7]，在云端由計算機自動進行遙感數據大批量處理與反演計算，得到可供評估的反演成果。

（2）水環(huán)境狀況自動評估。水質數據主要來自水質站點實測數據（機器自動采樣化驗或者人工抽樣檢查）與上述遙感數據的反演成果?；谏鲜鰯祿碓?，將遙感反演結果和點位實測結果與GIS地圖結合，多圖表聯(lián)動，通過計算機的大數據云處理與歸納分析評估，更為全面直觀地幫助管理者進行輔助決策分析并提出相關建議。

（3）多監(jiān)測信息的集中展示。通過目錄樹查詢或二維GIS地圖點選方式，針對水質明顯惡化的區(qū)位，在查看水質數據的同時查看河道實景、監(jiān)控視頻（含無人機航拍），以便集中了解該區(qū)域水質問題。

（4）污染分析預測及風險預警。當發(fā)生重大污染事件時，通過云平臺計算，根據水質實測數據，實時劃分重點關注區(qū)域，并依據水文水質模型進行污染影響的分析預測，并及時發(fā)布相關風險預警。

3.5 應急指揮

應急指揮模塊主要關注的是信息及時傳達。本部分功能重點依靠平臺移動端的APP實現由下至上的險情災情通報，以及由上至下的應急部署輔助。通過在APP中預留的功能接口，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)級水利部門的信息可以及時上傳到地市級平臺中由計算機進行統(tǒng)一匯總，便于地市級管理部門及時了解情況，并調配相關資源。地市級管理部門依靠平臺移動端APP及時對下屬部門發(fā)布通知與安排工作，提升應急效率。本部分建設可以與傳統(tǒng)信息化建設合并進行。

3.6 日常管理

日常管理模塊主要針對地市級水利部門的管理流程需求，實現基于行政政務流程的日常政務管理服務；基于河湖長制的管理制度基礎，在河湖長制管理模塊中充分展現相關基本水情信息與工情信息，并將責任落實到人，完善河湖長制的實際管理流程；基于合理的水文、水質模型，為日常水利調度提出合理建議。本部分建設也可以與傳統(tǒng)信息化建設合并進行。

4 關鍵技術

信息技術在平臺應用開發(fā)中的重要性已經被多篇論文所論述，因此本文主要針對非計算機技術的典型關鍵技術方法的運用展開必要性論述。

4.1 “BIM+GIS”組合運用技術

傳統(tǒng)二維GIS地圖缺少對局部工程的細節(jié)展示，而僅有工程的BIM模型則難以從宏觀層面把握實際情況。因此將BIM與GIS技術有機結合進行運用是本方案實施的一大特征。宏觀層面的信息展示借助GIS系統(tǒng)完成，通過點擊等方式可以直接跳轉到工程實際位置。充分利用BIM的三維可視化優(yōu)勢使管理者快速熟悉環(huán)境，為管理者提供宏觀了解當前狀態(tài)的系統(tǒng)全貌，是仿真運行歷史以及虛擬推演假設情景的最佳展示環(huán)境（見圖3）。

圖3 “BIM+GIS”組合運用技術示意圖

本部分技術的核心難點在于如何將BIM模型輕量化以及確認需要保留的信息類別。BIM模型更多地要關注實際設計問題，但是對“智慧水利”平臺，許多設計信息在運維管理中并不需要，隱藏即可。因此需要通過對建設方管理需求的充分調查對接以確認BIM模型輕量化的技術標準，并發(fā)布成相關地區(qū)標準文件以方便設計方執(zhí)行。

4.2 低成本物聯(lián)網傳感終端的開發(fā)與布設技術

目前許多精密測量用的傳感器終端價格還比較高，因此傳統(tǒng)的水利監(jiān)測也往往局限于“少而精”的布局體系。但要讓平臺發(fā)揮作用需要更大量的數據，有必要研發(fā)成本低、便于布設的物聯(lián)網傳感器終端。

本部分技術要點在于，找到數據精度與傳感器成本之間的平衡。事實上，在一般水利測量中，以水位為代表的物理量測量精度要求并未高到需要使用激光測量儀的程度。因此物聯(lián)網傳感終端應以低精度低成本測量傳感器為主，搭配以Zigbee芯片為代表的低成本低功耗信息傳輸設備，以及小型太陽能電池板為代表的可持續(xù)供電裝置，充分降低布設成本，以獲得大量監(jiān)測數據，擴大監(jiān)測范圍。

4.3 “無人機+衛(wèi)星”雙平臺自動遙感協(xié)同技術

隨著無人機技術的日益普及，一般的無人機巡檢漸漸成為常態(tài)。隨著遙感儀器（如高光譜儀）的體積日益減小，機載遙感與衛(wèi)星遙感的協(xié)同也成為可能。相比傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感受到云層、拍攝時間、拍攝精度等條件的限制，機載遙感的靈活性將為其在近地層觀測中獲得一席之地?；凇盁o人機+衛(wèi)星”雙平臺的遙感技術示意見圖4。

圖4 基于“無人機+衛(wèi)星”雙平臺的遙感技術示意圖

本部分技術難點在于無人機與衛(wèi)星遙感之間的協(xié)同配合機制。為高度實現無人機巡檢遙感的自動化程度，需要由平臺依據對衛(wèi)星遙感、水質實測數據分析得到的重點觀察區(qū)域來自動劃定計算無人機巡檢范圍。同時，在無人機航測完成后，由平臺自動將無人機本次飛行的GPS數據疊加到無人機遙感數據中，經云端反演計算后，自動疊加到已有水質遙感圖中，完善重點區(qū)位的水質遙感信息。

4.4 “水文水質模型+平臺”的云計算技術

當前應用廣泛的分布式水文模型等缺少對實時數據的響應，有的因為算法原因導致計算耗時過長，計算結果也缺少時效性。這種方式的模型計算難以為信息平臺快速方便地提供數據。

為解決這一問題，需要在云端運行所獲取的大量數據與計算程序，利用云計算完成傳統(tǒng)線下單臺計算機完成的工作。該部分技術難點在于將前期數據處理工作自動化，并將已有水文水質模型輕量化：通過完善云端水文水質模型輸入輸出接口、輕量化已有水文水質模型算法或進一步利用卷積神經網絡等算法替代已有算法等方法，實現基于云計算的模型計算功能。

5 應用特點

（1）信息準確性高。通過大量的信息收集途徑以及與已有信息化平臺系統(tǒng)數據庫對接，可以保證數據庫數據的準確性與時效性。

（2）信息展示量大。通過“BIM+GIS”手段，實現宏觀微觀水利信息的全方位展現。相比傳統(tǒng)展示方式，水情、工情、水質等基礎信息通過更為直觀的方式呈現，為用戶日常工作提供全方位的信息參考。

（3）遙感運用程度深。除了傳統(tǒng)的遙感查看工情、占地等信息，借助先進的水質反演程序，還可以實現大范圍的水質推演。依靠無人機、衛(wèi)星等載體，形成空天一體化的監(jiān)測體系，用較低的成本，完善水環(huán)境監(jiān)測的體系。

（4）云端數據量大。為了消除信息孤島，需要將大量的信息保存在云端，這對云端存儲與傳輸提出較高的要求，同時信息安全也更為重要。本方案的實施也需要基于云端數據存儲安全可靠的前提下進行。

（5）云計算依賴度高。要實現平臺的決策輔助功能，除云端數據存儲外還需要有強大的云計算來運行復雜的水文水質模型以及遙感反演模型。因此在平臺建設中，需重視云計算能力的構建。

6 結 語

本平臺的功能模塊是基于實際地市級水利管理需要進行設計，結合實際運行與用戶反饋，進一步優(yōu)化結構框架。通過綜合基本信息、水情信息、工情信息、水質信息、應急指揮、日常管理6大功能模塊，解決應用系統(tǒng)各自獨立、信息分散、共享困難的問題，將分散的信息資源集成統(tǒng)一，為轄區(qū)內流域水利信息化提供科學高效的技術支撐。