電子信息智能化在智慧水利中的應(yīng)用

黃陳珽

（福清市水利局，福建 福清 350300）

0 引 言

水利部發(fā)布的《水利信息化發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提到，水利信息化作為水利現(xiàn)代化的基礎(chǔ)支撐和重要標(biāo)志，必須加強(qiáng)立體化監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)化管理、規(guī)范化監(jiān)督、智能化決策和便捷化服務(wù)能力建設(shè)，以水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施整合為先導(dǎo)，以水利信息資源共享為核心，以水利業(yè)務(wù)應(yīng)用推進(jìn)為重點(diǎn)，以水利網(wǎng)絡(luò)安全為保障，以水利信息化保障環(huán)境為基礎(chǔ)，進(jìn)一步完善水利信息化綜合體系，推進(jìn)水利信息和全面滲透、深度融合、加速創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型發(fā)展，推動(dòng)“數(shù)字水利”向“智慧水利”轉(zhuǎn)變，推進(jìn)水治理體系和水治理能力現(xiàn)代化。

水安全、水環(huán)境關(guān)系到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，關(guān)系到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定，我市位處沿海城市常有臺(tái)風(fēng)登入，時(shí)常面臨的臺(tái)風(fēng)、洪澇、環(huán)境污染等情況。

1 水利業(yè)務(wù)存在的問題

（1）福清市水利業(yè)務(wù)信息化工程己經(jīng)取得了一定的成效，但在應(yīng)對(duì)防汛防風(fēng)任務(wù)、災(zāi)害頻發(fā)、水質(zhì)污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)退化等嚴(yán)峻形勢(shì)下，水利信息化仍無法有效地支撐水利管理工作。

（2）目前水利信息資源缺乏互連互通，存在信息孤島、資源分散、分析決策能力較差，急需整合共享，尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一部署的水利數(shù)據(jù)庫(kù)，無法與智慧島大數(shù)據(jù)中心更好地對(duì)接共享。

（3）當(dāng)前業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中主要存在信息共享程度低、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和開發(fā)平臺(tái)不統(tǒng)一、系統(tǒng)應(yīng)用覆蓋面不夠、協(xié)同聯(lián)動(dòng)能力差、信息展示不直觀、無法三維立體化的獲取現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息等客觀問題。

2 智慧水利的需求

智慧水利的核心是“智慧大腦”，需要完善的“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”，以便提升感知、分析、預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)防范能力。福清市“智慧水利”根據(jù)福建省水利廳推進(jìn)的一張網(wǎng)、一張圖、一個(gè)中心、一個(gè)平臺(tái)、一個(gè)窗口的“五個(gè)一工程”建設(shè)，需把水利全要素動(dòng)態(tài)智能感知網(wǎng)、水利全業(yè)務(wù)空間地理信息電子地圖、高度集成的水利數(shù)據(jù)資源中心、綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用支撐平臺(tái)、水利公共服務(wù)與信息發(fā)布窗口等方面整合起來，強(qiáng)化新一代信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)的深度融合，深化業(yè)務(wù)流程再造和業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新，建立涵蓋主要水利業(yè)務(wù)需求的應(yīng)用大系統(tǒng)，解決水利信息化中的碎片化和信息孤島問題，促進(jìn)水利信息化提檔升級(jí)。

3 電子信息智能化對(duì)智慧水利應(yīng)用現(xiàn)實(shí)意義

智慧水利中電子信息智能化，涵蓋水旱災(zāi)害防御業(yè)務(wù)應(yīng)用、流域水環(huán)境分析、水利工程管理等方面，系統(tǒng)可按照需求對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行可持續(xù)擴(kuò)展，并基于智慧水利統(tǒng)一框架，對(duì)區(qū)水利局用戶、權(quán)限進(jìn)行統(tǒng)一管理，有效提高各科室業(yè)務(wù)協(xié)同效率，充分利用現(xiàn)有資源，減少重復(fù)開發(fā)；利用物聯(lián)網(wǎng)等信息化手段，開發(fā)智慧水利指揮決策大屏，實(shí)現(xiàn)水利不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的應(yīng)用，為水旱災(zāi)害防御、水資源管理、水利工程調(diào)度的會(huì)商決策提供支撐服務(wù)；利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)實(shí)施嚴(yán)格的管理手段予以保證，通過開發(fā)“實(shí)用、先進(jìn)、可靠、高效”的水資源監(jiān)控及業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的合理配置；利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、水文分析計(jì)算技術(shù)，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性檢查，并對(duì)水雨情遙測(cè)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警和人工干預(yù)校正，實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理的科學(xué)化、自動(dòng)化、智能化，有效提高水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理能力和效率，為防汛決策、水利工程建設(shè)、水資源管理等提供可靠的水文基礎(chǔ)信息服務(wù)。

大幅度提高水利工程水雨情的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)能力以及流域水環(huán)境數(shù)據(jù)的分析，對(duì)于水利信息化管理、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)視水利工程動(dòng)態(tài)情況、及時(shí)響應(yīng)災(zāi)害險(xiǎn)情、防災(zāi)減災(zāi)、有效整合城市水利資源、提升社會(huì)資源利用效率、實(shí)現(xiàn)資源共享、降低管理成本、提升辦公效率、提高管理決策有著非常重要的意義。

通過“智慧水利”的建設(shè)，可有效解決當(dāng)前城市面臨的臺(tái)風(fēng)、洪澇等自然災(zāi)害頻發(fā)的形勢(shì)，水資源合理優(yōu)化配置、河湖水庫(kù)管理和治理的迫切需求等問題，全面提升水利局在防災(zāi)減災(zāi)、河湖水庫(kù)管理等各項(xiàng)業(yè)務(wù)工作水平，減少災(zāi)害損失，改善水環(huán)境水生態(tài)問題，提升公眾服務(wù)效率及服務(wù)能力，更好地滿足城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和政府的宏觀決策。

4 智慧水利中電子信息智能化的應(yīng)用

4.1 智慧水利的總體框架

基于電子信息智能化的智慧水利遵循國(guó)家、省、市、縣各級(jí)及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、安全體系規(guī)范，總體框架主要分為：“感知層—支撐層—數(shù)據(jù)層—應(yīng)用層—用戶層”多層分布式體系架構(gòu)形式搭建，以保障系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。福清市智慧水利作為一個(gè)長(zhǎng)期規(guī)劃的項(xiàng)目，同時(shí)考慮為后期系統(tǒng)建設(shè)及數(shù)據(jù)接入預(yù)留接口，以便智慧水利總體集成。智慧水利的總體框架如圖1所示。

圖1 智慧水利的總體框架

感知層：主要有在水利工程部署的攝像頭、雨量計(jì)、水位計(jì)、流速計(jì)等傳感器。

基礎(chǔ)設(shè)施層：包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、安全防護(hù)產(chǎn)品、地理信息服務(wù)（GIS 地圖）為上層應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支撐。

數(shù)據(jù)層：將原有數(shù)據(jù)源包括已建設(shè)的系統(tǒng)、水利局歷史重要文件材料以及第三方公司或者網(wǎng)站將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，通過抽取、清洗、轉(zhuǎn)化、載入等數(shù)據(jù)治理搭建關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、分布式文件系統(tǒng)、分布式非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，并構(gòu)建“地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)”“水利專題要素?cái)?shù)據(jù)”“水利專題圖集數(shù)據(jù)”“氣象實(shí)況/預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)”“預(yù)警告警數(shù)據(jù)庫(kù)”“水系監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)”“水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)”“水利知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)”“關(guān)系分析方案數(shù)據(jù)庫(kù)”“系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫(kù)”等主題數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理維護(hù)；并通過數(shù)據(jù)檢索服務(wù)、數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)為上層應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)支撐服務(wù)，并通過數(shù)據(jù)共享服務(wù)將整合匯聚好的數(shù)據(jù)提供標(biāo)準(zhǔn)化接口提供福建省、福州市相關(guān)文件要求的部門和單位。

應(yīng)用層：智慧水利應(yīng)用平臺(tái)包括流域水環(huán)境分析系統(tǒng)、數(shù)字防汛綜合應(yīng)用系統(tǒng)、水庫(kù)信息化管理系統(tǒng)、水利物聯(lián)感知采集管理系統(tǒng)、智慧水利移動(dòng)應(yīng)用管理系統(tǒng)、統(tǒng)一管理維護(hù)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)化、信息利用共享化、業(yè)務(wù)流程協(xié)同化、決策分析智能化。

用戶層：包括領(lǐng)導(dǎo)、業(yè)務(wù)工作人員、系統(tǒng)管理人員、其他人員（公眾、上級(jí)相關(guān)文件需求數(shù)據(jù)對(duì)接使用人員）。

4.2 建立電子信息智能化的智慧水利應(yīng)用

根據(jù)福清市智慧水利的現(xiàn)狀和需求，“以需求為導(dǎo)向、以應(yīng)用為核心、以服務(wù)為目標(biāo)”開展建設(shè)工作，智慧水利建設(shè)規(guī)模及內(nèi)容有：

4.2.1 水系物聯(lián)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)

通過傳感器、電子遙感、工控設(shè)備監(jiān)控等物聯(lián)感知設(shè)備的布設(shè)搭建，建立起覆蓋福清智慧水利監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，主要包括水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、流速自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、視頻監(jiān)控點(diǎn)位等監(jiān)測(cè)設(shè)備補(bǔ)充完善等內(nèi)容。

水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)：系統(tǒng)對(duì)水庫(kù)的水雨情全面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；另外，在重要河段進(jìn)行布點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流域的水位漲落情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

流速自動(dòng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)在流域上游、中游以及下游分別進(jìn)行流速自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)對(duì)流域的水流量監(jiān)測(cè)。

視頻監(jiān)控點(diǎn)位擴(kuò)容：實(shí)現(xiàn)干渠沿線、流域河道沿線視頻監(jiān)控可視化展示。

4.2.2 智慧水利應(yīng)用平臺(tái)

智慧水利應(yīng)用平臺(tái)面向水利工作監(jiān)管、防汛、河長(zhǎng)制管理等業(yè)務(wù)工作需要，建立全面、智能的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)，為水利局開展各項(xiàng)政務(wù)工作及業(yè)務(wù)管理提供便捷的管理平臺(tái)及通道，提高工作效率。整合原有應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新增流域水環(huán)境分析系統(tǒng)、數(shù)字防汛綜合應(yīng)用系統(tǒng)、水庫(kù)信息化管理系統(tǒng)、水利物聯(lián)感知采集管理系統(tǒng)、智慧水利移動(dòng)應(yīng)用管理系統(tǒng)、統(tǒng)一管理維護(hù)系統(tǒng)。圖2為智慧水利應(yīng)用平臺(tái)界面展示。

圖2 智慧水利應(yīng)用平臺(tái)

4.2.3 流域水環(huán)境分析系統(tǒng)

依據(jù)“整縣推進(jìn)、全域治理”基本原則，整合已有建設(shè)多個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成、分析、展示與管理，為水利局的管河治水工作實(shí)現(xiàn)全面的流域治理態(tài)勢(shì)分析與治理決策支撐的數(shù)字化管理目的。通過匯聚當(dāng)前水利局河長(zhǎng)辦具體業(yè)務(wù)的多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)功能有流域治理地圖分析展示、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合分析展示、決策應(yīng)用分析、綜合統(tǒng)計(jì)分析、治理專題管理、數(shù)據(jù)集成處理管理后臺(tái)。

4.2.4 數(shù)字防汛綜合應(yīng)用系統(tǒng)

數(shù)字防汛綜合應(yīng)用系統(tǒng)（圖3）通過物聯(lián)智能化感知網(wǎng)獲取監(jiān)測(cè)設(shè)備終端數(shù)據(jù)結(jié)合氣象預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)分析對(duì)防汛風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)推演，并結(jié)合其他防汛各類要素展示指揮圖中可快速獲取重要信息，輔助指揮部人員確定響應(yīng)級(jí)別，并迅速通知市指揮部成員與鎮(zhèn)街領(lǐng)導(dǎo)、具體經(jīng)辦等，實(shí)現(xiàn)防汛預(yù)案管理功能，管理各級(jí)單位預(yù)案文件，設(shè)置自動(dòng)啟動(dòng)響應(yīng)條件，在啟動(dòng)應(yīng)急工作程序時(shí)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)級(jí)別應(yīng)急方案。將防汛應(yīng)急事件中上報(bào)的突發(fā)事件、汛情、災(zāi)情、險(xiǎn)情等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行審核分析并及時(shí)反饋，同時(shí)，通過防汛數(shù)字大腦決策、模擬方案預(yù)演展示及相關(guān)預(yù)案的管理，以及通過指令下達(dá)、應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)情上報(bào)、可視化指揮調(diào)度、風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)。使水利防汛應(yīng)急指揮工作更科學(xué)、智能、便捷。

圖3 數(shù)字防汛綜合應(yīng)用系統(tǒng)

4.2.5 水庫(kù)信息化管理系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)水雨情及工程安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控、監(jiān)視和監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)工程信息的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化入庫(kù)處理，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度計(jì)劃和防洪搶險(xiǎn)預(yù)案的可視化運(yùn)用，達(dá)到“無人值班、少人值守”的科學(xué)管理目的。水庫(kù)信息化管理系統(tǒng)（圖4）通過前端傳感器的數(shù)據(jù)收集，水庫(kù)歷史積累數(shù)據(jù)，以及降水量數(shù)據(jù)的采集，形成水庫(kù)水情信息數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)功能模塊有水庫(kù)實(shí)景可視化、水庫(kù)綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)控、水庫(kù)調(diào)度方案管理、水庫(kù)告警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表管理、水庫(kù)名錄管理等模塊，將全市的水庫(kù)基礎(chǔ)信息、物聯(lián)監(jiān)測(cè)信息、監(jiān)控信息同水庫(kù)安全調(diào)度、應(yīng)急預(yù)案等進(jìn)行多維分析和綜合應(yīng)用。

圖4 水庫(kù)信息化管理系統(tǒng)

4.2.6 水利物聯(lián)感知采集管理系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)水利物聯(lián)感知傳感設(shè)備的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理、分析與應(yīng)用，為智慧水利應(yīng)用平臺(tái)的各大應(yīng)用系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源。系統(tǒng)內(nèi)容有水利物聯(lián)傳感器設(shè)備管理、監(jiān)測(cè)對(duì)象管理、視頻監(jiān)控管理以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從采集、解析、轉(zhuǎn)化、處理、核實(shí)校正、入庫(kù)到數(shù)據(jù)分析、展示應(yīng)用的全過程功能模塊。

4.2.7 智慧水利移動(dòng)應(yīng)用管理系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)城市居民可以實(shí)時(shí)了解風(fēng)情雨情等氣象情況，防汛動(dòng)態(tài)資訊，災(zāi)情上報(bào)讓工作人員多渠道了解汛情災(zāi)情與上報(bào)信息。工作人員可以快速掌握江河水庫(kù)及預(yù)警告警信息，應(yīng)急預(yù)案信息，通過防汛通訊錄可快速查找對(duì)應(yīng)負(fù)責(zé)人，接收防汛過程中各類消息，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)辦公工作；并提供城市積水分布信息地圖以及水利知識(shí)庫(kù)AI 助手服務(wù)。系統(tǒng)包括公眾移動(dòng)服務(wù)、移動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用、城市水知道、水利知識(shí)庫(kù)AI 助手、移動(dòng)應(yīng)用用戶中心、水利知識(shí)庫(kù)后臺(tái)管理、協(xié)同文件管理與分享、城市水知道后臺(tái)管理八個(gè)模塊。

4.2.8 統(tǒng)一管理維護(hù)系統(tǒng)

通過該系統(tǒng)對(duì)各個(gè)智慧水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行各業(yè)務(wù)應(yīng)用安全與數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)、提升系統(tǒng)運(yùn)維自身管理水平、提高各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)能力、提升各類數(shù)據(jù)的有效利用率。統(tǒng)一管理維護(hù)系統(tǒng)可分安全管理子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)匯聚交換子系統(tǒng)兩個(gè)部分。由單位機(jī)構(gòu)管理、用戶管理、角色權(quán)限管理、統(tǒng)一登錄認(rèn)證授權(quán)門戶、模塊配置管理、數(shù)據(jù)字典管理、日志管理、匯聚數(shù)據(jù)接口管理、數(shù)據(jù)共享服務(wù)管理等功能模塊組成。

4.2.9 水利數(shù)據(jù)資源（含基礎(chǔ)設(shè)施及安全體系）

水利數(shù)據(jù)資源中心根據(jù)國(guó)家、省及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及要求，利用現(xiàn)代信息管理技術(shù)建立完善的基礎(chǔ)水利信息數(shù)據(jù)和水利額外數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源，將水利局基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化匯聚、治理、存儲(chǔ)、管理、服務(wù)，為上層應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，并提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口為上級(jí)單位或者橫向單位提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)，實(shí)現(xiàn)資源整合和綜合利用，最大限度地滿足水利局信息化發(fā)展的需求。搭建應(yīng)用平臺(tái)的硬軟件運(yùn)行環(huán)境及安全環(huán)境，構(gòu)建一套基于“云”的模型服務(wù)平臺(tái)，集成水文、水質(zhì)，水力學(xué)等所有與水相關(guān)的模型、計(jì)算方法，打造一套集防洪、水文分析、水資源等所有服務(wù)的模型計(jì)算平臺(tái)，統(tǒng)一管理、統(tǒng)一服務(wù)，為洪水預(yù)報(bào)、智慧水利提供智能分析決策支撐。

5 結(jié) 論

電子信息智能化在智慧水利應(yīng)用中圍繞信息資源由“零散”走向“綜合”、工作模式由“孤立”走向“協(xié)同”、管理方式由“傳統(tǒng)”走向“智能”的整體建設(shè)目標(biāo)，重點(diǎn)推進(jìn)感知網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋、數(shù)據(jù)融合共享及關(guān)鍵業(yè)務(wù)智能應(yīng)用，快速提升水利局在防災(zāi)減災(zāi)、河湖水庫(kù)管理等各項(xiàng)業(yè)務(wù)工作水平和強(qiáng)監(jiān)管支撐能力，同時(shí)將防汛抗旱的工作逐步從被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)，通過完善的預(yù)警機(jī)制和應(yīng)急指揮系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地對(duì)可能或正在發(fā)生的汛情、險(xiǎn)情、災(zāi)情進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視，對(duì)領(lǐng)導(dǎo)決策和減少洪水災(zāi)害，排除汛期隱患，緩解城市的防洪壓力，危險(xiǎn)狀況預(yù)警，保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，提升公眾服務(wù)效率及服務(wù)能力，提高水利信息化水平具有重要作用。下一步，我們應(yīng)該繼續(xù)擴(kuò)電子信息智能化在智慧水利應(yīng)用的推廣領(lǐng)域，在水利業(yè)務(wù)日常辦公也引入“電子信息智能化在智慧水利”理念，將電子信息智能化新時(shí)代技術(shù)廣泛并巧妙地應(yīng)用于水利信息化的實(shí)踐中。