基于Android平臺(tái)的灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)研發(fā)

成榮亮，馬福恒 ，俞揚(yáng)峰，王 凱

（1.南京水利科學(xué)研究院大壩安全與管理研究所，210029，南京；2.水利部大壩安全管理中心，210029，南京）

隨著水利部《全國(guó)水利信息化建設(shè)“十三五”規(guī)劃》的全面部署，基于水利信息化建設(shè)的新內(nèi)涵，“十三五”水利信息化建設(shè)應(yīng)在現(xiàn)有水利信息化綜合體系之上，從基礎(chǔ)設(shè)施整合優(yōu)化、資源共享與服務(wù)、資源深度開(kāi)發(fā)與利用等主要層面進(jìn)行擴(kuò)展和豐富。目前灌區(qū)工程續(xù)建配套建設(shè)進(jìn)一步深入，灌區(qū)工程條件得到進(jìn)一步改善，利用現(xiàn)代技術(shù)手段提升灌區(qū)管理水平與效能，已成為灌區(qū)節(jié)水改造的重要內(nèi)容之一，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)信息化是灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。灌區(qū)信息化，可以快速、及時(shí)采集到各種必要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，大大提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性、實(shí)用性，為灌區(qū)科學(xué)調(diào)度、有效運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

大多數(shù)灌區(qū)范圍大、工程多、渠線長(zhǎng)，運(yùn)行管理水平普遍較低，特別是灌區(qū)信息化、智慧化滯后,管理效能低下，影響管理單位有效運(yùn)行。灌區(qū)巡檢包括直觀檢查和儀器探查，其優(yōu)點(diǎn)是不受時(shí)空限制，能全方位地及時(shí)捕捉隱患前兆、迅速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，是灌區(qū)安全監(jiān)控不可或缺的重要手段。由于傳統(tǒng)巡檢的繁雜性、高強(qiáng)度、管理難度大和巡檢人員素質(zhì)良莠不齊等多種原因，導(dǎo)致巡檢存在諸多問(wèn)題，如數(shù)據(jù)組織散亂、隨機(jī)性大、規(guī)范程度低、信息孤島嚴(yán)重和時(shí)效性差等。傳統(tǒng)巡檢方式已很難滿足灌區(qū)工程管理信息化的需要?；贏ndroid平臺(tái)的灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)國(guó)家新的治水思路的要求，是提高工程安全運(yùn)行保證的關(guān)鍵措施，是提高科學(xué)管理水平的重要途徑，是提高水資源利用效率的重要手段。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于Android平臺(tái)的灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)采用Android Studio 2.0進(jìn)行設(shè)計(jì)。Android Studio 2.0是針對(duì)各種Android平臺(tái)打造的高品質(zhì)、高性能應(yīng)用的最快方法，它包含代碼編輯器、代碼分析工具、模擬器等，支持最新的 Android 和 Google Play Services。巡檢系統(tǒng)將GIS定位、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢、巡檢任務(wù)管理、巡檢成果管理等功能集成入系統(tǒng)。巡檢人員利用智能巡檢系統(tǒng)的GIS模塊迅速鎖定需要巡檢的巡查點(diǎn)，運(yùn)用遙測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)、閘門(mén)監(jiān)測(cè)、泵站監(jiān)測(cè)等功能采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，借助無(wú)線通信技術(shù)，將智能巡檢采集到的數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行管理和分析。灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)不但減輕人工巡查的工作量，而且提高了巡檢的快捷性和采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，最終實(shí)現(xiàn)巡檢的智能化。

1.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

面向灌區(qū)的智能巡檢應(yīng)用功能根據(jù)各環(huán)節(jié)的不同特點(diǎn)提出了不同的應(yīng)用需求。根據(jù)灌區(qū)的特點(diǎn)，智能巡檢系統(tǒng)包括后臺(tái)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信模塊和巡檢系統(tǒng)終端等三部分，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.巡檢系統(tǒng)終端

基于Android平臺(tái)的灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)終端APP采用模塊化設(shè)計(jì)，分為視圖層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層，如圖2。視圖層采用xml文件布局，控件的監(jiān)聽(tīng)和數(shù)據(jù)顯示由控制層來(lái)操作。控制層作為網(wǎng)絡(luò)層和視圖層之間的中間層，將網(wǎng)絡(luò)層獲取的數(shù)據(jù)顯示到視圖層上，視圖層產(chǎn)生的操作通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層獲取數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的獲取采用http獲取數(shù)據(jù)，采用volley庫(kù)，數(shù)據(jù)為json格式，采用gson庫(kù)解析。

圖2 灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)框架

3.數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊是巡檢系統(tǒng)終端Android電子產(chǎn)品（平板電腦、手機(jī)等）與后臺(tái)灌區(qū)信息管理系統(tǒng)通信的媒介，巡檢人員在Android電子產(chǎn)品上領(lǐng)取巡檢任務(wù)、管理巡檢計(jì)劃、上傳巡檢結(jié)果。Android電子產(chǎn)品與后臺(tái)灌區(qū)信息管理系統(tǒng)通過(guò)GPRS或者WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4.后臺(tái)信息管理系統(tǒng)

灌區(qū)智能巡檢后臺(tái)信息管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)制定發(fā)布巡檢計(jì)劃、存儲(chǔ)巡檢結(jié)果、處理巡檢數(shù)據(jù)等內(nèi)容。管理人員可以在后臺(tái)信息管理系統(tǒng)內(nèi)制定和發(fā)布巡檢計(jì)劃，也可以實(shí)時(shí)調(diào)整巡檢計(jì)劃。后臺(tái)信息管理系統(tǒng)將巡檢人員上傳的巡檢結(jié)果進(jìn)行收集匯總和處理分析，并將分析結(jié)果反饋至巡檢系統(tǒng)終端電子設(shè)備上。

二、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及功能設(shè)計(jì)

1.關(guān)鍵技術(shù)

（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)終端采集的數(shù)據(jù)種類繁多，數(shù)據(jù)量巨大，合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高效存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。為此，基于Android平臺(tái)的灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與巡檢系統(tǒng)相結(jié)合，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和行為設(shè)計(jì)密切結(jié)合，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)字典以便于應(yīng)對(duì)不同的巡檢任務(wù)和類型需求，按照需求分析數(shù)據(jù)項(xiàng)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立巡檢系統(tǒng)不同的實(shí)體對(duì)象以及實(shí)體關(guān)系 （主要包含巡檢任務(wù)、巡檢線路、巡檢人員等內(nèi)容），建立巡檢點(diǎn)數(shù)據(jù)表，用于存放用戶在巡檢過(guò)程中的巡檢位置。同時(shí)，建立巡檢記錄表，將巡檢記錄進(jìn)行存儲(chǔ)，以便于系統(tǒng)的輸出和分析。

（2）數(shù)據(jù)解析

Android平臺(tái)通過(guò)HTTP訪問(wèn)服務(wù)器各類數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢、修改、刪除等，由于灌區(qū)巡檢記錄中的類型較多，數(shù)據(jù)接口返回的是較為復(fù)雜的JSON格式數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的解析是難點(diǎn)技術(shù)。目前Java處理JSON數(shù)據(jù)有三個(gè)比較流行的類庫(kù)FastJSON、Gson和Jackson，本系統(tǒng)采用Gson類庫(kù)解析JSON格式數(shù)據(jù)，該類庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)將不同類型的Java對(duì)象轉(zhuǎn)換成JSON，同時(shí)可把JSON字符串轉(zhuǎn)換成相等的Java對(duì)象，這樣可實(shí)現(xiàn)接口數(shù)據(jù)與Java無(wú)縫對(duì)接和轉(zhuǎn)換。

為保證灌區(qū)通信數(shù)據(jù)傳輸和解析的穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)框架采用Volley通信庫(kù)，該通信庫(kù)可使Get/Post網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求及網(wǎng)絡(luò)圖像的異步請(qǐng)求具有高效性，同時(shí)針對(duì)不同的請(qǐng)求具有優(yōu)先級(jí)排序處理的能力。

針對(duì)訪問(wèn)過(guò)程中的體驗(yàn)效果，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訪問(wèn)設(shè)置不同類別的異常處理機(jī)制，給用戶以更好的體驗(yàn)，同時(shí)將異常情況上傳到異常處理中心，以便于更好地維護(hù)系統(tǒng)和服務(wù)用戶。

2.功能設(shè)計(jì)

灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)包括登錄、新聞發(fā)布、GIS、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢、巡查任務(wù)管理和巡查成果管理等功能集成。系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)分析、預(yù)警推送、信息管理、系統(tǒng)管理、智能巡檢等模塊組成，如圖3。

圖3 灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)終端功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架

（1）GIS 模塊

百度地圖Android SDK是一套基于Android2.3及以上版本設(shè)備的應(yīng)用程序接口。SDK開(kāi)發(fā)適用于Android系統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備的地圖應(yīng)用，通過(guò)調(diào)用地圖SDK接口可以輕松訪問(wèn)百度地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)，構(gòu)建功能豐富、交互性強(qiáng)的地圖類應(yīng)用程序。灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)GIS模塊地圖設(shè)計(jì)采用的是百度地圖SDK（版本為v4.3.1）。

（2）流程模塊

流程設(shè)計(jì)主要采用Jquery開(kāi)源組件FLOW-UI和自主開(kāi)發(fā)工作流相結(jié)合為用戶提供交互平臺(tái)，用戶可自行進(jìn)行流程設(shè)計(jì)，通過(guò)WF_CpParameterModel類進(jìn)行流程傳遞、組裝。

（3）數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

基于Android平臺(tái)的灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口分為：登錄、GIS站點(diǎn)地圖顯示數(shù)據(jù)、GIS樞紐地圖顯示數(shù)據(jù)，遙測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)信息、遙測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)圖表、遙測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（流量、水質(zhì)、水位、雨量、土壤含水量、氣溫、風(fēng)向風(fēng)速、預(yù)警數(shù)據(jù)接口）、遙測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)，閘門(mén)監(jiān)測(cè)閘門(mén)信息、閘門(mén)監(jiān)測(cè)閘門(mén)數(shù)據(jù)、閘門(mén)監(jiān)測(cè)閘門(mén)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、閘門(mén)監(jiān)測(cè)閘門(mén)圖表數(shù)據(jù)，及泵站監(jiān)測(cè)泵站信息、泵站監(jiān)測(cè)泵站數(shù)據(jù)等接口。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.人民勝利渠概況

人民勝利渠是解放初期在黃河中下游興建的第一個(gè)大型引黃灌溉工程，位于河南省北部黃河北岸，設(shè)計(jì)灌溉面積9.92萬(wàn)hm2，主要承擔(dān)焦作、新鄉(xiāng)、安陽(yáng)等3個(gè)市9個(gè)縣(市、區(qū))47個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的農(nóng)田灌溉、抗早補(bǔ)源和新鄉(xiāng)市城市供水等任務(wù)，受益人口約265萬(wàn)人。

需要解決的主要問(wèn)題：①渠系復(fù)雜，管理效能低下；②渠系等水利工程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完善；③農(nóng)業(yè)耗水量大，灌溉效率低；④水費(fèi)計(jì)收和管理無(wú)有效依據(jù)，影響管理單位有效運(yùn)行。

2.灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測(cè)試

（1）研發(fā)環(huán)境

人民勝利渠灌區(qū)巡檢系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境：手機(jī)端編寫(xiě)和調(diào)試采用Android Studio 2.0，地圖發(fā)布采用ArcGis；系統(tǒng)環(huán)境：Windows 10；運(yùn)行環(huán)境：裝有Windows Server 2008系統(tǒng)、SQL Server2014、.net4.0的服務(wù)器。

（2）系統(tǒng)測(cè)試及運(yùn)行

人民勝利渠灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，對(duì)系統(tǒng)的錯(cuò)誤和缺陷進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試顯示該系統(tǒng)的功能、互操作性等符合軟件的設(shè)計(jì)要求，登錄、GIS、新聞公告、任務(wù)流程、巡檢任務(wù)接受和結(jié)果上傳，及監(jiān)測(cè)信息查詢等功能均能實(shí)現(xiàn)，表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)灌區(qū)的智能巡檢。

四、結(jié) 論

基于Android平臺(tái)的灌區(qū)智能巡檢系統(tǒng)采用Android Studio 2.0進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)包括后臺(tái)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信模塊和巡檢系統(tǒng)終端等三部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)解決了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)解析的難題，系統(tǒng)涵蓋GIS、新聞公告、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢、巡檢任務(wù)管理、巡檢成果管理等功能，實(shí)現(xiàn)了智能移動(dòng)辦公，改變了傳統(tǒng)的人工抄寫(xiě)巡檢信息巡檢模式，提高了灌區(qū)運(yùn)行管理效率，有助于實(shí)現(xiàn)灌區(qū)信息化智能化管理。