智慧水庫(kù)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究探討

朱文軍 時(shí)會(huì)省 張力

（1.河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450015；2. 長(zhǎng)江空間信息技術(shù)工程有限公司（武漢），湖北 武漢430010）

1 引言

隨著我國(guó)水利信息化建設(shè)的快速推進(jìn)，智慧水利項(xiàng)目有效提高了防汛抗旱、水資源優(yōu)化配置、水利工程建設(shè)管理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等水利業(yè)務(wù)中信息技術(shù)應(yīng)用的整體水平，以水利信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化，更好地推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。智慧水庫(kù)建設(shè)是實(shí)現(xiàn)智慧水利的重要組成部分，涵蓋水文、水質(zhì)、水資源、供水、排水、防汛防洪等各方面，充分利用網(wǎng)絡(luò)、多媒體、傾斜攝影等技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)信息智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控、計(jì)算、管理、模擬、預(yù)測(cè)和管理。

利用二三維一體化GIS 平臺(tái)的可視化和空間分析功能，不僅能夠在三維視圖中實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)信息的實(shí)時(shí)管理，以及對(duì)水庫(kù)工程的360 度全視角展示，還可以為有關(guān)部門及管理人員提供便利的交互式操作管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)規(guī)范管理，提高水利基礎(chǔ)電子地圖數(shù)據(jù)的信息量，并運(yùn)用智能融合技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和存儲(chǔ)，從而為各級(jí)水務(wù)行政主管部門開(kāi)展防汛指揮決策、水庫(kù)環(huán)境治理、水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等提供可靠的空間數(shù)據(jù)支持。

2 建設(shè)內(nèi)容及體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

水庫(kù)的智慧管理主要是形成人性化、個(gè)性化、便捷化成果，將智能系統(tǒng)的建設(shè)成果形成服務(wù)能力和產(chǎn)品。針對(duì)管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，研究軟件共享技術(shù)和集成技術(shù) ；針對(duì)智慧水庫(kù)安全管理系統(tǒng)包括的數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)交換層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、基礎(chǔ)支撐服務(wù)層、應(yīng)用支撐服務(wù)層等多層架構(gòu)，研究大數(shù)據(jù)匯集與存儲(chǔ)技術(shù)、大數(shù)據(jù)服務(wù)接口和集成技術(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用技術(shù)、大數(shù)據(jù)可視化與發(fā)布技術(shù)；根據(jù)智慧水庫(kù)管理業(yè)務(wù)流程、信息推送與發(fā)布機(jī)制，研究集成機(jī)制，解決安全監(jiān)測(cè)異構(gòu)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的協(xié)同與信息共享，面向管理部門及面向公共服務(wù)的應(yīng)用要方便易掌握[1]。

智慧水庫(kù)管理系統(tǒng)采用四層體系架構(gòu)，由下至上依次為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、平臺(tái)服務(wù)層、應(yīng)用層、用戶層，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層：是支撐平臺(tái)運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)設(shè)施，由服務(wù)器和存儲(chǔ)資源池兩部分組成，為智慧水庫(kù)提供計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，主要包括服務(wù)器、計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)施，以及互聯(lián)網(wǎng)、4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等。

（2）數(shù)據(jù)資源層：主要為智慧水庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)資源，作為系統(tǒng)運(yùn)行的“血液”，主要包括基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)、水庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、巡查管理數(shù)據(jù)庫(kù)和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

（3）平臺(tái)服務(wù)層：在數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)、GIS 平臺(tái)和云計(jì)算平臺(tái)支撐下，建立統(tǒng)一的服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)區(qū)多時(shí)序空間數(shù)據(jù)的管理、分析及可視化呈現(xiàn)，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)服務(wù)、地理信息服務(wù)、框架服務(wù)、前端組件服務(wù)及運(yùn)行類服務(wù)。

（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用層：作為整個(gè)平臺(tái)建設(shè)的核心，業(yè)務(wù)應(yīng)用層是支撐庫(kù)區(qū)日常管理和應(yīng)急管理的數(shù)字化、一體化和可視化管理平臺(tái)，包括一張圖展示、水雨情統(tǒng)計(jì)分析、安全監(jiān)測(cè)、庫(kù)區(qū)管理、調(diào)度管理、視頻監(jiān)控管理、電站管理、移動(dòng)巡檢。

（5）用戶層：智慧水庫(kù)管理系統(tǒng)的主要用戶為水庫(kù)管理單位、上級(jí)管理部門、技術(shù)支撐單位和社會(huì)公眾。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

智慧水庫(kù)管理系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，后端開(kāi)發(fā)采用SSM（Spring、SpringMVC、MyBatis）框架[2]，前端開(kāi)發(fā)采用vue.js（一套構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式框架），地圖展示使用openlayer 技術(shù)方案，空間數(shù)據(jù)管理與地圖服務(wù)發(fā)布使用ArcGIS 平臺(tái)。該系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)如下：

（1）一張圖展示功能：將相關(guān)信息進(jìn)行高效組織和直觀展示，可為用戶提供方便操作的信息查詢、信息分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。

（2）水雨情統(tǒng)計(jì)分析功能：用戶可以查看指定時(shí)間內(nèi)的水位、雨量信息，以及前端設(shè)備返回的實(shí)時(shí)信息；通過(guò)后臺(tái)統(tǒng)計(jì)能夠查看“8 時(shí)水位”、汛限水位、時(shí)段平均、時(shí)段最大最小等統(tǒng)計(jì)分析信息，輔助管理人員做出及時(shí)、準(zhǔn)確的科學(xué)決策。

（3）安全監(jiān)測(cè)功能：通過(guò)各項(xiàng)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以實(shí)時(shí)掌握水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀和變化過(guò)程，提供智能化數(shù)據(jù)分析與報(bào)告生成功能，實(shí)現(xiàn)巡視檢查問(wèn)題上報(bào)審批。

（4）調(diào)度管理功能：通過(guò)數(shù)據(jù)分析，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)各水庫(kù)閘站情況，根據(jù)情況指揮調(diào)度操作。結(jié)合洪水預(yù)報(bào)模型提供多套有效的防洪調(diào)度方案，協(xié)助相關(guān)管理單位進(jìn)行科學(xué)調(diào)度指揮。

（5）視頻監(jiān)控管理：接入水庫(kù)范圍內(nèi)關(guān)鍵區(qū)域的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，例如背水面及壩腳附近、溢洪道、大壩迎水面及庫(kù)區(qū)等區(qū)域，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（6）移動(dòng)巡檢等功能：現(xiàn)場(chǎng)管理人員可以通過(guò)定制的手機(jī)端App 協(xié)助作業(yè)，主要包括移動(dòng)巡檢、信息查詢、移動(dòng)辦公、應(yīng)急處置、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。

4 關(guān)鍵問(wèn)題探討

4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

實(shí)現(xiàn)水庫(kù)智慧管理的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，通過(guò)透徹感知，以及全方位、全對(duì)象、全指標(biāo)的監(jiān)測(cè)手段，提供水庫(kù)主要特征指標(biāo)數(shù)據(jù)和相關(guān)的環(huán)境、水文、氣象等多種類精細(xì)化數(shù)據(jù)。結(jié)合傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段，基于多波束探測(cè)、三維激光掃描、側(cè)掃聲吶、淺層剖面儀、傾斜攝影及水下近景攝影測(cè)量等多種地形地質(zhì)探測(cè)手段，以及物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、視頻監(jiān)控、智能終端等新技術(shù)應(yīng)用，提升水庫(kù)安全感知能力、設(shè)備狀態(tài)感知能力、隱患缺陷管理感知能力、水雨情氣象感知能力，實(shí)時(shí)開(kāi)展大數(shù)據(jù)分析[3]。

數(shù)據(jù)源分析與范圍規(guī)劃的最終目標(biāo)是整合涉及環(huán)境相關(guān)的所有數(shù)據(jù)，將分散的、標(biāo)準(zhǔn)不一的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成整合，實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)到信息的轉(zhuǎn)化，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，為水庫(kù)管理、施工管理等工作奠定全面的信息資源體系，為科學(xué)決策、有效管理提供信息支撐保障。智慧水庫(kù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)組成如圖2 所示，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)范圍規(guī)劃如圖3 所示。

圖2 智慧水庫(kù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)組成

圖3 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)范圍規(guī)劃

水庫(kù)三維數(shù)據(jù)采集主要包含水庫(kù)的水上三維數(shù)據(jù)，以及重要建筑設(shè)施或景點(diǎn)的傾斜三維建模，數(shù)據(jù)采集方式采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影方法進(jìn)行。傾斜攝影航飛通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，從一個(gè)垂直、四個(gè)側(cè)視等五個(gè)不同角度采集影像，將用戶引入符合人眼視覺(jué)的直觀真實(shí)世界。傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取方式如圖4 所示。

圖4 傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取方式

傾斜攝影技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成數(shù)據(jù)成果，能直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實(shí)效果和測(cè)繪級(jí)精度提供保證，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的資金和時(shí)間，為城市規(guī)劃、智慧水利、智慧水庫(kù)等從二維向三維發(fā)展提供了一種全新方式。傾斜三維數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 傾斜三維數(shù)據(jù)樣例

水下地形數(shù)據(jù)的采集就是水下地形測(cè)量過(guò)程，是利用測(cè)量?jī)x器來(lái)確定水底點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前，水下測(cè)量技術(shù)主要采用GPS 設(shè)備獲取平面坐標(biāo)，采用測(cè)深儀獲取深度數(shù)據(jù)。為了提高GPS 測(cè)量精度一般采用差分技術(shù)，目前，主流的差分技術(shù)有偽距差分和載波相位差分，其中，載波相位差分技術(shù)通常用于高精度測(cè)量工程，定位精度較高，可達(dá)厘米級(jí)?；芈曁綔y(cè)儀是一種單波束測(cè)深設(shè)備，深度測(cè)量根據(jù)最小聲程決定，按照使用頻率的個(gè)數(shù)分為單頻和雙頻。雙頻探測(cè)儀根據(jù)兩個(gè)頻率測(cè)量深度差獲得淤積層厚度。水下地形測(cè)量方法即利用GPS 載波相位差分測(cè)量技術(shù)進(jìn)行平面定位，利用測(cè)深儀開(kāi)展深度測(cè)量，GPS 和測(cè)深儀保證同步作業(yè)，獲取水底點(diǎn)平面坐標(biāo)和深度坐標(biāo)，然后利用測(cè)得的水底點(diǎn)坐標(biāo)在3D Max 中進(jìn)行水底三維建模。

為了保證庫(kù)容的計(jì)算精度，水庫(kù)庫(kù)容測(cè)量在測(cè)水底點(diǎn)坐標(biāo)的同時(shí)，需要對(duì)庫(kù)區(qū)進(jìn)行測(cè)線設(shè)計(jì)，GPS 和測(cè)深采樣也要按照水下地形測(cè)量規(guī)范等間隔或等時(shí)間采樣。為了提高測(cè)量精度，在測(cè)線布設(shè)時(shí)，還應(yīng)該考慮水下地形的變化趨勢(shì)，若變化相對(duì)比較平坦，則測(cè)線間距可以適當(dāng)放寬；否則，需要加密測(cè)線，這樣有利于使測(cè)點(diǎn)均勻分布于整個(gè)測(cè)區(qū)，同時(shí)在測(cè)區(qū)水下地形變化復(fù)雜的地區(qū)使測(cè)點(diǎn)深度或高程能更好地反映水下地形的真實(shí)地貌。

4.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)云平臺(tái)

智慧水庫(kù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架要實(shí)現(xiàn)感知對(duì)象和各級(jí)平臺(tái)之間的互聯(lián)互通，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建，提高數(shù)據(jù)“大傳輸”效率，不僅需要光纖、微波等傳統(tǒng)通信技術(shù)的支撐，還需要物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信、WIFI 等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。全面構(gòu)建局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)組成的四大數(shù)據(jù)傳輸通道，并及時(shí)將透徹感知信息傳輸至計(jì)算中心。同時(shí)，還要保證智能巡查設(shè)備、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)設(shè)備的感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳和信息及時(shí)反饋。

由于水庫(kù)大壩結(jié)構(gòu)和環(huán)境的復(fù)雜性，要想實(shí)現(xiàn)感知對(duì)象和各級(jí)平臺(tái)之間的全面互聯(lián)互通，需要感知的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、幾何信息、材料信息、工程建設(shè)數(shù)據(jù)、工程運(yùn)行數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等多源信息，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，開(kāi)發(fā)包括水庫(kù)地形、環(huán)境、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)等多源信息的全景展示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多源監(jiān)控信息數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)和提取，以及多方案查詢。通過(guò)數(shù)據(jù)分析水庫(kù)結(jié)構(gòu)發(fā)展變化規(guī)律，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)技術(shù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)安全及環(huán)境信息互饋的智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)與所在環(huán)境的多維可視化，達(dá)到多終端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。

從節(jié)約成本的角度考慮，智慧水庫(kù)管理系統(tǒng)可采用云平臺(tái)架構(gòu)的方式進(jìn)行，將系統(tǒng)布置于云端，用戶只需下載App 至智能終端，或者使用IE 瀏覽器的方式即可使用系統(tǒng)，從而免去服務(wù)器端購(gòu)置費(fèi)用以及后期的管理維護(hù)費(fèi)用，降低使用成本。

在應(yīng)用模式上，采用基于云計(jì)算中心的集中管理、按需分配、分散控制理念，水庫(kù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)云平臺(tái)應(yīng)用平臺(tái)采用IAAS 模式管理基礎(chǔ)設(shè)施，使用PAAS 方式提供業(yè)務(wù)應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境，用SAAS 模式提供業(yè)務(wù)支持和社會(huì)服務(wù)。對(duì)新建項(xiàng)目，原則上使用云平臺(tái)已有的計(jì)算和存儲(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺(tái)和組件服務(wù)；對(duì)升級(jí)改造項(xiàng)目，應(yīng)逐步遷移到云平臺(tái)。因此建設(shè)重點(diǎn)是基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化，即實(shí)現(xiàn)IAAS 服務(wù)[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

智慧水庫(kù)實(shí)現(xiàn)智慧管理，不是簡(jiǎn)單的數(shù)字化、信息化、智能化，而是將先進(jìn)的信息技術(shù)、工業(yè)技術(shù)和管理技術(shù)進(jìn)行高度融合，具備自動(dòng)預(yù)判、自主決策、自我演進(jìn)、智慧管理能力的模式，是建立在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘基礎(chǔ)上的管理變革與創(chuàng)新。在智慧水庫(kù)項(xiàng)目建設(shè)中，應(yīng)在保證系統(tǒng)開(kāi)放性和兼容性前提下，合理運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果，使其具有一定的先進(jìn)性和穩(wěn)定性，便于以后設(shè)備更新和軟件升級(jí)，充分利用現(xiàn)有資源避免重復(fù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、資源共享。

水庫(kù)的智慧管理是水利現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)水利資源和水利工程科學(xué)利用、高效管理和有效保護(hù)的基礎(chǔ)，也是體現(xiàn)水利現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志，更是實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化的重要手段。智慧水庫(kù)的關(guān)鍵問(wèn)題是信息感知、信息互聯(lián)和系統(tǒng)智能化，這些都得到有效解決，智慧水庫(kù)才能發(fā)揮應(yīng)有作用?？偟膩?lái)說(shuō)，智慧水庫(kù)還處于發(fā)展的初級(jí)階段，許多技術(shù)問(wèn)題要依賴于信息技術(shù)的進(jìn)步，必須持續(xù)推進(jìn)智慧水庫(kù)建設(shè)，把高新技術(shù)應(yīng)用到智能化建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)技術(shù)革新，優(yōu)化信息化工作體制，全面提升智慧水庫(kù)的管理效率和社會(huì)服務(wù)水平，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展。