基于集群管理模式的江港堤防水利工程綜合管理平臺的建設(shè)

鄭 寧，梅傳貴，陳 翔，張語涵

(寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315033)

2021年10月12日水利部黨組書記、部長李國英主持召開部務(wù)會議，審議智慧水利建設(shè)規(guī)劃、《水資源調(diào)度管理辦法》。會議強調(diào)，智慧水利建設(shè)是推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六大實施路徑之一，要按照“需求牽引、應(yīng)用之上、數(shù)字賦能、提升能力”的要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，全面推進算據(jù)、算法、算力建設(shè)，構(gòu)建數(shù)字孿生流域，加快構(gòu)建具有預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案(以下簡稱“四預(yù)”)功能的智慧水利體系[1]。

通過建設(shè)基于集群管理模式的江港堤防水利工程綜合管理平臺(以下簡稱“平臺”)，可進一步提升水利工程規(guī)范化、專業(yè)化、信息化管理水平，增強防汛防臺、農(nóng)業(yè)支撐、“四預(yù)”能力，確保工程運行安全和效益，為江港堤防防洪調(diào)度、供水通航、農(nóng)業(yè)保障等工作提供堅實的支撐。

1 現(xiàn)狀和問題

我國江港堤防水利工程類型眾多、堤線較長、分布較廣，且各個管理單位的管理水平參齊不齊，行業(yè)管理難度較大[2]。經(jīng)過多年研究和實踐，江港堤防水利工程現(xiàn)代化建設(shè)與管理已經(jīng)取得了一定的成果[3- 5]，部分水利工程已建設(shè)完成視頻監(jiān)控、閘泵控制、水雨情監(jiān)測、農(nóng)業(yè)供水等功能系統(tǒng)，但信息化建設(shè)改造覆蓋面不足、信息資源交互共享機制欠缺、智慧化場景應(yīng)用薄弱，已不能滿足新時期江港堤防水利工程現(xiàn)代化管理要求[6]。

目前，江港堤防水利工程現(xiàn)代化管理主要存在以下幾方面問題。

(1)設(shè)施環(huán)境落后，信息化、智慧化建設(shè)欠缺。水利工程管理單位設(shè)施環(huán)境建設(shè)較早，老化嚴重，信息化與智慧化建設(shè)改造尚欠缺，硬件設(shè)施與環(huán)境建設(shè)有待進一步提升完善。

(2)資源利用不足，信息資源橫向共享、縱向挖掘有待進一步提升。水利工程匯聚了眾多的監(jiān)測、運行數(shù)據(jù)，但是缺乏系統(tǒng)規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準和信息共享機制，信息資源利用效率不高。同時對數(shù)據(jù)資源的挖掘、分析、利用深度不足[7]，無法最大化的體現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的價值，需要建立數(shù)據(jù)共享機制，提高數(shù)據(jù)橫向利用效率，并對數(shù)據(jù)資源進行深度挖掘、提煉、分析和應(yīng)用。

(3)管理手段與機制落后，信息化、精細化、智慧化管理水平不高。大多數(shù)江港堤防水利工程管理單位仍以傳統(tǒng)管理模式為主[8]，尚未形成以信息化為主的管理機制，水利工程管理信息化程度、精細化程度、智慧化程度均有所欠缺，亟需革新管理機制，建立信息化管理制度，深挖管理提升空間，采用“橫向到底、縱向到邊”的精細化管理模式，并結(jié)合最新技術(shù)手段，提高數(shù)字化、智慧化管理水平。

2 需求分析

水閘、堤防、涵洞等江港堤防水利工程作為防洪減災(zāi)、供水通航、農(nóng)業(yè)支撐體系的重要組成部分，在抵御洪澇潮災(zāi)害、保護環(huán)境生態(tài)、城鄉(xiāng)供水、支撐農(nóng)業(yè)發(fā)展等方面發(fā)揮著巨大的作用，是涉及社會公眾安全、城鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)發(fā)展、社會穩(wěn)定的大事。江港堤防水利工程管理工作的重要性愈發(fā)顯著，而水利工程管理規(guī)范化、信息化越來越成為水利工程現(xiàn)代化管理的主要措施之一[9]。

(1)充分發(fā)揮水利工程綜合效益的需要。水利工程管理單位的規(guī)范化、信息化管理工作為防汛調(diào)度、供水通航、農(nóng)業(yè)灌溉等方面做出巨大貢獻，在人民日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的工程效益，是涉及社會公眾安全、社會穩(wěn)定和發(fā)展的大事。

(2)提高水利工程現(xiàn)代化管理水平的需要。水利工程管理單位日常管理工作涉及眾多方面，若不進行信息化改造提升，仍沿用老的作業(yè)方式勢必給管理人員日常工作造成諸多不便，也不能滿足水利現(xiàn)代化管理工作的需要，影響工作效率和效果。

(3)水利現(xiàn)代化及水利智慧化發(fā)展的需要。近年來，從中央到地方各級政府以及各級水行政管理單位明確提出水利管理信息化和現(xiàn)代化建設(shè)思路，水利工程的規(guī)范化、信息化管理工作建設(shè)是適應(yīng)水利現(xiàn)代化及水利信息化發(fā)展的需要，符合中央和地方新時期水利管理現(xiàn)代化和信息化建設(shè)要求。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 集群管理模式設(shè)計

在計算機領(lǐng)域內(nèi)，集群，又名分布式系統(tǒng)，是指由一組網(wǎng)絡(luò)互連的計算機組成的集合，這組計算機通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)資源共享和協(xié)同工作，集群根據(jù)一定策略通過節(jié)點IP地址進行任務(wù)分配和資源調(diào)度[10]。

江港堤防水利工程通常沿堤線及河道分布，廣而分散，傳統(tǒng)的單工程管理模式無法有效適配。因此，江港堤防水利工程綜合管理平臺采用集群管理模式，在管理模式上，將廣而分散的各類水利工程視為一個集群，并將該工程集群作為管理對象，即可化繁為簡，相當(dāng)于只管理“一個工程”，可極大提高管理效率，增強用戶管理便捷性。

在系統(tǒng)模式上，將所有工程進行唯一編碼(相當(dāng)于集群節(jié)點IP地址)，并配以相關(guān)基礎(chǔ)屬性，組成一個全平臺通用底層集群，平臺系統(tǒng)管理員可在后臺管理該集群，應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)端基于該集群進行無差異化開發(fā)。用戶通過應(yīng)用系統(tǒng)表現(xiàn)端與服務(wù)端進行交互，服務(wù)端通過集群定位工程并進行處理。

集群管理模式下，若需增加或者變更工程，只需在集群內(nèi)部進行，可將集群內(nèi)部的工程變更對外部業(yè)務(wù)應(yīng)用鏈的影響降至最低，同時可根據(jù)一定的集群策略支持大量用戶高并發(fā)操作不同工程，從而保證了平臺的高效運行，促進江港堤防水利工程信息化管理水平提升。

集群管理模式架構(gòu)如圖1所示。

3.2 平臺系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

江港堤防水利工程綜合管理平臺體系從底層到頂端共分為5層：采集層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用系統(tǒng)層、用戶層。平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

(1)采集層是整個平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采集基礎(chǔ)信息、動態(tài)信息與監(jiān)測信息等。

(2)數(shù)據(jù)層對采集層采集的數(shù)據(jù)進行存儲和加工，主要包括：基本信息數(shù)據(jù)庫、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫、行政辦公數(shù)據(jù)庫、檢查觀測數(shù)據(jù)庫、維修養(yǎng)護數(shù)據(jù)庫、調(diào)度運行數(shù)據(jù)庫、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)庫等。

(3)應(yīng)用支撐層包括數(shù)據(jù)庫建設(shè)、工程GIS服務(wù)、用戶權(quán)限管理和數(shù)據(jù)支撐服務(wù)等組件，為應(yīng)用系統(tǒng)層提供支撐。

(4)應(yīng)用系統(tǒng)層主要為江港堤防水利工程綜合管理平臺，包括可視化綜合指揮中心、工程“一張圖”、數(shù)字孿生系統(tǒng)、日常業(yè)務(wù)(行政辦公、工程信息、檢查觀測、維修養(yǎng)護、調(diào)度運行、實時監(jiān)測、統(tǒng)計分析)、移動工作平臺等。

(5)用戶層主要為用戶提供了跨終端的多種訪問方式，實現(xiàn)應(yīng)用的無差異化同步，方便用戶隨時隨地快捷掌握水利工程實時運行狀態(tài)和協(xié)同辦公。

4 平臺主要功能設(shè)計

江港堤防水利工程綜合管理平臺根據(jù)需求，主要功能系統(tǒng)包括可視化綜合指揮中心、工程“一張圖”、數(shù)字孿生系統(tǒng)、日常業(yè)務(wù)(行政辦公、工程信息、檢查觀測、維修養(yǎng)護、調(diào)度運行、實時監(jiān)測、統(tǒng)計分析)、移動工作平臺，滿足平臺用戶的多樣化需求。

4.1 可視化綜合指揮中心

對江港堤防水利工程相關(guān)數(shù)據(jù)資源進行深度挖掘、提煉、分析、應(yīng)用，通過信息多維關(guān)聯(lián)融合，利用可視化技術(shù)，構(gòu)建智慧水利工程可視化綜合指揮中心[11]，以數(shù)字孿生系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)大屏的形式對水利工程安全運行與管理等關(guān)鍵信息進行綜合展示和分析，為管理人員提供一個掌握全局、運籌帷幄的綜合指揮中心，主要包括水利工程安全運行與管理總屏、防洪減災(zāi)專屏、港口調(diào)度專屏、供水通航專屏、農(nóng)業(yè)民生保障專屏等。

圖1 集群管理模式架構(gòu)

圖2 江港堤防水利工程綜合管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 工程“一張圖”

將江港堤防各類水利工程的空間位置分布、基本信息、業(yè)務(wù)工作、動態(tài)監(jiān)測等要素集成在一張圖上進行展示[12]，為用戶提供高效、快捷的總覽式查詢展示服務(wù)。主要功能包括水利工程地圖總覽、監(jiān)測預(yù)警快速查看、業(yè)務(wù)工作統(tǒng)計分析、待辦事項通知提醒等。

4.3 數(shù)字孿生系統(tǒng)

數(shù)字孿生技術(shù)[13]是對真實世界的鏡像，是現(xiàn)實的物理世界與虛擬的計算機世界的孿生，在物理世界中所有的人、地、物、事、情、組織等要素，可以借助數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字世界建設(shè)虛擬映像，實現(xiàn)“物理-數(shù)字”虛實融合交互。數(shù)字孿生系統(tǒng)主要是綜合利用GIS技術(shù)[14]、遙感技術(shù)、BIM建模技術(shù)[15- 16]，建立水利工程及管理區(qū)數(shù)字化場景，并與現(xiàn)有的信息化系統(tǒng)中的各類監(jiān)測、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行無縫連接，實現(xiàn)管理區(qū)域的智慧化模擬應(yīng)用，進行各類水利工程的調(diào)度預(yù)演復(fù)盤分析、巡查巡檢數(shù)字場景展示、監(jiān)測信息數(shù)字場景融合展示等，為建設(shè)“四預(yù)”功能的智慧水利體系做出貢獻。

4.4 日常業(yè)務(wù)

(1)行政辦公。針對水利工程管理單位日常行政辦公業(yè)務(wù)，進行線上集中統(tǒng)一管理，主要包括組織管理、考勤管理、值班管理、日常任務(wù)管理、固定資產(chǎn)管理、通知公告、考核考評管理、臺賬管理等功能。水利工程管理單位可通過行政辦公系統(tǒng)完成絕大部分日常辦公業(yè)務(wù)，極大提高日常業(yè)務(wù)效率和信息化水平，并方便階段考核考評。

(2)工程信息。對水利工程各類靜態(tài)信息進行信息化管理，提供基礎(chǔ)信息、設(shè)備清單、注冊登記、安全鑒定、劃界確權(quán)、技術(shù)圖表、建設(shè)檔案等功能。將設(shè)備設(shè)施單元化精細劃分，提高設(shè)備設(shè)施精細化管理水平；將檔案資料電子化處理，提供檔案資料的線上管理查詢功能，該應(yīng)用子系統(tǒng)可極大提高水利工程各類靜態(tài)信息的信息化管理水平和查詢效率。

(3)檢查觀測。針對水利工程各類檢查巡查，提供統(tǒng)計分析、經(jīng)常檢查、定期檢查、特別檢查、檢查配置、設(shè)備檢測、工程觀測等功能。基于檢查配置，并結(jié)合移動工作平臺，用戶可在移動終端和電腦端進行經(jīng)常檢查、定期檢查和特別檢查，平臺可即時呈現(xiàn)電腦端和移動終端的檢查記錄、軌跡和附件等信息，并可對各類檢查記錄進行統(tǒng)計分析，方便用戶快速掌握檢查情況。

(4)維修養(yǎng)護。針對水利工程設(shè)備設(shè)施維修、維護及項目，提供設(shè)備設(shè)施管理、維修養(yǎng)護項目管理、隱患管理等功能，可實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施隱患的發(fā)起-處理-審核閉環(huán)化流程處理，可及時記錄設(shè)備設(shè)施的維修、維護業(yè)務(wù)，并可對維修養(yǎng)護項目全過程進行跟蹤管理。

(5)調(diào)度運行。針對水利工程調(diào)度運行，提供控制運用計劃、調(diào)度令管理、運行操作、防汛物資管理等功能，可實現(xiàn)控制運用計劃的管理及查詢，調(diào)度令的接收、下發(fā)、反饋及追蹤，各類運行操作記錄及查詢，以及防汛物資的入庫、出庫、報廢等全流程管理。

(6)實時監(jiān)測。集成水利工程水情監(jiān)測、雨情監(jiān)測、閘門泵站開度流量監(jiān)測、視頻監(jiān)控等實時數(shù)據(jù)，提供閘泵站工情監(jiān)測預(yù)警、水雨情監(jiān)測預(yù)警、視頻監(jiān)測、氣象信息等功能，可結(jié)合二維/三維電子地圖實現(xiàn)各類實時監(jiān)測信息的快捷定位、查詢、分析、輸出。

(7)統(tǒng)計分析。提供各類專題統(tǒng)計分析功能，包括水量統(tǒng)計、雨情分析、水情分析、水閘工情統(tǒng)計、泵站運行統(tǒng)計等，并可生成定制報表和統(tǒng)計圖，方便用戶進行專題數(shù)據(jù)報表制作及輸出。

4.5 移動工作平臺

為方便用戶隨時隨地進行重要業(yè)務(wù)工作，開發(fā)移動工作平臺，提供首頁、待辦提醒、巡查檢查、閘站水情工情、視頻監(jiān)控、運行操作、掃一掃、通知公告等功能，可實現(xiàn)移動端業(yè)務(wù)統(tǒng)計展示、待辦事項提醒、移動巡查檢查、實時監(jiān)測信息移動快捷查詢、運行操作移動填寫查詢以及設(shè)備設(shè)施二維碼掃描打卡、查詢、隱患發(fā)起等重點功能。

5 平臺特點及創(chuàng)新點

本平臺建設(shè)中在管理與應(yīng)用、技術(shù)與數(shù)據(jù)等方面有以下幾個特點及創(chuàng)新點。

5.1 管理與應(yīng)用

(1)集群管理，統(tǒng)一高效。采用集群管理模式，將各類江港堤防水利工程視為一個集群，在集群基礎(chǔ)上進行業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，將集群內(nèi)部的工程變更對業(yè)務(wù)應(yīng)用鏈的影響降至最低，并支持大量用戶高并發(fā)操作不同工程，從而保證了平臺的高效運行，促進江港堤防水利工程信息化管理水平提升。

(2)統(tǒng)一平臺，嚴格控權(quán)。平臺的建設(shè)遵循“一個平臺”原則，管理單位各部門根據(jù)自身權(quán)限分權(quán)使用。平臺建立了嚴格而又靈活的賬戶管理和崗位權(quán)限配置體系，滿足用戶量龐大、系統(tǒng)運行高并發(fā)的管理需求。只有系統(tǒng)管理員有權(quán)更改崗位權(quán)限、配置人員賬戶，并通過配置人員賬戶的崗位規(guī)定其平臺操作權(quán)限，在不失靈活性的同時，保障了平臺的數(shù)據(jù)安全。

(3)業(yè)務(wù)覆蓋、動態(tài)更新。平臺基本實現(xiàn)了水利工程管理業(yè)務(wù)全覆蓋，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的動態(tài)更新，保障水利工程管理單位能夠高效、便捷地管理各水利工程，提高水利工程規(guī)范化、信息化管理水平。

(4)精細管理、多端融合。平臺采用精細化的設(shè)備設(shè)施管理模式，將所有設(shè)備設(shè)施進行單元化劃分，并進行設(shè)備編碼、二維碼生成，“一設(shè)一碼”，同時將設(shè)備二維碼張貼在對應(yīng)設(shè)備設(shè)施上，可隨時通過移動終端進行掃碼查詢、巡查打卡、隱患發(fā)起等操作，實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的精細化管理和電腦端、移動終端的無縫融合。

5.2 技術(shù)與數(shù)據(jù)

(1)深度挖掘、多維呈現(xiàn)。平臺對現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源進行深度挖掘、提煉、分析、應(yīng)用，通過信息多維關(guān)聯(lián)融合，結(jié)合可視化技術(shù)，構(gòu)建智慧水利工程可視化綜合指揮中心，為管理人員提供決策支撐。

(2)數(shù)字孿生、預(yù)演復(fù)盤。充分利用GIS技術(shù)(傾斜攝影建模、水下地形測量建模等)、BIM建模技術(shù)，建立水利工程及管理區(qū)數(shù)字化場景，并與現(xiàn)有的信息化系統(tǒng)中的各類數(shù)據(jù)進行無縫連接，實現(xiàn)管理區(qū)域的智慧化模擬應(yīng)用，可實現(xiàn)多種場景下的預(yù)演復(fù)盤，增強江港堤防水利工程管理“四預(yù)”能力。

(3)移動辦公、多人協(xié)作。移動工作平臺包含了業(yè)務(wù)統(tǒng)計展示、待辦事項提醒、移動巡查檢查、水情工情查詢、運行操作填寫以及設(shè)備設(shè)施二維碼掃描打卡、查詢、隱患發(fā)起等重點功能，方便管理人員隨時隨地進行水利工程管理業(yè)務(wù)工作。同時針對定期檢查等較繁重的檢查任務(wù)，開發(fā)出多人協(xié)作功能，同一個工程的檢查可由多人協(xié)作完成，并可一鍵整合校對，極大提高了管理人員的工作效率。

(4)開放架構(gòu)、上傳下達。平臺采用Bootstrap WEB開發(fā)框架[17]，可有效適配手機、平板、PC設(shè)備，同時預(yù)留充分的數(shù)據(jù)接口，可與上級主管部門和下級管理單位進行高效的數(shù)據(jù)交流共享。

6 應(yīng)用情況

目前江港堤防水利工程綜合管理平臺在全國范圍內(nèi)得到了較多應(yīng)用，溫瑞平水系管理中心、張家港長江防洪工程管理處均已根據(jù)實際情況部署該管理平臺系統(tǒng)，并根據(jù)實際需求投入使用。

張家港長江防洪工程管理處建設(shè)的張家港水利工程管理平臺，覆蓋了其所管理的105.5km堤線及城區(qū)近100個水利工程，項目建設(shè)包括了基礎(chǔ)資料的人工收集、整編、錄入，硬件數(shù)據(jù)的收集、讀取，硬件設(shè)備保修、維護的精細劃分，以及輔助管理平臺開發(fā)建設(shè)。項目建設(shè)完成后，促進了數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)整合，提升了資源利用效率，保障水利工程安全可靠運行，增強了水利工程的規(guī)范化、信息化管理水平。

7 結(jié)語

江港堤防水利工程綜合管理平臺是為江港堤防水利工程管理單位研發(fā)的現(xiàn)代化管理工具。該平臺以集群管理模式為基礎(chǔ)，充分利用現(xiàn)代化先進技術(shù)和已有信息資源，結(jié)合實際需求構(gòu)建了可視化綜合指揮中心、工程“一張圖”、數(shù)字孿生系統(tǒng)、日常業(yè)務(wù)、移動工作平臺等業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，能夠充分滿足江港堤防水利工程管理要求，增強江港堤防水利工程信息化、智慧化管理能力，可為相關(guān)管理單位在推進智慧水利體系建設(shè)中提供建設(shè)指導(dǎo)與參考。隨著技術(shù)的發(fā)展，新的管理手段和管理機制會不斷涌現(xiàn)，江港堤防水利工程的管理需與時俱進、不斷革新。