渦陽城市智慧水利平臺設(shè)計與實現(xiàn)

鮑娜娜 魏世聞 李秀安 傅振揚

（1.安徽大學互聯(lián)網(wǎng)學院 合肥 230031 2.安徽金海迪爾信息技術(shù)有限責任公司 合肥 230088）

1 區(qū)域概況

渦陽縣位于安徽省西北部，地處亳州市中心地帶。隨著渦陽進入快速城鎮(zhèn)化發(fā)展階段，城區(qū)也面臨巨大的環(huán)境與資源壓力。渦陽縣針對城市黑臭水體開展了整治及污水處理工作，工程內(nèi)容包括河道防洪除澇工程、市政工程、濱水環(huán)境改善工程和水質(zhì)保護工程等。其中，定制一套渦陽縣智慧水利監(jiān)管系統(tǒng)也是本次工程內(nèi)容之一。

2 總體設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體設(shè)計

渦陽智慧水利平臺是基于水情、水質(zhì)、閘門及污水處理廠等信息采集硬件設(shè)施和水利信息化的關(guān)鍵技術(shù)，搭建的一套層次化、模塊化、結(jié)構(gòu)化的水利信息平臺。包括水利數(shù)據(jù)的立體感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)中心和業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺。

（1）水務(wù)數(shù)據(jù)的立體感知系統(tǒng)以具體水務(wù)業(yè)務(wù)工作需求為導(dǎo)向，通過在工程實施地點的河流、人工濕地、污水處理廠、防洪閘及排澇泵站等關(guān)鍵地址設(shè)置多種實時監(jiān)測設(shè)備獲取地面信息源數(shù)據(jù)，通過利用地理信息系統(tǒng)（GIS）和系統(tǒng)集成技術(shù)獲取城市地理空間分布相關(guān)的數(shù)據(jù)及其屬性，通過接收國家及當?shù)貧庀蟛块T數(shù)據(jù)獲取天氣相關(guān)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)全方面立體信息的感知。其中，實時監(jiān)測設(shè)備包括水雨情信息采集設(shè)備、水質(zhì)信息采集設(shè)備、閘站監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)等。實時監(jiān)測設(shè)備負責對渦陽縣區(qū)內(nèi)各個監(jiān)控點，即不同水利工程位置的水雨情、水質(zhì)等信息進行現(xiàn)場采集。

（2）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過自主搭建的光纖和租用的網(wǎng)絡(luò)，利用光纖有線通訊和4G/GPRS 無線通訊方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。即現(xiàn)場采集到的各類水量、水質(zhì)、視頻和閘控等信息可以被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

（3）業(yè)務(wù)處理平臺基于數(shù)據(jù)中心，可以將數(shù)據(jù)中心處理后的海量數(shù)據(jù)信息高效率地分類管理并發(fā)布，業(yè)務(wù)應(yīng)用層是集汛情、防洪預(yù)案、調(diào)度指令、人員物資調(diào)度和子業(yè)務(wù)系統(tǒng)為一體的綜合管理系統(tǒng)。

渦陽智慧水利平臺旨在為渦陽縣各級水行政主管部門提供高效、快捷、方便的智慧水務(wù)業(yè)務(wù)支撐平臺，保障其及時掌握渦陽縣的防汛、水資源、水利工程、水行政等信息。同時，該系統(tǒng)有助于解決應(yīng)用系統(tǒng)未能統(tǒng)籌規(guī)劃，信息數(shù)據(jù)不足，數(shù)據(jù)價值被隱匿，利用程度低，共享程度低的問題。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

渦陽智慧水利平臺的搭建依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)“3S”技術(shù)（RS、GIS、GPS）等信息技術(shù)手段，實現(xiàn)了該縣水利信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理、應(yīng)用及共享。搭建過程中所使用的關(guān)鍵信息技術(shù)包括WebGIS、Three.jswebGL、Vue 前端框架、ECharts 圖表庫、SpringBoot 后端框架等。

WebGIS 是基于B/S 架構(gòu)，采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的地理空間管理相關(guān)操作的技術(shù)。WebGIS實現(xiàn)了系統(tǒng)的分布式部署，服務(wù)器端與客戶端通過網(wǎng)絡(luò)進行連接，支持客戶端通過Web 瀏覽器訪問服務(wù)器上的GIS 數(shù)據(jù)。

WebGL 是一種輕量級3D 繪圖技術(shù)標準，無需安裝專業(yè)渲染插件即可在Web 端渲染3D 圖形的繪圖協(xié)議，通過OpenGLES2.0 和JS 的結(jié)合為HTML5canvas 提供硬件3D 加速渲染，實現(xiàn)基于網(wǎng)頁的三維系統(tǒng)開發(fā)，且支持跨平臺應(yīng)用。Three.js 是一款開源的主流3D 繪圖JS 引擎，Three.js 可以簡化WebGL 編程。

Vue 框架因其簡單易上手的特點，成為目前Web 前端開發(fā)的最常使用的主流框架。Vue.js 是用于構(gòu)建交互式的Web 界面的庫。該框架繼承了React 的虛擬DOM 技術(shù)和Angular 的雙向數(shù)據(jù)綁定技術(shù)，是一款較新的功能性框架。

Echarts 是百度推出的一款基于JS 的可視化開源圖表庫，其新穎的數(shù)據(jù)試圖、值班漫游等特性極大增強了用戶體驗，其高度可定制化的配置強化了用戶對數(shù)據(jù)分析和挖掘的功能，是一款完美的可視化圖表庫。

SpringBoot 是由Pivotal 團隊提供的框架，用來簡化新Spring 應(yīng)用的初始搭建以及開發(fā)過程。SpringBoot 的使用可以大大簡化Spring 配置。

3 模塊設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 立體信息感知系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸模塊

智慧水利平臺的建立需要基于多種水信息數(shù)據(jù)采集，這些水信息數(shù)據(jù)采集需要結(jié)合具體應(yīng)用場景，例如污水處理應(yīng)用場景需要城市主要河流的水質(zhì)水文信息。其次，需要避免各個采集子系統(tǒng)之間因分散單獨采集、傳輸和存儲，而造成的信息孤島現(xiàn)象，因此采集到的海量水利數(shù)據(jù)應(yīng)該經(jīng)由專門的數(shù)據(jù)傳輸模塊傳至智慧水利的數(shù)據(jù)中臺。

基于上述考慮，渦陽智慧水利平臺監(jiān)測點以及采集設(shè)備的選取圍繞著渦陽縣工程實施地點展開，涉及了河流、人工濕地、污水處理廠、防洪閘及排澇泵站等多種類型。本文針對不同類型的工程實施地點建設(shè)了多種信息采集系統(tǒng)，比如水雨情信息采集系統(tǒng)、水質(zhì)信息采集系統(tǒng)、閘站監(jiān)控系統(tǒng)、污水處理廠信息采集系統(tǒng)等。

（1）水雨情信息采集系統(tǒng)包括了多種采集結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自動獲取水情、雨情信息，具體的采集結(jié)構(gòu)名稱及其組成如表1所示。

表1 水雨情信息采集系統(tǒng)的子系統(tǒng)信息表

（2）水質(zhì)信息的采集設(shè)備分別分布在渦標河、西界洪河、陳萬溝、渦楚河、幸福河、向陽河、東向陽河、新城河和西界洪河人工濕地出水口九處測點，其中西界洪河人工濕地出水口、東向陽河各建設(shè)一套八參數(shù)綜合站，監(jiān)測參數(shù)包括常規(guī)五參數(shù)（水溫、pH、懸浮物、電導(dǎo)率、溶解氧）、COD、氨氮、總磷；其他七處位置各建設(shè)一套七參數(shù)岸邊站，監(jiān)測參數(shù)包括常規(guī)五參數(shù)（水溫、pH、懸浮物、電導(dǎo)率、溶解氧）、COD、氨氮。水質(zhì)信息采集系統(tǒng)的搭建有效地保障渦陽縣城區(qū)的水安全，使行政部門實時掌握水質(zhì)安全信息，提高突發(fā)水污染事件響應(yīng)速度。

（3）閘站監(jiān)控系統(tǒng)選擇西界洪河、渦楚河和葛溝防洪閘、向陽河攔水壩以及氣盾壩多處作為閘站監(jiān)控點。閘站監(jiān)控系統(tǒng)除了具備通過從各個控制單元采集閘泵實時運行數(shù)據(jù)，收集報警信息，還具備數(shù)據(jù)的處理功能，比如實時計算過閘流量，對某些運行參數(shù)的變化如壓力等進行趨勢分析，及時發(fā)現(xiàn)故障征兆，越限報警等功能。同時該系統(tǒng)還能根據(jù)閘門當前運行控制方式和預(yù)定的決策參數(shù)進行實時控制，例如根據(jù)預(yù)定或者運行人員實時輸入的命令，進行閘門的自動調(diào)節(jié)。

（4）污水處理廠信息采集系統(tǒng)通過在總控室配置額外的工控機，接入實現(xiàn)對污水處理廠負載情況的監(jiān)控，從而提高污水處理廠的利用效率和調(diào)蓄池的集群化管理調(diào)配水平。

上述信息采集系統(tǒng)通過自主搭建的光纖和租用的網(wǎng)絡(luò)，利用光纖有線通訊和4G/GPRS 無線通訊方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 數(shù)據(jù)中臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用層

海量水利數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸至渦陽智慧水利的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心匯集了多種不同類型的水利數(shù)據(jù)，為此搭建了水務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、水務(wù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、水務(wù)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、水務(wù)空間數(shù)據(jù)庫以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫。為了方便地進行數(shù)據(jù)訪問、管理控制、備份恢復(fù)等操作，選擇結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Oracle 與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫MongoDB，將不同的數(shù)據(jù)庫劃分為多個數(shù)據(jù)庫實例進行管理。為了方便對上述數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)資源的共享和利用，建立基于實體主導(dǎo)型的統(tǒng)一數(shù)據(jù)資源管理平臺，為各類業(yè)務(wù)人員提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源目錄服務(wù)。為了方便進行數(shù)據(jù)庫維護管理，數(shù)據(jù)維護管理系統(tǒng)開發(fā)采用Web方式。為了保障數(shù)據(jù)的安全性，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過支持SSL（SecureSocketsLayer，安全套接協(xié)議）來保證能夠認證用戶和服務(wù)器，而且通過數(shù)據(jù)加密，隱藏被傳送的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

為解決傳統(tǒng)水利行業(yè)的數(shù)據(jù)共享壁壘高、水利信息孤島、數(shù)據(jù)價值被隱匿、人員溝通成本高、管理效率低、統(tǒng)籌規(guī)劃途徑欠缺等問題，本文以皖北城市亳州市渦陽縣為例，設(shè)計和實現(xiàn)了基于層次結(jié)構(gòu)的渦陽智慧水利平臺，為城市的黑臭水體監(jiān)測和處理、防洪減災(zāi)等提供了理論和實踐支撐。該水利信息感知發(fā)布和管理系統(tǒng)的發(fā)展為渦陽縣智慧水務(wù)管理提供了一套安全可靠的工具，有助于實際水務(wù)行業(yè)生產(chǎn)精益化、決策科學化、管理協(xié)同化與服務(wù)主動化，加速水務(wù)行業(yè)從傳統(tǒng)服務(wù)向智慧化轉(zhuǎn)型升級■