基于大數(shù)據(jù)的灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

章廣騰，孫濤

（山東省德州市水利局，山東 德州 253014）

0 引言

文章以灌區(qū)運(yùn)行實(shí)際為依托和基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代化信息技術(shù)手段的綜合應(yīng)用，進(jìn)行灌區(qū)各級渠道及各級水工建筑物、構(gòu)筑物運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測，水位流量及流速信息的實(shí)時(shí)獲取及共享，以便充分響應(yīng)國家在農(nóng)村水利管理信息系統(tǒng)構(gòu)建方面的最新政策精神，并最終形成以互聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)為中心，以灌區(qū)子項(xiàng)目運(yùn)行及高效管理為任務(wù)重點(diǎn)，以節(jié)水改造甚至是電子政務(wù)為亮點(diǎn)的專用性運(yùn)管平臺。

1 灌區(qū)概況

潘莊灌區(qū)為山東省第二大灌區(qū)，位于德州市境內(nèi)，潘莊灌區(qū)是魯北主要糧棉生產(chǎn)基地之一，承擔(dān)著德州市西部8 個(gè)縣（市、區(qū)）農(nóng)村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及作物灌溉、引黃濟(jì)冀跨流域供水任務(wù)。

隨著潘莊灌區(qū)渠道工程及配套設(shè)施的改擴(kuò)建和續(xù)建，灌區(qū)傳統(tǒng)的灌溉模式在改革及根據(jù)現(xiàn)代化技術(shù)要求進(jìn)行優(yōu)化升級前，所采用的管理手段已非常落后，難以滿足該灌區(qū)擬升級為現(xiàn)代化灌區(qū)后在區(qū)域高效管理方面的實(shí)際要求，在傳統(tǒng)的管理模式下，突出存在以下問題：①用于灌溉現(xiàn)狀、流量渠道監(jiān)測、水文水資源優(yōu)化監(jiān)控等方面的硬件設(shè)施十分欠缺。直接導(dǎo)致灌區(qū)各個(gè)級次的管理人員難以對實(shí)時(shí)運(yùn)行的灌區(qū)水情數(shù)據(jù)有基本了解更談不上準(zhǔn)確掌握，造成水資源使用效率低下，水費(fèi)征收管理困難；更有甚者，在當(dāng)前這種落后的管理模式下，管理人員更是沒有辦法對該灌區(qū)所設(shè)置的干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠等各級次渠道險(xiǎn)峻工段實(shí)際運(yùn)行過程全面展開并落實(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控操作，并基于這種操作保證灌區(qū)各級渠道實(shí)際存在及潛在的坍塌、滑坡等病害得以在第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)，并得到有效的處理；②絕大部分渠首和所配套的閘門安裝著視頻監(jiān)控、水位測站等現(xiàn)代化的視頻獲取設(shè)備，但是現(xiàn)狀所獲得的監(jiān)測信息均為碎片式割裂形式，并未在灌區(qū)各個(gè)管理分站以及各級次渠道管理站展開實(shí)時(shí)共享，也并沒有有效納入該灌區(qū)綜合信息業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，且現(xiàn)狀手段下所獲取的各級渠道、各模塊運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)因?yàn)閿?shù)據(jù)接收和拍攝口徑存在較大差異，所以后期整合也是問題，很難向該灌區(qū)高效實(shí)時(shí)管理提供科學(xué)合理、及時(shí)有效的指導(dǎo)、調(diào)度決策和預(yù)警預(yù)報(bào)；③專用通信網(wǎng)絡(luò)缺失。灌區(qū)現(xiàn)有管理站段雖有通信網(wǎng)絡(luò)，但并未實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水利信息化所涉及的水庫、山洪預(yù)警、農(nóng)田供水灌溉等垂直信息化管理系統(tǒng)的兼容，信息孤島現(xiàn)象突出，信息傳送效率低，數(shù)據(jù)資源無法實(shí)時(shí)共享、利用，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉及配水管控。

潘莊灌區(qū)管理局于2020年初開始進(jìn)行灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，并按照四個(gè)階段具體實(shí)施，第一階段（2020年1月至3月）：表示層和應(yīng)用層構(gòu)建；第二階段（2020年4月至6月）：公用支撐平臺及數(shù)據(jù)集成平臺構(gòu)建；第三階段（2020年7月至9月）：數(shù)據(jù)支撐層構(gòu)建及系統(tǒng)試運(yùn)行；第四階段（2020 年10 月）維護(hù)及最終完成。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

潘莊灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)充分借助微信公眾號平臺實(shí)現(xiàn)灌區(qū)各測站信息移動查詢。微信公眾平臺服務(wù)主要借助和依據(jù)人們較為常用的微信公眾號進(jìn)行接入路徑開發(fā)及接口服務(wù)功能的提供，結(jié)合國內(nèi)大型灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)構(gòu)建相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及成功做法，為保證灌區(qū)管理效果，必須以開發(fā)者為核心，尤其借助微信應(yīng)用軟件的公眾平臺網(wǎng)站構(gòu)建公眾號服務(wù)模塊，通過服務(wù)協(xié)議、接口調(diào)用等具體操作得到其應(yīng)用平臺的服務(wù)及全過程運(yùn)維權(quán)限。微信公眾號的服務(wù)形式具體包括網(wǎng)頁和消息回話兩種，為提供更為復(fù)雜的場景應(yīng)用服務(wù)，潘莊灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)則采用網(wǎng)頁形式，使之具備上傳圖片、拍攝、定位等功能。

此外，潘莊灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)基于MVC 模式輕量級web 的SSH 框架進(jìn)行開發(fā)，具體見圖1。SSH 框架由Struts、Spring 和Hibernate 等框架通過Servlet 和Jsp 等技術(shù)集成，框架邏輯系統(tǒng)主要通過Struts的MVC設(shè)計(jì)模式變得更加清晰；數(shù)據(jù)信息持久化及數(shù)據(jù)庫完全面向?qū)ο蟛僮鲃t通過Hibernate 實(shí)現(xiàn)，簡化關(guān)系型數(shù)據(jù)庫處理。

圖1 SSH框架圖

Web GIS技術(shù)屬于internet環(huán)境中地理空間信息存儲、傳輸、分析、處理、顯示及應(yīng)用的軟件系統(tǒng)，其使GIS功能超越局部計(jì)算機(jī)限制，能同時(shí)提供REST還能隨時(shí)調(diào)用其基于API功能接口所開發(fā)的地圖應(yīng)用，并具備地理信息模塊查詢、編輯、定位功能。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由圖2可知，潘莊灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)主要包括表示層、應(yīng)用層、公用支撐層、集成層和數(shù)據(jù)支撐層等層次：①表示層由門戶網(wǎng)站（外網(wǎng)）和灌區(qū)管理信息（內(nèi)網(wǎng)）兩部分組成，還包括通過微信公眾平臺查詢灌區(qū)測站信息功能；②應(yīng)用層屬于灌區(qū)管理信息系統(tǒng)，由灌區(qū)水位流量監(jiān)測、視頻監(jiān)測、業(yè)務(wù)管理、信息發(fā)布及管理等子系統(tǒng)構(gòu)成；③公用支撐層主要提供數(shù)據(jù)接收、存儲、讀取、檢索、查詢及成員管理、權(quán)限管理、業(yè)務(wù)邏輯管理等功能；④集成層由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、電子地圖、動態(tài)數(shù)據(jù)庫等模塊構(gòu)成，便于數(shù)據(jù)查詢及存儲；⑤數(shù)據(jù)支撐層則由灌區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測點(diǎn)水位、流量、視頻、圖片、空間數(shù)據(jù)、專題圖等構(gòu)成。

圖2 灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)層次劃分圖

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)思路，所構(gòu)建起的潘莊灌區(qū)自動化監(jiān)控中心使用的局域網(wǎng)主要通過星形結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行線路布置，并同時(shí)結(jié)合布線技術(shù)將IP地址以自動的方式任意分配，使之與相應(yīng)的客戶端連接。灌區(qū)渠道水位實(shí)時(shí)觀測、流量流速等參數(shù)監(jiān)測以及灌區(qū)常見水工建筑物和各級灌溉渠道工程完善及管理圖像的可能的視頻的監(jiān)測以及相適應(yīng)的采用通訊TCP/IP 協(xié)議。水位流量監(jiān)測點(diǎn)及圖像視頻監(jiān)測點(diǎn)信息傳遞則通過運(yùn)營商提供的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，能滿足視頻、圖片、語音數(shù)據(jù)在線查看。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

潘莊灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)由門戶網(wǎng)站、灌區(qū)信息管理系統(tǒng)及微信公眾平臺構(gòu)成，具體見圖3。門戶網(wǎng)站：是潘莊灌區(qū)對外展示灌區(qū)運(yùn)行狀況的主渠道，并為灌區(qū)管理提供統(tǒng)一登錄入口及包括灌區(qū)管理制度檢索、法律法規(guī)、水利百科、天氣預(yù)報(bào)、信息檢索、友情鏈接等在內(nèi)的個(gè)性化信息服務(wù)；灌區(qū)信息管理系統(tǒng)：是潘莊灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用平臺的核心模塊，該系統(tǒng)主要基于GIS技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)灌區(qū)電子地圖縮放、平移、距離測量、圖層管理；其電子底圖為應(yīng)用Java Script方式調(diào)用的天地圖，數(shù)據(jù)資料更具權(quán)威性和普適性。微信公眾平臺：潘莊灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)可直接通過關(guān)注公眾號進(jìn)入，并獲取灌區(qū)測站水位流量、渠系建筑物運(yùn)行狀況、水文氣象等相關(guān)數(shù)據(jù)，并具備移動監(jiān)控功能。

圖3 潘莊灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)功能模塊圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用與測試

3.1 灌區(qū)信息管理系統(tǒng)

登錄潘莊灌區(qū)網(wǎng)址后進(jìn)入門戶網(wǎng)站首頁，根據(jù)欄目標(biāo)題便可查看內(nèi)容，首頁還包括灌區(qū)信息管理系統(tǒng)登錄界面。輸入用戶名和密碼后登錄灌區(qū)信息管理系統(tǒng)，同時(shí)會顯示出基于GIS的結(jié)合灌區(qū)遙感地圖、水利底圖等的地理信息模塊，地圖上同時(shí)還標(biāo)示有灌區(qū)水源、測站、渠系建筑物、排水溝等節(jié)點(diǎn)，具備實(shí)時(shí)定位功能。點(diǎn)擊測站名稱后會顯示出具體灌區(qū)水位、流量實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，且該模塊按照15min/次的頻次顯示監(jiān)測結(jié)果；根據(jù)時(shí)間范圍及測站名稱等關(guān)鍵詞還能查詢測站歷史水位、流量信息。

在圖像監(jiān)控界面可以通過測站條件、時(shí)間范圍等進(jìn)行測站全部歷史圖像監(jiān)控信息查詢。點(diǎn)擊灌區(qū)名稱及相關(guān)信息，還可以進(jìn)行在線修改、添加、刪除及批量管理操作。

3.2 微信公眾平臺

通過微信公眾號中的GIS 地理信息系統(tǒng)進(jìn)行灌區(qū)地理位置、渠系建筑物運(yùn)行狀況、水位流量信息的實(shí)時(shí)查詢，并具有即時(shí)抓拍、隨時(shí)召測等功能。測試結(jié)果表明，該灌區(qū)新新華綜合應(yīng)用平臺各功能模塊均正常運(yùn)行，且在系統(tǒng)穩(wěn)定性、可維護(hù)性、兼容性等方面良好。

當(dāng)前，潘莊灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)正常運(yùn)行后，以GIS技術(shù)、J2EE 架構(gòu)和微信公眾平臺為依托的灌區(qū)信息化管理模式已經(jīng)在全省大中型灌區(qū)中推廣應(yīng)用，效果良好，且在灌區(qū)綜合管理中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著信息化管理新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，云平臺、智能感知在灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)中必將得到更為廣泛的應(yīng)用，灌區(qū)智能化管理水平將不斷提升。

4 結(jié)論

灌區(qū)信息化系統(tǒng)建成并投入正式運(yùn)行后之前傳統(tǒng)管理模式下必須由相關(guān)人員手寫填入并當(dāng)面遞交的6 張灌區(qū)基本情況填寫表、10張灌區(qū)立項(xiàng)項(xiàng)目管理情況表、12張灌區(qū)渠系改擴(kuò)建工程表等文檔資料全部改為電子化、無紙化方式，填寫人員只需通過該信息化應(yīng)用系統(tǒng)相應(yīng)的模塊，便可在線填寫并點(diǎn)擊提交，錄入系統(tǒng)，數(shù)據(jù)會在同一時(shí)刻傳輸至接收審核人員?；诖髷?shù)據(jù)的潘莊灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行后，以其為參考和借鑒，GIS技術(shù)、J2EE架構(gòu)、微信公眾平臺等技術(shù)已經(jīng)在全省多個(gè)灌區(qū)信息化建設(shè)中得到應(yīng)用，且在灌區(qū)管理中用戶掌握灌區(qū)水情、工情等更加及時(shí)全面，灌區(qū)運(yùn)行情況測報(bào)能力明顯提升，為灌區(qū)運(yùn)行維護(hù)及管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。大數(shù)據(jù)技術(shù)與B/S架構(gòu)系統(tǒng)、GIS技術(shù)等的結(jié)合應(yīng)用，使用戶省去了安裝軟件的操作，直接通過瀏覽器便可訪問使用，且系統(tǒng)兼容性較高；系統(tǒng)外部人員也可登錄門戶網(wǎng)站或搜索關(guān)注微信公眾號了解灌區(qū)運(yùn)行信息，宣傳效果較佳。潘莊灌區(qū)信息化綜合應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是水利現(xiàn)代化、信息化建設(shè)的重要踐行。