基于5G+的大豐智慧海堤管理平臺建設(shè)

王 帥，馮可暉，張 軍

（大豐區(qū)水利局，江蘇 鹽城 224100）

鹽城市大豐區(qū)位于江蘇省沿海中部，東臨黃海，擁有112 km海岸線，海岸土質(zhì)為粉沙質(zhì)淤泥，自宋朝建成范公堤以來，海岸呈向外淤積趨勢，屬于淤漲型海岸。隨著海岸東遷，大豐區(qū)為保障沿海人民生命財產(chǎn)安全，先后修建了5 道海堤抵御海潮的侵襲。先后建成大豐閘、王港閘、三里閘、川東閘、竹港閘、四卯酉閘等大中型排澇擋潮閘以及擋潮海堤。自把智慧水利建設(shè)作為推進水利現(xiàn)代化的重要舉措后，大豐區(qū)在海堤信息化建設(shè)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代化信息技術(shù)建設(shè)智慧海堤管理平臺，以適應(yīng)智慧水利的發(fā)展需求。

1 大豐區(qū)海堤信息化建設(shè)現(xiàn)狀

海堤數(shù)據(jù)是決策精準(zhǔn)化、科學(xué)化的有效支撐，部分地區(qū)信息化基礎(chǔ)薄弱，海堤水、雨、潮情數(shù)據(jù)多為人工測量記錄的書面數(shù)據(jù)，尚未形成完整的電子數(shù)據(jù)，部分涵閘雖已實現(xiàn)信息化的有效運用，但推廣不足。如部分站點監(jiān)測設(shè)備落后，測量數(shù)據(jù)失真，無法為水利決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

視頻監(jiān)控技術(shù)可對工程的人員、設(shè)備、設(shè)施提供有效保護，是十分便捷、高效的遠程管理手段。目前5G+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已較為成熟，但部分海堤在無電、無網(wǎng)情況下仍采用相對落后的視頻錄像采集上報技術(shù)，視頻質(zhì)量較差、圖像不夠清晰、傳輸速度較慢，尤其在部分險工患段無法做到實時采集傳輸，另外監(jiān)控系統(tǒng)尚未采用圖像智能識別技術(shù)，不能有效實現(xiàn)對堤閘的遠程管理。

智慧海堤建設(shè)必須高度重視風(fēng)暴潮的發(fā)生和預(yù)警，推進構(gòu)建具有“四預(yù)”（預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）功能的智慧水利體系［1］。但在海堤信息化建設(shè)過程中，部分業(yè)務(wù)系統(tǒng)仍采用人工采集錄入運行模式，存在應(yīng)用和業(yè)務(wù)融合不足，高新信息技術(shù)應(yīng)用不高等問題，如海堤管理與涵閘遠程聯(lián)合調(diào)度能力不足，水、雨、潮情數(shù)據(jù)推送處理不及時，海堤、涵閘站點管理與控制智能化程度不高等。

2 智慧海堤管理平臺建設(shè)總體框架

2.1 總體目標(biāo)

采用B/S的模式，通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GIS 等技術(shù)的系統(tǒng)集成，采用數(shù)據(jù)流交叉組織方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、信息查詢與發(fā)布、成果展示等功能，構(gòu)建具有水利全要素映射的數(shù)字化海堤，建成以抵御海潮為重點的業(yè)務(wù)應(yīng)用，賦能構(gòu)建預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的“四預(yù)”體系，建立實時監(jiān)測、智能預(yù)警的海堤安全防御體系［2］。建設(shè)智慧化海堤管理平臺，實現(xiàn)海堤、閘站信息自動采集、存儲及數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)化、防災(zāi)減災(zāi)智慧預(yù)警與監(jiān)測，支撐防潮決策科學(xué)化。

2.2 總體框架

根據(jù)大豐區(qū)智慧海堤管理平臺建設(shè)的總體目標(biāo)、按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的總體要求，平臺采用B/S 架構(gòu)，整體采用前后端分離的微服務(wù)機構(gòu)模式，方便后期的數(shù)據(jù)共享和擴展升級需要，后臺采用Sping Boot 搭建，客戶端展示采用vue 等主流前端框架，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理。具體框架如圖1所示。

圖1 智慧海堤管理平臺總體框架

3 智慧海堤管理平臺建設(shè)的主要任務(wù)

3.1 建設(shè)海堤安全數(shù)據(jù)中心

硬件設(shè)施上，利用現(xiàn)有的中心機房和網(wǎng)絡(luò)，通過政務(wù)內(nèi)網(wǎng)連接指揮中心和堤防管理處。堤防管理處通過VPN 連接各閘站，用于數(shù)據(jù)通訊與傳輸，實現(xiàn)信息共享、聯(lián)合辦公、視頻會商、遠程調(diào)度等。

數(shù)據(jù)上，采用云計算技術(shù)將大豐區(qū)海堤歷史數(shù)據(jù)進行整合，建設(shè)包括業(yè)務(wù)庫、歷史庫和備份庫的綜合數(shù)據(jù)中心，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行分層和信息分類，包括分類代碼、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、屬性字段等，使海堤數(shù)據(jù)規(guī)范化、統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化。源數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，按照數(shù)據(jù)分層要求和統(tǒng)一的參考坐標(biāo)，利用腳本程序，分層創(chuàng)建數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表結(jié)構(gòu)，并結(jié)合數(shù)據(jù)預(yù)處理階段形成的對照表進行批量錄入，提高效率。將現(xiàn)有的堤防管理人員信息、各閘站基礎(chǔ)信息、自動化運行數(shù)據(jù)、工程安全、堤防巡查業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、電子化數(shù)據(jù)，按照設(shè)計好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和規(guī)范批量導(dǎo)入到中心數(shù)據(jù)庫，建立統(tǒng)一的海堤安全數(shù)據(jù)中心。

3.2 建設(shè)5G+智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)

采用5G 高速網(wǎng)絡(luò)，配合智能圖像識別攝像頭，利用前期各視頻監(jiān)控點，進行集中組網(wǎng)，各監(jiān)控點與調(diào)度中心監(jiān)控平臺間利用運營商網(wǎng)絡(luò)連接，通過運營商網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)控視頻的調(diào)用及控制信號的下發(fā)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用智能數(shù)字視頻監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，對工程施工現(xiàn)場的關(guān)鍵區(qū)域進行全方位24 h 不間斷的視頻監(jiān)控，實現(xiàn)不同設(shè)備及系統(tǒng)的互聯(lián)、互通、互控，完成視音頻及工程預(yù)警信息的采集、傳輸/轉(zhuǎn)換、顯示/存儲、控制，同時還提供身份認證和權(quán)限管理，保證工程視頻信息的安全［3］。通信網(wǎng)絡(luò)采用無線中繼方式組成通信網(wǎng)絡(luò)，無線設(shè)備采用融合指揮通信系統(tǒng)，集成了基站、核心網(wǎng)、調(diào)度系統(tǒng)等功能，適用于需要快速部署的應(yīng)急通信場景，通過LTE技術(shù)基站及接收終端組成局域網(wǎng)絡(luò)，單套無線設(shè)備覆蓋距離1～5 km，海堤沿線攝像機、巡查定位等設(shè)備通過局域網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至現(xiàn)場接收設(shè)備，再通過5G物聯(lián)網(wǎng)上傳到平臺，智慧海堤通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 智慧海堤通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

3.3 業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

3.3.1 GIS+BIM三維海堤綜合管理系統(tǒng)

基于先進的BIM 技術(shù)，結(jié)合地理信息（GIS）、傾斜攝影以及GPS 定位技術(shù)，建設(shè)基于BIM 的海堤綜合管理系統(tǒng)［4］。采用BIM 數(shù)字工程海堤建模，把海堤相關(guān)附屬管理工程進行數(shù)字建模，為日常管理、水雨潮情模擬、應(yīng)急指揮、自動化控制提供及時準(zhǔn)確的信息來源。該系統(tǒng)功能包括：GIS+BIM 三維實時展示［5］，閘站運行管理、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計，海潮預(yù)警，應(yīng)急模擬，綜合信息查詢等，可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，自動分析和監(jiān)測，自動預(yù)警報警，提供沉浸式的海堤管理場景［6］。

3.3.2 海堤安全與應(yīng)急指揮系統(tǒng)

智慧海堤的建設(shè)必須高度重視風(fēng)暴潮的發(fā)生和預(yù)警，推進構(gòu)建具有“四預(yù)”功能的智慧水利體系。通過布設(shè)水文監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對風(fēng)暴潮的可視化預(yù)警、動態(tài)模擬分析風(fēng)暴潮對海堤的破壞能力模擬，為風(fēng)暴潮的防范和應(yīng)急指揮提供決策依據(jù)，保護海堤附近人員和設(shè)施安全。提供系統(tǒng)安全與應(yīng)急指揮可視化的防潮預(yù)警：通過三維動態(tài)模擬風(fēng)暴潮預(yù)警，結(jié)合應(yīng)急預(yù)案模擬、分析，搶險救援指揮，實現(xiàn)對風(fēng)暴潮的可視化預(yù)警、動態(tài)模擬，并將分析結(jié)果推送給用戶，提供輔助決策分析。

3.3.3 水雨潮情實時報送系統(tǒng)

根據(jù)海堤的實際需求，運用水文監(jiān)測站點、實時潮位監(jiān)測站點對水、雨、潮情進行實時監(jiān)測，通過5G+網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對海堤區(qū)域險工患段進行全時監(jiān)控，提供潮位、流量、水雨情實時數(shù)據(jù)的展示與查詢，并對所有水、雨、潮數(shù)據(jù)進行處理，備份，實現(xiàn)水、雨、潮情實時監(jiān)測全覆蓋，提供高效應(yīng)急指揮技術(shù)支持，提高海堤防汛減災(zāi)能力。水、雨、潮情實時報送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智慧海堤水、雨、潮情實時報送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3.4 涵閘自動化控制、可視化監(jiān)測系統(tǒng)

通過5G+遠程自動化控制設(shè)備，結(jié)合水、雨、潮情等實時數(shù)據(jù)，建設(shè)自動化閘門調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng)，及時防范風(fēng)暴潮影響，保護堤內(nèi)人員和設(shè)施安全。同時在建設(shè)海堤和涵閘過程中，受本地淤漲型海岸和沉降等復(fù)雜地質(zhì)情況的影響，往往易出現(xiàn)安全隱患，通過現(xiàn)代信息技術(shù)建立監(jiān)測系統(tǒng)，及時掌握海堤、涵閘及其地基土體的變形參數(shù)，消除安全隱患。

3.3.5 智能隱患巡檢系統(tǒng)

開發(fā)移動端APP實現(xiàn)智慧海堤的高效管理，具體包括：實時瀏覽、查詢海堤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；當(dāng)風(fēng)暴潮運行出現(xiàn)報警信息時，系統(tǒng)通過第三方接口及時推送到管理人員移動端，有助于管理人員及時處理；手機端查詢各涵閘運行數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)；通過5G通訊互聯(lián)，實現(xiàn)手機端與指揮中心實時連接，進行遠程視頻會議；通過手機端巡檢地圖，能夠查詢海防設(shè)施屬性與實時數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

依托自有機房、網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器，運用5G+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遠程控制系統(tǒng)、智能視頻監(jiān)控及BIM、3S（GIS、RS、GPS）技術(shù)，建設(shè)大豐區(qū)智慧海堤管理平臺，實時監(jiān)測和模擬仿真，實現(xiàn)“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”功能。智慧海堤是水利高質(zhì)量發(fā)展的重要體現(xiàn)，有利于在防潮過程中生成最優(yōu)化決策方案，以便最大程度地規(guī)避風(fēng)險、減少損失、提高效益，對于提升水利現(xiàn)代化管理能力有重要支撐作用。