江蘇省水情報汛流程優(yōu)化與系統(tǒng)實現(xiàn)

何 健，王 嬌，李 凱，朱得糠，馮勝男，劉金雨

（1.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇南京 210029；2.北京金水信息技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100053）

1 概述

國家“十四五”規(guī)劃綱要明確要求，構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力。建設(shè)數(shù)字孿生流域是推進智慧水利建設(shè)的核心和關(guān)鍵，以數(shù)字孿生流域建設(shè)帶動智慧水利建設(shè)，通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的思維、戰(zhàn)略、資源、方法，來提升水利決策與管理的科學化、精準化、高效化能力和水平。

“十四五”時期，為應(yīng)對智慧水利工作新要求，水文工作的目標中提到基本實現(xiàn)水文全要素、全量程自動監(jiān)測，水文數(shù)據(jù)處理、預(yù)測預(yù)報和分析評價全流程自動化和智能化［1］。水情作為水文工作的窗口，承擔著水文服務(wù)防汛抗旱減災(zāi)及經(jīng)濟社會發(fā)展的重要任務(wù)，是開展信息化、智能化的前沿和載體，通過水情的信息化實現(xiàn)水文的信息化，從而助推水利的智慧化［2］。

報汛是水情工作的一項重要內(nèi)容，其主要任務(wù)是：按照報汛任務(wù)（委托）書要求，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行接收、處理、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，不錯報、不遲報、不缺報、不漏報。報汛質(zhì)量直接關(guān)系到水情分析評價與預(yù)測預(yù)報的準確性，進而影響防汛抗旱指揮決策的科學性，歷來受到高度重視。2021年，水利部信息中心正式印發(fā)《水情信息報送考評規(guī)定（試行）》，通過統(tǒng)一考評指標、規(guī)范考評流程，進一步強化報汛質(zhì)量管理。

為更好支撐數(shù)字孿生流域建設(shè)，升級改造的報汛軟件應(yīng)充分考慮空天地一體化水利感知網(wǎng)中地面監(jiān)測增加的監(jiān)測要素與頻次需求，考慮應(yīng)急監(jiān)測水位、流量等信息快速報送需求，實現(xiàn)實時更新重要站點水雨工災(zāi)等監(jiān)測信息。

2 水情報汛流程優(yōu)化

2.1 現(xiàn)狀分析

目前，江蘇省水情報汛實行人工和自動相結(jié)合的模式，報汛流程見圖1。人工報汛針對流量、引排水量、工情等人工監(jiān)測或計算的數(shù)據(jù)，通過“移動報汛系統(tǒng)”實現(xiàn)。移動端報汛APP人工提交的數(shù)據(jù)在分中心因特網(wǎng)區(qū)落地，再由同步軟件定時抓取至分中心水情庫；分中心水利專網(wǎng)與因特網(wǎng)之間架設(shè)網(wǎng)閘進行安全隔離。自動報汛針對降水量、水位、墑情等遙測自動采集的數(shù)據(jù)。遙測數(shù)據(jù)經(jīng)移動專線入水情分中心原始庫，再由“統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換平臺”完成向分中心應(yīng)用庫的同步；分中心遙測報汛系統(tǒng)按照報汛任務(wù)書要求，從分中心應(yīng)用庫取數(shù)，編報（時段統(tǒng)計、基面改正、質(zhì)量控制等）入分中心水情庫。自動和人工報汛數(shù)據(jù)在分中心水情庫匯集，13個地市水文分局和6個廳屬工程管理處，采用水情信息交換系統(tǒng)傳輸水情數(shù)據(jù)［3］，進而完成與省中心，與水利部、流域機構(gòu)、外省的數(shù)據(jù)交換。

圖1 江蘇省水情報汛流程現(xiàn)狀

2.2 存在問題

目前水情報汛存在問題主要表現(xiàn)在3個方面。

（1）人工報汛經(jīng)由因特網(wǎng)存在一定安全隱患。人工報汛數(shù)據(jù)從移動端APP發(fā)出，經(jīng)因特網(wǎng)傳輸，在分中心因特網(wǎng)區(qū)落地，全程因特網(wǎng)環(huán)境，數(shù)據(jù)安全無法得到充分保障。面對日趨嚴峻的網(wǎng)絡(luò)信息安全形勢，分中心有時不得不在一段時期內(nèi)關(guān)閉移動報汛系統(tǒng)，人工報汛受到較大影響，尤其是在大量水利工程相關(guān)站點。

（2）報汛系統(tǒng)分散式部署，運行維護難度較大。江蘇省現(xiàn)有19個分中心，每個分中心均有至少4套與報汛相關(guān)的系統(tǒng)同時運行，包括遙測報汛系統(tǒng)、移動報汛系統(tǒng)、水情信息交換系統(tǒng)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換平臺。隨著報汛工作強度的不斷加大，分中心有限的專業(yè)力量難以有效應(yīng)對各系統(tǒng)及相關(guān)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫的運維任務(wù)。此外，在江蘇省范圍內(nèi)，原始庫、應(yīng)用庫的同步與匯集采用自主開發(fā)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換平臺，而水情庫之間的交換則采用水利部信息中心下發(fā)的水情信息交換系統(tǒng)，全省水文數(shù)據(jù)尚未實現(xiàn)統(tǒng)一交換。

（3）報汛系統(tǒng)功能不完善，與業(yè)務(wù)需求不匹配?，F(xiàn)有遙測報汛軟件2013年開發(fā)完成，其間沒有大的升級改造，主要功能和技術(shù)指標已不能完全滿足水文情報預(yù)報工作新需求。例如：在水位陡漲陡落地區(qū)，系統(tǒng)最高每小時一次的報汛頻次明顯不足；時段特征值自動統(tǒng)計、流量在線推算等功能，系統(tǒng)暫未提供支持，仍需依靠人工處理。

2.3 優(yōu)化方案

針對現(xiàn)行報汛流程中存在的問題，提出調(diào)整方案，如圖2所示。

圖2 調(diào)整后水情報汛流程

2.3.1 人工報汛功能整合

“湖泛人工巡查與信息監(jiān)測預(yù)警平臺”建立了符合網(wǎng)絡(luò)信息安全要求的數(shù)據(jù)通道，開發(fā)了移動端APP，實現(xiàn)水文巡測、湖泛巡查、應(yīng)急監(jiān)測成果的隨測隨報。在湖泛巡查APP中整合報汛相關(guān)功能，徹底解決目前人工報汛的安全隱患。人工報汛數(shù)據(jù)按照與遙測數(shù)據(jù)完全相同的流程，最終在省中心原始庫和應(yīng)用庫匯集。

2.3.2 全省集中統(tǒng)一編報

去除分中心遙測報汛功能，改由省中心集中統(tǒng)一編報。調(diào)整后，分中心可取消水情庫，不再維護遙測報汛系統(tǒng)、水情信息交換系統(tǒng)，運維壓力大大減輕。省中心部署遙測報汛系統(tǒng)，從匯集全省遙測數(shù)據(jù)和人工報汛數(shù)據(jù)的省中心應(yīng)用庫取數(shù)，編報入省中心水情庫。這樣，江蘇省范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)交換均由統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換平臺承擔，與水利部、流域機構(gòu)和外省的數(shù)據(jù)交換仍通過水情信息交換系統(tǒng)。

2.3.3 遙測報汛系統(tǒng)升級

按照全省集中統(tǒng)一編報要求，升級遙測報汛系統(tǒng)。新增5分鐘報、變動加報等報送頻次設(shè)置功能；新增日、旬、月等時段均值和極值的自動統(tǒng)計功能；新增水工建筑物推流、水位流量關(guān)系線推流等流量在線計算功能。

3 水情報汛管理系統(tǒng)

針對水情報汛流程優(yōu)化中的遙測報汛系統(tǒng)升級，開發(fā)了江蘇省水情報汛管理系統(tǒng)。軟件開發(fā)后端采用Spring Boot框架、前端采用Vue框架，采用Shiro安全框架，開發(fā)語言為Java Script。軟件核心業(yè)務(wù)功能為報汛站點管理、報汛項目管理、報汛任務(wù)管理和報汛過程管理。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 總體框架

系統(tǒng)總體框架包括承載層、數(shù)據(jù)資源層、業(yè)務(wù)支撐層、用戶層、標準規(guī)范體系和信息安全體系（圖3）。承載層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要包括系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可充分應(yīng)用水文局已有基礎(chǔ)設(shè)施；數(shù)據(jù)資源層可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)用、生成和存儲，從應(yīng)用庫讀取遙測和人工報汛數(shù)據(jù)，從特征庫讀取特征值等信息，報汛數(shù)據(jù)入實時雨水情數(shù)據(jù)庫；業(yè)務(wù)支撐層通過業(yè)務(wù)功能的構(gòu)建，實現(xiàn)對報汛站點、報汛項目、報汛任務(wù)和報汛過程的管理；用戶層包括省級用戶和市級用戶2級用戶，省級用戶側(cè)重報汛實時監(jiān)控、報汛統(tǒng)計、訪問日志查看、人員賬號管理功能的實現(xiàn)，便于掌握報汛詳情和管理市局用戶，市級用戶主要通過系統(tǒng)實現(xiàn)報汛測站管理、報汛任務(wù)書配置、實時監(jiān)控報汛詳情、管理本級用戶及查看訪問日志等。

圖3 總體框架

3.1.2 業(yè)務(wù)流程

根據(jù)報汛任務(wù)書，針對每一個報汛測站進行報汛任務(wù)配置。首先，實現(xiàn)報汛測站的基本信息維護，包括配置測站的基本信息、站碼對應(yīng)、關(guān)系曲線、特征值、閾值、信息采集方式、監(jiān)測方式等；其次，配置站點報汛任務(wù)，選擇報送的任務(wù)，任務(wù)的報送頻次、算法以及是否加報等信息。完成以上配置后，進入報汛環(huán)節(jié)，報汛前會對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，如是否有數(shù)據(jù)、是否能計算數(shù)據(jù)，如有數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)能正常計算則進入下一步判斷數(shù)據(jù)是否超警，如果無數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)不全無法計算數(shù)據(jù)，則進行數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)不全的報警，判定數(shù)據(jù)為漏報，啟動5分鐘輪詢。業(yè)務(wù)流程見圖4。

圖4 業(yè)務(wù)流程

正常報汛和異常報汛的數(shù)據(jù)統(tǒng)一納入實時監(jiān)控，此外針對需人工處理的數(shù)據(jù)支持在線報送。以上從任務(wù)配置到質(zhì)量控制到報汛整個環(huán)節(jié)相應(yīng)的操作、報警、輪詢等都會進行痕跡記錄并生成日志。

3.1.3 系統(tǒng)安裝與部署

系統(tǒng)采用省中心集中部署，一主一備保存數(shù)據(jù)。

3.2 軟件特點

本次升級改造的江蘇省水情報汛管理系統(tǒng)有如下特點。

3.2.1 安全易維護

基于經(jīng)典技術(shù)Spring Boot、Apache Shiro、MyBatis、Thymeleaf、Bootstrap的統(tǒng)一權(quán)限后臺管理系統(tǒng)開發(fā)，使開發(fā)人員可以節(jié)省開發(fā)時間，降低技術(shù)難度，專注核心業(yè)務(wù)，提升軟件安全質(zhì)量，軟件更易維護。（1）內(nèi)置了部門管理、角色管理、菜單及按鈕授權(quán)、數(shù)據(jù)權(quán)限、系統(tǒng)參數(shù)、日志管理、通知公告等功能模塊，一鍵生成控制器、模型、視圖、菜單等功能，節(jié)省了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期；（2）支持多數(shù)據(jù)源，簡單配置即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)源切換，支持按鈕及數(shù)據(jù)權(quán)限，可自定義部門數(shù)據(jù)權(quán)限，降低了技術(shù)難度；（3）完善的XSS防范及腳本過濾，徹底杜絕XSS攻擊，使軟件更安全；（4）對常用的js插件進行二次封裝,使js代碼變得簡潔；（5）Maven多項目依賴，模塊及插件分項目，盡量松耦合，方便模塊升級、增減模塊，更易維護。

3.2.2 簡單易操作

系統(tǒng)按照核心業(yè)務(wù)分為了四大管理模塊，即報汛站點管理、報汛項目管理、報汛任務(wù)管理和報汛過程管理。報汛站點管理主要用于維護站點相關(guān)信息，對測站相關(guān)的信息如基面修正值、閾值、關(guān)系曲線等一站式配齊，統(tǒng)一維護；報汛項目管理，便于用戶快速了解系統(tǒng)支持的現(xiàn)有報汛項目并根據(jù)項目情況配置報汛任務(wù)；報汛任務(wù)管理，用戶可根據(jù)報汛任務(wù)書要求配置報汛站點報汛項目、報汛頻次、報汛算法；報汛過程管理，用戶針對配置好的報汛任務(wù)，實時查看正常報、遲報、漏報、奇異報情況，通過在線報汛補報或修正報汛數(shù)據(jù)，保證報汛時效性和質(zhì)量。

報汛站點和報汛任務(wù)信息維護時的增加、刪除、修改等操作直觀。檢索工具個性化、多樣化，便于快速定位測站和任務(wù)。報汛實時監(jiān)控可動態(tài)靈活展示各報汛單位、任意時段、不同報汛等級測站的報汛情況，便于用戶快速發(fā)現(xiàn)報汛問題并及時處理。

3.2.3 項目全而新

報汛功能升級，報汛項目新增日、旬、月、年時段均值和極值的自動統(tǒng)計和上報，報汛頻次上新增5分鐘和變動報的報汛頻次設(shè)置，新增水工建筑物推流、水位流量關(guān)系線推流、水位庫容曲線推算水庫蓄水量等在線計算功能，新增潮位特征值自動編報功能，具體支持的項目情況見表1。

表1 報汛項目匯總

3.2.4 多線程并發(fā)

目前水利部下發(fā)到江蘇省報汛任務(wù)的站點總計458個，江蘇省下發(fā)到分局及管理處報汛任務(wù)的站點總計619個，去掉重復(fù)的站點，總計有814個站點報汛，每個站點報汛項目1～20個不等。同一時間每個站有多個項目同時報送，隨著報汛項目和報汛頻次的增加，單線程不能滿足多個報汛項目同時入庫的需求。針對報汛未到數(shù)據(jù)采用5分鐘輪詢機制，在輪詢上進行報汛項目分類的多線程并發(fā)處理，對于報汛站點多、報汛頻率高的項目如雨量、瞬時水位、瞬時流量等各開啟一個線程，其他項目根據(jù)任務(wù)情況可以幾個項目一個線程。對每個線程進行梳理，分析主次線程邏輯關(guān)系，并行交叉的線程盡量并行交叉，按照優(yōu)先級劃分，采取避讓原則，保證線程盡早工作，提升運行效率，避免線程相互爭奪資源［4］。

3.3 功能模塊

3.3.1 報汛站點管理

報汛站點管理，實現(xiàn)報汛站點的新增、編輯和刪除，維護測站基本屬性表各類數(shù)據(jù)、設(shè)置遙測碼和報汛碼對應(yīng)關(guān)系、設(shè)置超閾值告警的閾值、維護水位庫容關(guān)系曲線信息等。

3.3.2 報汛項目管理

報汛項目管理，查看系統(tǒng)支持的報汛項目，包括降水量、（潮）水位、蒸發(fā)量、流量、蓄水量、引排水量、土壤墑情、工情和風力風向9大類，每個項目都有簡介和報汛流程，介紹項目的計算方法、報送規(guī)則、輪詢機制和告警規(guī)則等，便于用戶快速了解報汛項目。

3.3.3 報汛任務(wù)管理

報汛任務(wù)管理包括任務(wù)配置和任務(wù)分組。任務(wù)配置通過選擇報汛項目、配置項目報汛頻次、項目算法、報汛起訖時間實現(xiàn)報汛項目的統(tǒng)一在線配置。任務(wù)分組，通過定義分組、設(shè)置分組報汛任務(wù)，實現(xiàn)向不同管理單位定制化報汛需求。

3.3.4 報汛過程管理

報汛過程管理包括實時監(jiān)控和在線報汛。實時監(jiān)控可自定義查詢某段時間內(nèi)和每小時不同管理單位中央報汛站、省級報汛站、其他報汛站3種類型站點正常報、遲報、漏報和奇異報4種報汛狀況報汛信息。在線報汛可根據(jù)實時監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)的漏報和奇異報等情況進行補報和報文修正。

4 結(jié)語

以數(shù)字孿生流域建設(shè)帶動智慧水利建設(shè)，打造數(shù)字孿生流域堅實基礎(chǔ)，基本實現(xiàn)水文全要素、全量程自動監(jiān)測，水文數(shù)據(jù)處理、預(yù)測預(yù)報和分析評價全流程自動化和智能化，提升水情測報能力。分析江蘇水情現(xiàn)有報汛流程，并對該流程進行了優(yōu)化，實現(xiàn)人工報汛功能整合、遙測報汛系統(tǒng)升級、全省集中統(tǒng)一編報。升級改造后的江蘇水情報汛管理系統(tǒng)基于統(tǒng)一權(quán)限后臺管理系統(tǒng)二次開發(fā)，開發(fā)更快捷、系統(tǒng)更安全；包含報汛站點管理、報汛項目管理、報汛任務(wù)管理、報汛過程管理四大核心業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)功能清晰，操作簡單方便；報汛項目更多、報汛頻次更密、報汛項目算法更新；為提升報送效率，數(shù)據(jù)報送采用多線程并發(fā)處理技術(shù)。通過系統(tǒng)建設(shè)，增加報汛要素、報汛頻次，改進報汛算法，一定程度上提升了江蘇水情測報能力，為建設(shè)數(shù)字孿生流域、推進智慧水利建設(shè)打下堅實信息基礎(chǔ)。