丹江口水庫綜合管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

林 聰，李 花

（江河瑞通（北京）技術(shù)有限公司，北京 100097）

0 引言

丹江口水庫位于漢江中上游，是亞洲第一大人工淡水湖，也是國家南水北調(diào)中線工程水源地、國家一級(jí)水源保護(hù)區(qū)、中國重要的濕地保護(hù)區(qū)、國家級(jí)生態(tài)文明示范區(qū)。丹江口水庫是整個(gè)南水北調(diào)中線的水源保障，水庫正常蓄水位為 170 m，庫容為290.5 億 m3，水域面積達(dá) 1 022.75 km2，北京、天津、河北、河南 4個(gè)省市沿線約 6 000 萬人可以直接飲用水質(zhì)優(yōu)良的漢江水，近 1 億人間接受益[1]。

當(dāng)前，水利信息化建設(shè)如火如荼開展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到充分應(yīng)用，智能感知、數(shù)據(jù)分析、智慧決策等人工智能技術(shù)在水利行業(yè)嶄露頭角[2–4]。在水利事業(yè)發(fā)展改革的新形式下，水利作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，信息化更是水利現(xiàn)代化的基礎(chǔ)[5]。丹江口水庫的信息化管理在供水、水文水情、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)測(cè)、水庫移民、視頻監(jiān)控、大壩安全監(jiān)測(cè)、界樁管理等方面都建立了獨(dú)立的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，用于滿足日常的水庫管理工作。但隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展和綜合業(yè)務(wù)分析需求的不斷增長，水庫管理工作中還存在管理技術(shù)水平相對(duì)落后、管理手段比較單一等制約水庫充分發(fā)揮其工程效益的因素，無法滿足規(guī)范、準(zhǔn)確、及時(shí)的水庫管理工作要求，在一定程度上阻礙了丹江口水庫管理的現(xiàn)代化和智慧化發(fā)展，主要體現(xiàn)在：1）建立了許多獨(dú)立系統(tǒng)，但分散的業(yè)務(wù)系統(tǒng)無法滿足信息化統(tǒng)一管理的需求；2）現(xiàn)有的數(shù)據(jù)共享覆蓋范圍和模式只能共享部分?jǐn)?shù)據(jù)，無法滿足精細(xì)化管理要求；3）庫區(qū)巡查、水質(zhì)水量監(jiān)控、視頻監(jiān)察等工作依賴人工，容易增加工作成本和出錯(cuò)率；4）缺乏統(tǒng)一展示丹江口水庫整體信息化管理水平的窗口，無法從宏觀層面整體了解丹江口水庫的工作現(xiàn)狀、業(yè)務(wù)現(xiàn)狀和信息化管理水平。

為實(shí)現(xiàn)丹江口水庫的現(xiàn)代化管理，形成新型智慧工程管控，達(dá)到行業(yè)科技應(yīng)用的引領(lǐng)，根據(jù)現(xiàn)階段中線水源工程運(yùn)行管理工作需要，結(jié)合當(dāng)前水源工程及運(yùn)行管理實(shí)際情況建設(shè)丹江口水庫綜合管理平臺(tái)，整合丹江口水庫現(xiàn)有分散的、獨(dú)立的數(shù)據(jù)資源和信息系統(tǒng)，建立內(nèi)外部數(shù)據(jù)的匯集與共享機(jī)制，構(gòu)建大數(shù)據(jù)支撐服務(wù)平臺(tái)框架和統(tǒng)一的丹江口業(yè)務(wù)管理與應(yīng)用系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用系統(tǒng)和用戶統(tǒng)一集成管理，同時(shí)結(jié)合大數(shù)據(jù)、智能圖像識(shí)別、遙感影像分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)與丹江口水庫綜合管理融合，提升水庫精細(xì)化管理水平，初步實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用。

1 系統(tǒng)建設(shè)需求與原則

1.1 系統(tǒng)建設(shè)需求

系統(tǒng)建設(shè)需求主要從以下方面進(jìn)行考慮：

1）用戶需求。系統(tǒng)設(shè)立水利部及高層領(lǐng)導(dǎo)、水庫管理單位領(lǐng)導(dǎo)、各業(yè)務(wù)部門三級(jí)用戶。水利部及高層領(lǐng)導(dǎo)主要通過系統(tǒng)了解丹江口水庫總體態(tài)勢(shì)、水庫狀態(tài)、運(yùn)行管理情況等；水庫管理單位領(lǐng)導(dǎo)主要負(fù)責(zé)指導(dǎo)水庫運(yùn)行管理工作，掌握大壩安全狀態(tài)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并協(xié)調(diào)處理；各業(yè)務(wù)部門主要負(fù)責(zé)水庫供水、庫區(qū)、大壩安全等具體業(yè)務(wù)管理。

2）功能需求。系統(tǒng)具體功能需求為：a．實(shí)現(xiàn)已建各業(yè)務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用，將丹江口水庫信息化建設(shè)成果按照多維度、多方位的主題形式進(jìn)行直觀展示；b．在一張圖的形式下掌握水質(zhì)全部監(jiān)測(cè)情況和變化趨勢(shì)，并對(duì)水質(zhì)異常情況進(jìn)行預(yù)警分析；c．利用遙感和圖像分析技術(shù)，對(duì)庫區(qū)巡查任務(wù)和路線進(jìn)行智能規(guī)劃和分配，提升庫區(qū)巡查效率；d．實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)信息集成與三維可視化展示。

1.2 系統(tǒng)建設(shè)原則

系統(tǒng)建設(shè)以“大數(shù)據(jù) + 圖像識(shí)別”技術(shù)為核心，對(duì)水庫管理業(yè)務(wù)提供標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)應(yīng)用，系統(tǒng)建設(shè)遵循 2個(gè)基本原則：1）遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，滿足未來擴(kuò)展需求；2）選用成熟的技術(shù)建設(shè)系統(tǒng)，適度應(yīng)用先進(jìn)理念。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)按照“遵循國家智慧水利總體方向—制定統(tǒng)一數(shù)據(jù)匯集共享機(jī)制—圍繞實(shí)際業(yè)務(wù)需求”的技術(shù)路線逐步建設(shè)。充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)為水庫管理智慧化建設(shè)提供技術(shù)支撐。系統(tǒng)總體上劃分成 3 層架構(gòu)，包括一體化感知、平臺(tái)支撐服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用層面。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

一體化感知體系主要實(shí)現(xiàn)空天地監(jiān)測(cè)體系的完善及多源數(shù)據(jù)源的構(gòu)建，包括傳感器、業(yè)務(wù)和文本類信息。

支撐服務(wù)體系主要將分散在各處的已有數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)信息進(jìn)行匯集，實(shí)現(xiàn)對(duì)流、結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理，提供圖像識(shí)別分析支撐、大數(shù)據(jù)可視化支撐和基礎(chǔ)支撐服務(wù)等。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要包括大數(shù)據(jù)綜合信息展示應(yīng)用，供水調(diào)度及管理（供水管理）、庫區(qū)綜合管理（庫區(qū)管理）和大壩安全監(jiān)測(cè)管理（樞紐管理）等應(yīng)用。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.2.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

丹江口水庫信息化系統(tǒng)經(jīng)過多年建設(shè)，積累的數(shù)據(jù)資料已經(jīng)初具規(guī)模。針對(duì)這種容量大、類型多、應(yīng)用價(jià)值高，同時(shí)又具備動(dòng)態(tài)和可持續(xù)特征的數(shù)據(jù)，必須通過新系統(tǒng)、新工具、新模型的挖掘處理和存儲(chǔ)等技術(shù)，從中獲取具有洞察力和新價(jià)值的信息并反哺于應(yīng)用，即采用大數(shù)據(jù)技術(shù)[6]。丹江口水庫綜合管理平臺(tái)在充分利用現(xiàn)有供水、庫區(qū)管理、樞紐業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過智慧化感知體系，加大信息采集面的覆蓋，實(shí)現(xiàn)水庫水質(zhì)、水量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，完成多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)不同類型、格式的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)集成匯入服務(wù)和工具，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的人工、自動(dòng)、半自動(dòng)匯入。通過數(shù)據(jù)預(yù)處理（包括數(shù)據(jù)清洗、去重和數(shù)據(jù)規(guī)范建設(shè)），對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化處理，分別放入流數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，為供水、庫區(qū)管理、樞紐管理等業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)服務(wù)支撐。結(jié)合高分高清大屏系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，實(shí)現(xiàn)供水、庫區(qū)管理、大壩安全監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)的圖形實(shí)時(shí)可視化，場(chǎng)景化和交互，打造大數(shù)據(jù)可視化的高效水庫管理系統(tǒng)，進(jìn)一步提高丹江口水庫信息化管理水平。

2.2.2 圖像識(shí)別技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

圖像識(shí)別技術(shù)即計(jì)算機(jī)視覺，是指用攝影機(jī)和計(jì)算機(jī)代替人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和測(cè)量等，并進(jìn)行圖像處理。通過圖像識(shí)別分析技術(shù)，能夠自動(dòng)識(shí)別圖像中的信息，并將信息有效傳遞給用戶，解決龐大視頻數(shù)據(jù)的查詢并提高分析效率[7–8]。

系統(tǒng)主要利用圖像識(shí)別技術(shù)解決水庫管理中人員及車輛非法闖入、設(shè)備安全巡檢、安全帽佩戴和垃圾漂浮物等不同場(chǎng)景的視頻分析問題，為水庫管理單位提供準(zhǔn)確、高效的視頻監(jiān)控分析服務(wù)。通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議直連視頻頭、碼流獲取、SDK 獲取 3種方式接入庫區(qū)各個(gè)攝像頭視頻圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)圖像進(jìn)行除霧除雨、除倒影及波紋等增強(qiáng)處理。根據(jù)不同的事件場(chǎng)景建立視頻圖像分析模型，分別構(gòu)建：1）水位、水域智能識(shí)別模型，智能識(shí)別實(shí)時(shí)水位和水面范圍信息；2）構(gòu)建垃圾漂浮物識(shí)別模型，智能識(shí)別是否有垃圾漂浮物及嚴(yán)重程度；3）人員非法闖入識(shí)別模型，對(duì)非法闖入指定區(qū)域的人員進(jìn)行智能識(shí)別；4）設(shè)備漏水、漏油識(shí)別模型，監(jiān)測(cè)特定設(shè)備是否有漏油、漏水現(xiàn)象；5）施工安全帽佩戴智能識(shí)別模型，對(duì)進(jìn)入水庫施工場(chǎng)地的人員識(shí)別是否佩戴安全帽。建立統(tǒng)一的分析模型計(jì)算引擎，為視頻圖像的分析提供標(biāo)準(zhǔn)的模型計(jì)算調(diào)用接口，將識(shí)別出的的異常事件推送至系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行展示。

2.3 功能設(shè)計(jì)

2.3.1 大數(shù)據(jù)綜合及專題分析

大數(shù)據(jù)綜合及專題分析提供包括各類專題信息及各應(yīng)用系統(tǒng)處理后的成果信息，結(jié)合一張圖進(jìn)行匯總展示，按照業(yè)務(wù)應(yīng)用主題進(jìn)行專題服務(wù)，主要包括供水、庫區(qū)、樞紐管理等業(yè)務(wù)，以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水庫運(yùn)行數(shù)據(jù)等內(nèi)容。大數(shù)據(jù)綜合及專題分析整體頁面布局如圖2所示。

圖2 大數(shù)據(jù)綜合及專題分析頁面

2.3.2 供水管理

供水管理主要包括供水監(jiān)測(cè)、供水計(jì)劃、調(diào)令管理、水量數(shù)據(jù)校正、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等功能模塊。供水監(jiān)測(cè)模塊是對(duì)當(dāng)前現(xiàn)有的供水口門流量、水位、閘門開度等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在地圖上實(shí)時(shí)展現(xiàn)當(dāng)前的水量、流量數(shù)據(jù)及變化過程和趨勢(shì)，并與年、月計(jì)劃進(jìn)行比較；供水計(jì)劃模塊主要實(shí)現(xiàn)供水年和月計(jì)劃相關(guān)數(shù)據(jù)的錄入和管理，為供水量分析及供水偏差的預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持；調(diào)令管理模塊將上級(jí)單位下發(fā)的調(diào)度指令文件進(jìn)行數(shù)字化管理，智能判斷是否有缺漏的調(diào)令，補(bǔ)全后形成完整的調(diào)令指導(dǎo)流量數(shù)據(jù)；水量數(shù)據(jù)校正模塊主要實(shí)現(xiàn)流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示，并與調(diào)令指導(dǎo)流量對(duì)比，當(dāng)偏差超過閾值時(shí)，提示有異常數(shù)據(jù)并進(jìn)行自動(dòng)校核；水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊主要展示當(dāng)前的水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果，對(duì)超標(biāo)站點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警提示，并對(duì)水質(zhì)的變化過程和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

2.3.3 庫區(qū)管理

庫區(qū)管理模塊主要包括庫區(qū)水域岸線遙感監(jiān)測(cè)、庫區(qū)人工巡查管理、庫區(qū)視頻監(jiān)控分析管理和地震與地災(zāi)管理等。庫區(qū)水域岸線遙感監(jiān)測(cè)主要以遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，通過數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、解譯，實(shí)現(xiàn)對(duì)水域岸線及消落區(qū)涉水違法行為的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和持續(xù)跟蹤，并展示消落區(qū)、岸線占用、水面污染物、水面養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)成果及影像數(shù)據(jù)。庫區(qū)人工巡查管理是對(duì)全年各不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的巡查重點(diǎn)制訂計(jì)劃安排，按區(qū)域制定巡檢任務(wù)、參與巡檢人員、巡檢目標(biāo)任務(wù)、擬定巡查工作線路。庫區(qū)視頻監(jiān)控分析管理可以實(shí)現(xiàn)丹江口市視頻監(jiān)控站點(diǎn)的接入及管理，實(shí)時(shí)查看攝像頭的位置和屬性信息及實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控畫面。通過智能圖像識(shí)別技術(shù)可以識(shí)別出人員及車輛非法闖入、設(shè)備漏水漏油、垃圾漂浮物、安全帽未佩戴等違法現(xiàn)象并進(jìn)行預(yù)警提醒。地震與地災(zāi)管理集成庫區(qū)周圍地震臺(tái)、地災(zāi)點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地震地災(zāi)數(shù)據(jù)的展示及篩選查詢。

2.3.4 樞紐管理

樞紐管理模塊主要集成樞紐區(qū)航空攝影三維建模及重要建筑物三維傾斜攝影數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大壩外觀及周邊地形地貌的三維可視化。集成樞紐建筑物結(jié)構(gòu)的建模成果，可以實(shí)現(xiàn)大壩外部及主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維可視化。集成監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)備模型成果，通過三維可視化方式可以直觀、立體地展示大壩安全監(jiān)測(cè)儀器的空間分布，集成儀器的運(yùn)行狀態(tài)信息，根據(jù)儀器的狀態(tài)（正常、預(yù)警、故障）對(duì)儀器進(jìn)行分類顯示。樞紐管理部分界面如圖3所示。

圖3 樞紐管理頁面

3 結(jié)語

通過對(duì)丹江口水庫綜合管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要取得以下成果：

1）結(jié)合丹江口水庫管理當(dāng)前存在的問題，綜合分析水庫綜合管理系統(tǒng)的建設(shè)需求，運(yùn)用“大數(shù)據(jù) +視頻圖像識(shí)別”技術(shù)，基于 SOA（Service-Oriented Architecture）架構(gòu)建成丹江口水庫綜合管理系統(tǒng)，全方位提高水庫運(yùn)行管理的規(guī)范化、智能化、精細(xì)化能力。

2）詳細(xì)介紹了系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用到的大數(shù)據(jù)和視頻圖像識(shí)別技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)過程。闡述水庫綜合管理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，主要包括大數(shù)據(jù)綜合及專題分析、供水業(yè)務(wù)管理、庫區(qū)業(yè)務(wù)管理、大壩安全監(jiān)測(cè)集成等四大模塊。

3）水庫綜合管理系統(tǒng)的建設(shè)將實(shí)現(xiàn)丹江口水庫信息化建設(shè)成果的全場(chǎng)景體驗(yàn)，提高丹江口水庫精細(xì)化管理手段，形成標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用服務(wù)和大數(shù)據(jù)分析手段，為水庫工程安全、供水及庫區(qū)綜合管理提供決策支撐，全面提升水庫的綜合管理能力。