數(shù)字流域視域下永定河水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

齊師杰 啜瑞媛 呂天慧

(1.天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司,天津 300171;2.北京七兆科技有限公司,北京 100070)

當(dāng)今社會(huì)正朝著數(shù)字化和智慧化方向發(fā)展,數(shù)字技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”“數(shù)字地球”“數(shù)字流域”等理念隨之產(chǎn)生。《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》針對(duì)智慧水利建設(shè)提出“構(gòu)建智慧水利體系,以流域?yàn)閱卧嵘闇y(cè)報(bào)和智能調(diào)度能力”的要求,突出了智慧水利要以流域?yàn)閱卧獙?shí)施,體現(xiàn)了水資源管理的流域特征。永定河水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)是落實(shí)永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)工作重要任務(wù)之一,該項(xiàng)目旨在以數(shù)字流域理念為牽引,以實(shí)現(xiàn)流域“流動(dòng)的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”為治理目標(biāo),通過(guò)數(shù)字流域平臺(tái)建設(shè),為永定河流域生態(tài)水量調(diào)度、水旱災(zāi)害防御、綜合治理與生態(tài)修復(fù)提供信息服務(wù)和決策支撐[1]。

1 數(shù)字流域概述

“數(shù)字流域”是由“數(shù)字地球”衍生出來(lái)的概念,數(shù)字流域建設(shè)是智慧水利發(fā)展的重要基礎(chǔ)[2]。20世紀(jì)80年代開(kāi)始,美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家率先將數(shù)字化、建模、仿真等技術(shù)應(yīng)用于流域現(xiàn)代化管理,“數(shù)字流域”的概念也在不斷深化和發(fā)展。目前,學(xué)術(shù)界對(duì)“數(shù)字流域”的概念尚未達(dá)成公認(rèn)的定義?；谄渌麑W(xué)者的研究成果,此處將數(shù)字流域定義為“綜合運(yùn)用新一代信息技術(shù)對(duì)全流域的地理環(huán)境、自然資源、生態(tài)環(huán)境、人文景觀、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)狀態(tài)等各種信息進(jìn)行采集和數(shù)字化管理,構(gòu)建全流域綜合信息平臺(tái)和三維影像模型,為各級(jí)部門(mén)有效管理流域的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和資源開(kāi)發(fā)利用提供信息化支撐”[3]。

從建設(shè)思路上看,數(shù)字流域以空間多級(jí)流域精細(xì)展示化為業(yè)務(wù)單元,以全業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)模塊化管控為技術(shù)方向,以解決管理中實(shí)際落地問(wèn)題為導(dǎo)向,建設(shè)區(qū)-市-縣聯(lián)動(dòng)云化、管理運(yùn)維一體的智慧應(yīng)用。從建設(shè)內(nèi)容上看,數(shù)字流域建設(shè)包括“大感知”“大數(shù)據(jù)”“大地圖”“大模型”“大應(yīng)用”5部分[4]。其中“大感知”即通過(guò)構(gòu)建基于天空地一體化的監(jiān)測(cè)體系實(shí)現(xiàn)流域全要素透徹感知;“大數(shù)據(jù)”即通過(guò)構(gòu)建以數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流、工作流為基礎(chǔ)的線索式水利大數(shù)據(jù)資源目錄體系實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)資源池及思維模式;“大地圖”即建成時(shí)空立體地圖大數(shù)據(jù)支撐平臺(tái);“大模型”即通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)、算法業(yè)務(wù)模型融合體系形成流域尺度智能化分析中樞;“大應(yīng)用”即通過(guò)構(gòu)建以“水安全、水環(huán)境、水資源、水生態(tài)、水智慧”為核心的流域智慧平臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用體系實(shí)現(xiàn)流域尺度業(yè)務(wù)大融合與智慧應(yīng)用。

2 流域水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)思路

遵循智慧永定河總體框架要求,以“監(jiān)督、監(jiān)控、評(píng)價(jià)、評(píng)估、調(diào)度、預(yù)警”為核心功能,通過(guò)監(jiān)測(cè)體系、數(shù)字永定河平臺(tái)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)和安全體系建設(shè),整合形成服務(wù)于永定河水資源統(tǒng)一調(diào)度管理的水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)流域水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等狀況變化的綜合展示分析,實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)水量調(diào)度計(jì)劃制定、過(guò)程監(jiān)視、水賬計(jì)算、調(diào)度后評(píng)估等多項(xiàng)業(yè)務(wù)的綜合管理,實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)水量調(diào)度決策的精細(xì)化管理,進(jìn)一步提升永定河流域治理能力和管理能力,加快實(shí)現(xiàn)永定河“流動(dòng)的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”治理目標(biāo)。系統(tǒng)用戶(hù)包括海河水利委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“海委”)、京津冀晉四省(直轄市)水行政主管部門(mén)、永定河流域投資有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“永定河公司”)、灌區(qū)農(nóng)戶(hù)和社會(huì)公眾(見(jiàn)表1)。

表1 系統(tǒng)用戶(hù)描述

2.2 總體框架

系統(tǒng)基于微服務(wù)設(shè)計(jì)理念,遵循智慧永定河框架體系,采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)建設(shè)[5]。系統(tǒng)總體框架見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框架

a.監(jiān)測(cè)體系。監(jiān)測(cè)體系是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源,監(jiān)測(cè)體系集成已建測(cè)站監(jiān)測(cè)信息,補(bǔ)充水量、水質(zhì)、工情、水位、灌區(qū)渠首取水、入河排污、地下水水位、雨量、水生態(tài)等多種監(jiān)測(cè)信息和視頻數(shù)據(jù),同時(shí)利用遙感監(jiān)測(cè)設(shè)施、移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備等獲取遙感數(shù)據(jù)、移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)流域水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等狀況變化進(jìn)行全面監(jiān)控。主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、水生態(tài)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、算法數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)共9類(lèi)數(shù)據(jù)。通過(guò)監(jiān)測(cè)體系建設(shè),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)和科學(xué)管理,統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理方式可提高信息共享應(yīng)用水平,為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和高速運(yùn)行提供支撐。

b.數(shù)字永定河平臺(tái)。建設(shè)數(shù)字永定河平臺(tái),以應(yīng)用中間件、地理信息平臺(tái)、云管理平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)為應(yīng)用支撐,利用網(wǎng)絡(luò)傳輸提供監(jiān)測(cè)站網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)和用戶(hù)訪問(wèn)系統(tǒng)的通道;充分應(yīng)用海委基礎(chǔ)設(shè)施、視頻、數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等現(xiàn)有資源,統(tǒng)一規(guī)劃基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境,整合和新增軟硬件資源,合理搭建本項(xiàng)目所需技術(shù)環(huán)境,為系統(tǒng)運(yùn)行提供軟硬件環(huán)境;建設(shè)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng),提供數(shù)據(jù)交換、信息填報(bào)等功能,并結(jié)合業(yè)務(wù)需求提供數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、分析計(jì)算、屬性數(shù)據(jù)調(diào)用、算法庫(kù)、數(shù)據(jù)接口管理等數(shù)據(jù)服務(wù);搭建三維仿真影像、平面地圖、概化圖等多種方式的展示平臺(tái),實(shí)現(xiàn)三者聯(lián)動(dòng)響應(yīng),以供業(yè)務(wù)應(yīng)用層按照功能需要進(jìn)行調(diào)用。同時(shí),配套大屏幕顯示系統(tǒng),滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)大屏幕顯示系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

c.業(yè)務(wù)系統(tǒng)。結(jié)合流域水資源監(jiān)控、綜合治理實(shí)施效果評(píng)估、生態(tài)水量調(diào)度、水資源管理調(diào)配及洪水防御工作需要,建設(shè)基于永定河水資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與生態(tài)水量實(shí)時(shí)調(diào)度模型及防洪預(yù)報(bào)體系模型的業(yè)務(wù)系統(tǒng),包括業(yè)務(wù)門(mén)戶(hù)、全景永定河、監(jiān)督管理、水量調(diào)度、綜合評(píng)價(jià)、遙感分析、信息填報(bào)、系統(tǒng)管理等模塊。同時(shí),建設(shè)業(yè)務(wù)應(yīng)用App、農(nóng)戶(hù)App和微信公眾號(hào),以滿(mǎn)足用戶(hù)移動(dòng)辦公需求,輔助用戶(hù)及時(shí)掌握相關(guān)信息。

d.技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。系統(tǒng)嚴(yán)格遵守國(guó)家、行業(yè)相關(guān)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,并符合智慧永定河建設(shè)總體框架要求。

e.安全體系。系統(tǒng)嚴(yán)格遵循《網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》(GB/T 22239—2019)中三級(jí)信息系統(tǒng)防護(hù)要求,基于海委網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)總體框架,結(jié)合系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行安全設(shè)計(jì)。通過(guò)安裝、部署軟件硬件基礎(chǔ)設(shè)施,達(dá)到設(shè)備和計(jì)算安全要求[6]。同時(shí),按照智慧海河框架要求,通過(guò)海委統(tǒng)一身份認(rèn)證管理平臺(tái)完成系統(tǒng)登錄,實(shí)現(xiàn)與海委政務(wù)外網(wǎng)其他業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的統(tǒng)一用戶(hù)管理,最終實(shí)現(xiàn)與水利部統(tǒng)一用戶(hù)管理系統(tǒng)的用戶(hù)同步[7]。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)采用前后端分離的開(kāi)發(fā)模式,前端頁(yè)面采用Vue實(shí)現(xiàn),后端基于SpringBoot框架完成接口開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性,可通過(guò)兩種方式向其他系統(tǒng)提供服務(wù):一是通過(guò)Web服務(wù)接口向其他業(yè)務(wù)直接提供數(shù)據(jù)服務(wù);二是基于多種界面樣式設(shè)置能力,直接嵌入其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)形成整體,為用戶(hù)提供統(tǒng)一入口。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)如下:

a.模塊化。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中將最基本的業(yè)務(wù)單元、算法等封裝為獨(dú)立的業(yè)務(wù)組件,使其具備復(fù)用、組裝、定制等能力。

b.微服務(wù)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)單個(gè)小型但具備業(yè)務(wù)功能的服務(wù),每個(gè)服務(wù)依托自身處理和輕量通信機(jī)制,能夠部署在單個(gè)或多個(gè)服務(wù)器上。同時(shí),微服務(wù)也是一種松耦合的面向服務(wù)架構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)單一服務(wù)內(nèi)部高內(nèi)聚、外部低耦合[5]。

c.三維展示。系統(tǒng)采用三維模擬仿真技術(shù),將二維平面模擬成三維空間呈現(xiàn)給用戶(hù)。較之傳統(tǒng)的二維空間,三維空間更加全面地反映了工程現(xiàn)狀和實(shí)際業(yè)務(wù)信息,帶給用戶(hù)更好的真實(shí)感體驗(yàn),同時(shí)方便用戶(hù)對(duì)三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等瀏覽操作[8]。

d.數(shù)據(jù)可視化。將每一個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)項(xiàng)作為單個(gè)圖元元素進(jìn)行表示,大量的數(shù)據(jù)集構(gòu)成數(shù)據(jù)圖像,同時(shí)將數(shù)據(jù)的各個(gè)屬性值以多維數(shù)據(jù)的形式表示,方便用戶(hù)從不同的維度觀察數(shù)據(jù),并可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更為深入的觀察和分析。

e.移動(dòng)終端原生開(kāi)發(fā)技術(shù)。當(dāng)前流行的兩大移動(dòng)平臺(tái)主要包括IOS和Android,前者使用Objective-C或者Swift語(yǔ)言開(kāi)發(fā),后者使用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)充分考慮移動(dòng)設(shè)備計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間、運(yùn)行效率等限制,優(yōu)化系統(tǒng)UI設(shè)計(jì),充分利用手機(jī)屏幕展示關(guān)鍵信息。

2.4 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

以流域水資源業(yè)務(wù)管理為核心,兼顧流域、地方、部門(mén)職能,統(tǒng)籌考慮各業(yè)務(wù)流程和功能需求,搭建業(yè)務(wù)門(mén)戶(hù),構(gòu)建業(yè)務(wù)系統(tǒng),以水資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與生態(tài)水量實(shí)時(shí)調(diào)度模型、數(shù)字永定河平臺(tái)為支撐,形成涵蓋業(yè)務(wù)門(mén)戶(hù)、全景永定河、監(jiān)督管理、水量調(diào)度、綜合評(píng)價(jià)、遙感分析、信息填報(bào)、系統(tǒng)管理等功能模塊在內(nèi)的智能、高效、協(xié)同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)[9]。系統(tǒng)功能模塊見(jiàn)表2。

2.4.1 首頁(yè)

首頁(yè)針對(duì)海委、京津冀晉四省市、永定河公司用戶(hù),提供重要業(yè)務(wù)信息展示功能,包括流域概況、治理效果、治理指標(biāo)、治理措施、水量調(diào)度等版塊。首頁(yè)界面見(jiàn)圖2。

2.4.2 全景永定河

全景永定河以三維仿真場(chǎng)景、平面地圖、概化圖等地圖及數(shù)據(jù)服務(wù)支撐平臺(tái)為基礎(chǔ),從永定河流域時(shí)空全局出發(fā),融合水文、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水工程等數(shù)據(jù),以全景化的方式,全方位、多視角、漸進(jìn)式地展示永定河流域各類(lèi)水利要素信息,主要分為監(jiān)測(cè)監(jiān)控、水資源管理、防洪四預(yù)等子模塊。

2.4.3 監(jiān)督管理

監(jiān)督管理包括河道生態(tài)水量考核和治理指標(biāo)監(jiān)督兩個(gè)子模塊。其中生態(tài)水量考核是對(duì)永定河流域山區(qū)段的山西省、河北省、北京市三省(直轄市)河道生態(tài)水量年度完成情況提供考核功能;治理指標(biāo)監(jiān)督是對(duì)永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)的5項(xiàng)指標(biāo)(生態(tài)水量、新增農(nóng)業(yè)節(jié)水能力、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率、重要水源地水質(zhì)類(lèi)別、干流堤防達(dá)標(biāo)率)的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行監(jiān)督管理[10]。

2.4.4 水量調(diào)度

水量調(diào)度實(shí)現(xiàn)對(duì)流域生態(tài)水量調(diào)度的全過(guò)程管理,為流域生態(tài)水量調(diào)度業(yè)務(wù)提供支撐。該模塊對(duì)流域規(guī)劃水平年水資源配置方案進(jìn)行管理,調(diào)用永定河水資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與生態(tài)水量實(shí)時(shí)調(diào)度模型進(jìn)行全年調(diào)度形勢(shì)預(yù)測(cè),模擬生成流域年度調(diào)配方案,輔助年度調(diào)度計(jì)劃制定,對(duì)調(diào)度過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,通過(guò)模型實(shí)時(shí)運(yùn)算生成優(yōu)化調(diào)度方案,調(diào)度后對(duì)調(diào)度的效果進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)行與水量分配相關(guān)水賬的計(jì)算,確定重要水庫(kù)的生態(tài)庫(kù)容[11]。

水量調(diào)度包括水資源配置方案、調(diào)度計(jì)劃、優(yōu)化調(diào)度、調(diào)度后評(píng)估等功能。其中,水資源配置方案功能基于地圖與表格形式展示水資源配置方案中的供水能力、需水量以及缺水量等重要信息,并提供對(duì)流域規(guī)劃水平年水資源配置方案的查詢(xún)與管理功能;調(diào)度計(jì)劃功能基于概化圖與表格形式展示年度調(diào)水計(jì)劃,模擬生成流域年度調(diào)配方案,同時(shí)提供年度調(diào)度計(jì)劃、春季秋季調(diào)水方案等輔助制定功能;優(yōu)化調(diào)度功能基于年度調(diào)度計(jì)劃,在不斷更新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下,調(diào)用模型,預(yù)測(cè)最新的來(lái)水、需水情況,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度。水量調(diào)度界面見(jiàn)圖3。

圖3 水量調(diào)度界面

2.4.5 綜合評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)通過(guò)對(duì)永定河流域水資源、水環(huán)境、水生態(tài)不同時(shí)期的狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)對(duì)永定河流域水生態(tài)環(huán)境變化情況的有效掌握,綜合評(píng)價(jià)永定河綜合治理的效果,確定流域生態(tài)健康修復(fù)敏感因子,為永定河流域生態(tài)調(diào)水方案的制定、綜合治理與生態(tài)修復(fù)措施的制定提供決策依據(jù)[12],包括水資源評(píng)價(jià)、水環(huán)境評(píng)價(jià)和水生態(tài)評(píng)價(jià)等子模塊。

2.4.6 遙感分析

遙感分析是對(duì)永定河流域內(nèi)各類(lèi)重點(diǎn)目標(biāo)的耗水分析,通過(guò)耗水分析結(jié)合流域內(nèi)灌區(qū)的基本情況,對(duì)灌區(qū)的灌溉管理進(jìn)行分析,最終為永定河流域灌溉管理提供決策支撐。

2.4.7 信息填報(bào)

信息填報(bào)是將尚未實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)人工填報(bào)的形式錄入系統(tǒng),先保存至前置數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)審核后將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌計(jì)算分析與展示。

2.4.8 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行期間的生態(tài)水量考核、工程項(xiàng)目、水庫(kù)、水閘工程等基礎(chǔ)信息和用戶(hù)權(quán)限進(jìn)行的維護(hù)管理,包括基礎(chǔ)信息管理、指標(biāo)閾值、項(xiàng)目管理、用戶(hù)權(quán)限管理等子模塊。

3 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字流域是智慧水利建設(shè)的重要組成部分,數(shù)字孿生是當(dāng)前及今后一個(gè)時(shí)期實(shí)現(xiàn)流域數(shù)字化的重要支撐技術(shù)。根據(jù)水利部推進(jìn)智慧水利建設(shè)部署,建設(shè)數(shù)字孿生流域已經(jīng)成為當(dāng)前智慧水利建設(shè)的核心任務(wù)與目標(biāo)。本文從數(shù)字流域視角出發(fā),遵循智慧永定河總體框架要求,通過(guò)監(jiān)測(cè)體系、數(shù)字永定河平臺(tái)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)和安全體系的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),構(gòu)建起服務(wù)于永定河流域的水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了“監(jiān)督、監(jiān)控、評(píng)價(jià)、評(píng)估、調(diào)度、預(yù)警”的核心功能。 按照《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案(2022年修編)》《數(shù)字孿生永定河建設(shè)先行先試實(shí)施方案》等文件要求,永定河實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)將作為數(shù)字孿生永定河1.0版本,下一步需充分運(yùn)用信息化前沿技術(shù),加快構(gòu)建具有"四預(yù)"功能的智慧永定河流域樣本,力爭(zhēng)為推動(dòng)海河流域智慧水利建設(shè)發(fā)揮重要的示范引領(lǐng)作用。