兰溪市河道堤防数字化管理控制系统平台设计

任 健，黄小文，杨 骏

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州310002）

兰溪市河道堤防数字化管理控制系统平台设计

任 健，黄小文，杨 骏

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州310002）

介绍了兰溪市的地理特征及兰溪市河道堤防数字化管理控制系统建设的必要性，明确该系统平台的设计原则，在遵循这些设计原则的基础上对系统平台的总体架构及应用功能进行设计、阐述和分析。数字化管理控制系统平台建成后将为兰溪市河道堤防的管理工作提供安全可靠、科学经济的技术保障。

河道堤防；数字化管理；系统平台；物联网

1 引言

兰溪市是浙江省18个重点防洪县市之一，“三江口”以上集雨面积1.82万km2，多年平均过境水量166.5亿m3。“三江”支流纵横，流域面积大于10km2的河流有34条，其中大于100km2的有5条，下游还受富春江电站的尾水顶托。由于兰溪市特殊的地理位置，几乎每年都要发生不同程度的洪涝灾害，是全省重点防洪城市之一。目前，兰溪市堤防经过多年建设和加固，虽然取得了较大进展，河道堤防管理工作也有管护人员及制度的落实，但整个管理工作在方法、手段、工具等方面都还比较落后。

2010年1月29日，中央一号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》正式公布。这是新中国成立60年来中共中央首次系统部署水利改革发展全面工作的决定，文件出台了一系列针对性强、覆盖面广、含金量高的新政策、新举措。文件中明确提出：推进水利信息化建设，全面实施“金水工程”，加快建设国家防汛抗旱指挥系统和水资源管理信息系统，提高水资源调控、水利管理和工程运行的信息化水平，以水利信息化带动水利现代化。

浙江省政府随之推出了“五水共治”（即治污水、防洪水、排涝水、保供水、抓节水），是推进浙江新一轮改革发展的关键之策，同时它也对水资源调控、水利管理的信息化水平提出了更高的要求。

国标《堤防工程设计规范》和水利行业标准《堤防工程管理设计规范》等法律法规，都对堤防工程管理设计提出正规化、制度化、规范化等要求，强调提高现代化管理水平［1］，并明确要求堤防工程管理设计，应与堤防主体工程设计同步进行［2］。

水利信息化建设是水利行业管理实现信息共享和资源整合的一项基础工作。为积极响应中央一号文件，响应五水共治大政方针，全方位地提升兰溪市河道堤防管理的综合水平、实现河道堤防管理的现代化（即数字化、信息化）和规范化是十分必要的。

为此，浙江省水利水电勘测设计院在开展“兰溪市钱塘江农防加固工程”勘测设计工作的同时，设计开发“兰溪市河道堤防数字化管理控制系统”，并开展课题“河道堤防数字化管理控制系统”的研究，该课题被列为浙江省水利厅重点科技项目。

“兰溪市河道堤防数字化管理控制系统”由管理控制中心和以下9个子系统组成：现地数字化标识监测系统；移动巡检办公系统；现地视频监视系统；便携式实时视频监视系统；水情监测系统；防洪防汛堤坝安全监测系统（即河道堤防水下部分实时检测系统）；办公自动化系统；泵站现地计算机、视频监视系统；闸站现地视频监视系统。

管理控制中心将建立河道堤防数字化管理控制系统平台，实现对各子系统的管理控制、通信调度，并实现与上级（各级）河道堤防行政管理部门、上级（各级）防汛指挥调度中心的通信调度。能实现河道堤防所有实情数据、信息的采集、存储、共享、交换、发布、上传等功能，为相关部门人员提供准确、可靠、快捷的数据和信息，充分发挥计算机技术的功能，实现远程监测监视管理、远程调度指挥。

2 系统平台设计原则

兰溪市河道堤防数字化管理控制系统平台的建设是一项涉及多领域、多学科、跨行业、跨部门的项目，系统必须具备开放性、可扩展性，在硬件资源上支持无限的扩展能力，灵活的集成扩展各类先进主机、存储网络设备；在应用软件上，系统平台采用当前先进的技术框架、中间件技术等，建成对外具备各类标准接口规范，对内独立、模块化、分层设计，实现可动态扩展的智慧河道管理应用系统。

系统平台的设计将遵循以下原则。

2.1 先进实用

G I S是地理信息系统的简称，是地理信息技术三大技术核心之一，是用于采集，表达，处理，检索，分析和输出地理信息的计算机信息系统［3］。系统在开发过程中结合先进的G I S技术、技术框架、中间件技术等，并且系统数据实时同步，在很大程度上根据用户的需求进行设计，尽可能使用户对系统的操作更便捷。

2.2 高效稳定

在系统设计、开发过程中，从系统结构、技术措施、软硬件平台、技术服务和维护能力等方面综合考虑，确保系统较高的性能和较低的故障率。

2.3 保障安全

河道资源数据属于国家水利工程核心数据，必须保证数据的安全和系统的安全。通过数据库结构上的安全设计、用户权限认证、权限超时处理、内网用户访问控制、外网用户域认证控制等一系列技术手段保障河道堤防管理控制系统安全运行。具体包括以下几个主要方面。

2.3.1访问控制

加强操作系统的用户管理、权限管理；

限制用户口令规则和长度，禁止用户使用简单口令，强制用户定期修改口令；

按照登录时间、登录方式限制用户的登录请求；

加强文件访问控制管理，根据访问的用户范围，设置文件的读、写、执行权限；

对重要资料设置被访问的时间和日期。

2.3.2权限控制和管理

按照单位、部门、职务、工作性质等对用户进行分类，不同的用户赋予不同的权限、可以访问不同的系统、可以操作不同的功能模块；

应用系统的权限实行分级管理，每个系统的管理员自己定义各类用户对该系统资源的可访问内容。

2.3.3身份验证

通过采用口令识别、数字认证方式，来确保用户的登录身份与其真实身份相符，保证数据的安全性、完整性、可靠性。

2.4 兼容灵活

目前系统平台的架构可分为2种：B/S架构和C/S架构。B/S（Browser/Sever）架构是经历了主机（Host）系统、工作站、文件服务器（Workstation/FileSever）系统两个阶段之后发展起来的［4］。本项目建设采用B/S架构，具有灵活方便的二次开发接口、具有良好扩展性、兼容性和灵活方便数据接口的平台，为以后的信息化建设奠定坚实基础。

2.5 稳定的部署架构

管理系统具备全天候的河道堤防信息检测、分析和应急处置功能，系统必须优化各个环节，确保在大数据量数据运算时的响应速度和性能。

非敏感数据的客户端加密存储机制，比如一些常用下拉框的数据，不需要每次加载都从服务器端获取，通过设定特定的频率或者清理客户端缓存的方式来定期更新。

提供预约报表功能，对于复杂的报表，可以由用户发起报表计算请求，或者后台设定好计算周期。由系统后台自动计算好后推送给用户。

以空间换性能的机制预先准备好业务数据大表。减少交叉查询的表数量，提高数据查询效率。

提供数据仓库+商业智能分析功能，对于海量数据通过B I查询来完成。提高海量数据处理能力。

应用服务器采用双机负载均衡机制，数据库服务器采用双机热备技术或者集群技术。

2.6 统一设计，分步实施，高度集成

制定统一的标准，规范各子系统间的接口标准，实现系统软件统一规划、设计，分步、分模块实施开发，最终全面高度集成。

3 系统平台总体架构设计

考虑到为用户提供良好的操作环境以及软件的重用性，兰溪市河道堤防数字化管理控制系统平台采用B/S架构。该系统平台结构包括五个主要层次，自上而下依次为：应用层（即系统具体的功能应用）、支撑层（即实现应用功能具体的软件支撑）、数据层（即数据库内容）、硬件与网络层（即系统运行的配套硬件和网络环境）、河道感知层（即数据的采集系统）。系统的建设总体上将通过中间件架构访问五个主要架构层，实现对各专题服务之间的相互调用、相互触发与数据交换来实现对各种专题服务的总体集成。如图1。

图1 系统平台总体架构

3.1 应用层

采用B/S（Browser/WebServer）结构，基于We bG I S技术的网络浏览器应用模式和可视化多层次的空间图形操作界面，为河道管理工作提供基础信息服务与管理服务等功能。兰溪市河道堤防数字化管理控制系统平台主要包括河道基础信息、水雨情信息、巡检信息、防汛信息、视频监控、泵闸工程信息、数字化标识信息、应急管理体系等服务。

3.2 支撑层

为应用层的实现提供软件支撑。具体包括地图服务、其他支撑服务等，是实现功能应用的基础。同时支撑层处于应用层与数据层之间，为两者之间的数据交互提供安全保障。支撑层主要包括对内服务体系和对外服务体系，其中对内服务是指由河道管理机构负责或者委托专业机构负责的，专门为河道内各部门提供各种带有一定价值的服务项目，主要有河道资源对内数据服务、河道防汛决策服务、远程系统通讯服务；对外服务是指由河道管理机构统一负责与运作的，专门为河道内各部门和其他相关企业提供的各种对外信息发布、交流等服务，主要有河道对外数据服务、相关企业管理服务、对外信息发布。

3.3 数据层

负责对系统数据的管理，实现数据的分类、组织、编码、存储、维护等。主要包括数据库系统以及各种应用数据库。兰溪市河道堤防数字化管理控制系统平台主要包括水雨情信息库、泵闸运行信息库、防汛信息库、水情数据信息库、巡检办公信息库、河道基本信息库、视频信息库、系统日志信息库等。

3.4 硬件与网络层

提供支持系统运行的各种硬件及网络环境。除了服务器、计算机等硬件设备外，还包括防火墙、网关、路由器等网络安全设备，在采集层与数据层之间建立一层防御体系，保证数据的安全、完整。

3.5 河道感知层

负责系统数据的采集工作，通过部署在感知层的数字化标识、水位站设备、视频设备等相关设备，以及与气象部门气象信息的通信，实现对河道各个资源的位置、状态、以及环境参数、生产信息的全面掌握、智能预警和敏捷控制，从而真正实现物联网在河道内的普及应用，为河道智慧化打下坚实的基础。将数据以统一的格式通过硬件与网络层存储到对应的数据库中。

按照国际电信联盟（I T U）的定义，物联网主要解决物品到物品（T hi ngt oT hi ng，T 2T），人到物品（H um a n t oT hi ng，H 2T）之间的互连［5］。

4 系统平台应用功能设计

兰溪市河道堤防数字化管理控制系统平台的应用功能主要是针对河道堤防管理者对河道堤防管理日常运维所需要的各类业务运行与管理工作提供支撑的信息化体系，主要包含如下部分的内容：河道资源基础信息管理模块；现地数字化标识管理模块；现地视频监视模块；移动巡检办公信息管理模块；便携式视频监视系统模块；水情监测系统模块；堤防安全监测系统模块；办公信息化管理模块；泵站现地计算机、视频监视系统模块；闸站现地视频监视系统模块。如图2所示。

图2 系统功能模块图

系统登录界面如图3所示。

图3 系统登录界面

4.1 河道资源基础信息管理

以数字化标识信息数据库为基础，系统在G I S平台可直观显示各水工建筑物的主要信息数据，为运行管理人员提供河道、堤防、已建主要水工建筑物（如：桥梁、泵站、水闸、滚水堰等）的相关属性数据等信息的查询管理。根据河道堤防防汛工作的需要，运行管理人员随时可查询防汛工作所需要的各类数据信息，包括实时水雨情、避灾安置点、防汛物资、防汛队伍情况等数据，并可以图表等形式进行资料统计、分析等管理。其主要功能包括：河道基础信息资料查询与管理；重要水利工程设施属性信息查询与管理；现地视频点实时视频信息查看；水雨情测站水位雨量过程查看；防汛信息资料查询与管理。

点击需查询的主要水工建筑物，即可显示相关的查看界面，举例如图4～6。

图4 河道资源基础信息管理子系统界面

图5 水情测站查看界面

图6 防汛信息查看界面

4.2 现地数字化标识管理

数字化标识监测系统主要通过对河道堤防主要水工建筑物资源信息的编码的方式，将河道堤防主要水工建筑物（如：泵站、水闸、堤防、滚水堰、桥梁等）的基本特征相关数据进行现地的存储，实现对主要水工建筑物的标签定位以及联网。如图7所示。

图7 现地数字化标识查看界面

4.3 现地视频监视管理

兰溪市河道堤防数字化管理控制系统设置了14套现地视频监控系统对河道资源、险工险段、河道堤防重点监控区域、河道堤防重要部位、泵站、闸站进行远程有效的全天候视频监控，运行管理人员可实时监督和掌握河道、堤防、已建主要水工建筑物的运行情况及安全状况，同时为有效应对突发事件提供保障。如图8所示。

图8 现地视频监视界面

4.4 移动巡检办公信息管理

移动巡检办公管理系统是一款针对河道堤防建筑工程巡查管理工作而开发的一套集巡查信息采集、安全隐患上报、汇总信息展示、管理决策分析等多项功能为一体的综合管理系统。

根据河道堤防日常管理的需要，系统平台提供对巡检办公工作流程的统一管理，如：制定巡检任务计划、巡检员位置实时监控、接受现场巡检信息并对现场作指挥调度等。巡检业务流程分为巡检计划、巡检活动、整改跟踪、统计分析四个过程，过程之间相互衔接，形成整个巡检工作的闭环化管理，最终做到有计划必执行、有问题必处理的目的。举例如下。

（1）轨迹地图

在线地图默认显示巡查人员当前位置点，并实现任意时间区间内不同或所有巡查人员的轨迹地图浏览。如图9所示。

图9 轨迹地图

（2）任务安排

实现河道堤防管理工作人员对巡查员巡检任务的派发。如图10所示。

（3）任务处理

图10 任务安排

实现河道堤防管理工作人员对巡查员巡检过程中所发现问题的查看及意见处理。如图11所示。

图11 任务处理

4.5 便携式视频监视系统

由外业巡检管理人员移动巡检办公时配套使用，对河道堤防进行远程视频监控，真正实现对河道堤防的全方位、立体化、网络化、智能化的纵深远程视频监控。

4.6 水情监测系统

系统在G I S平台直观显示各水文站点信息数据，根据河道堤防日常管理的需要，运行管理人员随时可查询各水文站点信息数据，并可以图表等形式进行资料的统计、分析等管理。

图12 水情监测报表界面

4.7 堤防安全监测系统

根据河道堤防日常管理的需要，河道堤防水下监测模块主要包括对堤防进行实时视频监控，实时监测信息展示分析，历史监测数据统计报表，监测图片资料上报管理，管理船只巡查路径管理等部分。运行管理人员随时可查询河道

T V 87

：A

：1672-2469（2015）09-0001-05

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.09.001

科技项目：浙江省水利厅重点科技项目（R B 1318）。

任 健（1966年—），女，教授级高级工程师。