水库群综合管理市级平台的设计与实现

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

我国水利信息化“十三五”的目标之一是加强水利信息化支撑能力建设，进行数据资源整合，促进信息共享[1]，建立统一的水利数据交换平台和信息资源服务体系。在该规划框架指导下，水利工程信息尤其是水库数据资源的整合势在必行。本文针对县市级水管部门水库群管理业务提出了一套资源整合、信息集成、实时分析、集中管理和综合展示的一体化解决实施方案。该方案可实现水库群公共信息的全面整合与共享，为水库监管、水库调度、应急指挥等核心业务提供强有力的信息化支撑手段。

1 现状分析

当前，我国水行政部门针对水库的管理呈现多级分管状态，针对不同类型水库的信息化管理系统的建设主体也不相同[2]。例如，我国湖北、浙江、安徽等省级主管部门建立了全省范围内的水库群管理系统，旨在掌握大中型水库的工程概况、区域分布、实时水位库容，侧重于宏观监督管理；地方水文局、气象局根据业务需要又建立了大中型水库水文监测、气象预报系统，实现水库群的水雨情信息采集；地方水利局则建立小型水库群监管系统，重点采集小型水库的水情、雨情和实时图像。虽然都是水库群管理系统，但是其分析对象、采集信息类别范围、数据结构、物理存储等都存在很大的差异，总体而言我国针对水库群的信息化管理系统存在以下几个普遍问题。

(1) 信息管理分散，标准不统一。县市级水利管理部门针对水库群的管理虽有一部分信息化系统，但由于分隔式的信息管理方式，数据在部门间不能互通有无，形成信息孤岛，不能全面掌握水库的基本情况和实时的运行状况。另外由于数据内容、数据分类等标准不一致，已有的数据成果不能得到有效利用。

(2) 数据资源完整性、正确性和共享性不够。县市级水利管理部门和当地水文局、气象局等单位间数据有部分重叠，存在“一数多源”现象，影响了水库相关数据的完整性和权威性，因而必须对以上数据进行共享整合，统一数据口径。同样地，市水库管理部门同省厅的业务单位间也存在数据交换与共享需求，但是现有系统之间的数据交换主要建立在点对点交换的模式上，很难扩展和管理，不能适应未来数据交换共享要求。

图1 管理平台架构Fig.1 Comprehensive management platform architecture

(3) 缺乏统一的信息资源管理平台。在县市级水利管理部门中，针对水库群管理的各类业务系统，由于功能侧重点都不一致，导致展示形式多样，信息种类互有长短，均不能完全适应水管部门的主要业务需求，缺乏统一的信息资源管理，因此有必要建立一个能够全面展现水库群综合信息的水库群管理平台。

针对以上信息化现状，本文着重研究了水管部门水库群管理业务的实际需求，设计了水库群综合信息管理市级平台[3]。为了实现平台建设，首先必须打破行政壁垒，整合信息资源；其次进行实时资料整编，保证数据正确完整可靠；然后建立统一的基础服务平台；最后建立满足多层级管理需求的水库群综合管理业务平台。

2 平台架构

水库群综合信息管理平台是一套综合性信息化管理系统，平台通过采集水库的水情、雨情、工情、监测、图像等信息，综合分析水利工程运行的当前状况、历史过程，在建立判断标准的前提下，自动判断异常并进行预警报警。除此之外，系统设置管理功能，可以对辖区内的水库进行综合调度和系统评价，并根据需要制定分析统计报表，管理平台的架构图如图1所示。

3 总体技术路线

水库群综合信息管理平台在技术路线选择时应综合考虑运行效率、开发效率以及随需应变能力的平衡能力，综合运用物联网、3S技术、云计算和大数据等先进的技术[4]，总体技术路线图如图2所示。

图2 总体技术路线Fig.2 Technology roadmap

物联网技术的特点是感知，通过前端的物联网设备(水位计、雨量计、RTU 遥测终端、水位雨量自动报汛设备、全天候云台摄像机、无人机)，全方位采集各种水利数据和业务数据。这些数据通过网络传输到云数据中心，在数据中心，通过大数据处理方式，对GIS、水库基础数据、影像数据、视频监控数据、防汛抗旱应急方案等进行数据整合，清洗，并将结构化数据和非结构化数据进行关联；最后通过虚拟化计算和视频融合的方式，充分利用IaaS、PaaS、SaaS 的计算资源，搭建水利模型，从而为分析决策提供支持[5]。

4 应用支撑平台

4.1 私有云平台

水库群私有云平台的建设目的是利用云计算解决水库群运行状况信息的资源整合、应用共享，以云计算关键支撑技术为突破口，建立面向开放网络环境的水库云服务模型与灵活的服务协同机制，为数据资源整合提供稳定可靠的软、硬件运行环境[6]。

水库群私有云平台由软件、硬件和网络几部分组成，其组织结构图如图3所示。硬件部分主要是为云平台提供硬件基础环境。云平台的软件部分为用户提供了计算服务、存储服务、网络服务、模板和镜像等多种选择，使之更加便捷地根据需要完成各类虚拟机的扩展和管理。云平台的网络部分旨在搭建满足数据资源整合和数据信息传输的网络环境，它是实现水利信息数据传输集成的基础，使之与水利相关系统、网络融会贯通，形成统一的整体。

图3 云平台组织结构Fig.3 Cloud platform organization structure

4.2 数据资源中心

在全面梳理水利的各类数据资源的基础上，实现现有数据资源的整合，同时健全数据标准规范体系，形成标准统一、数据规范、充分共享的中心数据库，实现水利公共数据的全面整合与共享[7]，数据中心组织结构如图4所示。

在水利综合数据库的基础上，可以进行数据分析挖掘、信息综合展示，为县市级水库群的智慧化管理，为领导决策、综合业务联系管理、应急指导、公众信息服务提供强有力的数据支持。

云数据中心的数据资源可以通过数据交换方式和Web服务方式进行对外发布共享，通过智慧水利数据共享交换平台，对上是作为省厅数据中心的县市级分中心，对下连接各个区县市水利部门，横向共享到各局委办、各业务系统。

4.3 地理信息系统

采用GIS基础支撑软件和空间数据库技术，基于J2EE开发环境构建水利“一张图”系统。通过空间数据库管理框架，建设水利空间数据服务体系。为水利业务应用系统提供统一的空间数据应用服务，实现“一张图”数据的浏览、查询和分析功能，为水利信息化管理和宏观决策提供可视化界面[8]。

结合数据应用需求，实现“一张图”数据的浏览、查询和分析功能，利用3S、Web Service等技术，将各类数据服务嵌入到各应用系统中，为业务系统的信息展示和管理提供全面、准确的数据支撑。

图4 数据中心组织结构Fig.4 Data center organization structure

5 综合信息管理平台实现

5.1 整合数据资源

水利数据资源整合是综合管理平台正常运行的基础，为了更加高效地整合离散的数据资源，应根据水利资源的特点和相关行业规范建立数据资源目录。资源目录分为水利业务数据、水利政务数据和水利综合数据三大类16小类，数据资源目录结构如图5所示[9]。

图5 数据资源目录结构Fig.5 Data resource directory structure

此外，根据数据源分类和分布情况通过数据资源共享平台(ETL)工具建立数据点对点的抽取、转换、存储和共享，实现数据资源的整合利用[10]。

5.2 业务功能设计实现

水库群综合信息管理平台采用面向服务的思想进行设计，由数据中心、统一业务平台及搭建在该平台上的防汛管理相关信息化业务系统构成，提供多元业务应用和多级用户交互的防汛业务处理以及专业智能的决策支持，满足多业务类型、组织架构和规程规范的要求。水库群综合信息管理平台的功能模块涵盖县市级水利管理部门水库群管理的主体业务，旨在建立信息集中、业务全面、风格统一、交互友好的综合性水利工程管控一体化平台(见图6)。系统功能如下所述。

(1) 一张图。借助于地理信息系统(GIS)，通过“一张地图”的形式展示水库相关工程的监测和统计信息，以可视化、形象化的方式将水库的主要信息进行集中展示。

(2) 水雨情。及时了解水情、雨情实时信息和历史变化过程。以表格、曲线、柱状图的形式呈现水位统计、多雨量站统计，提供环比、同比功能，实现中长期的水雨情分析。建立洪水预报模型，做好来水预报，提供调度方案。

(3) 安全监测。全面掌握大坝安全监测现状和变化过程，绘制实时浸润线和等值线，提供分布图对比和轮播功能以掌握浸润变化过程。建立回归分析、有限元分析模型，为数据分析提供专业上的补充。提供巡视检查在线填报、上报机制，真正做到发现问题、报告问题和解决问题的流程化管理。

图6 综合信息一张图Fig.6 General map of comprehensive information

(4) 防洪调度。针对水库的防洪业务需求，主要从防汛值班管理、防汛物资管理、辅助应急事件处理以及闸门监控等方面支撑水库安全度汛。

(5) 灌区管理。提供可视化的灌区管理，制定灌溉计划，跟踪计划执行，按需统计灌溉实绩。实现可视化设备监控、检修维护，建立设备请购上报流程制度。实现灌区有效的调度，提供来水预报、优化配水等技术模型辅助灌区科学化管理。

(6) 电站管理。全面形象地展示电站整体运行状况，了解机组、开关站等主要设备的工作状态，展示运行参数和统计报表，实现交接班、操作票流程化管理，建立安全生产制度。

(7) 水质监测。集水质参数监测、分析于一体，具备实时可视化监测、专业模型分析、水质污染应急处置等。

(8) 视频监控。集成视频监控相关软件及硬件设备，实现水库实时视频监控及历史资料检索查看。

(9) 综合管理。不仅具有水库日常运行管理中的维修养护、管理考核、单元化管理、安全生产管理，而且整合了办公自动化系统、流程管理、档案管理等模块，更能提供数据在线可视化整编、资料分析报告自动生成功能，全面满足水库管理的信息化需要。

6 结 语

水库群的管理是水利管理部门的核心业务，本文结合当前水库群管理系统存在的问题提出了平台的总体架构和技术路线，搭建了以私有云平台、数据资源中心和地理信息系统为核心的应用支撑平台，一方面通过数据资源共享平台实现离散数据资源整合；另一方面，业务应用系统紧密结合水库管理单位的业务实际需求，从功能设计、数据存储和管理、性能需求、安全需求等方面做了详细设计，形成了一套既满足业务需求又具备高性能特点的体系架构，很好解决了水库群管理的主要问题，具有很高的实用价值。