航天技术在流域水环境管理方面的应用——重庆跳蹬河智慧水务管理系统解决方案

◎ 航天科工智慧产业发展有限公司 石晓飞 白 蛟 肖 楠 张彩娜

信息作为人类社会环境的一个重要方面，在社会中的地位和作用日益显著，而在环境监测领域，把握及正确的使用有效信息对水污染的防治和水环境的管理有着深刻的影响。

航天科工智慧产业发展有限公司（以下简称“航天智慧公司”）发挥航天系统工程优势，开展了智慧水务管理系统解决方案研究工作。航天智慧公司独立开发的智慧水务管理系统通过物联网、云计算、大数据、移动互联网等新一代信息技术，推动了流域水环境的信息化管理工作。该系统基于物联网设备采集的河流断面水质环境实时监测数据，开展指标关联分析、指标预测预警等工作，可以较好地反映流域水环境各指标的空间变化特征和影响因素，并与河长制管理要求相结合，实现了信息化与人员管理的有机统一，为管理者和决策者提供多角度、多层次的数据处理和决策信息。

跳蹬河发源于重庆市沙坪坝区歌乐山狮子岩，流经覃家岗镇进入九龙坡区华岩镇，在大渡口区跳磴镇小南海注入长江，在九龙坡区境内流域面积44.48km2，流域长度约14.15km，其中华岩镇境内9km，中梁山街道境内5.15km。根据水质检测，目前为轻度黑臭等级。跳磴河作为重庆市重点黑臭河流之一，由中央环保督察组挂牌重点督办，要求在2019年年底基本消除黑臭，到2020年实现河流长治久清。

跳蹬河智慧水务管理系统项目建设区域左起重庆西站，右到大渡口区，全长约14.15km。建立重庆市九龙坡区跳蹬河流域智慧水务应用平台，能够实现对系统中所有分析仪器设备的运行状态及数据进行通信接收、存储、监控、预警等全过程的信息化管理。

航天智慧公司环保事业部集成研发的断面水环境监测仪，可实时采集水体温度、浊度、pH值、电导率、溶解氧等8项水质指标参数，用于反映河流的水质和生态状况。根据跳蹬河水务管理要求，在14km流域中建立22个水质断面监测站，及时掌握各个断面的水质变化情况，并借助流量监测站、闸门、护岸等重点区域配备的视频监控设备，实现了全天候的监控，可随时随地查看现场实景状况。

感知篇

“环境监测是环境管理的顶梁柱”“环境监测数据是环境监测工作的生命线”，重庆市九龙坡区跳蹬河的水质管理亦是如此，也需要准确、客观、真实的水质监测数据反映该流域水环境质的量状况和成效，以期更好地服务于水环境管理。航天智慧公司从多样化、整体化和常态化等3个层面完成了重庆市九龙坡区跳蹬河水质监测和视频监控等物联网感知体系建设工作。

▲水质监测

水环境物联网感知体系的多样化

围绕跳蹬河智慧水务管理诉求，航天智慧公司建设了水质在线监测、流量监测、视频监控三大物联网体系，从不同角度实现了流域水环境的监管。

首先，水质自动监测系统通过取水装置、预处理装置、数据采集与控制系统、在线监测分析仪实现了对温度、浊度、pH值、电导率、溶解氧等8项水质指标参数的实时监测，充分保障了监测断面水质现状的客观性和实时性；其次，流量传感器可测量河道的流速流量，从而掌握河流的变化规律，实现对河水资源的合理利用；最后，通过视频监控系统可以实现对跳蹬河水质流量监测站、闸门、护岸等重点区域的全天侯监控，使监察工作人员、水质管理者可以随时随地通过系统查看现场视频，有效提升环保工作水平，为后续事件处置提供安全保障和视频资料依据。

流域水环境监测和监管的整体化

根据排污口、各支流入口、行政断面分界点等主要位置分布状况，设置河流断面监测站，全部用于实时监控水质信息及其动态变化特征，以便追踪溯源、厘清污染责任；结合跳蹬河两岸居民区较多的实际状况，在岸边窨井设置10处液位监测并进行预警，达到事故提前预判、提早发现的目的，避免管网管道堵塞、淤积及渗漏等情况发生，并第一时间通知到相关人员及时处理，避免污水溢出入河，造成河流污染。

在跳蹬河全流域的河岸两侧共设置32个视频监测点位，实时监控全流域岸带修复状况及辅助筛查污染排放行为，防止垃圾渗滤液直排入河，同时视频监控仍可实时监控岸带水体垃圾堆放、水体漂浮物清理、违规建设等违法违规行为，达到远程监管的目的；对拦河坝液位进行实时动态监控，支持远程调控河坝升降，大幅度提升了工作效率，保障了极端天气下人员的人身安全，从而实现了流域水环境监测和监管的整体化。

时域水环境监测和监管的常态化

借助物联网、云计算、大数据、移动互联网等新一代信息技术，及时将获取的信息展现在应用管理平台上，如监测点位监测因子、监测值信息、视频监测数据、监测点位位置信息、监测设备信息、运行状态信息、流域水质分析图、流域污染指标统计、监测参数历史变化分析、监测站点曲线图等，有助于工作人员进行各项监测因子的统计分析、区域性分析及报告制作，从而加强了流域水环境监测和监管的常态化。

通过构筑重庆市九龙坡区跳蹬河水质监测控物联网感知体系，实现了流域水环境管理的多样化、整体化和常态化，进一步丰富了环境监测的内涵，奠定了流域水环境检测的感知基础。

技术篇

技术架构是智慧水务管理系统的技术核心，对整个系统起到极为重要的支撑作用。在技术体系层面，跳蹬河智慧水务管理系统采用了多元框架集合，将Edgware.SR4版本的Spring Cloud框架与Druid、Mybitis、Redis等技术框架进行结合。通过Spring Boot实现为云应用开发工具提供微服务，实现JVM在云应用开发中的配置管理、服务发现、断路器、智能路由、微代理、控制总线、全局锁、决策竞选、分布式会话和集群状态管理等工作，并巧妙简化了分布式系统基础设施的开发。

此外，Spring Cloud的微服务架构实现了服务与服务之间的解耦，将服务之间的直接依赖转化为服务对服务中心的依赖，利用核心组件Eureka解决服务宕机导致的调用服务的雪球效应，实现了注册中心、负载均衡、故障转移等多重功能，并依据Spring Cloud Config实现了分布式系统的配置管理要求，避免了配置文件碎片化等。此外，依托该多元框架集合，发挥数据中心资源的规划和整合功效，制定不同的专题数据库，并充分发挥数据交换和共享作用，从而形成强大的数据资源中心。总体而言，借助多元架构实现了Spring Cloud各个组件的相互配合，从而保障了完整的微服务架构，为后期应用系统的实现奠定了良好的技术体系。

多元框架集合体系

Spring Cloud是一个基于Spring Boot实现的云应用开发工具，基于JVM在云应用开发中的配置管理、服务发现、断路器、智能路由、微代理、控制总线、全局锁、决策竞选、分布式会话和集群状态管理等实现了微服务，并简化了分布式系统基础设施的开发。同时，Spring Cloud解决了服务与服务之间的解耦，将服务之间的直接依赖转化为服务对服务中心的依赖。Eureka作为Netflix开源的一款提供服务注册和发现的产品，提供了完整的Service Registry和Service Discovery实现，它也是Spring Cloud体系中最重要、最核心的组件之一，避免了服务之间的直接调用，方便后续的水平扩展、故障转移等。面对众多配置文件，如果需要修改某个公共服务的配置信息，如缓存、数据库等，难免会产生混乱，引入Spring Cloud Config，对解决分布式系统的配置管理方案碎片化等问题，也起到了积极的作用。

庞大的数据资源中心

建立涵盖基础信息数据、水情数据资源、预警信息数据资源的规划体系，能够实现对数据资源的信息编目、分类、注册、审核、发布、查询、更新维护和统计分析等工作的管理，具备了基础数据集水质监测信息、流量监测信息、视频监控数据和涉水相关部门等信息共享的功能。在数据库建立过程中，将与跳蹬河有关的水利部门的所有需要电子化纸质数据和已有电子化数据统一整合，形成了综合数据库，实现对各类型数据的实时采集，以及业务相关数据和专题数据的有机融合。综合数据库还为上层的各类应用提供服务，同时，还是数据交换与数据共享的中心。根据数据情况和业务需求，将综合数据库划分为档案数据库、地理信息数据库及业务数据库等3部分。

基于多元框架集合体系和庞大的数据资源中心，形成了坚实技术基础，为后期各应用系统的开发铺平了道路。同时，也为综合自然环境信息化系统工作研究明确了思路。

▲智慧水务管理系统技术架构体系

应用篇

无论是高精尖的物联网感知体系，还是功能强大的技术架构体系，都是为了更好地服务于决策者进行管理。只有借助应用管理系统，充分运用物联网感知体系获取的数据，并发挥技术架构体系的基础支撑作用，才能发挥该系统“运筹于帷幄之中，决胜于千里之外”的作用。

围绕跳蹬河智慧水务管理系统解决方案，航天智慧公司开发的应用系统主要包括综合信息一张图系统、水务监测一张网系统、河长制智慧监管系统和移动端应用管理系统。

▲跳蹬河监测信息综合一张图

综合信息一张图

综合信息一张图管理系统主要通过GIS一张图的模式展示，采用图层控制手段，将跳蹬河流域内各站点和各监测点的水质、流量、视频监控等实时信息进行综合展示，同时也可以查看预警信息。管理人员无需在各个业务模块中进行切换，即可获取各种业务的综合信息，该系统打通了多部门的信息共享，将多部门基础数据进行融合。结合大屏的显示效果，综合信息集中汇总，最终实现了跳蹬河综合信息“一张图”管理。

水务监测一张网系统

水务监测一张网系统包括实时监测、统计分析、预警管理、数据管理、系统管理等功能。

基于GIS平台实现对跳蹬河所有监测点位的断面监测，同时在地图上展示所有监测点位的分布情况及实时运行状态，通过具体的点位分布可查询对应的监测点位的监测情况，查看监测点位监测因子、监测值信息、视频监测数据、监测点位位置信息、监测设备信息、运行状态信息、河流编码、网格长信息、河段各负责人、河段起点、终点、流域长度及各污染物的情况。

利用在线监测的数据，对数据进行统计，根据统计的结果，形成一个时间段的统计分析图，并以柱状图、曲线图等形式展示监测数据的统计对比信息，包括流域水质分析图、流域污染指标统计、监测参数历史变化分析、监测站点曲线图、报警统计、历史同比/环比分析应用，有助于帮助工作人员进行各项监测因子统计分析、区域性分析及报告制作等工作。

该系统提供数据超标预警、监测设备断线预警、监测值异常预警的标准设置，以及异常报警功能，能够全方位保障数据的连续性、准确性，以及超标预警的及时性。当出现异常情况时，系统将以短信形式第一时间通知相关责任人。

河长制智慧监管系统

河长制智慧监管系统实现对跳蹬河河长制的辅助管理，针对河涌基本信息、河长制信息、巡河管理、事件处理、抽查督导、考核评估等进行管理及展现，方便工作人员了解相关信息。

河长制智慧监管系统是根据河湖管理保护需要，按照以块为主、属地管理、分级负责的原则，实施区、街道、乡三级河道网格化管理思想，逐级逐段落实河长，明确各级各段河长职责，夯实河湖管理保护的属地责任，做到守土有责、守土负责、守土尽责。

移动应用管理系统

随着移动设备应用的不断拓展，移动办公已经成为提高办公效率、解决管理瓶颈的有效技术手段之一，利用“ 互联网+”技术，可以在任何时间、任何地点实现信息互联互通。航天智慧公司开发了跳蹬河水务APP及跳蹬河微信公众号，为用户提供移动环境下的信息查询和信息管理服务。同时，市民可通过移动端查询周边水质状况，及时举报污染问题，满足公众对环境的知情权，提升公众对环境保护的参与力度。

综上所述，通过有效利用综合信息一张图系统、水务监测一张网系统、河长制智慧监管系统和移动端应用管理系统等外在的应用管理系统，最终将跳蹬河的水务管理工作落到实处，在最大程度上达到监督和管理流域水质环境的目的。

▲预警管理

▲河长制智慧监管系统

感悟篇

智慧水务管理系统通过引入物联网等新一代信息技术，建立了环境信息化的综合集成研讨体系。通过建立水质监测小型站，结合水质监测站，实现了定性与定量相结合；通过水质监测站和视频监控进行管理，实现了监测与监督相结合；通过研发综合信息一张图系统、水务监测一张网系统、河长制智慧监管系统和移动端应用管理系统，实现了流域水环境管理信息化、高效化、业务化与便利化的统一。

智慧水务管理系统在实时掌握流域水质环境信息的基础上，引入视频监控、河长制管理模式及移动端应用管理系统，实现了测、管、人相结合，并在常态化和制度化的牵引下，进一步加快了治水治污攻坚战的步伐。