基于集群管理模式的江港堤防水利工程综合管理平台的建设

郑 宁，梅传贵，陈 翔，张语涵

(宁波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 宁波 315033)

2021年10月12日水利部党组书记、部长李国英主持召开部务会议，审议智慧水利建设规划、《水资源调度管理办法》。会议强调，智慧水利建设是推动新阶段水利高质量发展的六大实施路径之一，要按照“需求牵引、应用之上、数字赋能、提升能力”的要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，全面推进算据、算法、算力建设，构建数字孪生流域，加快构建具有预报、预警、预演、预案(以下简称“四预”)功能的智慧水利体系[1]。

通过建设基于集群管理模式的江港堤防水利工程综合管理平台(以下简称“平台”)，可进一步提升水利工程规范化、专业化、信息化管理水平，增强防汛防台、农业支撑、“四预”能力，确保工程运行安全和效益，为江港堤防防洪调度、供水通航、农业保障等工作提供坚实的支撑。

1 现状和问题

我国江港堤防水利工程类型众多、堤线较长、分布较广，且各个管理单位的管理水平参齐不齐，行业管理难度较大[2]。经过多年研究和实践，江港堤防水利工程现代化建设与管理已经取得了一定的成果[3- 5]，部分水利工程已建设完成视频监控、闸泵控制、水雨情监测、农业供水等功能系统，但信息化建设改造覆盖面不足、信息资源交互共享机制欠缺、智慧化场景应用薄弱，已不能满足新时期江港堤防水利工程现代化管理要求[6]。

目前，江港堤防水利工程现代化管理主要存在以下几方面问题。

(1)设施环境落后，信息化、智慧化建设欠缺。水利工程管理单位设施环境建设较早，老化严重，信息化与智慧化建设改造尚欠缺，硬件设施与环境建设有待进一步提升完善。

(2)资源利用不足，信息资源横向共享、纵向挖掘有待进一步提升。水利工程汇聚了众多的监测、运行数据，但是缺乏系统规划、统一标准和信息共享机制，信息资源利用效率不高。同时对数据资源的挖掘、分析、利用深度不足[7]，无法最大化的体现数据资源的价值，需要建立数据共享机制，提高数据横向利用效率，并对数据资源进行深度挖掘、提炼、分析和应用。

(3)管理手段与机制落后，信息化、精细化、智慧化管理水平不高。大多数江港堤防水利工程管理单位仍以传统管理模式为主[8]，尚未形成以信息化为主的管理机制，水利工程管理信息化程度、精细化程度、智慧化程度均有所欠缺，亟需革新管理机制，建立信息化管理制度，深挖管理提升空间，采用“横向到底、纵向到边”的精细化管理模式，并结合最新技术手段，提高数字化、智慧化管理水平。

2 需求分析

水闸、堤防、涵洞等江港堤防水利工程作为防洪减灾、供水通航、农业支撑体系的重要组成部分，在抵御洪涝潮灾害、保护环境生态、城乡供水、支撑农业发展等方面发挥着巨大的作用，是涉及社会公众安全、城乡农业发展、社会稳定的大事。江港堤防水利工程管理工作的重要性愈发显著，而水利工程管理规范化、信息化越来越成为水利工程现代化管理的主要措施之一[9]。

(1)充分发挥水利工程综合效益的需要。水利工程管理单位的规范化、信息化管理工作为防汛调度、供水通航、农业灌溉等方面做出巨大贡献，在人民日常生活及工农业生产中发挥着巨大的工程效益，是涉及社会公众安全、社会稳定和发展的大事。

(2)提高水利工程现代化管理水平的需要。水利工程管理单位日常管理工作涉及众多方面，若不进行信息化改造提升，仍沿用老的作业方式势必给管理人员日常工作造成诸多不便，也不能满足水利现代化管理工作的需要，影响工作效率和效果。

(3)水利现代化及水利智慧化发展的需要。近年来，从中央到地方各级政府以及各级水行政管理单位明确提出水利管理信息化和现代化建设思路，水利工程的规范化、信息化管理工作建设是适应水利现代化及水利信息化发展的需要，符合中央和地方新时期水利管理现代化和信息化建设要求。

3 系统总体设计

3.1 集群管理模式设计

在计算机领域内，集群，又名分布式系统，是指由一组网络互连的计算机组成的集合，这组计算机通过网络实现资源共享和协同工作，集群根据一定策略通过节点IP地址进行任务分配和资源调度[10]。

江港堤防水利工程通常沿堤线及河道分布，广而分散，传统的单工程管理模式无法有效适配。因此，江港堤防水利工程综合管理平台采用集群管理模式，在管理模式上，将广而分散的各类水利工程视为一个集群，并将该工程集群作为管理对象，即可化繁为简，相当于只管理“一个工程”，可极大提高管理效率，增强用户管理便捷性。

在系统模式上，将所有工程进行唯一编码(相当于集群节点IP地址)，并配以相关基础属性，组成一个全平台通用底层集群，平台系统管理员可在后台管理该集群，应用系统服务端基于该集群进行无差异化开发。用户通过应用系统表现端与服务端进行交互，服务端通过集群定位工程并进行处理。

集群管理模式下，若需增加或者变更工程，只需在集群内部进行，可将集群内部的工程变更对外部业务应用链的影响降至最低，同时可根据一定的集群策略支持大量用户高并发操作不同工程，从而保证了平台的高效运行，促进江港堤防水利工程信息化管理水平提升。

集群管理模式架构如图1所示。

3.2 平台系统架构设计

江港堤防水利工程综合管理平台体系从底层到顶端共分为5层：采集层、数据层、应用支撑层、应用系统层、用户层。平台系统架构如图2所示。

(1)采集层是整个平台的数据基础，采集基础信息、动态信息与监测信息等。

(2)数据层对采集层采集的数据进行存储和加工，主要包括：基本信息数据库、数字孪生数据库、行政办公数据库、检查观测数据库、维修养护数据库、调度运行数据库、实时监测数据库、地理信息数据库等。

(3)应用支撑层包括数据库建设、工程GIS服务、用户权限管理和数据支撑服务等组件，为应用系统层提供支撑。

(4)应用系统层主要为江港堤防水利工程综合管理平台，包括可视化综合指挥中心、工程“一张图”、数字孪生系统、日常业务(行政办公、工程信息、检查观测、维修养护、调度运行、实时监测、统计分析)、移动工作平台等。

(5)用户层主要为用户提供了跨终端的多种访问方式，实现应用的无差异化同步，方便用户随时随地快捷掌握水利工程实时运行状态和协同办公。

4 平台主要功能设计

江港堤防水利工程综合管理平台根据需求，主要功能系统包括可视化综合指挥中心、工程“一张图”、数字孪生系统、日常业务(行政办公、工程信息、检查观测、维修养护、调度运行、实时监测、统计分析)、移动工作平台，满足平台用户的多样化需求。

4.1 可视化综合指挥中心

对江港堤防水利工程相关数据资源进行深度挖掘、提炼、分析、应用，通过信息多维关联融合，利用可视化技术，构建智慧水利工程可视化综合指挥中心[11]，以数字孪生系统为基础，以数据大屏的形式对水利工程安全运行与管理等关键信息进行综合展示和分析，为管理人员提供一个掌握全局、运筹帷幄的综合指挥中心，主要包括水利工程安全运行与管理总屏、防洪减灾专屏、港口调度专屏、供水通航专屏、农业民生保障专屏等。

图1 集群管理模式架构

图2 江港堤防水利工程综合管理平台系统架构

4.2 工程“一张图”

将江港堤防各类水利工程的空间位置分布、基本信息、业务工作、动态监测等要素集成在一张图上进行展示[12]，为用户提供高效、快捷的总览式查询展示服务。主要功能包括水利工程地图总览、监测预警快速查看、业务工作统计分析、待办事项通知提醒等。

4.3 数字孪生系统

数字孪生技术[13]是对真实世界的镜像，是现实的物理世界与虚拟的计算机世界的孪生，在物理世界中所有的人、地、物、事、情、组织等要素，可以借助数字孪生技术在数字世界建设虚拟映像，实现“物理-数字”虚实融合交互。数字孪生系统主要是综合利用GIS技术[14]、遥感技术、BIM建模技术[15- 16]，建立水利工程及管理区数字化场景，并与现有的信息化系统中的各类监测、业务数据进行无缝连接，实现管理区域的智慧化模拟应用，进行各类水利工程的调度预演复盘分析、巡查巡检数字场景展示、监测信息数字场景融合展示等，为建设“四预”功能的智慧水利体系做出贡献。

4.4 日常业务

(1)行政办公。针对水利工程管理单位日常行政办公业务，进行线上集中统一管理，主要包括组织管理、考勤管理、值班管理、日常任务管理、固定资产管理、通知公告、考核考评管理、台账管理等功能。水利工程管理单位可通过行政办公系统完成绝大部分日常办公业务，极大提高日常业务效率和信息化水平，并方便阶段考核考评。

(2)工程信息。对水利工程各类静态信息进行信息化管理，提供基础信息、设备清单、注册登记、安全鉴定、划界确权、技术图表、建设档案等功能。将设备设施单元化精细划分，提高设备设施精细化管理水平；将档案资料电子化处理，提供档案资料的线上管理查询功能，该应用子系统可极大提高水利工程各类静态信息的信息化管理水平和查询效率。

(3)检查观测。针对水利工程各类检查巡查，提供统计分析、经常检查、定期检查、特别检查、检查配置、设备检测、工程观测等功能。基于检查配置，并结合移动工作平台，用户可在移动终端和电脑端进行经常检查、定期检查和特别检查，平台可即时呈现电脑端和移动终端的检查记录、轨迹和附件等信息，并可对各类检查记录进行统计分析，方便用户快速掌握检查情况。

(4)维修养护。针对水利工程设备设施维修、维护及项目，提供设备设施管理、维修养护项目管理、隐患管理等功能，可实现设备设施隐患的发起-处理-审核闭环化流程处理，可及时记录设备设施的维修、维护业务，并可对维修养护项目全过程进行跟踪管理。

(5)调度运行。针对水利工程调度运行，提供控制运用计划、调度令管理、运行操作、防汛物资管理等功能，可实现控制运用计划的管理及查询，调度令的接收、下发、反馈及追踪，各类运行操作记录及查询，以及防汛物资的入库、出库、报废等全流程管理。

(6)实时监测。集成水利工程水情监测、雨情监测、闸门泵站开度流量监测、视频监控等实时数据，提供闸泵站工情监测预警、水雨情监测预警、视频监测、气象信息等功能，可结合二维/三维电子地图实现各类实时监测信息的快捷定位、查询、分析、输出。

(7)统计分析。提供各类专题统计分析功能，包括水量统计、雨情分析、水情分析、水闸工情统计、泵站运行统计等，并可生成定制报表和统计图，方便用户进行专题数据报表制作及输出。

4.5 移动工作平台

为方便用户随时随地进行重要业务工作，开发移动工作平台，提供首页、待办提醒、巡查检查、闸站水情工情、视频监控、运行操作、扫一扫、通知公告等功能，可实现移动端业务统计展示、待办事项提醒、移动巡查检查、实时监测信息移动快捷查询、运行操作移动填写查询以及设备设施二维码扫描打卡、查询、隐患发起等重点功能。

5 平台特点及创新点

本平台建设中在管理与应用、技术与数据等方面有以下几个特点及创新点。

5.1 管理与应用

(1)集群管理，统一高效。采用集群管理模式，将各类江港堤防水利工程视为一个集群，在集群基础上进行业务应用系统开发，将集群内部的工程变更对业务应用链的影响降至最低，并支持大量用户高并发操作不同工程，从而保证了平台的高效运行，促进江港堤防水利工程信息化管理水平提升。

(2)统一平台，严格控权。平台的建设遵循“一个平台”原则，管理单位各部门根据自身权限分权使用。平台建立了严格而又灵活的账户管理和岗位权限配置体系，满足用户量庞大、系统运行高并发的管理需求。只有系统管理员有权更改岗位权限、配置人员账户，并通过配置人员账户的岗位规定其平台操作权限，在不失灵活性的同时，保障了平台的数据安全。

(3)业务覆盖、动态更新。平台基本实现了水利工程管理业务全覆盖，实现了数据的动态更新，保障水利工程管理单位能够高效、便捷地管理各水利工程，提高水利工程规范化、信息化管理水平。

(4)精细管理、多端融合。平台采用精细化的设备设施管理模式，将所有设备设施进行单元化划分，并进行设备编码、二维码生成，“一设一码”，同时将设备二维码张贴在对应设备设施上，可随时通过移动终端进行扫码查询、巡查打卡、隐患发起等操作，实现设备设施的精细化管理和电脑端、移动终端的无缝融合。

5.2 技术与数据

(1)深度挖掘、多维呈现。平台对现有数据资源进行深度挖掘、提炼、分析、应用，通过信息多维关联融合，结合可视化技术，构建智慧水利工程可视化综合指挥中心，为管理人员提供决策支撑。

(2)数字孪生、预演复盘。充分利用GIS技术(倾斜摄影建模、水下地形测量建模等)、BIM建模技术，建立水利工程及管理区数字化场景，并与现有的信息化系统中的各类数据进行无缝连接，实现管理区域的智慧化模拟应用，可实现多种场景下的预演复盘，增强江港堤防水利工程管理“四预”能力。

(3)移动办公、多人协作。移动工作平台包含了业务统计展示、待办事项提醒、移动巡查检查、水情工情查询、运行操作填写以及设备设施二维码扫描打卡、查询、隐患发起等重点功能，方便管理人员随时随地进行水利工程管理业务工作。同时针对定期检查等较繁重的检查任务，开发出多人协作功能，同一个工程的检查可由多人协作完成，并可一键整合校对，极大提高了管理人员的工作效率。

(4)开放架构、上传下达。平台采用Bootstrap WEB开发框架[17]，可有效适配手机、平板、PC设备，同时预留充分的数据接口，可与上级主管部门和下级管理单位进行高效的数据交流共享。

6 应用情况

目前江港堤防水利工程综合管理平台在全国范围内得到了较多应用，温瑞平水系管理中心、张家港长江防洪工程管理处均已根据实际情况部署该管理平台系统，并根据实际需求投入使用。

张家港长江防洪工程管理处建设的张家港水利工程管理平台，覆盖了其所管理的105.5km堤线及城区近100个水利工程，项目建设包括了基础资料的人工收集、整编、录入，硬件数据的收集、读取，硬件设备保修、维护的精细划分，以及辅助管理平台开发建设。项目建设完成后，促进了数据及业务整合，提升了资源利用效率，保障水利工程安全可靠运行，增强了水利工程的规范化、信息化管理水平。

7 结语

江港堤防水利工程综合管理平台是为江港堤防水利工程管理单位研发的现代化管理工具。该平台以集群管理模式为基础，充分利用现代化先进技术和已有信息资源，结合实际需求构建了可视化综合指挥中心、工程“一张图”、数字孪生系统、日常业务、移动工作平台等业务应用体系，能够充分满足江港堤防水利工程管理要求，增强江港堤防水利工程信息化、智慧化管理能力，可为相关管理单位在推进智慧水利体系建设中提供建设指导与参考。随着技术的发展，新的管理手段和管理机制会不断涌现，江港堤防水利工程的管理需与时俱进、不断革新。