全国水闸工程基础信息数据库设计与实现

王 荆，金 锦，梅 峰，王敬宇

（1．黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2．水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南 郑州 450003；3．河南智河工程技术有限公司，河南 郑州 450003）

0 引言

水闸是具有防洪、排涝、供水、灌溉和生态调节等综合功能的重要水利基础设施，截至 2019年底，我国已建成规模以上水闸 103 575座[1]。水闸面广量大，类型复杂，运行管理条件差异大，管理水平和手段落后，特别是信息化建设方面严重滞后。随着我国经济社会进入新时期，全行业水闸管理现状与新阶段水利高质量发展的新形势、新任务、新要求不相适应，严重制约了行业发展，直接影响了工程安全[2–3]。水闸管理现状分析如下：

1）工程数据采集效率低下。大部分水闸工程仍采用人工方式开展工程监测和数据统计，工程信息的报送停留在纸质文件传递、人工审批管理的模式，影响了工作效率。

2）管理方式比较落后。管理信息化水平低，造成信息处理迟缓且缺乏统一标准，数据查找和分析困难，安全管理缺乏保障。

3）数据分析智能化程度低。大量的行政管理、工程指标、检测监测数据未能通过分析计算和预演研判发挥应有的价值，未能切实提供决策支持。

随着我国信息化技术的飞速发展，高质量发展成为时代主题，“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的智慧水利发展要求深入人心[4–5]，各地积极响应，先行先试，应用网络与信息技术研发了大量水利信息管理系统。邹杨[6]通过多元异构数据整合，基于 B/S 模式设计了驻马店水利信息系统，通过调用 ArcGIS API for JavaScript 和 Skyline 平台提供的 JavaScript API 实现了二/三维功能的开发，实现了地图操作、数据查询、专题图层和三维分析。阿鲁思[7]利用 3S 技术、数据库技术、三维建模等研发了基于 C/S 结构的锡林郭勒盟水利信息系统平台，采用 SQL Server 数据库并利用 ArcSDE 对空间及属性数据进行统一管理，建立了基于 E-R 模型的空间数据库。黄锦林等[8]采用 B/S 模式开发了广东省农村水利综合管理平台，采用 J2EE 体系、SSH 框架进行开发，按照 Windows 操作模式设计，实现了农村水利行业管理信息化。占辽芳[9]分析了山东水利基础设施建设与管理现状，选择 ArcGIS 与SkylineGlobe 作为 GIS 基础平台，采用 B/S 为主、C/S 为辅的混合结构模式，结合 C# 与 JavaScript 语言在 Microsoft Visual Studio.NET 环境下进行二次开发，建立了集工程、水文、防汛、水资源、农水、水土保持、水行政等各类信息于一体的管理平台。这些工程信息管理平台在特定区域下实现了工程信息的地图展示、查阅统计等基础管理功能，在一定程度上促进了区域水利工程运行管理水平的提升。针对水闸工程，学者们大多聚焦在自动化控制系统的设计与研发方面[10–12]，对单个工程监测、监控及闸门启闭机的自动控制技术进行了研发，切实提升了水闸工程的信息化智能化管理水平。

全国范围内水闸工程运行管理各项业务涉及海量数据，服务对象层级复杂，对数据信息的存储质量提出了很高要求，数据的安全管理具有很大难度，同时，随着水利行业高质量发展，信息系统需要不断拓展升级，常规技术手段难以做到。因此，开展全国水闸工程基础信息数据库设计与研发具有重要意义和应用价值。

1 数据库总体构架

全国水闸工程基础信息数据库使用空间数据存储、3S、海量数据管理等技术， 以及 MySQL，MongoDB，HDFS 等工具，实现各类工程信息数据汇交、存储、分析、挖掘、安全备份等管理和服务数据集成环境；采用 Redis 高性能缓存技术提高访问并发量，基于 B/S 结构和 J2EE 平台，采用支持 View 和 View Model 双向数据绑定的 MVVM（Model-View-ViewModel ）设计模式，实现前后端分离式开发；采用微服务的方式开发相关代码和部署应用，借助 GIS 平台服务组件构建各类业务接口，包括地理信息服务、属性查询与浏览、数据统计与分析等，按照用户层、应用层和支撑层三层体系架构设计。底层基础为支撑层，为系统提供技术和数据支撑；中间层为应用层，是系统用户开展水闸工程信息管理的业务应用板块；顶层为用户层，是具体使用数据库的各级用户单位，根据层级、辖区、性质分配不同的权限，用户只能在赋予的权限范围内操作。数据库总体架构如图1所示。

图1 水闸工程基础信息数据库总体架构

2 数据库关键技术

2.1 备份与修复技术

全国水闸工程基础信息数据库设置了自动备份程序，可对系统所有数据进行备份，支持信息版本溯源，通过版本控制恢复各类信息的历史备份，在时间尺度上形成闭合区间。系统具备充分容错纠错功能，针对服务器硬件故障或操作系统崩溃、错误信息、界面错位变形，以及服务器磁盘损坏等问题，采取多种应对方案提升系统可靠性。关键系统采用集群等冗余部署模式，在发生硬件或操作系统故障时，可不间断提供服务，并在最短时间内恢复服务。

2.2 安全与保障技术

通过数据库技术与 Web 技术相结合，建立安全模型、审计追踪与数据备份、数据库管理系统、冗余数据处理四层安全与保障机制，确保数据安全。从用户访问的安全认证，到进入数据库各项功能页面的操作数据，均可实现自动跟踪记录。此外，通过视图机制和数据加密限制用户的访问范围，可有效保护数据安全，把特定的保护数据对无访问权限的用户隐藏，从而自动对数据提供安全保护。

2.3 移植与扩展技术

全国水闸工程基础信息数据库采用界面展现、应用逻辑、应用支撑、数据源分离的多层体系结构，充分考虑数据和应用的分离，选用 Spring，Hibernate，Spring MVC，Solr（基于 Lucene）等框架和中间件进行开发，具备很强的系统稳定性和可用性，对二次开发和框架扩展提供了友好的接口和机制，使操作和维护人员易于掌握及学习，可随着水闸管理工作的深入发展更新软件，便于扩展和维护。

3 数据库功能设计

全国水闸工程基础信息数据库作为水利部官方使用的全国范围水闸工程运行管理信息系统，功能涵盖了水闸工程运行管理的各个环节，包含工程信息注册登记与变更、安全鉴定信息统计与超期提醒、工程报废注销备案等业务工作的线上执行，基于权限分配实现各项信息的发起、复核、审核等流程控制，允许组合条件筛查统计并自动生成图表，实现工程矢量数据的一张图展示，多渠道支持用户沟通及信息交流。对于重点工程，需有针对性地开展监控监测信息调取与分析、工程维修养护经费测算与台账管理等运行管理工作。

3.1 注册登记与变更

水闸注册登记工作自2005年起执行，已持续推进了17 a，传统的填表上报方式信息分散，标准不统一，安全性低，数据时效性差且不易统计。随着信息化的发展，2019年水利部修订了《水闸注册登记管理办法》，明确水闸注册登记以网络方式填报。全国水闸工程基础信息数据库重点研发了注册登记模块，工程信息由工程管理单位填报并复核，由水行政主管部门审核入库，完全响应《水闸注册登记管理办法》要求。填报信息分为工程基础和管理两大类信息，设置各类字段 60 余项，其中必填字段约占全部字段的 70%。此外，为解决水闸所在区域特征的判定难题，提出多选组合确定位置的方法，例如灌区内的渠首闸，可通过选择“穿堤”和“灌区渠道”，并联动选择“所穿堤防名称”和“所在灌区名称”4个要素确定工程具体位置。注册登记信息需要更新时，可随时发起信息变更，实现动态管理，数据信息具有可溯源和版本控制功能，所有数据的添加、修改、删除均有系统日志记录，可根据管理需要随时查阅历史版本或恢复任意时刻版本数据。

3.2 安全鉴定与提醒

水闸安全鉴定是消除水闸病害的前提，是除险加固工作的基础，是水闸运行管理的重要环节，也是反映水闸工程安全状态的最直接参数[13–14]。2008年，水利部出台《水闸安全鉴定管理办法》，安全鉴定成果资料由省级水行政主管部门和流域管理机构按年度汇总，并报送相关部门备案。长期以来，安全鉴定信息的汇总上报并不及时，各级水行政主管部门难以准确掌握辖区水闸安全鉴定情况。为此，全国水闸工程基础信息数据库依据《水闸安全鉴定管理办法》要求，开发安全鉴定模块，供水闸工程管理单位上报安全鉴定开展信息，明确安全鉴定时间和结论，基于水闸分布与鉴定结论可自动统计出各地病险水闸数量及时空分布情况，自动测算出每座水闸安全鉴定有效时限，判定是否超过规定期限，生成安全鉴定倒计时。对安全鉴定信息超期的，系统会定期发送消息提醒相关负责人。

3.3 报废注销与备案

随着水闸工程运行年限的增长，运行条件、功能规划、自身安全等要素随之变化，对安全鉴定为四类的病险水闸履行报废注销手续已是客观需求。报废注销是水闸工程全生命周期管理的重要环节，是病险水闸的重要处置措施之一[15]。目前，全行业的水闸工程报废注销制度尚未建立，部分地区先行先试，积累了一定经验，全国水闸工程基础信息数据库前瞻性地开发了报废注销模块，支持已经按要求完成报废注销手续的水闸工程进行注册登记销号和报废注销登记。报废注销模块允许打包上传报废注销相关批复文件，可溯源注销前的注册登记信息，查阅工程全生命周期管理信息，在时间尺度上形成闭合区间，为进一步推广全行业水闸工程报废注销工作奠定了基础。

3.4 工程筛查与展示

全国水闸工程基础信息数据库对工程矢量数据等信息进行数据整合、解析、共享等自适应扩展，采用 Service GIS 技术体系，实现各类工程信息在一张图上的筛查与统计，可自动生成相应图表。在矢量图层的检索工具选择上，提供“河流”“环形”和“多边形”3种检索方式，可根据管理需求选择 1个或多个河流或流域进行工程检索，也可在地图上绘制一定区域范围进行检索，例如：搜索某片水域附近的工程信息时，可选择“多边形”区域检索；在地图中根据水域边界自行标绘检索区域；发生地震、台风等中心扩散型灾害时，可选择“环形”区域检索工具，通过输入经纬度或点选中心点，录入环形内外径范围，形成闭合区间检索工程。

3.5 用户沟通与交流

工程数据是全国水闸工程基础信息数据库的核心，用户是数据库运转的主体。为更好地完成各项业务，落实主管部门监管责任，加强各级单位用户有效沟通，全国水闸工程基础信息数据库基于 MySQL 关系型数据库管理系统，应用 Redis，RabbitMQ，Management 等插件开发了站内信功能。支持各级单位根据管理权限进行即时消息传递，用户可根据需要选择收件单位和用户权限，拟定标题和正文，添加附件，明确办结时间，进行系统内邮件发送或收取。同时，基于公众号平台与站内信用户绑定，实现线下微信推送站内消息，达到切实加强数据库用户沟通交流的目的。

3.6 重点工程管理与展示

对有条件的重点工程，全国水闸工程基础信息数据库提供工程监测监控设备接口，支持远程控制摄像头转向、调焦或录屏，支持监测数据自动采集并存储在分布式文件系统中，使用人工智能技术对海量监测数据进行分布式计算分析，并建立推理模型，利用构建的模型对工程安全运行状况发展趋势进行推理判断，为工程安全动态管理提供预警信息。

基于维修养护定额标准，参照全国水闸工程基础信息数据库中工程规模、建筑物级别、防洪标准、结构型式、总净宽、闸孔数、闸门及启闭机型式等工程特性指标，自动测算工程维修养护经费并生成报告。支持维修养护经费台账管理，根据需要按指定周期生成经费使用日志和相关报告，为更加科学合理地制定水闸年度维修养护计划提供数据支撑。

4 数据库业务实现

截至 2022年4月，全国水闸工程基础信息数据库累计访问 987 083人次，已注册各级单位 22 860个，用户 35 777人，覆盖全国各级水行政主管部门、流域管理机构和工程管理单位，已审核入库水闸工程86 452座，与 2021年中国水利统计年鉴数据相比，规模以上水闸入库比例已超 80%，全国水闸工程管理信息数据动态掌握与共享基本实现，切实提高了数据采集效率，提升了工程管理水平，发挥了数据应用价值，为水利行业高质量发展提供了有力支撑。

为加强水闸工程安全运行管理和监督，水利部针对水闸管理责任体系、安全管理、日常管理与维护及工程实体等情况组织了专项检查[16]。2019—2021年，共检查水闸 7 428座，涉及 31个省（自治区、直辖市）及新疆生产建设兵团 400 余个市（州）、1 000 余个县（区）。在此项工作中，全国水闸工程基础信息数据库提供了数据支撑，充分利用数据库工程规模、类型、属地等特性分布规律和筛查功能，合理布置了历次专项检查工作，检查任务分配科学合理，被查工程和发现问题具有代表性。

2021年，全球气候变化复杂，极端天气频发，海河、黄河流域均出现了严重秋汛，持续时间长，洪量大，历史罕见。在极端天气的超标准载荷下，水利工程隐患极易集中暴发，形成灾害链放大效应，全国水闸工程基础信息数据库有效发挥了支撑作用，准确提供了受灾河段病险工程名录、工程基本情况及相关负责人联系方式，大大提高了现场调研的工作效率和质量。

此外，在每年汛前巡视检查、汛后隐患排查、安全鉴定成果统计与测算、国有水闸工程划界成果统计等工作中，全国水闸工程基础信息数据库也发挥了不可替代的关键作用。

5 结语

全国水闸工程基础信息数据库的研发、优化与应用，是实现水利工程数据共享、分析、应用的载体，是建设智慧水利的工作基础，是水利行业高质量发展的必然要求。本研究剖析了水闸工程管理存在的现实问题，从用户层、应用层和支撑层三方面构建了数据库的总体架构，通过备份与修复、安全与保障、移植与扩展等技术手段保障了数据质量和系统安全，预留了数据接口和拓展机制，设计并实现了水闸工程运行管理各环节业务功能的高效运转。全国水闸工程基础信息数据库的研发与应用解决了长期以来水闸工程运行管理手段落后、效率低下的实际问题，在全行业得到了广泛应用，充分证明了水利信息化技术的深度发展与应用对水利行业高质量发展作用巨大，效果明显。

随着经济社会的发展，信息化水平的不断提高，大数据分析、三维可视化、虚拟现实、人工智能深度学习、数字孪生等技术的日趋成熟，水闸工程运行管理应博采众长，在全面收集数据信息、提高数据质量的同时，持续优化数据库智能化分析功能，提升预报、预警、预演、预案能力，争取对水利工程物理全要素和治理管理全过程进行数字化映射、智能化模拟，为构建智慧水利体系，打造数字中国，建设智慧社会，推进国家治理体系和能力现代化进一步做出贡献。