典型水利工程配套智慧管理系统设计研究

王 宁，王 伟，谌东海

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.滨水空间规划设计湖北省工程研究中心，湖北 武汉 430010）

为贯彻落实水利改革发展总基调和“安全、实用”水利网信发展总要求，2019年7月水利部印发《加快推进智慧水利的指导意见》，指出智慧水利是补短板、强监管的重要抓手，是推进新时代水利现代化的重要举措[1]。2020年水利部出台《智慧水利总体方案》，把智慧水利建设作为推进水利现代化的着力点和突破口，加快推进智慧水利建设[2]。水利工程配套智慧管理工程作为典型的智慧水利项目，也是大中型水利工程建设任务的重要组成部分。水利工程配套智慧管理工程建设实施，将显著提高水利设施远程调度可靠性，从而最终实现区域内涉水信息一网集成、闸泵调度科学高效、运营管理智慧便捷，从实质上提升管理部门的水系管控力度和业务管理水平。

如何实施好水利工程配套智慧管理工程，相关研究学者提出过一些方案和建议[3-6]，一定程度上为水利工程智慧管理提供了技术思路和方案借鉴，但至目前，行业还没有相对完善的智慧水利整体技术方案的标准和范本。文中根据目前参与的智慧水利设计与研究的工作内容，通过一个典型的水利信息化工程案例（即襄阳高新区水系连通工程），详细论述了智慧管理工程设计相关内容，包括工程建设任务，平台的系统框架与架构、软件功能、数据库建设及系统集成完整的设计方案，旨在为智慧水利研究与设计的业界同行提供有益参考。

1 项目简介

襄阳高新区水系连通工程（一期工程）位于襄阳高新区，主要建设内容包括生态引水工程、河道整治工程、景观绿化工程以及智慧管理工程。项目配套的智慧管理工程主要包括：水利监测感知网络建设、软件平台建设、数据资源规划建设、配套水利信息化基础设施建设等方面。工程实施后，可以有效改善高新区水生态环境；疏通行洪通道，提升河道行洪安全；打造景观节点，提升滨水活力；提高水务设施远程调度可靠性，提升襄阳高新区智慧运营管理水平。

2 智慧管理工程建设任务

2.1 水利监测感知网络建设

水利监测感知网络是全面、实时地掌握综合水情、水质，以及工程现场情况等信息的必要技术手段。通过移动互联网、物联网与在线监测技术，集成已建及新建的监测站点数据，实现试点工程区域内水文、水质、视频监控、闸泵站运行等信息的实时监测，为实时全面掌握河湖与水利工程运行情况提供数据支撑。

2.2 软件平台建设

软件平台为管理人员提供日常工作的操作平台，是业务处理的核心，项目围绕襄阳高新区管委会对区域内水资源管理、闸泵设施调度、防洪管理、水环境管控的主要业务需求进行设计，针对管理人员不同应用场景提供大屏端、Web端应用模块设计。软件平台建设主要包括综合展示（大屏端）、实时监控、预警预报、闸泵自控、统计报表、值班管理。

2.3 数据资源规划建设

基于现有数据库中的数据资源，运用数据采集技术、GIS技术等，整合各类数据资源，形成高新区水系智慧管控平台数据资源中心，满足应用支撑平台建设以及数据交换和共享的需求。高新区水系管控数据资源包括：①已有水利工程动态监管系统数据；②新建监测监控设备采集上传数据；③区域内收集的水务相关基础数据；④工程建设相关数据；⑤系统应用和生产运行产生的相关文档及管理数据等。

2.4 配套水利信息化基础设施建设

建设配套的水利信息化基础设施，包括：监控中心建设、数据机房建设、计算机通信网络建设、大屏显示系统建设等。

3 系统框架设计

3.1 总体架构

襄阳高新区智慧水利管理平台总体构架由采集层、网络层、数据层、业务支撑层、应用层、用户层组成，如图1所示。

图1 系统总体框架

（1）采集层。整合已建水利监测系统，新建水质、水位、流量、雨量监测、视频监控监测站点等，主要应用于水利监测感知信息采集。

（2）网络层。包括现有和改建的光纤、专网、有线宽带、无线4G/5G网络设施。通过网络层，将前端数据感知层各类监测设备采集数据实时进行传输，提供系统网络运行环境及移动应用功能。

（3）数据层。将信息汇集到监测信息数据库，包括基础信息数据库、水利专题数据库、实时监测数据库、业务数据库、GIS数据等。

（4）支撑层。包括工作流引擎和各类中间件，支撑跨平台分布式异构数据源的整合，面向业务层提供统一的数据服务。主要服务包括Web服务、应用服务、报表服务、工作流引擎、消息服务、GIS服务、文件服务等，以服务的形式供应用层各子系统进行调用。

（5）应用层。应用层提供面向用户的各项业务功能，是整个系统架构中的核心功能模块，包括：河湖管理、水利工程管理、水资源管理、防汛抗旱管理、泵站远程监控管理等主要功能。所有子系统均采用B/S架构。开发建设移动端APP，将应用层大部分功能集成到手机APP中，方便工作人员随时随地查询。

（6）用户层。主要是使用系统平台的用户对象，包括监测管理中心、运维单位，以及各级水利管理部门及人员。

（7）统一管理体系。为系统平台提供统一的管理服务，保障整个平台系统安全、稳定、高效运行，主要包括数据备份、网络管理、补丁管理、运维管理等。

（8）系统安全保障体系。主要包括统一认证、应用安全、数据安全、系统安全、网络安全等服务，保障整个平台数据存储、传输、访问、共享及各类信息化应用的安全。

3.2 水利监测感知网络建设

根据高新区河湖水系综合治理工程要求和管理部门的业务管理需求，在水系各重要节点布设水质、水雨情、视频等自动化监测采集设备，实现数据的自动采集和实时上传，并进行区域内闸泵站的自动化改造，实现该类设施的“无人值守（少人值守）”，使管理部门在水资源调度和应急指挥调控时具有更大的灵活性。

3.3 软件系统平台建设

襄阳高新区智慧水利管理信息系统平台包括6个主要部分：①一张图综合展示子系统；②水雨情实施监测子系统；③监测预警预报子系统；④闸泵站远程监控管理；⑤统计报表总系统；⑥值班管理子系统。整个系统平台的功能架构见图2所示。

图2 系统平台功能架构图

（1）一张图综合展示

提供对汇水片区、河道、水库、湖泊、闸坝、桥梁、水利工程、排口、灌区、物资、居民区等的分布位置和基本信息查询与统计。综合展示模块为实时信息显示、预警地图、风险分析图等提供了区域底图沙盘，明确了区域各类静态设施分布，可通过地图查询各设施属性，也可在底图上叠加显示实时更新的动态数据。

（2）水雨情实时监测

根据原有水利工程动态监管系统在高新区水系管理中的应用，水雨情等数据监控展示功能是用户的迫切需求。水系智慧化管控系统应用系统需实现原有系统功能，在此基础上实现用户应用服务的升级。实时监控模块即各类实时监测监控数据基于电子地图的查询和展示，包括水位、流量、雨量、视频、闸坝运行状态、预警信息等。实时监测信息作为动态图层叠加在区域水务设施静态底图上，可勾选图例或显示专题来选择查看不同类型的动态数据。此外，提供基于监测设施、时间、限值等筛选条件的列表查询功能，也可将列表与地图对照显示，方便进一步的数据统计和地图分析。

（3）监测预警预报

通过地图高亮、弹窗、通知推送等途径进行测值超标预警。实时预警信息包括暴雨、洪水、水量过低、水污染、视频识别人为破坏等情形，管理人员可以基于预警信息，利用数值计算、数据分析等手段进行进一步的风险分析，以提供灾害在未来数小时到数天的传播路径、扩散情况。

（4）闸泵站远程监控

提供闸泵远程控制操作平台，界面显示所有闸泵当前运行状况和上下游河道、水库的水雨情监测数据，提供闸泵开启时间、开启时长、立即关闭、规定时间后关闭等多类型控制操作，为保障设备控制安全，控制操作添加领导审核和二次确认功能，对于有人值守的大中心闸站，提供中心端发送指令，现地端实施启闭操作的功能。

（5）统计报表

根据不同的分析专题预置不同管理业务所需的统计报表，报表以饼图、条形图、折线图或者地图热点图等形式显示。统计专题包括污染事件区域统计、预警站点频次统计、设备损坏统计、水资源量年际年内变化等，也可根据用户需求自定义报表模板。

（6）值班管理

对管理人员值班情况进行管理，方便查询时段责任人，便捷交接班人员的信息交换。提供专人负责区域查询，值班人员值班情况查询（包括值班日期、值班人员、天气概况、交接时间、交接人员等）。

3.4 数据资源建设

（1）基础数据收集、汇集和整编

基础数据是整个智慧工程管理软件平台的核心，是信息展示、查询和分析的基础。从类型上可分为静态数据和动态数据。静态数据主要作为本底数据使用，包括襄阳高新区地形数据、影像数据、历史水文资料、工程信息、防汛调度预案等静态数据；动态数据为实时或准实时的在线监测数据，包括自动水文监测数据、视频监控数据、水环境监测数据、各个移动终端采集的监测数据等。

（2）管理平台数据库建库

管理平台数据库包括数据水利设施基础类、基础地理信息数据、水雨情数据类、闸泵控制与调度类、视频监控类、生产运行类、文档资料类等数据。数据库数据格式主要以库表及文件形式表示。

4 问题与解决对策

与普通的工程信息化项目不同的是，水利信息化项目往往具有其水利行业特点。一般而言，水利工程配套智慧管理建设内容较多，既包括前端数据采集设备（如水雨情、水质、流量、视频监控、设备监控类设备），又包括后端的硬件设备（主要为服务器和网络设备）及软件平台开发（服务器端与手机端），往往还有配套的设施建设（如集控中心、会商中心、机房的装修改造），因此水利信息化项目具有内容多、专业多特点。在实施襄阳高新区水系连通项目的智慧管理工程设计过程中，遇到以下技术问题及解决对策。

4.1 技术先进性问题与对策

在考虑采用成熟技术的同时，应采用国际上先进的软件开发技术，使得本项目在未来一段时间内保持在行业先进水平。因此平台采用了“BIM+GIS+IOT”这种目前流行的数字孪生技术[7]，并与平台一张图应用进行融合，通过无人机航拍采集数据进行倾斜摄影和大场景三维地形重建，并对于典型的水工建筑物进行BIM三维建模，将大场景地形与水工建筑物进行无缝拼接，并将前端布置的水雨情、水质、摄像头与三维场景进行对接与整合，从而实现主流数字孪生的技术应用。

4.2 平台数据交换问题与对策

本项目除了新建的水雨情监测、水质监测、视频监控、闸站监测站点之外，还要考虑已建设的相关监测站点的数据接入，并且新建设的软件平台还需要与现有小型水库水雨情测报系统、水利工程动态监管系统、“三农”管理大数据平台等信息化系统进行对接及必要的数据交换与利用。因此平台数据库应严格按照行业标准要求建库，并且平台建设时需预留数据接口，以确保平台间的数据推送、获取与交换，并且针对今后再新增的监测站点可以直接接入，避免监测系统的重复建设。

4.3 前端采集设备通信与供电问题与对策

针对水利工程特点，部分水雨情及水质、视频监控设备布置在野外，若采用有线方式进行数据通信与供电，则电源与通信线缆施工建设成本较高，因此在设计时考虑尽可能减少这种孤立监测点位的布设。另外对于在孤立地点布置的必要监测点位，如网络布线困难、市电供电困难的水位、流量及视频监测站点，则推荐采取采用NB-IOT/4G/5G无线通信的方式来解决网络最后一公里的问题，并采用太阳能供电与电池组的方式来解决市电供电布线问题。

5 结语

水利工程配套智慧管理工程是“智慧水利”的典型技术应用，也是大中型水利工程建设重要组成部分。文章结合襄阳高新区水系连通项目配套智慧管理工程为例，深入探讨水利工程项目智慧管理系统设计工作，并针对相关的技术问题给出了解决对策。目前,水利工程智慧化系统设计与建设还没有相对完善的标准和范本，文中工作内容希望对国内同行提供些许借鉴，同时为我国水利工程智慧化设计与建设进一步推进和发展提供参考。