日照市智慧河湖管理系统建设实践

彭 涛，赵秀颖

（日照市水利局，山东 日照 276826）

智慧河湖管理系统建设的总体目标是紧密围绕国家、省、市水利现代化发展要求及日照市水利管理特征，利用“信息化、数字化、智能化”三大手段，深入落实大数据、云计算、人工智能、边缘计算、数字孪生等新一代信息技术与水利行业的融合，立足于日照市对水利需求的角度，以“提服务，助监管，促发展”为目标，提升河湖长效保护监管能力、水旱灾害防御能力，实现河湖水环境的智能化监控和智慧化监管，保障河长巡河责任的落实到位、河湖水环境长效久清，实现防汛预案的智能化管理，快速响应汛期的调度决策，大力提升日照市河湖管理能力。

1 系统总体框架

1）感知层。感知层包括水情、工情和视频等采集内容，其主要为智慧应用提供数据支撑，通过基于地表和遥感监测相结合，驻站监测和移动监测相结合的空天地一体化立体监测技术，形成智慧水利智能感知体系，实现对河湖水系的及时、全面、准确、稳定的监测、监视和监控。

2）基础层。基础设施包括云平台、网络工程、基础设施环境等内容，其为智慧河湖提供信息传输通道、安全基础设施运行环境（包括网络环境），可根据前端业务需求按需自动扩容，实现故障转移、运维自动监控等，其中云平台主要围绕以日照市政务云为主的构建方式。

3）数据层。水利数据中心包括数据集成与加工系统、数据资产与治理系统、水利信息模型和基础数据库、空间数据库、监测数据库和业务专题库等内容，其是在日照市城市大脑数据中台赋能的基础上构建完成。

4）支撑层。水利支撑能力在城市大脑的基础上进行补充建设，包括水利AI 中枢、水利应用基础支撑、水利地图服务在。其中水利应用基础支撑层是通过调用城市大脑统一用户管理功能，补充建设水利系统统一服务资源管理及统一业务门户功能。

水利AI 中枢提供水利AI 训练支撑平台、水利模型算法服务、水利遥感影像服务等智能使能服务，其中水利AI 训练支撑平台通过对视频数据的分析与认知实现河道险情监管、四乱治理监管和工程运行安全监管的业务需求。水利模型算法服务提供专业水利模型，满足日照市水利实际业务需求。水利遥感影像服务提供水域岸线、涉河建设项目、植被覆盖度等对象的持续监测分析，支撑河湖水质情况、河湖侵占、生产建设项目进度等监管业务的开展。

5）应用层。应用层业务提供河湖监管、水旱灾害防御、水资源综合管理、水利工程运行管理监督、数字河湖、农村饮水、水政务协同及智慧河湖领导驾驶舱等应用系统，满足水利各业务部门及各业务维度的管理需求。

6）展示层。展示层为水利局内部提供满足移动终端、PC 端、大厅终端等多种载体的应用展示能力。

7）标准规范体系。标准规范是保障智慧河湖的各个组成部分能够协调一致地工作，是保障各类信息互联互通，是保障项目建设过程和运维管理的规范、有序、高效的重要基础。通过充分利用已有国标和行标、参考国际上的先进标准、建设必要的标准规范，形成适用于本项目的标准规范体系。

8）安全保障体系。安全保障体系是保障系统安全、运行稳定可靠，其在全面分析和评估日照市智慧河湖各要素的价值、风险、脆弱性及所面临的威胁基础之上，遵照《中华人民共和国网络安全法》和等级保护制度的要求，依托日照市政务云为日照市智慧河湖提供信息化需要的云容灾、安全服务等信息化系统运行的安全保障资源，并结合日照市水利实际，构建智慧河湖信息安全体系。

2 主要建设内容

2.1 智能视频感知

据日照市水利业务和水利监督工作需求，应用水利多功能智能一体杆等新一代设备，依托日照水利感知网络建设现状，扩大江河湖泊水系、水利工程设施等实时在线监测范围，完善水环境、水生态、工程安全、洪涝灾害、水利管理活动等监测内容，实现水利业务和水利监督相关信息感知的升级，重点感知范围补充完善。

智能感知的重点是日照水库和傅疃河橡胶坝、5 条市管河道及2 处高空瞭望试点河道的视频，补足重点流域、水库关键点视频感知短板，提升视频智能分析能力，有力支撑河湖监管、水旱灾害防御业务的开展。

2.2 应用场景设计

1）河道漂浮物识别。河道污染漂浮物作为河长制管理日常的重要工作，如何检测漂浮物并且确定其位置是河道漂浮污染治理的核心。

通过利用计算机视觉和图像处理的手段，实现自动发现河道漂浮物，自动预警，并且将发现的“漂浮物事件”推送至后台数据库或业务平台。漂浮物检测算法优化的核心为提高算法识别的准确率，其优化过程分为素材分析、场景分类、算法设计、可行性验证四部分。

2）岸线侵占。构建侵占水域岸线识别模型，通过划定目标区域的水域岸线，识别侵占河道行为，一旦发现违禁行为立即触发告警，同时云端支持录制现场实况，作为违禁行为的问责依据。

3）水色识别。水色自动监测算法能够实现全自动化水色识别，支持洪水、水质富营养化等事件检测，并且支持事件颜色自定义，能够实现颜色骤变检测，支持色度变化速率自定义，支持自定义采集周期，支持观测画面存档，当检测到水质颜色变化时，会发布预警信息，还具有水色变化大数据分析，能够实时展示水色信息。

4） 溢洪道/水库等入侵预警。周界防范识别是基于多种对视频图像中运动目标提取的方法（如帧间差分和背景差分等），提取行人、车辆图像，建立水利通用物体训练图像集，根据行人、车辆的外观轮廓特点，构建周界智能分析计算能力和人车物识别库（基于神经网络的物体检测模型），在视频监控摄像的流媒体中，对常见水库中人员游泳、河道捕鱼、泄洪渠人员入侵、山洪沟行车/行人等推送告警信息给业务应用。

2.3 智能边缘处理系统设计

1）边缘智能网关。在新增感知站点上使用边缘智能网关，为计算、存储、传输、视频智能分析等提供边缘计算硬件支持。边缘计算集成全生命周期管理工具及日志监控告警工具，实现敏捷运维，具备在线、离线部署升级能力及云服务线上管理功能，能够和云平台统一的运维中心进行连接，并进行统一的管理。

2）边缘分析系统。边缘分析系统：模块化设计，由数据采集单元、数据存储单元、视频管理单元、预警交互单元、网络通讯单元、物联网接口单元等组成。

数据采集单元：通过数据采集实现传感器模块数据实时采集，通过内置编码与协议转换器将传感器异构数据进行提取存储上报城市大脑的水利物联网，同时接收平台控制数据，实现设备控制和远程升级；控制高清视频监测单元对辖区进行扫描巡检。

数据存储单元：采用大容量固态存储器，具备数据备份保存功能，对本地传感器数据、视频数据、配置数据、紧急事件数据、维护数据、巡检记录数据等进行保存，支持历史数据查询、对比、取证等功能。

视频管理单元：对接前端视频监控设备，实现视频流接入、存储、转发功能，可实现无死角扫描巡检和定点高清拍照功能。

预警交互单元：预警交互单元接收边缘智能分析等系统的预警指令后，将预警信息推送给后台平台或数据库。

网络通讯单元：集成有线和无线通信接口，可以与城市大脑平台进行网络通信，同时硬件上具备防雷击功能，保障系统安全可靠。

物联网接口单元：集成常用中短距离无线物联网接口，包括ZigBee、wifi、蓝牙、LoRa 等接口，实现区域设备的网络连接，方便设备性能升级和功能扩展。

3 结语

通过智慧河湖管理系统项目工程建设，在水利领域释放新型智慧城市发展红利，能够大幅度提升全市水环境、水利工程安全的态势监测能力，进一步增强水安全、水资源感知能力，强化水利行业监管能力，在提升民生服务和城市治理方面，实现对城市水利的全面感知（智能化）、态势监测（可视化）、事件预警（可控化），推动水利行业健康有序发展和管理转型升级，维护河湖水生态健康，促进社会、经济与环境的和谐发展，具有显著的社会效益。