数字流域视域下永定河水资源实时监控与调度系统设计与实现

齐师杰 啜瑞媛 吕天慧

(1.天津市龙网科技发展有限公司,天津 300171;2.北京七兆科技有限公司,北京 100070)

当今社会正朝着数字化和智慧化方向发展,数字技术在各个领域的应用也越来越广泛,“数字经济”“数字地球”“数字流域”等理念随之产生。《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》针对智慧水利建设提出“构建智慧水利体系,以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”的要求,突出了智慧水利要以流域为单元实施,体现了水资源管理的流域特征。永定河水资源实时监控与调度系统建设是落实永定河综合治理与生态修复工作重要任务之一,该项目旨在以数字流域理念为牵引,以实现流域“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”为治理目标,通过数字流域平台建设,为永定河流域生态水量调度、水旱灾害防御、综合治理与生态修复提供信息服务和决策支撑[1]。

1 数字流域概述

“数字流域”是由“数字地球”衍生出来的概念,数字流域建设是智慧水利发展的重要基础[2]。20世纪80年代开始,美国、日本等发达国家率先将数字化、建模、仿真等技术应用于流域现代化管理,“数字流域”的概念也在不断深化和发展。目前,学术界对“数字流域”的概念尚未达成公认的定义。基于其他学者的研究成果,此处将数字流域定义为“综合运用新一代信息技术对全流域的地理环境、自然资源、生态环境、人文景观、社会和经济状态等各种信息进行采集和数字化管理,构建全流域综合信息平台和三维影像模型,为各级部门有效管理流域的经济建设和资源开发利用提供信息化支撑”[3]。

从建设思路上看,数字流域以空间多级流域精细展示化为业务单元,以全业务动态模块化管控为技术方向,以解决管理中实际落地问题为导向,建设区-市-县联动云化、管理运维一体的智慧应用。从建设内容上看,数字流域建设包括“大感知”“大数据”“大地图”“大模型”“大应用”5部分[4]。其中“大感知”即通过构建基于天空地一体化的监测体系实现流域全要素透彻感知;“大数据”即通过构建以数据源、数据流、业务流、工作流为基础的线索式水利大数据资源目录体系实现大数据资源池及思维模式;“大地图”即建成时空立体地图大数据支撑平台;“大模型”即通过构建数据、算法业务模型融合体系形成流域尺度智能化分析中枢;“大应用”即通过构建以“水安全、水环境、水资源、水生态、水智慧”为核心的流域智慧平台业务应用体系实现流域尺度业务大融合与智慧应用。

2 流域水资源实时监控与调度系统的设计与实现

2.1 设计思路

遵循智慧永定河总体框架要求,以“监督、监控、评价、评估、调度、预警”为核心功能,通过监测体系、数字永定河平台、业务系统和安全体系建设,整合形成服务于永定河水资源统一调度管理的水资源实时监控与调度系统,实现流域水资源、水环境、水生态等状况变化的综合展示分析,实现流域生态水量调度计划制定、过程监视、水账计算、调度后评估等多项业务的综合管理,实现流域生态水量调度决策的精细化管理,进一步提升永定河流域治理能力和管理能力,加快实现永定河“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”治理目标。系统用户包括海河水利委员会(以下简称“海委”)、京津冀晋四省(直辖市)水行政主管部门、永定河流域投资有限公司(以下简称“永定河公司”)、灌区农户和社会公众(见表1)。

表1 系统用户描述

2.2 总体框架

系统基于微服务设计理念,遵循智慧永定河框架体系,采用分层结构进行开发建设[5]。系统总体框架见图1。

图1 系统总体框架

a.监测体系。监测体系是整个系统的监测数据来源,监测体系集成已建测站监测信息,补充水量、水质、工情、水位、灌区渠首取水、入河排污、地下水水位、雨量、水生态等多种监测信息和视频数据,同时利用遥感监测设施、移动监测设备等获取遥感数据、移动监测数据,对流域水资源、水环境、水生态等状况变化进行全面监控。主要包括基础数据、监测数据、业务数据、水生态数据、模型数据、算法数据、空间数据、元数据和多媒体数据共9类数据。通过监测体系建设,实现系统数据的有效存储和科学管理,统一数据管理方式可提高信息共享应用水平,为系统功能的实现和高速运行提供支撑。

b.数字永定河平台。建设数字永定河平台,以应用中间件、地理信息平台、云管理平台和数据库管理系统为应用支撑,利用网络传输提供监测站网传输数据和用户访问系统的通道;充分应用海委基础设施、视频、数据、业务应用等现有资源,统一规划基础运行环境,整合和新增软硬件资源,合理搭建本项目所需技术环境,为系统运行提供软硬件环境;建设数据共享系统,提供数据交换、信息填报等功能,并结合业务需求提供数据关联、分析计算、属性数据调用、算法库、数据接口管理等数据服务;搭建三维仿真影像、平面地图、概化图等多种方式的展示平台,实现三者联动响应,以供业务应用层按照功能需要进行调用。同时,配套大屏幕显示系统,满足用户对大屏幕显示系统的应用需求。

c.业务系统。结合流域水资源监控、综合治理实施效果评估、生态水量调度、水资源管理调配及洪水防御工作需要,建设基于永定河水资源动态评价与生态水量实时调度模型及防洪预报体系模型的业务系统,包括业务门户、全景永定河、监督管理、水量调度、综合评价、遥感分析、信息填报、系统管理等模块。同时,建设业务应用App、农户App和微信公众号,以满足用户移动办公需求,辅助用户及时掌握相关信息。

d.技术标准体系。系统严格遵守国家、行业相关法律法规、标准规范,并符合智慧永定河建设总体框架要求。

e.安全体系。系统严格遵循《网络安全等级保护基本要求》(GB/T 22239—2019)中三级信息系统防护要求,基于海委网络安全技术总体框架,结合系统建设的基础设施进行安全设计。通过安装、部署软件硬件基础设施,达到设备和计算安全要求[6]。同时,按照智慧海河框架要求,通过海委统一身份认证管理平台完成系统登录,实现与海委政务外网其他业务应用系统的统一用户管理,最终实现与水利部统一用户管理系统的用户同步[7]。

2.3 关键技术

系统采用前后端分离的开发模式,前端页面采用Vue实现,后端基于SpringBoot框架完成接口开发。系统具有良好的扩展性,可通过两种方式向其他系统提供服务:一是通过Web服务接口向其他业务直接提供数据服务;二是基于多种界面样式设置能力,直接嵌入其他业务系统形成整体,为用户提供统一入口。系统开发关键技术如下:

a.模块化。系统开发过程中将最基本的业务单元、算法等封装为独立的业务组件,使其具备复用、组装、定制等能力。

b.微服务。系统开发单个小型但具备业务功能的服务,每个服务依托自身处理和轻量通信机制,能够部署在单个或多个服务器上。同时,微服务也是一种松耦合的面向服务架构,能够实现单一服务内部高内聚、外部低耦合[5]。

c.三维展示。系统采用三维模拟仿真技术,将二维平面模拟成三维空间呈现给用户。较之传统的二维空间,三维空间更加全面地反映了工程现状和实际业务信息,带给用户更好的真实感体验,同时方便用户对三维模型进行旋转、平移、缩放等浏览操作[8]。

d.数据可视化。将每一个业务数据项作为单个图元元素进行表示,大量的数据集构成数据图像,同时将数据的各个属性值以多维数据的形式表示,方便用户从不同的维度观察数据,并可对数据进行更为深入的观察和分析。

e.移动终端原生开发技术。当前流行的两大移动平台主要包括IOS和Android,前者使用Objective-C或者Swift语言开发,后者使用Java语言开发。系统充分考虑移动设备计算能力、存储空间、运行效率等限制,优化系统UI设计,充分利用手机屏幕展示关键信息。

2.4 功能设计与实现

以流域水资源业务管理为核心,兼顾流域、地方、部门职能,统筹考虑各业务流程和功能需求,搭建业务门户,构建业务系统,以水资源动态评价与生态水量实时调度模型、数字永定河平台为支撑,形成涵盖业务门户、全景永定河、监督管理、水量调度、综合评价、遥感分析、信息填报、系统管理等功能模块在内的智能、高效、协同的业务系统[9]。系统功能模块见表2。

2.4.1 首页

首页针对海委、京津冀晋四省市、永定河公司用户,提供重要业务信息展示功能,包括流域概况、治理效果、治理指标、治理措施、水量调度等版块。首页界面见图2。

2.4.2 全景永定河

全景永定河以三维仿真场景、平面地图、概化图等地图及数据服务支撑平台为基础,从永定河流域时空全局出发,融合水文、水资源、水环境、水生态、水工程等数据,以全景化的方式,全方位、多视角、渐进式地展示永定河流域各类水利要素信息,主要分为监测监控、水资源管理、防洪四预等子模块。

2.4.3 监督管理

监督管理包括河道生态水量考核和治理指标监督两个子模块。其中生态水量考核是对永定河流域山区段的山西省、河北省、北京市三省(直辖市)河道生态水量年度完成情况提供考核功能;治理指标监督是对永定河综合治理与生态修复的5项指标(生态水量、新增农业节水能力、水功能区达标率、重要水源地水质类别、干流堤防达标率)的实现情况进行监督管理[10]。

2.4.4 水量调度

水量调度实现对流域生态水量调度的全过程管理,为流域生态水量调度业务提供支撑。该模块对流域规划水平年水资源配置方案进行管理,调用永定河水资源动态评价与生态水量实时调度模型进行全年调度形势预测,模拟生成流域年度调配方案,辅助年度调度计划制定,对调度过程进行实时监控,通过模型实时运算生成优化调度方案,调度后对调度的效果进行评估,进行与水量分配相关水账的计算,确定重要水库的生态库容[11]。

水量调度包括水资源配置方案、调度计划、优化调度、调度后评估等功能。其中,水资源配置方案功能基于地图与表格形式展示水资源配置方案中的供水能力、需水量以及缺水量等重要信息,并提供对流域规划水平年水资源配置方案的查询与管理功能;调度计划功能基于概化图与表格形式展示年度调水计划,模拟生成流域年度调配方案,同时提供年度调度计划、春季秋季调水方案等辅助制定功能;优化调度功能基于年度调度计划,在不断更新的实时数据驱动下,调用模型,预测最新的来水、需水情况,实现实时优化调度。水量调度界面见图3。

图3 水量调度界面

2.4.5 综合评价

综合评价通过对永定河流域水资源、水环境、水生态不同时期的状况进行评价,实现对永定河流域水生态环境变化情况的有效掌握,综合评价永定河综合治理的效果,确定流域生态健康修复敏感因子,为永定河流域生态调水方案的制定、综合治理与生态修复措施的制定提供决策依据[12],包括水资源评价、水环境评价和水生态评价等子模块。

2.4.6 遥感分析

遥感分析是对永定河流域内各类重点目标的耗水分析,通过耗水分析结合流域内灌区的基本情况,对灌区的灌溉管理进行分析,最终为永定河流域灌溉管理提供决策支撑。

2.4.7 信息填报

信息填报是将尚未实现在线监测的数据通过人工填报的形式录入系统,先保存至前置数据库,通过审核后将数据保存至数据库,实现流域内数据的统筹计算分析与展示。

2.4.8 系统管理

系统管理是对系统运行期间的生态水量考核、工程项目、水库、水闸工程等基础信息和用户权限进行的维护管理,包括基础信息管理、指标阈值、项目管理、用户权限管理等子模块。

3 结 语

数字流域是智慧水利建设的重要组成部分,数字孪生是当前及今后一个时期实现流域数字化的重要支撑技术。根据水利部推进智慧水利建设部署,建设数字孪生流域已经成为当前智慧水利建设的核心任务与目标。本文从数字流域视角出发,遵循智慧永定河总体框架要求,通过监测体系、数字永定河平台、业务系统和安全体系的设计与实现,构建起服务于永定河流域的水资源实时监控与调度系统,实现了“监督、监控、评价、评估、调度、预警”的核心功能。 按照《永定河综合治理与生态修复总体方案(2022年修编)》《数字孪生永定河建设先行先试实施方案》等文件要求,永定河实时监控与调度系统建设将作为数字孪生永定河1.0版本,下一步需充分运用信息化前沿技术,加快构建具有"四预"功能的智慧永定河流域样本,力争为推动海河流域智慧水利建设发挥重要的示范引领作用。