小清河流域数字化建设实践

朱昌涛，王雅波，马 阔

（1.山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250014；2.济南市水利工程服务中心，山东 济南 250000；3.山东省水利工程局有限公司，山东 济南 250013）

小清河流域位于鲁北平原南部，干流全长229 km，自西向东流经济南、滨州、淄博、东营、潍坊5 个市的12 个县（市、区），在寿光市羊口镇汇入莱洲湾。流域水系复杂，支流众多，且多是山洪型河道，比降上陡下缓，遇到降雨天气，河道来水急。小清河又是条平原河道，洪水往下演进相对较慢，汇入后极易引起干流水位快速上升，造成较大防洪压力。因此，加强建设小清河自动化调度指挥系统建设，推动流域数字化管理，以全面提升小清河水旱灾害防御能力。

1 建设目标及原则

1.1 建设目标

在智慧水利建设以及大数据等高新前沿技术快速发展的背景下，紧扣防洪除涝综合治理目标和流域内洪水的统一调度指挥工作需求，整合已有资源，以防洪调度业务为核心，以预报、演进、调度、风险分析为重点，以自动化控制为手段，以硬件基础设施和传输网络为载体，以监测数据、基础数据、共享数据为支撑，构建精准高效、信息整合、辅助决策的系统。

1.2 建设原则

1）支撑决策，安全实用。系统的建设能提高洪水预报与调度能力，加强工程之间的联合调度，以防汛、抗旱等业务为核心，建设小清河流域水灾害防御业务应用。以安全为根本，以需求为导向，以实用为原则，从前端基础感知、硬件支撑环境、物联通信、数据处理、业务应用等方面保障系统安全。

2）补齐短板，快速提升。要先补齐当前在基础设施、信息采集、计算机通信网络、应用服务支撑、应用服务等多方面存在的短板。围绕防汛抗旱调度指挥业务，充分运用新一代信息技术，快速提升流域水灾害防治能力。

3）整合资源，先进智能。充分整合山东省水利信息化已有各项资源。应用先进的信息技术，强化水利基础设施、数据资源、业务应用的整合集约与成果复用。结合防汛抗旱调度业务实际，确保系统建设的实用性、智能性和可操作性。

4）服务全局，突出重点。从服务于小清河流域相关水利业务、全面提升防汛抗旱整体能力出发，兼顾跨流域调水和航运交通，但要突出强化水利工程之间的联合调度应用，重点建设水灾害防御智能应用。

2 总体架构

2.1 信息采集与传输

信息采集主要接收前端监测信息，由视频监控、雨量、水位、流量、闸泵站监控监测等组成，建设成覆盖库、闸、站、河的天地一体化监测体系。

2.2 云节点硬件资源层

云节点硬件资源层主要是机房网络、计算所需资源、存储所需资源和安全相关设备等，为系统提供运行环境。基于已建设的网络资源，升级优化业务外网、业务内网。

2.3 数据资源管理平台

数据资源管理平台包含数据治理、数据存储、数据管理和数据服务。数据治理由通用数据汇集、空间数据汇集和数据收集处理组成。数据存储包含业务数据库、数据仓库、元数据库、ODS数据库、多媒体数据库等组成。数据管理包含数据空间管理、元数据、目录管理、数据安全和数据质量组成等。数据服务包含通用数据服务、专题数据服务、大数据服务、空间数据服务和数据减缓共享等组成。

2.4 应用支撑平台

应用支撑平台由公共服务和基础支撑服务组成，具体包含MQ、ETL、Cache、身份认证、规则引擎、模型计算、预报、系统日志、查询统计、调度、GIS 等服务。

2.5 业务应用系统

业务应用系统按照功能应用划分系统模块，主要包括水雨情服务、洪水预报预警、防洪调度、风暴潮预报预警、数据维护、系统管理等，各系统模块相互支持，相辅相成，协同实现流域洪水预报调度一体化系统化管理。系统以电子地图、各类数据库、前端监测信息、相关水动力模型、数据模型为支撑，将模型和系统紧密融合，通过人机交互的方式，实现雨量、水位、工情等信息监视、流域防洪形势分析、预报调度计算、调度方案展示、调度方案比较等功能，有效支持小清河流域防洪调度决策。

2.6 接入层

接入层建立起用户与系统应用之间的链接，包含水利业务内网门户、水利业务外网门户、客户端和移动APP。

3 建设成效

3.1 基本建成流域数字场景

以构建小清河数字孪生流域为目标，建设覆盖全流域的三维数字流域。整合与集合小清河流域现有水文、工程、视频、遥测等信息，补充重点工程和关键部位监测站点，形成一套覆盖全流域的监测感知体系，实现流域内11 个排涝泵站及干线和分洪道的27 个控制闸站远程监控调度。同时依托GIS 平台，结合小清河业务管理需求，融合整理基础的地理数据、监测感知数据、业务数据、水利基础数据、跨行业共享数据，构建了小清河流域“一张图”。

3.2 初步实现智慧化模拟

整合流域内206 个实时水情监测点位，结合实时气象信息，将地理信息与水雨情信息进行耦合，基本实现了对流域内预见期的降雨，河道的水位、流量等信息的有效预报；分析研究流域历年洪水组成、流域内水库防洪库容及工程联合防洪调度，形成科学精细、详实可靠的水工程联合调度预案。

基于机器学习模型和知识图谱分析，使调度方案具备流域防洪调度背景场次相似性分析、防洪调度方案推荐、防洪调度方案自学习等功能；内置不同机理的洪水预报模型与方案，支持系统以自动方式和人机交互模式进行洪水预报计算与分析，基于三维数字化场景，实现小清河流域内8 座水库的入库流量、库水位以及河道水位洪水演进分析，实现洪水到达和淹没情况的及时预警，以可视化方式展示洪水预报和防洪调度结果。

3.3 逐步完善精细化决策功能

根据实时的雨量、水位、预报数据等，在已有的防洪调度预案基础上，通过人机交互的方式，自动生成防洪调度方案，对防洪调度工作的流转、综合会商等起到支撑作用，调度方案生成基于机器学习模型和知识图谱分析，具备流域防洪调度背景场相似性分析、防洪调度方案推荐、防洪调度方案自学习等功能。

3.4 积极探索智慧流域建设

研究了虚拟现实等前沿技术在水利行业中的应用，以小清河流域水行政管理范围为边界，以水利工程管理业务为主线，以预报预警为重要环节，对小清河流域水利工程管理活动进行全息精准化模拟，借助AR 和VR 技术，融合水利专业模型、可视化模型和数学模拟，对部分重点水利工程开展三维仿真场景建设，实现工程运行管理活动的真实模拟，为未来智慧流域建设提供前期准备。