朱文軍，時(shí)會(huì)省，管林杰，任若菡

（1. 河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450015；2. 長(zhǎng)江空間信息技術(shù)工程有限公司（武漢），湖北 武漢 430010）

丹江口水庫(kù)是南水北調(diào)中線工程水源地，保障水質(zhì)安全和工程安全運(yùn)行，是丹江口水庫(kù)管理的重點(diǎn)工作。目前，丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)現(xiàn)有的管理措施仍不能完全滿足庫(kù)區(qū)管理的需要，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)面積大、岸線長(zhǎng)，管理對(duì)象分布廣，庫(kù)區(qū)管理面臨人員不足、問(wèn)題發(fā)現(xiàn)時(shí)效性不強(qiáng)等現(xiàn)實(shí)困難。②現(xiàn)有的各個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的信息較為分散，專業(yè)性強(qiáng)，缺乏信息的有效整合和統(tǒng)一管理，影響了監(jiān)測(cè)信息的利用效率，水庫(kù)庫(kù)區(qū)信息管理能力亟須提升[1-2]。

為增強(qiáng)丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)日常管理的有效性和問(wèn)題應(yīng)對(duì)的時(shí)效性，打造國(guó)內(nèi)一流的水庫(kù)庫(kù)區(qū)信息管理能力，本文在分析丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)管理現(xiàn)狀和管理需求的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)和GIS 技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了集信息感知監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、智能分析管理于一體的智慧水庫(kù)綜合管理平臺(tái)。平臺(tái)通過(guò)強(qiáng)化水庫(kù)上下游相關(guān)內(nèi)容的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合水庫(kù)工程實(shí)際，利用信息技術(shù)對(duì)各種水庫(kù)管理問(wèn)題進(jìn)行模擬和分析，確定問(wèn)題的解決對(duì)策與管理方式，為水庫(kù)調(diào)度工作提供可靠的數(shù)據(jù)和信息支持[3-4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用四層體系架構(gòu)，由下至上依次為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、平臺(tái)服務(wù)層、應(yīng)用層、用戶層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層是支撐平臺(tái)運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)設(shè)施，由服務(wù)器和存儲(chǔ)資源池組成，為智慧水庫(kù)提供計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，可細(xì)分為計(jì)算與存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)及通信、視頻監(jiān)控采集、專業(yè)數(shù)據(jù)采集（水位、流量、水雨情等）。

2）數(shù)據(jù)資源層為智慧水庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)資源，主要包括基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)、水庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、巡查管理數(shù)據(jù)庫(kù)和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

3）平臺(tái)服務(wù)層在數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)、GIS 平臺(tái)和云計(jì)算平臺(tái)支撐下，建立統(tǒng)一的服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)區(qū)管理多時(shí)序空間數(shù)據(jù)的管理、分析及可視化呈現(xiàn)，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)服務(wù)、地理信息服務(wù)、框架服務(wù)、前端組件服務(wù)及運(yùn)行類服務(wù)。

4）業(yè)務(wù)應(yīng)用層作為整個(gè)平臺(tái)建設(shè)的核心，是支撐庫(kù)區(qū)日常管理和應(yīng)急管理的數(shù)字化、一體化和可視化管理平臺(tái)，包括一張圖展示、水雨情統(tǒng)計(jì)分析、安全監(jiān)測(cè)、庫(kù)區(qū)管理、調(diào)度管理、視頻監(jiān)控管理、電站管理、移動(dòng)巡檢。

5）用戶層的主要用戶為水庫(kù)管理單位、上級(jí)管理部門、技術(shù)支撐單位和社會(huì)公眾。其中水庫(kù)管理人員可利用本系統(tǒng)向上級(jí)主管部門推送重點(diǎn)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及水文水情數(shù)據(jù)，社會(huì)公眾可通過(guò)微信公眾號(hào)舉報(bào)破壞庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境，影響庫(kù)區(qū)水質(zhì)的活動(dòng)。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)水庫(kù)智慧管理的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，通過(guò)透徹感知，全方位、全對(duì)象、全指標(biāo)的監(jiān)測(cè)手段，提供水庫(kù)主要特征指標(biāo)數(shù)據(jù)和相關(guān)的環(huán)境、水文、氣象等多種類精細(xì)化的數(shù)據(jù)[5]。結(jié)合傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段，基于多波束探測(cè)、三維激光掃描、側(cè)掃聲吶、淺層剖面儀、傾斜攝影及水下近景攝影測(cè)量等多種地形地質(zhì)探測(cè)手段，以及物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、視頻監(jiān)控、智能終端等新技術(shù)應(yīng)用，提升水庫(kù)安全感知能力、設(shè)備狀態(tài)的感知能力、隱患缺陷管理感知能力、水雨情氣象感知能力，實(shí)時(shí)開(kāi)展大數(shù)據(jù)分析[6]。

本文中數(shù)據(jù)源分析與范圍規(guī)劃的最終目標(biāo)是涵蓋涉及環(huán)境相關(guān)的所有數(shù)據(jù)，將分散的、標(biāo)準(zhǔn)不一的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成整合，實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)到信息的轉(zhuǎn)化，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，為水庫(kù)管理、施工管理等工作奠定全面的信息資源體系，為科學(xué)決策、有效管理提供信息支持保障。智慧水庫(kù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)組成如圖2所示。

圖2 智慧水庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

水庫(kù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源分為四類：

1）基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)：包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（影像、數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型），以及用于存儲(chǔ)管理水利設(shè)施的三維數(shù)據(jù)等。

2）水庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)：各水文測(cè)站(包括水庫(kù)、河道)的實(shí)時(shí)雨情水情，還包括點(diǎn)雨量、區(qū)域雨量、時(shí)段雨量、降雨時(shí)間、雨量分布等要素。

3）巡查管理數(shù)據(jù)庫(kù)：即移動(dòng)巡查數(shù)據(jù)庫(kù)，包括巡查計(jì)劃及巡查記錄（軌跡、照片、視頻、文字描述及巡查報(bào)告等）。

4）視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)：水庫(kù)管理視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)主要技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)射頻識(shí)別、傳感器以及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界各種物體的標(biāo)志、感知、監(jiān)測(cè)、跟蹤、控制和管理，在人與物、人與環(huán)境以及物與物之間實(shí)現(xiàn)高效、智能、和諧的信息交互，最終通過(guò)智能決策控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界的融合[6]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入水庫(kù)綜合管理領(lǐng)域，可以解決水庫(kù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并快速?zèng)Q策，使水庫(kù)綜合管理更加智慧化。

GIS 是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)的支持下，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界各類空間數(shù)據(jù)及描述這些空間數(shù)據(jù)特性的屬性進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、表達(dá)和應(yīng)用的技術(shù)，是分析、處理和挖掘海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)[7]。借助GIS 技術(shù)，可以將水庫(kù)信息和空間信息有機(jī)關(guān)聯(lián)，對(duì)水庫(kù)信息進(jìn)行有效管理和綜合分析。

2.1 庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

本文提出一種充分應(yīng)用衛(wèi)星遙感、低空遙感及地面移動(dòng)巡查相結(jié)合的天、空、地一體化高精度數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)測(cè)手段[8]。庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)技術(shù)路線圖

1）以天基衛(wèi)星遙感所采集的多分辨率、多時(shí)相、多波段、多層次遙感影像作為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的主要信息源，進(jìn)行大范圍遙感遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，及時(shí)監(jiān)控庫(kù)區(qū)變化趨勢(shì)[9]。

2）以低空遙感技術(shù)開(kāi)展日常監(jiān)察工作，并應(yīng)對(duì)由于天氣造成的衛(wèi)星遙感盲區(qū)進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)及突發(fā)事件數(shù)據(jù)應(yīng)急采集[10]。

3）以地面人員巡查措施來(lái)進(jìn)行周期性巡視及對(duì)衛(wèi)星、無(wú)人數(shù)據(jù)獲取的疑似目標(biāo)進(jìn)行核查，獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象完整的屬性信息。

2.2 基于服務(wù)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)管理

水庫(kù)管理過(guò)程中涉及的數(shù)據(jù)來(lái)源不一，且結(jié)構(gòu)各不相同，不僅有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還具有視頻、圖片、文檔文件等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)做法是將數(shù)據(jù)從各自系統(tǒng)抽取過(guò)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)與管理，再對(duì)外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)[11]。但隨著數(shù)據(jù)量的急劇增加，特別是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的增加，多源數(shù)據(jù)的整合與處理將承擔(dān)極大的負(fù)荷[12]。因此，本文提出一種基于服務(wù)的數(shù)據(jù)整合方式，而不用強(qiáng)行進(jìn)行數(shù)據(jù)的物理拷貝與集中，如圖4 所示?；诜?wù)的整合方式并不強(qiáng)求真實(shí)數(shù)據(jù)在物理存儲(chǔ)上的集中，而是保持各業(yè)務(wù)系統(tǒng)（例如安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)等）的數(shù)據(jù)分布現(xiàn)狀。將各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)Restful 接口方式進(jìn)行服務(wù)包裝，并注冊(cè)到數(shù)據(jù)服務(wù)總線，并通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)總線提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在邏輯層面上的整合。該方式基本解決了非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)整合困難、數(shù)據(jù)傳輸壓力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)冗余等問(wèn)題。

圖4 數(shù)據(jù)整合技術(shù)架構(gòu)

2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的水庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度

防汛期間各級(jí)水庫(kù)管理人員以及防汛主管部門，都要投入大量人力與物力進(jìn)行防汛調(diào)度與決策。然而中小型水庫(kù)在洪水預(yù)報(bào)和調(diào)度方面都極大地依賴于管理人員本身的經(jīng)驗(yàn)，一定程度上限制著水庫(kù)調(diào)度的優(yōu)化與防洪效率的提高[13]。本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的水庫(kù)調(diào)度方案，以輔助水庫(kù)管理人員作出更科學(xué)、高效的調(diào)度決策，如圖5所示。

圖5 水庫(kù)調(diào)度流程圖

集成并分析前端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳回的水位、流量、雨量、視頻等信息，結(jié)合水庫(kù)本身的防洪安全與防洪任務(wù)，通過(guò)平臺(tái)預(yù)設(shè)的計(jì)算模型，實(shí)時(shí)模擬出水庫(kù)的最高水位和出庫(kù)流量過(guò)程[14]。由于本身存在不同的調(diào)度方案，借助該模式能夠快速地計(jì)算不同方案下水庫(kù)最高水位與泄流過(guò)程。再結(jié)合上下游水災(zāi)害承受能力和損失水平，為水庫(kù)管理人員與防汛主管部門提供綜合最優(yōu)的調(diào)度決策方案，從而為水旱災(zāi)害防御提供實(shí)時(shí)的技術(shù)支持。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，后端開(kāi)發(fā)采用SSM 框架[7]，前端開(kāi)發(fā)采用vue.js（一套構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式框架），地圖展示使用openlayer 技術(shù)方案，空間數(shù)據(jù)管理與地圖服務(wù)發(fā)布使用ArcGIS平臺(tái)。設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一張圖展示、水雨情統(tǒng)計(jì)分析、安全監(jiān)測(cè)、調(diào)度管理、視頻監(jiān)控管理、移動(dòng)巡檢等功能。

1）一張圖展示。本模塊借助地理信息技術(shù)，將涉及水庫(kù)管理相關(guān)數(shù)據(jù)（包括水利基礎(chǔ)信息、水文氣象信息等）進(jìn)行高效組織，直觀、形象、集中展示水庫(kù)、灌區(qū)、電站等工程的特征信息和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，提供方便操作的信息查詢、分析、統(tǒng)計(jì)等功能，方便水庫(kù)管理人員快速掌握水庫(kù)運(yùn)行的主要信息，便于快速?zèng)Q策和指揮。

2）水雨情統(tǒng)計(jì)分析。該模塊通過(guò)接入前端感知設(shè)備（水位計(jì)、雨量計(jì)）傳回的水位、雨量信息，全面并高效地獲取水雨情實(shí)時(shí)信息，并結(jié)合圖形、表格、專題圖等方式直觀地掌握數(shù)據(jù)的歷史變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)期水雨情分析，構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)模型，進(jìn)一步提供科學(xué)的調(diào)度方案。

3）安全監(jiān)測(cè)。該模塊融合水庫(kù)管理處內(nèi)部為水庫(kù)大壩安全構(gòu)建的各項(xiàng)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)掌握大壩安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀和變化過(guò)程，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供智能化判斷，提供智能化數(shù)據(jù)分析與報(bào)告生成功能，實(shí)現(xiàn)巡視檢查問(wèn)題上報(bào)審批，與移動(dòng)客戶端的巡檢應(yīng)用無(wú)縫對(duì)接。

4）調(diào)度管理。本模塊融合氣象數(shù)據(jù)、水雨情數(shù)據(jù)、河道數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控等，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)各水庫(kù)閘站是否根據(jù)調(diào)度指揮或?qū)嶋H水旱災(zāi)害防御情況進(jìn)行調(diào)度操作。通過(guò)結(jié)合洪水預(yù)報(bào)模型，提供多套有效的防洪調(diào)度方案，協(xié)助管理單位進(jìn)行科學(xué)調(diào)度指揮。

5）視頻監(jiān)控管理。本模塊接入水庫(kù)范圍內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，例如背水面及壩腳附近、溢洪道、大壩迎水面及庫(kù)區(qū)等?？紤]到現(xiàn)有水庫(kù)周邊網(wǎng)絡(luò)及信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況，采用WIFI/4G 等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式[15]。

6）移動(dòng)巡檢。移動(dòng)巡檢是專門為水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)管理人員巡檢定制開(kāi)發(fā)的手機(jī)端程序，包括五大功能模塊：①移動(dòng)巡檢：通過(guò)移動(dòng)巡視檢查，及時(shí)上傳包括照片、文字等內(nèi)容的巡檢記錄；②信息查詢：借助圖表展示，隨時(shí)隨地查詢水庫(kù)各類監(jiān)控信息和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息；③移動(dòng)辦公：實(shí)現(xiàn)移動(dòng)辦公管理，及時(shí)進(jìn)行行政審批和文件收發(fā)等管理；④應(yīng)急處置：自動(dòng)實(shí)時(shí)推送預(yù)警信息及運(yùn)行簡(jiǎn)報(bào)到指定客戶端，為管理調(diào)度提供指導(dǎo)依據(jù)；⑤實(shí)時(shí)報(bào)警：具備數(shù)據(jù)超限報(bào)警功能，對(duì)超限、異常等數(shù)據(jù)告警。

4 結(jié) 語(yǔ)

智慧水庫(kù)綜合管理平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)和GIS 技術(shù)搭建的服務(wù)于水庫(kù)綜合管理的應(yīng)用平臺(tái)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)總體架構(gòu)、智慧水庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)分類與存儲(chǔ)、庫(kù)區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)，在分析丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)管理現(xiàn)狀和管理需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)一張圖、水雨情信息、安全監(jiān)測(cè)、調(diào)度管理、視頻監(jiān)控、移動(dòng)APP等功能，極大地提高了工作人員對(duì)水庫(kù)日常管理、巡檢、應(yīng)急處置的效率，對(duì)水庫(kù)管理信息化有著較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。