智慧水资源管理系统的设计与应用

戚晓明, 白夏, 金菊良, 杨兰

(1.蚌埠学院 应用化学与环境工程系,安徽 蚌埠 233030; 2.蚌埠市水利局 水政水资源科,安徽 蚌埠233030; 3.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)



智慧水资源管理系统的设计与应用

戚晓明1,2, 白夏1, 金菊良3, 杨兰1

(1.蚌埠学院 应用化学与环境工程系,安徽 蚌埠 233030; 2.蚌埠市水利局 水政水资源科,安徽 蚌埠233030; 3.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

构建智慧水资源管理系统,提高水资源监测和管理能力是落实最严格水资源管理制度的有效技术措施之一。在深入分析水资源管理信息化建设需求、目标和内容的基础上,研制了智慧水资源管理系统。该系统由Web网站、移动APP、富客户端和三维数字地球仿真模块构成,其核心业务模型和信息扩展接口利用百度地图API、NASA WorldWind数字地球及微软WCF共享技术集成。智慧水资源管理是蚌埠市智慧水利的重要组成部分,为水资源管理决策提供专业、科学、准确的技术支持。该系统助力蚌埠市2014年、2015年和2016年在落实最严格水资源管理制度考核中取得了安徽省第一名,取得了较为明显的社会效益和经济效益。

智慧水利;移动APP;最严格水资源管理;蚌埠

水利信息化已经成为水资源管理工作的重要组成部分,是水利现代化的必要条件,有助于支撑和保障水利事业的改革和发展,为政府水资源调度、防汛决策提供了有效的技术支撑。智慧水利是基于智慧地球的理念提出的,是水利信息化水平向更高层次的发展[1-2]。计算机技术、通信技术、遥感遥测以及网络等多项技术的应用与发展,为智慧水利的进一步发展提供了坚实的基础。智能移动终端的普及使得智慧水利实现了向民众提供水利资讯互动、灾害预警和救援等管理功能。例如台湾地区水情APP提供了防汛资讯服务,美国灾情预警APP能应对自然灾害危机,德国及菲律宾社交类APP在抗洪救灾中也有应用,我国四川地质灾害预报预警系统有效地减少和降低了人民生命财产损失等[2]。我国水利系统已经初步实现了水情、雨情等相关信息的采集、处理、传输、接收、监测以及洪水联机预报,并在全国范围内进行了国家水文数据库的建立,并取得了一定的成果[2-5]。但与国外发达程度相比,我国总体上还存在基础薄弱、资源分散、应用程度不高等问题,尚不能满足智慧水利的目标和要求[6-7],仍需要加快建设步伐。随着流域社会经济的快速发展,水资源管理工作所面临的形势越来越复杂,任务越来越艰巨,要求越来越高。利用先进信息化技术建设信息系统来加强水资源的监测和监督是十分必要的,也是为落实最严格的水资源管理制度提供保障的必然要求。

蚌埠市水利局在新时期治水方针的指导下,以蚌埠发展智慧城市为契机,从蚌埠实际出发大力推进智慧水利建设,为贯彻落实最严格水资源管理制度考核工作服务。本文从智慧水资源管理系统设计的需求、目标以及系统框架、系统集成等方面进行探讨，并研究了该系统的初步应用。

1 目标和技术路线

1.1 系统需求

水资源管理的传统工作模式是通过纸质文件或部分电子资料对水资源进行归档、管理,具有信息不即时，管理困难,查询、分析、协同办公能力弱等特点。因此,需要通过信息技术系统全面地掌握研究区的自然、社会、经济等要素的状况,构建基础数据库;开发专业功能模块,如最严格水资源管理制度的考核指标体系和计算公式,可快速计算相关的考核指标值并进行评价；在水资源需求立项及水功能区水质条件发生变化的情况下,分析、诊断、评估相关的影响,提高水资源管理和科学决策的水平。

1.2 系统目标

在科学系统的理论和方法指导下,基于互联网、数字地球、虚拟现实和移动互联技术,开发智慧水资源管理系统。系统的总体目标是为丰富和完善水资源的业务应用,为实现水资源的优化配置、高效利用和科学保护等提供技术支撑。通过智慧水利平台,可简单、便捷、快速地掌握水资源管理的各类相关信息。如管理历史资料,对数据信息进行整理、分析与展现,从而直观地反映流域水资源的形势;对水资源取水许可项目进行严格审批,系统分析水域的变化,做出科学决策;实现取水户、排污口、水文站等信息的地理定位;使业务管理人员能够从时间上、空间上实时了解和监管相关信息,并接入现有的系统数据,满足水资源日常管理的需求。

1.3 技术路线

采用.NET C#为开发语言,以SQL-Server数据库+文件数据为数据资料存储管理模式,应用ASP.NET开发Web网站系统;采用Mono for Android技术来实现移动设备客户端APP软件的开发,编写WebService与服务器进行数据交互;实用PHP开发微信企业号和订阅号;基于NASA WorldWind 开源代码开发三维数字地球仿真模块。GIS模块基于百度地图API开发[8],可以有效地利用百度的最新地理信息资源,减少数据建设和更新的投入,降低地理信息资源开发利用过程中的技术难度。

2 系统的主要功能模块

2.1 系统架构

智慧水资源管理系统以数据库群为基础,以水资源管理考核计算模块、考核评价模块、友好的用户交互模块为核心,采用Web交互系统、移动APP交互系统和富客户端数字地球三维仿真交互系统构成。同时结合百度地图API、微软地图数据源,将本地空间数据与地图服务器端数据、NASA SRTM高程数据和高精度河道水系数据无缝集成为一个统一的空间数据集,系统主要架构如图1所示。

图1 智慧水资源管理系统架构图

2.2 数据服务层

数据服务层可为防汛抗旱、水资源管理、水环境保护等重要业务提供信息支撑。数据库分为以下7类。

1)水资源管理数据库:根据水资源管理和考核工作的需要,对数据进行整理、分析,并录入数据库中集中管理。例如建立基础资料数据库，管理全市的取水许可户信息、产品信息、用水定额信息等。

2)水资源公报数据库:主要包括水资源量、水资源开发利用状况和水质状况信息。

3)重点取水户监测信息数据库:主要包括省级重点监管取水户、市级规模以上企业和市农田水利的取水情况。

4)水功能区信息数据库:对研究范围内的地表水(河流、大沟、湖泊、水库)进行地表水功能区划分;对全市浅层地下水、中深层地下水进行水功能区划分。

5)空间信息数据库:整理全市河、湖、污水处理厂、排污口、水功能区及其监测断面等的空间地理属性数据。

6)栅格数据:整合已有的遥感影像、地形高程数据,兼容百度地图、谷歌地图、微软地图等多源栅格数据,用于实现基于数字地球的三维数字地球仿真系统。

7)文档、图片和影像数据:国家的治水方针、生态文明、水利发展战略等;水资源管理服务指南资料、取水和用水项目申报资料、水功能区监测资料、审批电子档案、项目审批流程图、视频影像等资料。

2.3 应用层

应用层是智慧水资源管理构成要素的重要组成部分,为用户提供业务管理、数据查看,以Web交互模块、移动APP交互模块和富客户端三维仿真模块3种方式接收命令、请求数据,并传递给数据层处理[9]。应用层工作模式可以分为两类:一类是系统的自动响应,即可以事先做好各种触发响应事件的功能模块或情景预案,在符合事件触发条件时,系统会自动分析、响应并反馈结果。如微信公众号,回答预设关键字,可自动反馈相关信息。另一类是按照用户自定义的事务要求,如交互分析处理、数据挖掘、辅助决策等，为用户提供决策依据。

2.4 功能层

1)Web交互模块。基于浏览器/服务器结构实现了水资源信息的查询,为水资源的科学管理、合理配置等提供技术支持服务。综合运用计算机、水文水资源、地理信息系统、网络通信等多方面技术,将WebGIS技术融合于水资源的管理和分析中,把水资源日常业务的需求与WebGIS功能相结合,使用统一的后台管理不同的客户端及不同的用户权限。

2)移动APP交互模块。在3G、4G网络条件下,移动APP可通过智能手机快速访问互联网,已在各行业有了大量应用。水资源管理人员外出办公时,急需一个与PC端的水资源信息管理与决策系统相对接的移动终端。移动APP一体化水资源管理模块,可准确、及时地查询水资源管理信息,提高分析、决策的便捷性,实现过程如图2所示。

图2 移动APP功能模块

3)三维数字地球仿真模块。基于NASA WorldWind数字地球开源代码设计了三维仿真模块,实现了高分辨率遥感影像及时序DEM地形数据支撑的涉水工程基础信息的管理,实现了河流、湖泊、河道、取水口、排污口、监测断面等基本信息的查询、统计、输出和三维动态展示。

3 关键问题及对策研究

3.1 信息采集与维护

基础数据是水资源信息化管理的基石。 仅在现有的取水户信息监测的基础上更新改造，已不能满足目前及今后水资源信息化管理的需求。需对信息采集与传输、数据库结构、GIS 平台、地图数据来源与格式等进行规范化建设。根据不同数据库的格式要求,制作数据录入格式模板,用户只需直接调取模板修改数值即可,可实现数据录入的规范化和简易化。例如每年的全市水资源公报,由于其数据格式是固定的,可直接用Excel模板导入。还需在市级数据中心的基础上,整合各县市区已建数据库,将数据同步到市信息中心,实现水利信息的统一管理、维护、发布和应用。

3.2 开发GIS模块

系统的各种终端GIS模块具有可视化展示、查询定位、分析等功能,从而可为多种客户端提供一个服务一体化的平台。在百度地图提供的基础电子地图和GIS功能的基础上,利用其地图API结合水资源管理业务需求进行GIS功能开发设计,构建WebGIS和移动APP模块的GIS功能。对于水资源管理需要的增值服务数据,建立本地数据库。例如加载本地数据库中取水户、排污口、水质监测断面、涉水工程等业务数据,再结合百度的空间图层,形成一个独特的GIS增值服务系统。基于NASA WorldWind 开源代码开发三维数字地球,提高信息共享效率,保障信息的实时性、多平台的可扩展性,降低系统的开发成本和基础地理信息、遥感数据的更新成本。

3.3 WCF服务

考虑到智慧水资源管理系统跨平台交换数据的要求,采用WCF(Windows Communication Foundation)为契约实现各服务之间的跨平台互操作。通过微软WCF服务方式与后台服务器通信技术,实现面向服务的技术架构,保证软件数据的实时更新。WCF完成Web和移动APP客户端与数据层间的数据交互,如上传或下载相应的Web信息资源,以达到信息资源共享的目的。

4 智慧水资源管理系统应用

4.1 蚌埠市概况

蚌埠市位于淮河中下游段,地处安徽省东北部、淮北平原南部,东经116°45′～118°04′、北纬32°43′～33°30′,北与濉溪县、宿州市、灵璧县和泗县接壤,南与淮南市和凤阳县相连,东与明光市和江苏省泗洪县毗邻,西与蒙城县和凤台县搭界。津浦铁路、京沪高铁从其境区中部纵贯南北,淮河自西向东流过境南,辖区大部分处于淮北平原南端,总面积5 952 km2,其中山丘区面积510 km2,水面面积430 km2,平原区面积5 012 km2。年平均气温为15.2 ℃;7月份最高,平均气温为28.1 ℃。1956—2010年多年平均降雨量为880.9 mm。蚌埠市行政区域的遥感影像如图3所示。

图3 蚌埠市行政区域的遥感影像图

4.2 水资源管理现状

新常态下,蚌埠市水资源管理面临新的挑战，这也是国内市、县两级水资源管理普遍面临的问题：新老水问题交织,流域、区域、城乡水利的发展不平衡,水利事业正处于传统水利向现代水利转变的关键阶段。传统水资源管理过程中考核方面的主要工作是用水量统计及将万元工业用水量指标单项考核纳入地方政府的目标考核;新常态下，落实最严格水资源管理制度的考核聚焦于用水总量、万元工业增加值用水量、农田灌溉水有效利用系数、重要江河湖泊水功能区水质达标率等4项指标。这些指标的核算过程和结果复核比传统模式更实、更细。这就要求加快建设水资源、水环境管理监控体系,为强化水资源管理的监督考核提供技术支撑,切实提高水资源管理的综合能力和管理水平[10]。

4.3 系统特色和应用效益

随着蚌埠市水利信息化建设的逐步深入,需要在现有基础上进一步提升其功能和服务,因此建设蚌埠市智慧水资源管理系统更显必要。蚌埠市水利局积极响应“智慧蚌埠”的战略规划,按照《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》[11]和《安徽省最严格水资源管理制度实施方案》的要求,加强水资源管理的相关基础工作,推进水资源保护,维护流域河湖健康发展,启动了蚌埠市智慧水资源管理系统的建设。该系统具有鲜明的特色和应用效益。

1)特色。蚌埠市智慧水资源管理系统是按照智慧水利理念和智慧蚌埠信息化顶层设计体系开发建设的,是水资源管理工作与信息化新技术深度融合的业务应用系统,技术架构和支撑平台具有通用性和易移植性。系统中的Web模块和移动APP模块的GIS功能是基于百度地图API开发的,利用百度地图强大的服务器,可减少基本GIS功能的开发,支持多人并发访问,有助于系统的推广。三维数字地球仿真系统基于NASA WorldWind开源代码开发,有效地降低了业务系统建设中空间信息开发利用技术的难度和成本。蚌埠市智慧水资源管理系统的富客户端三维仿真交互模块如图4所示,移动APP交互模块如图5所示。

图4 富客户端三维仿真交互模块

图5 移动APP交互模块

2)应用效益。蚌埠市智慧水资源管理系统的应用表明:该系统界面友好,使用方便,运行稳定,有力地辅助了蚌埠市水利局对涉水项目的监管,提高了工作效率及科学决策效率。该系统助力蚌埠市在2014年、2015年和2016年落实最严格水资源管理制度考核中均取得了安徽省第一名,在“十二五”期间的水资源管理考核中取得了第一名，具有一定的推广价值和应用前景。

5 结语

智慧水资源管理系统是“智慧城市”建设的需要,是智慧水利的重要组成部分和重要载体。本研究通过分析水资源管理现状、工作过程及面临的形势,结合蚌埠市落实最严格水资源管理制度的考核工作,提出了智慧水资源管理系统的设计思路和实现方案。系统采用.Net Framework作为开发平台,应用了计算机网络、百度地图API和移动APP技术;系统具有可靠性高、兼容性好、用户界面友好的特点,满足水利工作对信息快速获取的需要。

[1]芮晓玲,吴一凡.基于物联网技术的智慧水利系统[J].计算机系统应用,2012,21(6):161-164.

[2]左其亭.中国水利发展阶段及未来“水利4.0”战略构想[J].水电能源科学,2015,33(4):1-5.

[3]王忠静,王光谦,王建华,等.基于水联网及智慧水利提高水资源效能[J].水利水电技术,2013,44(1):1-6.

[4]林巧莺,李子蓉.流域水环境管理系统设计及其原型实现[J].水电能源科学,2015,33(11):159-163.

[5]左其亭.最严格水资源管理保障体系的构建及研究展望[J].华北水利水电大学学报(自然科学版)，2016，37(4)：7-11.

[6]林荷娟,李健,金科.太湖流域移动外业管理平台研究[J].中国水利,2016(5):31-32,36.

[7]陈力钧.大数据时代政府治理能力现代化建设研究[J].华北水利水电大学学报(社会科学版),2015,31(2):43-45.

[8]张波,赵双明.基于Android平台的百度地图开发研究[J].软件导刊,2015,14(7):96-98.

[9]李红,蔡寅,李永红.地震速报信息快速提取及Web信息发布功能的设计与实现[J].震灾防御技术,2015,10(1):184-191.

[10]戚晓明,张可芝,金菊良.新常态下落实最严格水资源管理制度考核研究:以蚌埠市为例[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2016,37(4):34-40,77.

[11]作者不详.解决中国水资源问题的重要举措:水利部副部长胡四一解读《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》[J].中国水利,2012(7):4-8.

(责任编辑：陈海涛)

Design and Management of Intelligent Water Resources Management System

QI Xiaoming1,2, BAI Xia1, JIN Juliang3, YANG Lan1

(1.Department of Chemistry and Environmental Engineering of Bengbu College, Bengbu 233000, China; 2.Section of Water Administration and Water Resources, Bengbu Bureau of Water Conservancy, Bengbu 233030, China; 3.School of Civil & Water Conservancy Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Building intelligent water resources management system and improving water resources monitoring and management capacity are two of the most effective technical measures to implement the most stringent water management system. Based on the analysis of the demand, goal and content of the information construction of water resources management, the intelligent water resources management system was developed. The system constituted by web sites, mobile APP, rich client and digital earth simulation module, and its interfaces of core business model and information expansion were integrated by API in Baidu map, NASA WorldWind digital earth and Microsoft WCF sharing technology. Intelligent water resources management is an important part of intelligent water conservancy in Bengbu City, and which can provide professional, scientific and accurate technical support for water resources management and decisions making. The system has helped Bengbu City to achieve the first in the assessment for implementing the most stringent water management system in Anhui Province in 2014, 2015 and 2016, and has showed more obvious social and economic benefits.

intelligent water conservancy; mobile APP; the most stringent water management; Bengbu City

2016-10-22

国家自然科学基金项目(41001292,51309004,51309072);安徽高校自然科学研究重点项目资助(KJ2015A267);蚌埠学院自然科学研究项目(2015ZR04);蚌埠学院工程中心项目(BBXYGC2015B02)。

戚晓明(1975—),男,辽宁西丰人,副教授,博士后,从事水文学及水资源、地理信息系统方面的研究。E-mail:qixiaoming888@sina.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.03.007

TV213;TP39

A

1002-5634(2017)03-0047-05