开发建设项目智慧水土保持系统建设初探

李百凤，张乃畅

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

信息化是引领创新和驱动转型的先导力量。开发建设项目智慧水土保持系统建设，旨在实现水保措施效果的自动化监测、三维展示和水保问题及时报警和处理，科学评估水保措施效果，实现水保实施效果的自动化监测、统计、分析对比等，为推动项目区自然环境和生态环境健康可持续发展，提供信息服务和业务管理技术支持。

1 智慧水土保持系统概念

智慧水土保持系统建设，是把传感器和装备嵌入到各种水土保持因素监测设备中，通过后端计算单元、存储设备单元、网络运行单元及安全运行单元等设备为基础，以移动互联网、卫星通讯网等通信手段和技术为连接手段，使用GIS、GPS以及云计算等关键技术建立起来的数据感知、有效采集、网络传输、分析处理、智能控制的信息服务计算后台，形成水土保持信息的全景直观的视图界面，以实现水土保持监测物联网，再借助物联网、云计算、大数据挖掘等新技术，组合连接监测设备物联网、互联网和人类社会，对水土保持监测要素实现数据智能识别，对监测数据即时传输和系统存储，对海量数据智能挖掘和模拟仿真，以更加精细、及时、动态、开放的方式实现水土流失在线监测和水土流失综合治理措施决策。

2 建设目标

开发建设项目智慧水保系统的目标是整合开发建设项目水土保持设计、施工、监测和监理系统，实现水土保持措施效果的自动化监测、三维展示和水保问题及时报警和处理，科学评估水保措施效果。为开发建设项目实行最严格的水保管理制度，实现水保优化配置、高效利用和科学保护目标提供支撑。与传统的水土保持管理相比，智慧水土保持系统具有实现水保实施效果的自动化监测、统计、分析对比，实现水土保持信息实时感知等特点，使水土保持管理更加及时有效。

(1) 实现水土保持“三同时”智能管控。

通过对水保项目设计、施工、投用状态监测，实现对项目挖填活动造成的水土流失及其防护情况、违规弃渣等问题进行全面监控和预警，主要包括以下2个方面。① 对施工区规划的水土保持措施实施严格管控，确保弃渣场先挡后弃，通过智能监控手段，对违规取土弃渣等行为进行及时预警。② 对于施工过程中出现的水保问题及隐患，所有参建人员均可通过手机APP上传至预警决策平台，系统自动分配至相关责任单位和责任人，整改落实完毕后形成工作闭环。

(2) 实现水土保持监控预警

施工区主要监控对象包括：工程边坡等容易造成水土流失部位的挖填活动，工程取土、弃渣等土石方取弃土活动，水土流失面积、流失量、流失强度变化情况，工程采取的水土流失防治措施数量和质量、防护工程的稳定性、完好程度和运行情况各项防治措施的拦渣保土效果等水土保持措施状况。通过安装监测设备实现实时监控，采集得到的环境数据及时上传至预警决策平台，实现对监控数据的动态分析和预警决策。初步建立水电工程建设项目风险预警体系及知识库，实时把控工程风险点，建立投资风险稽核体系。

(3) 实现水土保持措施效果自动化评估

核心功能是实现水保实施效果的自动化监测和反馈分析。整合项目水土保持设计、施工、监理、监测系统，实现水保措施效果的自动化监测、三维展示和水保问题及时报警和处理，科学评估水保措施效果。

(4) 实现“风险识别自动化、决策管理智能化”

针对各管理层级在工程建设管理过程中的不同职责、不同深度，通过对工程建设各阶段的数据集成、挖掘、对比、分析、展示，自动识别风险源，并分级预警，形成自下而上的分级管控，实现实时监控、自动分析、自动预警、互动决策，最终实现风险识别自动化、决策管理智能化。

3 建设内容

智慧水保系统的构架主要分为信息感知层、数据传输处理层、业务处理层和预警决策层。信息感知层起到的作用是利用相关设备，实时感知水土流失量等变化；数据传输处理层是将感知的数据，通过网络进行交互处理和共享；业务处理层是利用现代技术手段，将数据进行整合分析并实时处理应对；预警决策层是评价各种风险状态强弱程度，向管理者发出预警信号并提前采取预控对策的系统。

(1) 信息感知层

信息感知层为一体化数据平台提供信息采集功能并可时刻掌握工程建设状态，利用GPS、RFID、宽频定位、电子标签、摄像头等设备，辅以PDA、电子表单、PC端人工录入功能，可自动获取工程建设管理的关键信息。

开发建设项目水土保持智慧系统的信息感知层建设，主要结合水土保持监测和水土保持监理工作建立，借助水土保持监理监测技术手段，并建设其他现场观测设备等，实时感知工程建设进度、工程建设扰动土地面积、水土流失灾害隐患、水土流失及造成的危害、水土保持工程建设情况、水土流失防治效果，以及水土保持工程设计、水土保持管理等方面的情况。并在重要的渣场和料场、工程区域内沟道等可能发生洪水、泥石流等部位设立定位观测设备，实时监测可能发生的影响人们生命财产安全的水土流失灾害等情况。

信息感知层将项目内的各种水土保持活动有机结合，有利于提高工作效率、减少人为干扰，为实现参建各方工程管理数据信息的自动采集、实时共享、及时反馈提供技术支持。当水土流失灾害发生时，抢险人员可以通过移动采集模块，第一时间向系统提供照片、音频、视频、文字及GPS准确位置等信息，通过移动视频监测的功能，了解到周围重点区域的情况，提高抢险效率。

(2) 数据传输处理层

数据管理层是对感知层信息的集成，包含平台所需的基础空间地理、三维模型、工程图档、业务流程等方面的数据信息。通过工程建设管理数据中心统一的空间对象编码和工程模型数据配置，实现对数据库结构的管理和开发，以避免不同来源、不同阶段、不同类型的信息出现冲突、孤立、无法关联等问题。同时，根据建设管理需要，可通过接口控制实现与项目其他智慧系统的数据共享。

数据传输处理层在充分集成利用现有软、硬件资源的基础上，集成整合项目的水土保持信息资源，通过实施数据处理与存储系统，形成面向各个参建方数据资源汇集的基础性架构，具有数据分析统筹全面、数据整合与数据融合、各方数据系统集成共享、数据查询快速响应等特点及优越性。

(3) 业务处理层

业务处理层是根据功能要求来划分管理对象，并作为与建设单位组织架构相衔接的接口，与相关机构和部门的职能一一对应。该层面主要针对项目建设中的重点问题，以对工程状态的全面感知、信息的即时传达为基础，以智能信息系统为数据中心，借助物联网、三维数字移交、BIM等前沿技术，实现对工程建设各个环节的高效管控。

业务处理层主要分析处理项目区各项水土流失防治措施，重点处理水土保持方案落实情况，取土(石)场、弃土(渣)场使用情况及安全要求落实情况，扰动土地及植被占压情况，水土保持措施(含临时防护措施)实施状况，水土保持责任制度落实情况等。掌握项目区水土流失状况和效果，及时发现重大水土流失危害隐患并进行处理。

业务处理层是智慧水土保持系统的核心层，可为各个参加方提供项目水土保持建设实施情况，实时准确地反映各个阶段的水土流失问题，供各参建方发现问题、解决问题并评价实施效果。

(4) 预警决策层

预警决策层是利用多终端来创建沉浸式工程建设辅助管理和总体决策支持的虚拟现实环境，通过构建可视化平台实现关键信息的快速获取，同时满足与上层公司实现信息链接与共享的需求。

预警决策主要针对工程区泥石流沟道型渣场。开发建设项目尤其是水电建设项目，工程区域堆渣场地条件较差，常常利用沟道堆渣，沟道堆渣体会占据大面积沟道而束窄泥石流流通渠道,将会改变泥石流运动特征,产生较严重的泥石流灾害。若较大规模泥石流可能会引起堆渣体局部失稳,甚至堵塞沟道进而形成更大规模泥石流,对工程区域内人民生命及财产安全和水电站的正常运营都造成较大威胁。水土保持智慧系统通过监测泥石流运动规律和弃渣场的稳定性,可以及时对渣场稳定状态发出预警提示,收到预警的工作人员可及时提出处理决策并通过系统向各相关人员进行命令的下达，保证渣场的稳定性和安全性,避免灾害的产生或者造成较大的损失。

智慧水土保持预警决策层的建立，对于预防开发建设项目水土流失灾害事件的发生意义重大。

4 关键技术

(1) 数据的实时监测与传输技术

运用先进的物联网传感器技术、移动互联网技术和无线传输技术等IT技术实现对工程建设区域取弃挖填等扰动地表活动、水土保持措施实施过程和实施效果、弃渣场等监测站点进行连续、准确地监测和管理，并实现实时的监测数据自动上传分类。

智慧水土保持实时监测可借助水土保持监测技术和手段，如远距离测量、激光扫描、实时摄像、径流泥沙自动观测、侵蚀过程数字化摄影、航天遥感、航空遥感、无人机监测、实时摄像、地面观测等，实现数据的高频自动采集、远距离信息传输、模型化分析处理、数字化应用与网络共享。

(2) 数据处理技术

运用大数据、云计算等技术，整合各级数据中心，构建形成布局合理、规模适中、各种保障有力的大数据中心体系，促进各种大数据整合和数据资源的汇聚应用。建设内容包括以下几部分：① 计算资源。数据库服务器集群、信息数据采集前置集群、数据库数据处理集群、中间件软件服务器集群、业务系统应用集群。② 数据存储资源。数据库资源池、高并发数据资源池、常规数据资源池、视频图片数据资源池。③ 容灾备份资源。用于数据库备份、文件级备份、操作系统、块数据级别备份。建立两地三中心的实时数据灾备恢复系统。④ 软件平台资源。服务器虚拟化系统、超融合系统、大型数据库系统、云计算管理平台，在PAAS基础上构建完备的软件平台系统。⑤ 网络资源。互联网宽带及网络安全防护，实现完备的内外网安全设计，移动互联网资源设计等。

(3) GIS空间显示平台技术

对数据中心层汇总的大数据及应用层模块对数据信息进行多样化的空间显示和开发模拟。平台的建设内容可划分为2个主体功能部分：大数据的空间显示及系统管理。① 大数据的空间显示，包括中心层存储的基础数据及应用层各模块处理生成信息的空间呈现。显示的内容包括大数据中心层存储的水土流失情况、水土保持措施实施进度形象、实施效果情况、弃渣场堆渣情况等各模块对应用层管理模块基于水利大数据处理生成的信息。② 大数据的系统管理，包括大数据的支撑管理系统平台开发及变化趋势拟合。通过机器学习和深度学习，建立相关模型，对数据进行训练学习，通过在线数据进行测试分析，不断提高模型准确性和健壮性，为水土流失措施实施及项目水土保持管理提供数据支持和决策依据。

(4) 信息管理平台建设

集合大量的水土流失预测模型，结合实时监测数据库，进行数据挖掘和模拟， 通过人工智能决策和系统虚拟仿真， 预测不同条件下的水土流失强度，对水土流失的防治、堆渣体的稳定性、山洪和泥石流的防控进行智能规划和模拟，最终选择最优决策。

信息化是引领创新和驱动转型的先导力量。开发建设项目智慧水土保持系统的建设，可实现生产建设项目全过程信息化监控，及时准确掌握新增水土流失治理情况。纵观山区的开发建设项目，尤其是弃渣量大、场地布置困难、沟道洪水与泥石流发育的水电建设项目，因山洪、泥石流造成的财产损失动辄上千万，甚至造成人员伤亡，其损失更是难以计量。建设智慧水土保持系统，预防水土流失灾害事件的发生，减小水土流失灾害造成的人民生命财产损失，具有可观的经济效益。

5 结 语

开发建设项目智慧水土保持系统建设工程，通过监测感知、数据处理、云计算中心、一体化平台的建设，将工程建设过程中的水土保持施工、水土保持监测、水土保持监理等所有数据、流程进行统筹管理、分析、利用，实现工程建设管理的信息化、数字化、智能化，使水土保持管理工作的层次和决策工作更加准确和智慧。实现生产建设项目全过程信息化监控，推进监测数据的及时动态采集与分析，及时准确掌握项目水土流失治理情况，全面提升生产建设项目水土保持现代化建设管理水平。