阿克苏地区地下水自动监测系统云平台基础功能及应用效果探讨

2018-04-25

地下水 2018年2期

(新疆阿克苏水文勘测局，新疆阿克苏 843000)

1 阿克苏地区地下水自动监测站概况

阿克苏地区位于新疆西部，天山南麓，塔里木盆地北缘，总面积13.25万 km2，全地区八县一市、兵团农一师及所属十六个团场分布在地区境内。在阿克苏地区八县一市和红旗坡农场、实验林场131 340.91 km2范围2008年和2009年两年内新建地下水监测站54处，建有站台、站箱、围栏、水准点各54处安装附属设施；自动化监测仪器设备54套以及阿克苏信息中心扩容改造(软、硬件)。经过近十年的运行，地下水监测系统数据库里存储了巨大数据量，数据查询、管理效率低下，功能相对单一，已经不能满足业务需要。中心服务器使用时间太久，配置低，运行速度慢，稳定性差。其安装的操作系统还是Windows XP，数据库为老旧的SQL SERVER2000，这些系统软件微软早已经停止更新，系统运行安全风险巨大。采用人工观测方法，手段落后、效率低，成本高，且不能满足地下水监测规范的频次要求。工作模式还是建立在手工编制报表的基础之上，现存的数据不能充分利用、分析，发挥其价值。针对整个阿克苏地区现状及问题分析，最终建立地下水自动监测系统云平台。

2 地下水自动监测系统云平台设计思路

(1)依托云服务及云存储技术，建立系统基础运行环境，在虚拟化的环境中实现设备自动升级，从而以低成本及稳定的方式解决计算机等电子设备过时问题；

(2)构建源数据自动接收系统实现设备数据自动采集功能解决落后的人工观测问题；

(3)构建数据异步提取、清晰、自动整理服务，从而使数据满足统计、报表及分析得要求；

(4)建构后端服务与前端可视化分离的系统架构，更方便得实现系统的升级、扩展、兼容，满足需求的不断升级要求。

(5)构建地下水监测数据分析服务，如：实时等值线生成、过程线等比对服务，从而提高地下水数据的分析价值。

(6)构建GIS平台实现测点位置及数据分布展示。

3 云平台关键技术分析

3.1 WEBGIS技术

WebGIS应用浏览器/服务器概念来执行GIS的分析任务。它把任务分为服务器端和浏览器端两部分，客户可以从服务器请求数据、分析工具或模块，服务器或者执行客户的请求并把结果通过网络送回给客户，或者把数据和分析工具发送给客户供浏览器端使用。

3.2 数据实时处理技术

源数据来自于各种接收设备以不断增长的方式进入中心接收站，数据处理程序从中心站获取数据并处理，为保证数据的一致性，每次提取一定量的增量数据送入队列，数据处理程序接到数据后进行计算。由于数据的实时性要求比较高，所以必须在提取数据和处理数据之间权衡，最终保障数据的实时性和一致性。

3.3 实时等值面技术

一般等值面的生成都采用后处理的方式，即得到数据后，利用GIS处理软件形成等值面图片，再发布出来供客户端使用，这样很难满足实时要求。为了让系统能实时反映地下水的分布情况，本系统借助于云服务器强大的计算功能，实时计算出等值面，极大地满足了实时的要求。

3.4 过程图形比对技术

为充分利用地下水数据，使其产生分析价值，本系统大量利用可视化的图形、图像展示功能，实时产生不同测站、不同时间段的数据比对功能，更好的管理地下水的分布及开采情况。

3.5 云服务技术

将大量计算利用云端超强计算机完成，客户端只需获得简单的数据结果，并且能在用户不知情的情况下按需增强计算能力，这是云服务的理念。本系统借助于阿里云，将虚拟服务器ECS和虚拟数据库RDBS放在云端，并建立云处理程序，以服务的方式定向公开接口给客户端使用。

3.6 展现层分离技术

互联网、移动互联网及物联网发展迅速，让人们无时无刻都能感觉到网络的存在，因此，出现了各种不同的访问端口，如：电脑浏览器、手机浏览器、手机APP、IPAD等设备，服务接口与展现层分离显得尤其重要，本系统采用同一开发过程，统一服务接口，从而增强了系统的可维护性、可扩展性。

OPC UA TSN还将满足未来物联网应用的要求。该项技术支持多达数以万计个节点的网络，并能从以太网标准的带宽扩展中受益。即使是大量数据，例如由集成机器视觉应用产生的数据，也都可以轻松处理。

4 地下水自动监测系统云平台基本功能概述

4.1 系统范围

本系统主要用于管理阿克苏地区八县一市和红旗坡农场、实验林场131 340.91 km2范围内54处地下水监测站及监测数据，并在此基础上实现业务操作功能及统计分析功能。

4.2 用户范围

主要用户包括，水利水务管理职能部门。如水务局、流域机构水资源管理部门，水文局等水文部门，国土资源部环境监测部门等。安装使用类型分类：

用户类型1：管理部门领导，重点关注系统的信息展示直观性、友好性。

用户类型2：系统使用人员，重点关注数据整编准确性，统计表格规范性，数据修改便捷性，以及是否便于进行各种地下水年报分析使用。

用户类型3：系统管理维护人员，重点关注系统的可靠性、可维护性及可扩展性。

4.3 数据范围

系统所需要采集的源数据，主要包括测站基本信息数据、自动采集数据、人工录入数据等。自动采集数据主要包括地下水水位、埋深数据，水温、水质监测数据。自动采集数据采集间隔为4 h，分别为4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h。现场自动采集设备，在每日8 h将前一天的6组数据一次发送至云服务器并入库。现在测站上报数据为测站埋深值，水位值=地面高程-埋深。

4.4 业务范围

4.4.1 系统登录

作为一个业务系统，需要登录和使用权限。

4.4.2 数据实时监控显示

(1)在电子地图实时显示所有测站的地下水水位、埋深及水质监测参数。

(2)对于数据超限测站，测站图标闪烁报警提示。超限参数如：地下水埋深低位警戒值，当实测埋深高于该值时报警；地下水埋深变化警戒值，当实时上报埋深与上次测量埋深变化值超过设定值后报警，埋深降低和埋深增加超限报警采用不用颜色闪烁显示;地下水水质参数超标警戒值，当监测地下水某一水质参数超过设定值后，报警提示。

(3)实时地下水(埋深)数据表。包括：站码、站名、地下水水位值、埋深值、采集时间等信息。

(4)在电子地图上进行长期资料分析。地下水水位(埋深)等值线、等值面的绘制包括测站某一个具体时间点，日平均值，月平均值，年平均值的等值线、面绘制；两个比较时段的地下水水位(埋深)变化值的等值面绘制。如2017年所有监测点年平均埋深与2016年所有监测点年平均埋深变化值得等值面绘制。2017年8月1日，所有测站地下水水位(埋深)于往年同期(去年、前年等)比较变化值等值面绘制。采用这种方式，可以直观反映不同历史时期，监测区域地下水水位埋深变化趋势及情况。

4.4.3 系统管理

实现系统设置、角色权限、用户管理、系统日志等功能。

4.4.4 监测数据查询、修改

提供历史数据任意时段，任意测站地下水水位、埋深数据查询，并支持人工对数据进行增、删、改等操作并保存。并且能够提供所查询数据的直接导出到excel表。

4.4.5 监测数据图形分析展示

提供历史数据任意时段、任意测站地下水水位、埋深、以及水质各参数数据过程线。支持单站、多站同图显示。这部分数据不做整编，仅将历史数据(如有修改，采用人工修改后的)图形及表格显示出来即可。表格可以只将特征值显示出来，如查询时段的平均值、最高值及时间、最低值及时间。

4.4.6 成果报表

按照地下水监测规范，每个表都是一年年终汇总生成，是否可以考虑要求用户每月对数据进行校正确认。主要实现这几个报表：(1)原始记载表；(2)月平均水位表；(3)月平均埋深水位；(4)年特征值统计表；(5)埋深年特征值统计表；(6)分县年特征值计算表。