智慧水利与河湖综合管理应用研究

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司 淮安 223005）

1 研究背景

IBM在2008年提出“智慧地球”的概念后，2010年又提出了“智慧城市”的愿景。智慧水利作为智慧城市的重要组成部分，是水利信息化建设的更高层次和崭新阶段。水利是国民经济的重要基础设施，我国大力支持水利现代化发展，《全国水利发展“十三五”规划》明确“将强化水利管理、进一步提升水治理和水管理能力作为重要方向”[1]，并提出“推进节水型社会建设、完善水利基础设施网络、推进水生态文明建设”。智慧水利运用物联网、大数据、云计算、“互联网+”等先进信息技术，充分开发利用水利信息资源，实现水利信息采集自动化、业务管理数字化、决策分析智能化，推动水利现代化建设迈上新的台阶。

江苏省滨江临海，河湖众多、水网密布，水域面积占全省土地面积的16.9%，是全国唯一拥有大江大河大湖大海的省份。2017年10月，江苏省人民政府发布了《江苏省生态河湖行动计划（2017—2020年）》，提出建设河湖信息共享平台、建设河湖管理应用系统，提高河湖智能化调度水平。智慧河湖是智慧水利的重要组成，本文研究的智慧河湖管理系统是以前端物联感知系统为数据来源、以硬件环境和通信网络为基础支撑、以可视化软件平台为表现形式的面向河湖监管的综合信息系统工程，是积极响应“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时期治水思路的重要措施。

2 系统架构设计

智慧河湖管理系统平台架构一共有6个层次，由下往上分别是信息采集层、保障环境层、数据资源层、应用支撑层、业务应用层和用户层。其中，标准规范体系和信息安全体系为整个系统提供可靠的运行保障[2]。

2.1 信息采集层

信息采集层是智慧河湖管理系统的数据资源基础，以前端传感器为基础，将实时监测的数据通过光纤、GPRS、4G、超短波等信息传输通道存储至数据中心[3]。主要采集的信息有河湖水位、流量、水质、雨量、工情、视频等实时监测数据。

2.2 保障环境层

保障环境层提供数据采集、传输、存储、处理和系统运行的网络环境及软硬件设备。其中，网络环境包括互联网、水利专网、无线网；保障中心包括数据中心、会商中心和控制中心；客户端包括PC端和移动终端。

2.3 数据资源层

图1 智慧河湖管理系统架构图

数据资源层是整个信息资源共享和开发利用的基础。智慧河湖管理系统数据资源可分为基础数据、实时监测数据、系统数据和业务数据四大类别。其中，基础数据是相对静态的、底层支撑数据，包括基础地理信息数据、水文气象数据、社会经济数据、水利工程属性数据、外业调查测量数据；实时监测数据是通过前端感知设备采集的实时数据，包括实时雨情、水情、水质、视频监控、工程运行状态数据等；系统数据指系统平台在运行过程中产生的数据，包括应用管理数据、系统管理数据、控制数据等；业务数据指水利部门日常业务产生的数据，如台账数据、档案、预案、巡查记录、文件报表等。

2.4 应用支撑层

应用支撑层是应用架构的载体，用户根据实际的应用需求以及业务发展的规划，在依托应用支撑层上实现各种具体的应用功能。应用支撑层担负支撑应用的核心作用，为智慧河湖系统的建设提供信息及资源支撑服务、统一的系统开发和运行环境、全系统共享的信息资源。

2.5 业务应用层

业务应用层是整个系统平台的展示层。智慧河湖管理系统主要包括如下子系统：

2.5.1 水资源信息服务子系统

基于WebGIS 电子地图，面向区域水系节点、重要控制断面及取排水口的水质、水量等各类监测数据提供接收处理、监视预警和统计分析功能，动态掌握区域水质、水量变化情况。

2.5.2 水资源业务管理子系统

针对水资源管理的各项业务需求，提供水资源费征收、取水许可管理、水政监察、水资源建设项目论证管理等业务提供在线流程化处理。

2.5.3 水资源应急管理子系统

以水文—水动力—水质耦合模型为支撑，与实时雨水情、水质数据库连接，获取对应的边界条件，实时在线滚动计算，实现在各种突发状况下集水资源预报预警、统计分析、调度决策为一体的应急管理。

2.5.4 防汛监测预警子系统

提供气象、雨水情、工情等信息在线展示与查询服务，辅以图表进行统计分析。根据预报方案进行流域拓扑文件、预报模型、参数的加载配置，实现区域汛情及时预报预警。

2.5.5 水利工程远程测控子系统

针对区域范围内的水利工程，采集各工程设备的工作状态参数，在线展示闸门开度、泵站流量等运行监测信息并及时发布预警。系统提供在线调节工程运行状态功能，远程控制设备的启动、停机等操作，实现工程的自动化监测和集群控制。

2.5.6 智慧河湖移动平台

智慧河湖移动平台基于移动终端，以PC 端平台功能为依托，采用无线通讯技术、Android、iOS移动操作系统，通过数据中心与PC 端平台进行互联互通，实现河湖管理业务移动化定制，使用户随时进行随身化的业务管理和沟通。

2.6 用户层

通过严格的权限控制进行数据存取，面向省、市、县各级水行政主管部门以及社会公众、其他有关部门机构有针对性地授权使用河湖水利信息服务。

3 关键技术应用

3.1 物联感知体系构建

物联感知体系是智慧河湖系统建设的基础，将与河湖管理相关的传感器与监测网络、互联网连接起来，对系统所需的雨水情、工情、水质等信息进行实时监测、采集分析[4]，实现水利信息的网络化在线监测和管理。

3.2 WebGIS平台——“一张图”构建

WebGIS平台作为智慧河湖系统的应用支撑平台，以二维地理图形为主要表现形式，梳理区域河湖、堤防、闸泵、测站等水利工程属性信息，基于电子地图实现专题要素导览。整合前端采集的各类实时监测数据，支撑实测数据的获取和表达等任务，形成区域河湖“一张图”，基于“一张图”模式进行综合数据的汇聚与整合、查询与展示、共享与交换等功能，为各业务系统的建设提供一体化的展示支撑平台。

3.3 数据资源服务体系构建

图2 数据资源服务体系架构图

数据资源是智慧河湖系统建设的核心，针对传统水利数据服务模式的不足，避免“信息孤岛”和“同源不同值”问题，以面向服务的体系架构（SOA）为理念，构建数据资源服务体系，提供全系统平台信息资源的整合与分析，担负着对下管理汇集数据、对上支撑应用的核心作用[5]。

3.3.1 系统资源服务层

系统资源服务层针对水利基础数据、实时监测数据、系统数据和业务数据，整合系统硬件、通信、存储资源，按照统一的标准规范为上层应用提供数据访问接口、元数据管理、数据分析以及数据字典等服务，为使用者提供数据资源分类和定位服务，为整个系统提供稳定的资源共享和开发利用基础。

3.3.2 公共基础服务层

公共基础服务层的功能在于将数据资源服务体系所有功能都以构件形式提供服务，使这些功能都有一个比较统一的调用接口，便于用户使用。有了良好的服务管理功能，可以有效减少软件的重复开发，降低系统的维护成本，提高系统的升级能力以及对需求改变的适应能力。

3.3.3 专题应用服务层

基于各类专题应用需求，通过相关业务进行专业化、规范化处理，全面构建水利专题信息服务，主要包括GIS 服务、雨水情信息服务、水质信息服务、告警服务、报表服务等。

3.3.4 资源服务管理和平台监控管理

提供统一的数据服务管理平台，开放各类数据服务的接口，提供服务调用、装配、定制、监控、定位等工具，并在基础数据服务基础上提供具有服务接口，能够使用户灵活地依据河湖管理需求编排服务，对各业务功能在数据传输、处理、任务执行情况进行监视和查看。

4 实施建议

智慧河湖建设是一项涉及面广的系统工程，需要在建设过程中加强管控，落实各项保障措施。未来在智慧河湖系统建设的过程中，建议通过加快水利信息化标准体系构建、注重水利信息化运行维护、加强水利信息化安全管理、健全资金及政策保障，稳步推进智慧河湖建设工作。

4.1 加快水利信息化标准体系构建

根据水利部、地方相关规范，全面构建与水利信息化建设发展相适应的信息化标准体系，规范水利信息化建设过程中的资金、进度、质量管理，保障水利信息建设的开放性和可扩展性[6]，促进水利信息化的可持续发展。

4.2 注重水利信息化运行维护

水利信息化建设要建管并重、注重运维，确立政府指导、第三方运维、及时响应、优质服务的常态化运营维护机制，发挥智慧河湖系统最大效益。

4.3 加强水利信息化安全管理

随着水利系统信息化建设的深入发展，网络与信息安全问题日趋重要。根据《信息系统安全等级保护基本要求》，从系统安全、硬件安全、数据安全、应用安全、管理安全等方面加强水利信息化安全管理，确保智慧河湖系统建设的健康持续发展。

4.4 健全资金及政策保障

为保证智慧河湖系统建设的稳步推进，实现预期目标，需要根据区域水利发展需求，研究、制定、出台相关政策，并积极推行落实。同时，应保障专项资金投入，发挥地方财政的积极性，确保水利信息化健康有序发展。

5 结语

智慧水利是水利信息化建设的高级阶段，智慧河湖管理系统设计从水利信息化发展全局视角出发，遵循面向数据价值，围绕系统应用的建设思路。借助物联网、统一GIS平台、大数据等先进信息技术，整体协调推进各业务应用系统建设，实现河湖监管工作信息全面感知、资源高效共享、业务广泛融合、决策科学智能，转型水利发展，实现河湖监管的动态化、精细化和智慧化，推动水利信息化建设迈向新的台阶■