河南省南水北调配套工程运行管理数据可视化平台设计与实现
2021-09-22庄春意王子民
庄春意,王子民
(1.河南省南水北调中线工程建设管理局，河南 郑州 450000；2.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450000)
0 引言
河南省南水北调配套工程(以下简称“配套工程”)输水线路总长1 000余公里，通过南水北调中线工程总干渠39个口门分水，向南阳、平顶山、漯河、周口、许昌、郑州、焦作、新乡、鹤壁、濮阳和安阳等11个省辖市、40个县(市)的95座水厂和6座水库供水。通水以来，截至2021年2月28日，配套工程已累计供水123.17亿m3，受益人口达2300万人，受水区城镇供水“单一性、脆弱性”得到有效化解，配套工程正在发挥着重要作用。
为保障配套工程运行安全，河南省南水北调工程管理机构已初步形成了飞检、巡查和稽察三位一体的配套工程运行管理监督检查格局，并开发了配套工程基础信息管理系统、巡检智能管理系统和病害防治管理系统(以下简称“三个系统”)。三个系统部署在同一服务器，并有一定关联性，但三个系统数据源相对独立，配套工程运行管理人员使用过程中需要分别进入系统进行查询、对比，操作费时费力，使用不够便捷。
针对上述问题，文章利用多元数据融合理论，通过三个系统的重要数据整合，建立配套工程运行管理数据可视化应用平台，实现配套工程基础信息、巡检管理、病害分布等诸多信息同时显示，增强三个系统之间的联系，进一步提高配套工程运行管理信息化水平。
1 可视化平台总体设计
平台总体架构概述为三个部分：数据获取、数据融合、可视化展示。首先使用地理信息系统技术(Geographic Information System,GIS)获取三系统的基础数据和专题数据，地理信息系统是服务于地理信息的空间数据库技术，它拥有强大的二三维空间数据分析、管理、查询及可视化的能力；在掌握到大量数据后使用多元数据融合技术对数据进行融合，包括属性数据融合以及空间数据融合；借助于地理信息系统图形化的手段，加入完整的ECharts图形库，使用折线图、柱状图、饼图、K线图、地理坐标图等图形，将数据分析技术与图形技术相结合，用图表方式展示出来，清晰有效地将分析结果进行解读和传达，为配套工程运行管理提供多方位的可视化数据支撑。见图1。
图1 总体架构图
2 数据基础
配套工程运行管理数据可视化应用平台实现三个系统互联互通，在地理信息专题图上清晰地展示出配套工程基础信息、巡检信息和病害信息等，便于运行管理人员查询、对比，操作简单，使用便捷。
可视化平台所涉及基础信息数据库数据，包括地形数据、河流数据、11个地市的影像数据，各地市行政区划、乡镇、县级、市级中心所在地，乡镇、县、市行政界线和路网数据、图例数据等。
可视化平台所涉及的专题数据分别来自于三个系统。其中基础信息管理系统种的专题数据主要包括全省的水系要素(河流、湖泊、水库)等水系数据，南水北调总干渠基础数据(总干渠位置、分水口门、水厂、现地管理房)，11个地市配套工程管线数据库及其附属物数据，以及1∶2 000地形图数据，实测阀井、现地管理房、水厂地形图数据等；巡检智能管理系统中的专题数据主要包括管线及附属设施的空间位置信息，巡检人员的实时位置信息，巡检小组在线状态信息，巡线问题上报信息等，巡检系统上报的问题皆会录入到病害防治管理系统；病害防治管理系统数据来源于河南省南水北调配套工程管理机构的飞检、巡查、稽察报告以及巡检智能管理系统的自动导入，专题主要包括病害点空间位置信息，病害点要素信息，病害类型图例信息，病害问题的趋势信息，病害问题台账信息以及病害问题解决方案信息等。
3 关键技术及应用
配套工程运行管理数据可视化应用平台以地理空间数据、配套工程基础信息管理系统数据为基础，以配套工程巡检智能管理系统、病害防治管理系统数据为核心，以可视化应用一张图为主要方式，最终将配套工程运行管理数据直观地展示给用户；基于配套工程输水管线及构筑物、巡检情况、工程病害等关键数据，实现三个系统数据的整合。可视化应用平台页面如图2所示。
图2 可视化应用平台页面图
多元数据融合在配套工程运行管理数据可视化应用平台中的使用体现在融合三个系统数据源于一体，对可视化平台数据源进行预处理，提取出配套工程基础信息管理系统的要素信息，提取巡检智能管理系统和病害防治管理系统的病害点信息，把要素信息和病害点信息进行数据格式转换，定制相应二维符号库。多元数据融合流程如图3所示。
图3 数据融合流程图
首先获取三个系统的所有要素信息getAllElement()以及病害点数据getAllInspectionPoint()，以地理信息专题图为主要展示形式，在地理信息专题图展示分水口门、输水管线等基础信息要素的基础上，从系统服务器上动态加载配套工程病害点的空间信息与属性信息并通过格式转换format2Json()获取病害点数据getAttributes()和空间数据getCoordinate()，根据病害等级、数量及整改状态生成不同的地图点状要素generateSybol()，并根据病害点地理坐标确定病害点在地图上的位置生成空间位置要素createPoint()。把所有的点状要素与空间位置要素作为数据源，创建病害点要素图层createFeatureLayer()，同时以基础信息输水管线以及附属设施生成的空间位置要素pipelineSybol()创建基础信息要素图层createFeatureLayer1() 相结合，并添加到地图上进行图层渲染addLayer2Map()，达到数据融合并展示的效果。
配套工程基础信息情况主要包括全省范围内分水口门、输水管线、阀井、现地管理房、泵站、受水水厂等相关信息。巡检情况主要包括当日巡检发现的问题缺陷个数，以及发现的具体时间、输水管线线路名称、对应分水口门、具体问题描述以及病害等级等。通过类表格的形式把诸多重要信息逐条呈现出来，为了解当日巡查情况提供非常直观信息，且与地理信息专题图相结合，为解决这些巡查过程当中遇到的病害问题提供准确的位置。病害信息情况由工程部件病害分布图、年度病害分布图、各地市病害分布图构成的病害情况查阅功能，将数据按照年份、地市、病害等级三种类型进行划分，把数据以柱状图和折线图的形式展现出来，通过数据对比清楚地了解到数据的走势，对数据走势进行分析制定合理的解决方案。同时集成病害筛选算法，自动录入巡检智能管理系统发现的病害点信息，并实现数据实时更新。
配套工程运行管理数据可视化应用平台对病害数据按不同方式进行统计和分析，把数字数据实现成为走势图、饼状图和柱状图，从不同角度实现工程部件病害查询、年度病害分布、各地市病害分布、缺陷问题分析等，为后期针对性整改提供技术支撑。
目前，三系统已在全省推广应用，配套工程运行管理数据可视化应用平台嵌套于病害防治管理系统内，为配套工程安全运行提供强有力的信息化保证，为病害整改奠定了历史处理办法基础，为后期病害防治提供了数据支撑。配套工程运行管理数据可视化应用正在也将持续发挥重要作用。
4 结语
信息时代大数据逐步改变着世界运行模式，云计算、移动互联网等技术的迅速发展，使得人们越来越注重实用性与效率性。目前多元数据融合技术相对成熟，通过分析获取到的所有信息全部综合到一起，并对信息进行整合，吸取不同数据源的特点，提取出统一的更丰富的信息。多元数据融合的第一步要保证数据选择的正确性，尽量选择出合适的数据对象来进行数据融合，如果数据对象选择错误将直接影响到多元数据的后期融合效果。其次，对选择数据源进行预处理，以免未经处理的数据在多元融合时影响到融合效果。
文章首先简述了配套工程运行管理数据可视化应用平台采用多元数据融合的理论，在三个系统的数据源中提取有关联的要素信息，对所提取到的信息进行统一的数据格式融合，融合之后分别生成不同类型的数据点和要素点，对要素点和数据点进行空间位置要素的整理；然后创建要素图层，把这些空间位置数据在地图中渲染出来；最后得出用户可见的视觉效果，达到数据可视化的目的。
