引调水工程信息化技术架构思考

李 韡，朱晓斌

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

引调水工程依托有利自然条件和系列水利工程布置在改善我国区域水资源配置方面发挥了重要作用，有效促进了经济发展和社会稳定。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中提出国家水网重大工程建设规划，并将重大引调水工程列为强基础、增功能、利长远的重大项目之一，为引调水工程建设发展带来了新的机遇和挑战。

引调水工程一般具有点多、线长、面广、工程量大、参与方多、管理难度大等特点，国民经济社会发展对工程安全和高效运行要求很高，传统的水利管理方式难以满足新时代经济社会发展的科学化、精细化、智能化管理要求，工程建设者和运行管理者都面临较大挑战。在长期探索和实践基础上，按照工程全生命期高起点、高标准和高质量原则，充分发挥信息化在引调水工程建设和运行管理中的作用，逐渐成为提升水利工程智能管理和服务水平的重要手段之一。本文针对目前工程建设和运行管理面临的问题，结合引调水工程信息化需求，从技术框架、关键技术、建设内容等方面进行阐述。

1 引调水工程信息化面临的主要问题

1.1 引调水工程信息化建设启动工作普遍缓慢

近些年，引调水工程特别是大型工程的建设单位多为新组建不久的法人单位，决策层需要时间磨合，管理架构雏形略显，部门间合作和协同能力发挥有限，加之有时人员配备存在不足现象，导致各项工作推进较为缓慢。特别是批复建设开工后，建设单位管理重点多集中在项目招投标环节，信息化启动工作优先级普遍较低。一些建设单位没有设立专门的信息化部门而由其他部门代为负责，专注度和工作主动性一定程度影响了工程信息化工作的开展。

1.2 引调水工程信息化建设重点内容不够突出

通过一些调研了解到，一些引调水工程的建设单位决策层足够重视工程信息化的建设，但信息化建设范围重点放在机构内部管理上，使得工程体建设信息化支撑能力不足，且各类子系统集成度较低，没有发挥信息化集约建设的优势，建设期和运维期建设有脱节现象。

1.3 引调水工程信息化建设数据质量有待提高

数据是信息化的血液，建设期工程数据是工程的有效资产，可为工程进度、质量、安全、投资等管理提供准确的信息反馈，有力支撑工程情况分析和辅助决策；运维期工程数据是引调水工程重要的运行保障，全面反映引调水工程调度运行的效率。据调研了解，一些在建引调水工程数据反馈不够及时，没有实现全线数字化成果，采用档案式数据管理方式，数据分析没有发挥出信息化优势，且数据共享一致性效果不理想。

1.4 引调水工程信息化建设技术创新不够显著

随着近些年新技术发展，一些引调水工程在建设运维过程中开始逐步尝试应用新技术成果以丰富工程信息化手段，但着力点仅限于典型应用，新基建与水利工程融合应用创新力度和成效不够显著。

2 引调水工程信息化技术需求

引调水工程多因地制宜进行规划设计，差异性明显，整体可复制性不强，但工程信息化工作侧重提升建设和运行管理的能力水平，具有一定普适性。通过调研梳理工程信息化方面需求，总结经验促进技术应用是可行。结合近些年引调水工程信息化建设实践，初步提出9个典型信息化方面需求。

2.1 信息采集感知

通过监测设备或传感器量测获取环境、人员、设备等工地信息，地质灾害、隧洞地质、工程安全、工程防洪、水土保持、水文、水质等监测数据，输水自动化、水量调度、工程运维等工程信息，实现全生命期工程信息采集，为全面掌控工程态势提供基础支撑。

2.2 网络通信传输

网络通信传输主要包含程控电话、光纤通信、基础网络、移动信号覆盖等需求，并且要通盘考虑建设期和运维期实际进行布置，以期节省成本，打通工程网络通信传输链路，实现工程区网络覆盖。

2.3 数据存储管理

数据存储管理是信息化重要的工作之一，通过搭建软硬件环境，创建专题数据库汇集工程数据，实现工程数据规划、分类、存储、发布等服务。

2.4 数据计算分析

计算分析软硬件环境搭建常与数据存储管理统筹考虑，并遵循永临结合原则，在科学布置和集约利用基础上，保有一定的算力冗余，确保工程数据分析及时、高效。

2.5 应用支撑服务

随着工程业务应用的不断细化，满足工程信息化和智能化应用的支撑服务需求愈加凸显，逐渐从应用系统开发中分离出来，构成支撑服务集合，同时也是新一代技术的试验场。

2.6 业务应用系统

工程建设期应用需求主要围绕工程进度、质量、安全、资金、合同、设计等建设管理要素，兼顾工地人员、设备、材料等要素信息；工程运维期应用需求关注点转向输水自动化控制、水量调度、水质监测、水文监测、工程运行维护管理、安全操作等要素；工程地质、安全监测、视频监控、综合办公、电子签章、应急响应等需求一般贯穿工程全生命期。

2.7 标准规范制定

结合引调水工程实际编制标准规范，制定管理办法和措施，规范约束工程信息化建设过程中的设计、开发、测试、集成、部署、管理、接口等内容。

2.8 安全体系建设

充分考虑数据安全、密码安全、网络安全等方面防护需求，建设工程信息化安全技术体系、安全管理体系、安全运维体系等。

2.9 数据资源共享

共享需求是集约的体现，具体来说，需要明确外部数据支持目录、引接交换方式，以及内部数据共享类别、机制等内容。

3 引调水工程信息化关键技术

信息技术通过不断的应用实践，逐步从新兴走向成熟，新一代信息技术正不断探索与工程相融合，寻求落脚点。现阶段，引调水工程建设和运行管理技术应用大致可分为3类：

第一类：工程数字化(BIM)、地理信息系统(GIS)、高分对地观测(RS)、卫星定位(GNSS)等技术成熟，市场资源丰富，应用成果可靠，能够满足正向设计和数据直观展示需要。

第二类：云计算、大数据、物联网、新一代通信、区块链、边缘计算、图像识别、虚拟现实(增强现实)等技术先进，可以依托其开展专题业务应用，提高工程信息化局部效能。

第三类：系统仿真、无人系统导航控制，及以机器学习、模式识别为代表的人工智能等技术领先，通过特定场景试点应用，能够有效促进水利工程现代化建设。

4 引调水工程信息化技术框架

结合前述技术，围绕提升引调水工程建设期及运维期的信息化管控水平，实现对引调水工程建设期“进度、质量、投资、安全”及运维期“信息采集、分析、管理、控制、决策、指挥”的信息化管控和业务闭环管理，实现安全监测、预警预报、会商决策、调度指挥，运行维护的数据共享、业务协同、流程优化、决策智能，为工程的建设管理、生产运行提供信息化支撑服务这一目标，提出引调水工程信息化应用架构如图1所示。

图1 引调水工程信息化应用架构

针对应用架构，技术体架构由上至下分为工程业务应用、应用支撑服务、工程数据中心、网络通信、信息采集，构建协同共享机制措施，建立网络安全体系和标准规范体系，强化总集成工作。如图2所示。

图2 引调水工程信息化技术架构

4.1 工程业务应用

全面支撑引调水工程建设、运行和管理等业务，分为建设期业务应用、运维期业务应用以及全生命期业务应用。

4.1.1建设期

根据建设期的业务重点，工程建设期的信息化主要包括建设管理系统、智慧工地系统和监测管理系统等。围绕施工安全、工程质量、进度管控、资金支付等核心内容进行建设管理系统的建设，具体包括工程建设一张图、招标管理、进度管理、质量管理、安全生产管理、合同管理、投资管理、项目管理移动APP等；智慧工地系统包括人员监测、设备监测、材料管理、现场环境监控、视频监控等；监测管理系统包括隧洞施工质量监控系统、地质超前预报、建设期安全监测及预警等。

4.1.2运维期

工程运维期应用系统建设在继承建设期应用系统及数据成果基础上，建立包括水文信息及防洪管理系统、水质监测系统、输水自动化监控系统、智能水量调度系统、基于图像识别技术的视频监控系统、地质灾害监测系统、水土保持监测系统、应急响应系统、工程运行维护管理系统、安全操作与远程指导系统等。

4.1.3全生命期

全生命期业务应用是贯穿工程建设和运行全生命期、全过程的业务应用，包括工程数字门户、综合办公系统、电子签章系统、决策会商支持系统、工程安全监测系统等。

4.2 支撑服务

包含应用支撑、数据支撑与智能支撑。

应用支撑建设：包括系统基础软件运行支撑，提供组件式公共功能，以应用服务器中间件、消息中间件、工作流引擎、GIS工具、数据库管理系统等成熟的组件产品为主；基于引调水工程一张图，提供应用运行基础框架；基于BIM+GIS基础平台，提供三维展示及信息集成功能，全面发挥BIM+GIS宏观区域、中观枢纽、微观构件结合的空间分析决策能力、工作协同能力和监督管理能力。

数据支撑：利用水利工程专业模型、工具、算法，通过应用接口为业务应用提供算法等基础能力的方式，实现对预测预报、工程调度等工程核心功能的支撑。

智能支撑：围绕数据挖掘、知识运用、业务建模、融合分析、规则应用，大数据分析与人工智能的开发与能力输出，形成业务支撑、辅助决策、综合运维方面的公共服务，支撑引调水工程的智能应用。

4.3 工程数据中心

工程数据中心是数据资源池软硬件的集合，汇集工程数据、工程受水区域需水数据、工程沿线社会经济数据，经过数据治理，打破业务间数据壁垒，萃取数据价值，形成全线数据资源体系，为工程大脑提供思考与决策的数据基础。通过梳理，可按工程阶段来划分：

(1)建设期业务数据主要包括：建设管理数据、视频监控数据、施工数据、智慧工地数据等。

(2)运维期业务数据：包括水量调度运行数据、工程安全监测数据、工程运行维护数据、水情自动测报数据、水质监测数据等。

(3)全生命期数据：包括工程基础信息数据、电子签章数据、工程档案数据、视频监控数据、办公自动化数据等。

此外，考虑到主调中心及备调中心的安全性及重要性，可通过搭建私有云提供云计算能力，云存储能力，网络传输能力以及云服务能力，作为业务应用系统的底层支撑与保障，实现引调水工程计算、存储、网络资源的集中共享以及按需服务和随需扩展。

4.4 网络通信

包括通信网络和计算机网络2类。其中，通信网络主要分为物联网、移动通信、光纤通信、卫星通信等，为引调水工程各类数据传输提供高速可靠的通信通道。计算机网络主要分为控制专网、业务内网、业务外网，分别承载不同的业务及应用系统。其中安全性要求最高的智能水量调度系统、输水自动化监控系统部署在控制专网；水文信息及防洪管理系统、水质监测系统、基于图像识别技术的视频监控系统、地质灾害监测系统、水土保持监测系统、应急响应系统、工程运行维护管理系统、安全操作与远程指导系统等部署在业务内网，信息发布及日常办公接入等业务部署在业务外网。

4.5 信息采集

可分为建设期和运维期两个阶段进行工程数据的采集。

(1)建设期：信息采集包括人员监测、设备监测、环境监测、视频监控、地震监测、地质灾害监测、水土保持监测、地质超前预报等数据，为建设管理决策提供可靠数据支持。

人员监测利用无线定位、电子闸机、身份识别、人脸识别等技术，借助安全帽，安全带等可穿戴智能设备，在工区范围内实现对现场人员全过程、全天候在线实时监控，获取施工人员分布情况、移动轨迹，以此进行施工资源的动态管理与优化配置。

设备监测设备监测主要包括对施工车辆、盾构(或TBM)等设备的监测。其中盾构(或TBM)的运行数据包括刀盘、推进系统、渣土改良、注浆系统、盾尾油脂、铰接系统、螺旋机等。

环境监测环境监测利用各种监测设备对施工现场各项环境指标开展，包括施工现场的扬尘、噪音、温度、湿度等。

视频监控获取建设过程中重要施工部位、重点施工区段布置的在线视频监控数据。

地震监测通过拾震计、地震记录器、地震监测软件、地震数据处理及传输软件获取地震信号、分析震源点定位信息。

地质灾害监测通过基准站、监测站以及包括野外电源和防雷装置组成的保障支持系统采集各测点的地质灾害监测实时数据。

水土保持监测通过获取分析弃渣场、料场等处不同时段的遥感影像资料，获取水土保持监测数据成果。

隧洞地质超前预报通过三维地质数据和地理信息数据相结合的方式，形成隧洞地质超前预报数据源。

(2)运维期：需要采集数据包括水文信息、水质信息、机电运行数据、水土保持监测数据、地质灾害监测数据、安全监测数据、重点区域视频信息、安保信息及工程运维管理数据等，为工程水量调度和安全运行提供重要的数据保障。

水文信息：结合工程布置实地环境，选择适宜通信方式，传输并汇集水文测站设备获取的水位、流量、气象等数据。

水质信息：采集周期或不定期采集工程内水流常规水质五参数、氨氮、总氮、总磷、生物毒性、石油类、重金属类等数据。

机电运行数据：采集传输包括泵组、主变压器、GIS设备、开关柜、直流系统等设备运行数据。

水土保持监测数据：结合工程实地环境，获取水土流失影响因子、水土流失状况、水土流失危害、水土保持措施及效益等方面的监测数据。

地质灾害监测数据：多源汇集崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂缝等地质灾害监测数据。

安全监测数据：获取汇集泵站建筑物、隧洞管线、大坝等传感器数据。

重点区域视频信息：获取工程重要部位频监控摄像头在线监控，确保数据通联。

安保信息：通过人工填报、在线获取等方式取得工程巡查、排查和监测发现的涉及安全保障和安全管理的数据。

工程运维管理数据：汇集并存储工程运行和维护过程中产生的各类管理信息。

4.6 总集成

引调水工程涉及业务系统多，数据量大、参与单位多，为保证各系统协调工作并发挥数据作用，开展业务集成、数据集成、实体环境集成等工作十分必要。

4.7 网络安全体系

从网络安全技术和管理角度，建立物理环境、通信网络、区域边界、计算环境、云数据安全、安全管理的网络安全体系。

物理环境安全：涵盖环境安全、设备和介质的防盗窃、防破坏等方面，主要包括：物理位置的选择、物理访问控制、防盗窃和防破坏、防雷击、防火、防水和防潮、防静电、温湿度控制、电力供应和电磁防护等。

通信网络安全：一是确保网络设备的安全运行，提供有效的网络服务；二是确保在网上传输数据的保密性、完整性和可用性等。通信网络安全主要关注网络结构、网络边界以及网络设备自身安全等，具体包括：结构安全、访问控制、安全审计、边界完整性检查、入侵防范、恶意代码防范、网络设备防护等方面。

区域边界安全：涵盖边界防护、访问控制、入侵防范和安全审计等方面。要确保网络边界处具备可控有效的控制措施，且粒度和力度满足网络安全等级保护要求；要能判断出非法接入、非法外联、无线使用等非法边界，并进行有效控制；要能对内、外部网络或恶意代码攻击有发现、分析及防御能力，并按法律要求保留相关网络安全审计日志。

计算环境安全：涵盖服务器、终端等在OS及数据库系统层面的安全，涉及安全审计、可信路径、身份鉴别、安全标记、访问控制、入侵防范、恶意代码防范等。

安全管理：需配备数量适宜的系统管理、网络管理和安全管理人员，明确岗位责任；制定完善的安全管理制度，包括信息安全工作的方针、规范、策略，安全管理活动以及管理或操作人员规程等；定期更新安全管理制度；对管理相关人员进行安全意识教育，开展信息安全基础知识、岗位操作规程培训。

云计算安全：涉及数据层面的安全，数据的完整性、实时性、不可篡改性、以及结果的正确性等；通信层面的安全，防止窃听、重放攻击、泛洪攻击等诸多网络层面的攻击；计算层面的安全，主要指编写的程序中没有逻辑错误和安全漏洞等。

标准规范体系：涵盖总体标准、基础设施标准、数据标准、业务标准、管理标准、安全标准等，实现信息共享共建。

5 结语

随着科学技术的进步，工程数字化、业务数据化的不断深入实践，引调水工程信息化建设进入快车道，特征初现：

(1)以问题为导向，需求引领，工程全生命期数字化和高精度地理信息模型建设水平实现提档升级。

(2)以新一代网络通信为依托，实现工程数据协同共享。

(3)以业务应用为牵引，流量、水质、水生态、渗漏、渡槽、管道压力、安全、泵站机组等工程要素信息全面监测。

(4)以工程数据中心、模型算法为基础，实现工程建设和运行状态的仿真分析。

(5)以工程物联网、工业控制网、通信信息网、调度业务网为纽带，实现工程调度控制的自动化。

本文紧紧围绕上述特征构建了引调水工程信息化技术框架，基本满足了现阶段引调水工程建设和运行的既有管理和业务需求，是国家水网工程信息化、智能化更为先进的技术应用的一次有益探索。