水库综合智慧管理平台总体设计

刘德龙，满运涛，李慧芳

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.内蒙古地矿科技有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000）

截至2019年，我国现有各类型水库数量为98 112座[1]，是调控水资源时空分布、优化水资源配置的重要水利工程措施[2]。传统水库工程运营期一般会拥有多套业务信息系统来实现工程的信息化管理，如检修管理、财务管理、安全监测管理、自动控制、应急管理、办公自动化等等，甚至有的工程运营期信息系统有10套之多，这些信息系统通常由不同的厂商提供，相互之间的联通性较差，信息交互困难，人为地给运营管理带来诸多麻烦，主要问题体现在数据一致性、信息共享、资源整合等方面[3-5]。水库运行管理工作需要一套综合智慧管理平台提供技术支撑工作。

1 平台建设思路

综合智慧管理平台要从解决水库实际管理需要出发，利用先进的地理信息技术、数据库技术、决策模型技术等整合监控数据，打造统一的信息平台，从顶层设计统一接入标准，后续建设各项信息化成果均可接入该平台，从而实现一个账号统一入口进入智慧平台，从整体监管到实时监控预警、水情、工情、洪水预报、三维虚拟仿真、日常业务等分项子系统个性化权限定制。本方案应满足系统的可靠性、经济性、先进性、开放性的要求，以便在不同时期、不同阶段建设的系统能相互兼容，实现信息的共享，具有广泛的开放性和扩展能力。

软件平台基于 SOA理念，采用 WEB 客户端技术，采用模块化设计理念，在统一数据库访问接口与控制接口的基础上，构建子系统（子模块）标准化接入机制，将每个业务功能抽象成一个个模块单元，每个业务模块独立设计，分布式开发，解除各模块间的偶合，从而大幅提高了系统的可维护性，当系统中某一模块变更时，只修改模块自身的代码，不会牵一发动全身。通过模块化设计，使软件易于扩展，且升级完善方便灵活。一体化集成监控平台对信息化系统各类信息进行规范、整合，对各类应用进行统一化管理。实现各业务数据的统一采集与交互， 实现各业务数据的统一存储、备份和维护管理，实现在一个平台上多种业务的统一应用。

2 功能设计

智慧平台架构按照水库数据中心、应用支撑平台、综合业务平台三层架构进行设计。智慧平台要素为：

（1）建立统一的水库数据中心

建立统一的水库数据中心，建立总控中心和现地控制区的数据交换总线和共享机制，同时提供实时数据库、关系数据库、文件数据库、地理空间库等标准接口，从而实现各类实时信息的存储、管理及与应用系统、信息发布平台、调度平台的交互。

（2）建立应用支撑平台

应用支撑平台建设是水库管理平台的后台基础支撑平台。它提供各类支撑服务、功能模块、开发组件、数据访问接口、安全管理后台基础策略、应用协调和约束。主要包括统一用户认证、水库一张图、访问接口定制、权限设置、通用工具库等。

（3）建立综合业务平台

基于电子地图（遥感影像图）按监测要素进行专题分类，动态实时监测，包括水雨情测报、水质监测、流量监测、视频运行监视、闸门监控、水工运行管理等，当不在指定阈值范围时，通过高亮、动画等方式及时告警，必要时可通过短信、语音电话、无线广播等方式紧急告警。

图1 水库综合管理智慧平台功能结构图

3 水库数据中心

水库数据中心主要包括数据库建设、数据汇聚交换系统建设、数据收集整编。

3.1 数据库建设

3.1.1 数据分类

水库综合数据库主要包括基础数据库、实时数据库、水利工程库、空间数据库、OA数据库、视频库等。

（1）基础数据库。由水库业务部门的各专业子系统产生，为事务处理层提供服务。基本上包括子系统采集的未加工处理的原始数据，一些操作需要的初始化数据以及经过初步加工 整理后的为本子系统使用的数据。有些数据提供给专业主题数据库，有些数据直接提供给公用数据库。

（2）实时数据库。实时数据库是一个数据库集合，根据远程实时采集数据类型，分类为水雨情实时库、流量实时库、视频库、闸门远控库、水质监测库、大坝安监库等，这些数据应根据实际建设情况设定对应的传输接口规范，以满足已建设的采集设备数据入库。

（3）水利工程库。水利工程库按照规范要求构建水工基本信息库和水库安全运行库。其中，基础信息库主要包括水库管辖范围内的水利工程建筑物水工信息、水文特征信息、现场图片等资料，安全运行库包括水工运行情况、安全巡检、防汛值班、安全制度等内容。

（4）空间数据库。空间数据库，应包括水库范围及关联上下游、周边水工建筑物的空间信息、行政区划空间信息及重要水利专题数据。

（5）水文模型库。存储水文模型和计算模拟分析相关过程及成果数据。

（6）视频库。主要包括历史视频流数据、历史视频图像以及其他多媒体数据。

3.1.2 数据库逻辑结构

为了更好的向上级领导机构传输水、雨情数据与调度各方面情况，同时为了今后数据库资源网络共享的需要，数据库建设应优先满足国家出台的相关标准规范，如国家防汛指挥系统工程的基本数据库，主要有《国家防汛指挥系统工程历史雨水情库表结构》，保证数据一致性和规范性；专用数据库采用了规范化设计以适应复杂的变化条件；通过在数据库中建立模型库组参数表和模型库单个参数表，实现预报调度模型的动态调整，以便适应不同水文环境下的不同情况，用临时表的方法使雨水情数据输入更加方便，查询界面更直观。

数据库的存储和管理。系统建成后产生的数据量非常庞大，数据访问性能要求非常高。在这种情况下，如何建立一个既满足大容量数据存储、保护，又能保证多主机、多用户、多应用系统并发数据访问性能的存储系统成为系统建设的关键。

系统中由于数据源种类繁多，数据量大小不一，同时对数据访问的性能要求也不相同，因此，我们在考虑数据存储的时候，可以对不同的数据采用不同的存储方式。

在选择数据库时，需要考虑以下情况：

（1）支持多业务、结构与非结构历史数据统一存储；

（2）支持大数据量的并发访问；

（3）提供完善的数据一致性机制和数据备份/恢复机制；

（4）具有完善的数据完整性机制和安全访问控制体系。

在采用文件的方式存储数据时，应该建立完善的元数据管理机制，通过建立元数据库对各种文件数据进行统一的检索，查询，分析统计等。

3.2 数据汇聚交换系统

数据汇聚交换系统任务是将各类数据资源采集入库。根据不同资源类型的实时发布要求，配置资源的采集同步频率。在数据采集的过程中，支持数据的转换、合并、连接等数据处理。支持xml格式的数据导入导出。

（1）数据接收校核。对各专项监测站点研发对应接收功能，自动接收实时采集的数据，根据接收的数据自动判别数据类别，将数据自动写入数据库中的相应的基本表中。并自动记录每次接收数据的日志和状态。

（2）控制参数配置。对该系统的基本参数的功能设置和管理功能，可以对数据显示方式、数据刷新时间、系统的状态等参数进行调整。

（3）数据下载传输。提取采集终端固态存储数据，可以对单站、多站进行提取，可以远端成块下载数据，可以对任意时段数据进行提取。对提取的数据自动进行整理归类，数据校验，并写入数据库里。

（4）测站管理。扩充增站或删除减站，方便设置各报汛站的有关参数以使数据正确显示监视。

（5）人工召测。选择单站或多站，提交监测数据实时采集指令，主动获得最新数据。

3.3 数据收集整编

3.3.1 历史数据采集整编

由于是新建水库，数据整编工作量主要集中在上下游区域及水工相关资料，主要包括已建信息积累的历史数据：水雨情历史信息整编录入、水工运行数据收集及其他相关信息的基础资料整编录入。数据整编的手段主要包括人工录入、工具导入，需根据数据来源进行分析分类，来制定不同的整编策略。人工录入主要是针对未实现观测自动化的数据，由于没有自动化装置，这些数据都需要人工输入到计算机中去，输入过程难免有误。所以需要在数据录入过程中提供有效的明显键入错误检查机制和方便错误查找的数据浏览功能。同时这部分数据都是集中在一段比较短的时间内完成，数据量比较大，录入程序应考虑提供加速录入的办法。在手工集中大量输入历史观测数据的时候有一个操作简便，提高录入速度的录入软件，以尽可能少的按键次数连续大批量输入数据。

3.3.2 地理专题数据采集

将基础行政空间数据、水利水工空间数据和水利专题空间数据整合至水库水利一张图中。基础行政空间数据应至少包括（不局限）水库辖区范围的村庄、县（区）界、国道、省道、市区干道重要交通干道、主要政机构位置等信息。水利水工地图应包含关联流域河流空间信息，如上下游及周边河流湖泊及重要水工建筑设施空间数据。水利专题空间数据应包括水库监测点分布、水工拓扑关系、水利工程出险点等空间信息。

4 应用支撑平台

应用支撑平台是为业务层提供数据服务和工具支持的后台应用服务，包括为业务应用提供信息表示、目录服务、消息服务、事务处理、数据访问、流程控制、管理服务和安全服务等支撑，方便在其上层更加快捷地搭建业务应用流程和构造信息分析发布系统。该层是数据与应用之间的连接纽带，方便整个信息化平台的灵活扩展、建立与其他水利业务系统之间数据共享通道和建立业务协同关系，形成基于统一技术架构的水库综合信息管理业务开发与运行的支撑环境。

4.1 统一用户认证

统一用户认证基于资源目录，实现统一用户集中管理和权限控制，管理水库系统用户和组织机构数据，通过提供单点登录功能，根据用户名和密码，使用单点登录技术，认证绑定用户身份，提供给接入了支撑平台的应用系统，应用系统验证该用户使用权限，只需一次身份认证，实现对所有接入支撑平台的应用系统的访问。统一用户管理实现用户信息、机构信息等管理，并提供身份验证服务、用户信息查询服务、机构信息查询服务；应用系统注册管理配置接入应用支撑平台的系统信息，包括访问地址、关联用户绑定等内容，提供接入系统的注册、编辑、注销等功能；用户统一登录认证。

4.2 水库一张图

GIS服务主要是为支撑各级应用系统GIS应用功能软件和应用资源的建设，为业务应用系统提供GIS功能构架、开发末班、数据资源的应用配置体系等，在各级应用系统中形成统一标准和共享的GIS服务。水库一张图应考虑与省级（市级）水利一张图实现对接，在省级（市级）水利一张图的总体框架下，显示水库的详细信息。

（1）空间数据引擎建设。在水利业务应用和多源空间数据库的数据之间提供开放的接口，开发完成处于应用程序和数据中心之间的中间件技术，利用Web Service对各类外部空间数据服务的接入和调用进行统一管理，为网络地图的显示、数据的查询提供底层功能支持。

（2）基础地图服务。利用空间信息技术，为各类水利空间数据提供在线渲染显示，实现影像地图、电子地图、地形图的快速切换，漫游，缩放，图层管理，信息查询，矢量绘制等功能。同时，为方便相关人员利用地图开展各项业务，提供图上长度、面积、路径里程的量算，分屏对比显示，经纬度查询定位等辅助手段。建设需要含二维的电子地图，存储水库及周边的空间地理信息数据，主要为水库的基础地理信息和重要工程的各类实体要素的矢量化数据，如放空阀、进水口、交叉建筑物、大坝等。属性数据为各类实体要素的名称、代码等相关属性数据。

（3）空间分析处理。提供缓冲区分析、区域叠置搜索等空间分析手段，并提供在线空间数据上传等功能，为相关人员进行分析决策提供必要的支持。

4.3 通用工具库

通用工具包括工作流引擎、报表工具、应用发布服务器、门户集成组件等多个工具。构建平台应用引擎，建设统一通用工具，将统一空间引擎、报表工具等通用工具进行复用管理，支持通用工具扩展和新增，实现横向弹性伸缩。应用支撑平台是平台的关键组成部分，也为软件系统集成至平台定义了接入规范和标准。已建设的项目管理系统、内网办公系统均按照应用支撑平台规范要求定制开发，可无缝集成至经营管理平台中。另外，应用支撑平台将各业务系统中的通用系统功能进行复用，形成组件工具库并封装可调用的服务，最大程度地整合利用已建、在建系统，为后续业务系统开发提供高标准的公共开发和运行环境。

5 结语

水库综合智慧管理平台是实现水库信息化系统的最终体现，下一步按照水库智慧管理平台总体设计，将各类实时数据、历史数据、地理数据、多媒体数据等汇聚至大数据库中，对在线采集数据实时监控预警，并通过数学模型、人工智能、虚拟仿真、自动控制、地理信息系统等技术手段，结合引入水库信息化系统实际需求，实现各类生产业务的综合监控与远程调控，以防汛减灾、 工程管理、协同办公为一体化的集成信息管控平台，形成水文预报、视频会议调度等综合决策支持平台，全面提高防洪能力及水工安全运行能力，充分发挥工程建设效益，提升工程整体信息化水平和智能化水平。