基于互联网+的小型水库“水库管家”创新服务模式研究

陈 华，田冰茹，刘炳义，王 俊，香天元，葛晓武

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，430072，武汉；2.水利部长江水利委员会水文局，430010，武汉；3.北京太比雅科技股份有限公司，100038，北京）

一、研究背景

小型水库是国家水网体系的重要节点，是国家水利工程体系的重要组成部分。但由于产权不明晰、重建轻管等原因，小型水库普遍存在管理制度不健全、管理模式落后、信息化基础设施薄弱等问题。当前条件下，针对小型水库安全运行与管理面临的困境，传统的水利工程管理模式和方法无法解决小型水库安全运行与管理存在的问题，科技创新是小型水库安全运行与管理困境破冰的必经之路。

近年，我国各省（自治区、直辖市）针对小型水库信息化管理展开了科技创新模式的探索，贵州省、四川省、浙江省和江苏省等地建设了小型水库群信息化管理平台，提高了当地的小型水库管理水平。但我国水利工程的信息化管理仍处于起步阶段，针对标准化小型水库集成管理的信息化云平台研究依旧匮乏。目前信息化在小型水库中的应用集中在水情遥测、洪水预报软件等方面，信息感知分析不足、智能决策程度低、安全监测系统不完善、数据资源难以信息共享和设计标准不统一等问题，使小型水库信息化管理模式应用面临挑战。

二、“水库管家”创新服务技术体系

针对小型水库安全运行管理现状及点多面广的特性，探索了将互联网+和大数据技术融合到小型水库安全运行标准化管理的各个环节，提出了一种与互联网和大数据时代相适应的水库管理科技创新服务体系新构想——水库管家。水库管家是以构建小型水库标准化管理科技创新服务体系为核心，以提供全方位安全运行科技创新服务为目标，以“互联、集约、标准、应用”为特征的高效科技创新服务体系。基于互联网＋的“水库管家”是新一代信息技术支撑下的水库管理“科技+服务”模式，具有高度互联、集约化、标准化、成果应用导向和集成创新的特征。

为了实现小型水库面向安全运行服务的标准化管理，本文集合水文及大坝安全监测技术、水文气象耦合预报、水库调度与应急预警等技术，构建了小型水库“水库管家”科技创新服务体系，如图1 所示。小型水库“水库管家”科技创新综合服务平台是依托于物联网、云计算、Web 开发技术等信息技术，以满足社会化和专业化的多种小型水库管理创新模式需求为导向，应用大数据技术和互联网信息技术构建小型水库标准化管理科技创新体系，提供全方位的安全运行服务，集成创新雨水情和工程安全监测技术和设备，提供耦合水文气象的预报与调度方案，具有较好的信息分析深度，可实现小型水库的数值模拟、信息存储及个性化服务。基于该科技创新服务技术体系，建设了集大数据、云计算、物联网等多种技术的小型水库 “水库管家”智慧云平台，研发了面向小型水库安全运行标准化管理的“水库管家”智能移动App。

三、“水库管家”科技创新体系关键支撑技术

1.面向标准化管理的多源异构信息融合技术

要实现基于互联网+的小型水库“水库管家”科技创新服务模式，一个核心问题是要解决标准化管理中多源异构的水利业务数据融合问题，如气象、实时水雨情、实时工情、灾情、巡检以及社会公众提供的各种不同类型数据。这些多源异构数据，给小型水库安全运行的标准化管理带来了巨大挑战。选取了Apache 开源软件基金会发布的HDFS 和HBase 存储小型水库多源异构大数据集，对各类海量数据集进行分析、归类和总结，实现小型水库多源异构大数据集存储，提出一种基于知识与人工智能的多源异构信息融合算法，整合小型水库多源异构信息，从而获取高质量的有用知识，为小型水库安全运行标准管理提供信息化框架服务。

2.面向小型水库安全运行多源感知监测技术

图1 小型水库“水库管家”科技创新服务技术体系

小型水库安全运行监测涉及水雨情监测和大坝安全监测等内容，2016 年水利部调研显示，仅有50%的小型水库设有库水位监测项目，其中能正常运行的只有10%，这是由于小型水库大都位置偏远，网络和市电条件差，且数量众多，现行很多仪器由于配套设施要求高以及造价成本高，不适合在小型水库大面积推广应用。因此研究和建立适用于小型水库安全运行的多源感知监测技术对于小型水库安全运行具有重要意义。本文提出的小型水库“水库管家”智慧云平台采用了自主研发的基于图像识别的非接触式水位和流量监测方法，成功实现了低成本在线测流问题，流量计算误差在5%以内，精度达到了水文测验规范要求。

3.耦合气象降雨预报的小型水库入库洪水预报技术

洪水预报和应急预警技术对小型水库安全运行具有重要作用。然而由于水文资料缺失，小型水库的入库洪水预报面临着诸多问题与挑战，是水库安全运行管理的薄弱环节。针对存在的难点问题，在充分挖掘降雨空间分布对小型水库流域产汇流模式影响机制的基础上，深入研究了洪水预报模型参数敏感度的时空变化规律，通过构建不同时空尺度下敏感参数的后验分布，推求参数分布随时间和空间尺度变化的函数关系以及参数区域化方法，通过邻近有资料流域的相关信息，获取小型水库控制流域洪水预报模型的参数；针对数值气象预报产品空间分辨率低、偏差大的问题，提出了降水预报的降尺度和偏差订正技术，获取了小型水库控制流域高分辨率和高精度的降水预报数据，以此建立耦合气象降水预报的入库洪水预报方法，主要技术路线见图2。

4.智慧云平台与智能移动App信息技术

针对小型水库各业务系统相互隔离、纵向上未形成稳固的信息根基、横向上未构筑互补的信息桥梁、信息孤岛现象突出、应用系统重复建设等问题，“水库管家”智慧云平台以满足“三个责任人”为根本出发点，采用BS/MS 混合架构开发，基于大数据技术制定了小型水库群统一数据存储标准，为上层应用服务提供统一运行环境和模型、算法等智慧能力的统一服务，建设了一张图、一个数据中心和一个综合管理门户的智慧云平台，实现了数据资源“一数一源”，一张地图全域共享，多业务共用“一个平台”。

图2 小型水库径流模拟方法的技术路线

在“水库管家”智慧云平台的基础上，研发了小型水库智能移动App。“水库管家”智能移动App 通过与“水库管家”智慧云平台（PC 平台）协同，实现水库巡查、养护、保洁、培训等水库运行管理多工作流程协同。网络安全和标准规范体系下的 “水库管家”智慧云平台与“水库管家”智能移动App 的总体框架图略。

四、“水库管家”应用

1.“水库管家”服务应用模式

小型水库“水库管家”科技创新服务技术体系响应水利部关于深化小型水库管理体制改革和智慧水利建设的要求，经过多年的探索与实践，在小型水库管理技术体系、政府购买服务、社会化物业化管理体系等方面，形成了可推广可复制的“科技+服务”的现代化水库管理模式。为适应各级水利主管部门的需求和不同地区小型水库多元化管理现状，“水库管家”为业主量身定制了多元化的组合服务模式，具体包括信息化、物业化和专业化等。信息化提供“水库管家”智慧云平台和智能移动App 信息化平台；物业化是指进驻物业化运维队伍，通过政府购买服务对水库提供巡检、观测监测（水雨情监测）、养护维护、现场管理与保洁等服务；专业化是指通过与高校、科研院所合作，建立产学研深度合作模式，建立小型水库专家问诊咨询服务。

2.“水库管家”应用典型实践

目前，全国已纳入“水库管家”平台的小型水库有12 219 座，约占全国小型水库总数的13%。应用实践范围分布于陕西、贵州、广东、广西、福建、江苏、江西、吉林、辽宁、河南、河北、山东、云南、湖南、湖北、安徽、青海、内蒙古等18 个省份，主要以县级区域为单元进行应用，其中青海、广东建立了“水库管家”省级平台。实践证明，水库管家项目成果能切实解决小型水库管理难题，保障小型水库工程的安全稳定，使小型水库充分发挥防洪减灾、水环境保护、水资源保护利用等社会效益、生态效益及经济效益；更大限度地保护人民群众的生命财产安全，推动新时代水利高质量发展，为国家经济发展和现代化建设提供基础保障。

五、结论

针对小型水库安全运行与管理面临的困境，互联网+和大数据是当今社会新一代信息技术和服务业态，是实现水利现代化和智慧水利建设目标的重要抓手。而“水库管家”是一种与互联网和大数据时代相适应的水库管理科技创新服务体系的新构想，具有以下实用性：

①水库管家创新服务模式将加强和弥补防洪工程体系的薄弱环节和短板所在，也将有力促进水利现代化的建设。水利部《加快推进新时代水利现代化的指导意见》明确提出提升水利管理现代化水平，大力推进水利科技创新和全方位推进智慧水利建设。水库管家创新服务模式有利于加快基于互联网的研发设计、知识产权、科技咨询等水利科技创新服务向“智慧水利”发展，培育网络化的小型水库管理服务新模式，发展具有高技术含量和高附加值的小型水库安全运行管理科技服务平台。

②从全国小型水库数量与分布来看，“水库管家”创新服务模式具有极大的潜力和市场空间，互联网+、水利现代化、乡村振兴战略的提出，形成庞大的小型水利工程服务市场规模，为“水库管家”创新服务模式发展提供了强大的市场驱动力，如小型水库大坝白蚁治理，可通过“水库管家”提供专家远程诊断、知识与案例共享，解决地方小型水库管理专业人才缺乏的问题。同时，全国水利信息网络基础设施已具备一定规模和水平，为“水库管家”创新服务模式发展奠定了良好基础。

③“水库管家”创新服务模式将互联网信息技术、小型水库标准化管理、水利科技相融合，可以打破地域条件限制，有利于推动小型水库管理集约化、标准化管理服务、社会化物业服务体系的建立。互联网技术体系的特点在于应用性、系统性和集成性，将其与小型水库标准化管理、水利科技融合，使小型水库有可能通过面向应用的模式创新带动技术的系统集成创新，摆脱只是简单搭建平台的单一局面，实现小型水库安全运行管理技术体系的整体跨越式发展。