智慧水库管理平台设计与研究探讨

朱文军 时会省 张力

（1.河南测绘职业学院，河南 郑州 450015；2. 长江空间信息技术工程有限公司（武汉），湖北 武汉430010）

1 引言

随着我国水利信息化建设的快速推进，智慧水利项目有效提高了防汛抗旱、水资源优化配置、水利工程建设管理、水质监测等水利业务中信息技术应用的整体水平，以水利信息化带动水利现代化，更好地推动社会经济发展。智慧水库建设是实现智慧水利的重要组成部分，涵盖水文、水质、水资源、供水、排水、防汛防洪等各方面，充分利用网络、多媒体、倾斜摄影等技术，以实现信息智能化识别、定位、跟踪、监控、计算、管理、模拟、预测和管理。

利用二三维一体化GIS 平台的可视化和空间分析功能，不仅能够在三维视图中实现对水库信息的实时管理，以及对水库工程的360 度全视角展示，还可以为有关部门及管理人员提供便利的交互式操作管理，实现对水利基础设施的实时规范管理，提高水利基础电子地图数据的信息量，并运用智能融合技术，对数据进行分析、计算和存储，从而为各级水务行政主管部门开展防汛指挥决策、水库环境治理、水利基础设施建设等提供可靠的空间数据支持。

2 建设内容及体系架构设计

水库的智慧管理主要是形成人性化、个性化、便捷化成果，将智能系统的建设成果形成服务能力和产品。针对管理系统业务需求，研究软件共享技术和集成技术 ；针对智慧水库安全管理系统包括的数据源层、数据交换层、数据存储层、基础支撑服务层、应用支撑服务层等多层架构，研究大数据汇集与存储技术、大数据服务接口和集成技术、大数据挖掘与应用技术、大数据可视化与发布技术；根据智慧水库管理业务流程、信息推送与发布机制，研究集成机制，解决安全监测异构的业务系统之间的协同与信息共享，面向管理部门及面向公共服务的应用要方便易掌握[1]。

智慧水库管理系统采用四层体系架构，由下至上依次为基础设施层、数据资源层、平台服务层、应用层、用户层，系统总体架构如图1 所示。

图1 系统总体架构

（1）基础设施层：是支撑平台运营的基础设施，由服务器和存储资源池两部分组成，为智慧水库提供计算和数据存储等，主要包括服务器、计算机等硬件设施，以及互联网、4G 和5G 网络、光纤网络、无线网络设施等。

（2）数据资源层：主要为智慧水库应用系统提供数据资源，作为系统运行的“血液”，主要包括基础空间数据库、水库监测数据库、巡查管理数据库和视频监控数据库。

（3）平台服务层：在数据库管理平台、数据共享交换平台、GIS 平台和云计算平台支撑下，建立统一的服务平台，实现对库区多时序空间数据的管理、分析及可视化呈现，为应用层提供数据服务、地理信息服务、框架服务、前端组件服务及运行类服务。

（4）业务应用层：作为整个平台建设的核心，业务应用层是支撑库区日常管理和应急管理的数字化、一体化和可视化管理平台，包括一张图展示、水雨情统计分析、安全监测、库区管理、调度管理、视频监控管理、电站管理、移动巡检。

（5）用户层：智慧水库管理系统的主要用户为水库管理单位、上级管理部门、技术支撑单位和社会公众。

3 系统功能设计

智慧水库管理系统采用B/S 架构，后端开发采用SSM（Spring、SpringMVC、MyBatis）框架[2]，前端开发采用vue.js（一套构建用户界面的渐进式框架），地图展示使用openlayer 技术方案，空间数据管理与地图服务发布使用ArcGIS 平台。该系统主要功能设计如下：

（1）一张图展示功能：将相关信息进行高效组织和直观展示，可为用户提供方便操作的信息查询、信息分析、数据统计等功能。

（2）水雨情统计分析功能：用户可以查看指定时间内的水位、雨量信息，以及前端设备返回的实时信息；通过后台统计能够查看“8 时水位”、汛限水位、时段平均、时段最大最小等统计分析信息，辅助管理人员做出及时、准确的科学决策。

（3）安全监测功能：通过各项安全监测设备，可以实时掌握水库安全监测现状和变化过程，提供智能化数据分析与报告生成功能，实现巡视检查问题上报审批。

（4）调度管理功能：通过数据分析，动态监测各水库闸站情况，根据情况指挥调度操作。结合洪水预报模型提供多套有效的防洪调度方案，协助相关管理单位进行科学调度指挥。

（5）视频监控管理：接入水库范围内关键区域的视频监控数据，例如背水面及坝脚附近、溢洪道、大坝迎水面及库区等区域，可以进行实时监测。

（6）移动巡检等功能：现场管理人员可以通过定制的手机端App 协助作业，主要包括移动巡检、信息查询、移动办公、应急处置、实时报警等功能。

4 关键问题探讨

4.1 数据库建设

实现水库智慧管理的基础是数据，通过透彻感知，以及全方位、全对象、全指标的监测手段，提供水库主要特征指标数据和相关的环境、水文、气象等多种类精细化数据。结合传统监测手段，基于多波束探测、三维激光扫描、侧扫声呐、浅层剖面仪、倾斜摄影及水下近景摄影测量等多种地形地质探测手段，以及物联网、卫星遥感、无人机、视频监控、智能终端等新技术应用，提升水库安全感知能力、设备状态感知能力、隐患缺陷管理感知能力、水雨情气象感知能力，实时开展大数据分析[3]。

数据源分析与范围规划的最终目标是整合涉及环境相关的所有数据，将分散的、标准不一的数据进行集成整合，实现由数据到信息的转化，提高数据质量，为水库管理、施工管理等工作奠定全面的信息资源体系，为科学决策、有效管理提供信息支撑保障。智慧水库信息数据库组成如图2 所示，数据仓库数据范围规划如图3 所示。

图2 智慧水库信息数据库组成

图3 数据仓库数据范围规划

水库三维数据采集主要包含水库的水上三维数据，以及重要建筑设施或景点的倾斜三维建模，数据采集方式采用无人机倾斜摄影方法进行。倾斜摄影航飞通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，从一个垂直、四个侧视等五个不同角度采集影像，将用户引入符合人眼视觉的直观真实世界。倾斜摄影数据获取方式如图4 所示。

图4 倾斜摄影数据获取方式

倾斜摄影技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成数据成果，能直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证，大大降低了三维模型数据采集的资金和时间，为城市规划、智慧水利、智慧水库等从二维向三维发展提供了一种全新方式。倾斜三维数据如图5 所示。

图5 倾斜三维数据样例

水下地形数据的采集就是水下地形测量过程，是利用测量仪器来确定水底点的三维坐标。目前，水下测量技术主要采用GPS 设备获取平面坐标，采用测深仪获取深度数据。为了提高GPS 测量精度一般采用差分技术，目前，主流的差分技术有伪距差分和载波相位差分，其中，载波相位差分技术通常用于高精度测量工程，定位精度较高，可达厘米级。回声探测仪是一种单波束测深设备，深度测量根据最小声程决定，按照使用频率的个数分为单频和双频。双频探测仪根据两个频率测量深度差获得淤积层厚度。水下地形测量方法即利用GPS 载波相位差分测量技术进行平面定位，利用测深仪开展深度测量，GPS 和测深仪保证同步作业，获取水底点平面坐标和深度坐标，然后利用测得的水底点坐标在3D Max 中进行水底三维建模。

为了保证库容的计算精度，水库库容测量在测水底点坐标的同时，需要对库区进行测线设计，GPS 和测深采样也要按照水下地形测量规范等间隔或等时间采样。为了提高测量精度，在测线布设时，还应该考虑水下地形的变化趋势，若变化相对比较平坦，则测线间距可以适当放宽；否则，需要加密测线，这样有利于使测点均匀分布于整个测区，同时在测区水下地形变化复杂的地区使测点深度或高程能更好地反映水下地形的真实地貌。

4.2 网络构架及数据存储云平台

智慧水库网络构架要实现感知对象和各级平台之间的互联互通，推进网络化构建，提高数据“大传输”效率，不仅需要光纤、微波等传统通信技术的支撑，还需要物联网、移动互联网、卫星通信、WIFI 等先进技术的应用。全面构建局域网、广域网、卫星网和移动网组成的四大数据传输通道，并及时将透彻感知信息传输至计算中心。同时，还要保证智能巡查设备、无人机、机器人等现场移动设备的感知数据实时上传和信息及时反馈。

由于水库大坝结构和环境的复杂性，要想实现感知对象和各级平台之间的全面互联互通，需要感知的基础地理数据、勘测设计数据、几何信息、材料信息、工程建设数据、工程运行数据、监测数据等多源信息，结合物联网和云计算技术，开发包括水库地形、环境、地质、结构、监测等多源信息的全景展示技术，实现多源监控信息数据的快速存储和提取，以及多方案查询。通过数据分析水库结构发展变化规律，利用移动互联网、云平台技术构建结构安全及环境信息互馈的智能监测技术，实现水库结构工作状态与所在环境的多维可视化，达到多终端远程实时监控[4]。

从节约成本的角度考虑，智慧水库管理系统可采用云平台架构的方式进行，将系统布置于云端，用户只需下载App 至智能终端，或者使用IE 浏览器的方式即可使用系统，从而免去服务器端购置费用以及后期的管理维护费用，降低使用成本。

在应用模式上，采用基于云计算中心的集中管理、按需分配、分散控制理念，水库数据存储云平台应用平台采用IAAS 模式管理基础设施，使用PAAS 方式提供业务应用运行环境，用SAAS 模式提供业务支持和社会服务。对新建项目，原则上使用云平台已有的计算和存储设施服务、平台和组件服务；对升级改造项目，应逐步迁移到云平台。因此建设重点是基础设施的虚拟化，即实现IAAS 服务[5]。

5 结束语

智慧水库实现智慧管理，不是简单的数字化、信息化、智能化，而是将先进的信息技术、工业技术和管理技术进行高度融合，具备自动预判、自主决策、自我演进、智慧管理能力的模式，是建立在物联网、大数据挖掘基础上的管理变革与创新。在智慧水库项目建设中，应在保证系统开放性和兼容性前提下，合理运用现代信息技术的最新成果，使其具有一定的先进性和稳定性，便于以后设备更新和软件升级，充分利用现有资源避免重复建设，实现优势互补、资源共享。

水库的智慧管理是水利现代化的重要内容，是实现水利资源和水利工程科学利用、高效管理和有效保护的基础，也是体现水利现代化水平的重要标志，更是实现水利现代化的重要手段。智慧水库的关键问题是信息感知、信息互联和系统智能化，这些都得到有效解决，智慧水库才能发挥应有作用。总的来说，智慧水库还处于发展的初级阶段，许多技术问题要依赖于信息技术的进步，必须持续推进智慧水库建设，把高新技术应用到智能化建设的各个领域，通过技术革新，优化信息化工作体制，全面提升智慧水库的管理效率和社会服务水平，促进我国经济建设的快速发展。