苏州城区活水联控联调系统架构设计

吴志钢，范子武，洪 磊，甘 琳，谢 忱

（南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

苏州是长三角一体化国家战略的核心地，地处太湖流域腹部，区域地势平坦，河道交错纵横，水系发达复杂，早些年随着城市建设速度加快，治污措施不足，城市水环境、水生态质量饱受威胁。近些年，苏州高度重视水环境治理工作，经过多年不懈努力，城区河道污染得到明显控制，水环境质量得到一定程度改善，在此基础上，水利部门提出了更高要求的水环境质量目标[1]。按照系统治理、多措并举的原则，苏州市提出实施城市中心区清水工程，主要包括控源截污、源水削污、活水扩面、清淤贯通、生态清水、长效管理六大任务，其中“活水扩面”中提出建设苏州市城市中心区清水工程——城区活水联控联调系统[2]。

1 需求分析

苏州城区内河网密布，闸、泵众多，为了提高河道实体观感，对苏州城区内的水系进行合理智能化调度至关重要。目前，日常调度主要依赖于人工，人工调度统筹兼顾难度大，高质量的水环境引排水需要精准调度，人工调度模式难以满足精准化需求[3]。未来苏州清水工程全面实施后，城区形成多水源引水格局，闸泵堰群的联合智能化调度十分复杂，更加依赖精准调度。目前苏州已建成苏州城区水务工程调度控制系统，城区内闸、泵、堰基本实现远程观看，部门工程实现水位实时观测。但城区河道、闸、泵、堰的物联网布设及远程调控未能达到全覆盖，控制系统也没有智能化的模型作指导，仍然无法达到智能化决策调度。因此亟须建设苏州城区活水联控联调系统，通过建立全覆盖、多要素空间监测预警、调度和智能决策系统，利用全智能、一键化实时在线调度代替人工调度[4]，实现闸、泵、堰等水利工程的精准调度。

2 现状分析

2.1 水利工程现状

水利工程是联控联调系统中不可或缺的要素，目前，苏州市主城区节点水利工程包括澹台湖、娄江、外塘河、元和塘等10处大包围枢纽，加上包围圈沿线小闸站为城区活水提供了动力需求，闸泵站分布如图1所示。自流活水工程建设的2座活动溢流堰及娄门堰和阊门堰，协同城区内已有的闸泵，构成城区活水调度工程群。

图1 苏州城区水系及大包围枢纽位置图

2.2 监测设备现状

苏州市生态环境局已建10处水质自动监测设备，监测指标包括温度、溶解氧、pH 值、电导率、浊度，以及部分设备含有的高锰酸盐指数和氨氮。监测点的部署位置位于白莲桥、山塘河、中市河、校场桥、胡厢使桥、醋坊桥、渡子桥、裕棠桥、桂花公园、官渎桥，如图2所示。为了使每条河道水质情况能够与联控联调平台实时响应，水质设备还需增建。

图2 苏州市生态环境局已建水质监测设备分布图

2.3 信息化现状

与苏州城区活水联控联调系统建设相关的主要是苏州城区水务工程调度控制运行系统和“智水苏州”，其中苏州城区水务工程调度控制运行系统是目前苏州河道管理处主要使用的信息化系统，该系统存在5点不足：1）水位、视频、水质监测点比较稀疏，无法满足一键调度需求；2）部分监测设备超出维护期，精准度不高；3）部分闸泵站无法实现远程控制；4）信息采集系统不够先进，需要改造；5）系统平台没有智能化决策支持功能。

“智水苏州”为在建系统，目前处于一期实施阶段。建立活水联控联调系统平台是苏州市实现“智水苏州”的重要环节，“智水苏州”重点在水，从水安全保障、水资源利用、水环境改善、水生态稳定、水景观提升、水文化弘扬、水管理系统、水经济赋能等8个方面管好水并用好水。活水联控联调系统平台受“智水苏州”的技术规范约束。因此，在建设活水联控联调系统平台时要充分考虑与“智水苏州”的关系和相互作用：

1）活水联控联调系统平台的建设规划、技术框架和标准规范要服从“智水苏州”总体规划，但同时联控联调系统平台调度业务相对独立，业务流和模拟计算有特殊的规范要求，具有相对的自主性。

2）活水联控联调系统平台计划部署在苏州水务局接入中心，与“智水苏州”部署地点相同，考虑部分网络、安全设备复用。

3 系统架构设计

结合已有工作基础条件和当前信息技术发展水平，充分利用“智水苏州”搭建的云平台，在“智水苏州”总体规划的基础上，共享数据资源交换平台，构建联控联调系统平台信息交换和共享渠道，建设活水联控联调系统，提升城区水环境治理与畅流活水的现代化管理水平。

3.1 设计原则

为构建模型云服务并为使用单位提供优质服务[5]，活水联控联调系统平台设计遵循以下4个原则：

1）持标准化、开放性原则。针对目前国内市场上各类模型输入输出、运行环境都存在一定的不规范性，而国家和行业在这个领域的标准制定上属于空白，因此本平台的建设过程中会着重建设模型的运行、描述、输入输出等标准规范，用于指导在平台上进行模型接入的工作[6]。

2）先进、实用性原则。系统以水利专业技术为基础，尽量采用云和并行计算，以及数据挖掘等先进的计算机技术，使开发的系统具有先进的技术体系架构，从而满足相关单位模型计算的需要。

3）简便、易用性原则。考虑到用户的客户端及使用习惯差异，系统的使用和管理应便于操作，容易使用，以避免不必要的人力和时间耗费。

4）可靠性原则。系统的可靠性设计是在保证功能的前提下，以保障和提高系统可靠性为目的，从组织管理、网络安全、数据安全等多方面保障系统的稳定安全运行。

3.2 设计思路

苏州城区活水联控联调系统的设计同时考虑了项目的整体性和可扩充性，采取如下总体技术思路：

1）打造模型库生态系统。系统面向模型使用者和提供者，搭建模型运行的云平台服务，为模型提供良好的模型运行环境，为模型使用者提供良好的模型计算成果和接口数据，能够将复杂的模型简化和实用。此外，平台提供完善的管理方法，能够为模型的运行提供全方位的管理和监控措施[7]，让用户能够安全快捷地访问本平台。

本系统中使用的模型为业务专用模型，经过标准化处理，最后归集到“智水苏州”统一的模型库中。

2）统一标准的基础与应用平台。系统设计充分考虑到不同使用单位的业务需求，保证多源数据的共享传输和各业务功能交互协作。另外，满足系统平台良好的可维护性与扩展性。因此，系统对接“智水苏州”，利用基础资源构建应用业务平台。

3）分布式计算设计思想。在模型计算引擎的设计上采用分布式的方案，提供可横向扩展的计算节点，通过统一的分布式调度引擎提供模型运行的总调度，采用分布式的方式提升模型计算的效率，利用模型云的技术提升模型计算的速度和准确率。

4）基于关系、流数据库的空间和非空间业务应用数据一体化管理。“智水苏州”已经规划数据汇集共享平台，具有标准规范、格式统一的资源中心。活水联控联调系统所有采集的数据按照统一标准汇入“智水苏州”的数据汇集共享平台。

业务应用数据基于国家标准空间数据库结构，采用关系数据库统一管理空间数据与非空间数据，可以有效实现数据的关联和集成。另外，数据都以数据表或视图的形式存储，采用数据库逆向工程的方法提取元数据，便于实现基于元数据信息资源管理[8]。

此外，为了方便计算和调用大量的模型输入、输出数据，采用大数据结构的流数据进行数据存储，通过 OpenTsdb 完成流数据的存储和转换，为业务系统提供快捷的调用方式，并结合关系数据库和空间数据进行完整的时空展示。

5）基于元数据统一管理。元数据包含共用基础数据及各业务应用模块的信息元数据，元数据的统一管理为实现业务数据的集成提供便利，同时也为数据共享提供支持。

6）面向服务的软件架构（SOA）的应用。SOA的实施具有以下几个基本特征：松散耦合、可重用的服务、服务接口设计管理、标准化的服务接口、支持各种消息模式、精准定义的服务契约等。基于此架构，系统平台能很好地对接多目标功能的水利专业模型及多功能的业务应用模块。

3.3 总体构架

活水联控联调系统构架主要包括以下3个层级：

1）监测设备层。应用物联网感知技术，构建标准的水位、流量、水质、工情等监测网络；根据活水业务需求，利用远程控制技术，对城区现有水利枢纽工程进行远程控制改造，增加调度管理手段；采用视频监控系统平台统一技术设计视频监控平台，将所有视频监控信息汇聚到调度中心进行统一管理，并采用视频识别技术增加监测手段，辅助物联网监测。

2）支撑平台层。采用物联网、大数据、云平台等先进技术，建立基于工作流、智能表单、消息中间件的业务流程，集统一数据库、用户管理、认证服务、安全保障、系统展示一体的应用支撑平台。根据规划范围具体需求，按照相关规范标准，建设水利地理和工程数据库。构建苏州城区水系水文-水动力-水质耦合模型，以模型为核心，对接物联感知监测数据，结合水利工程远程控制，进行区域工程调度优化模拟计算。

3）业务应用层。面向用户，通过可视化的界面实现用户的业务流程操作，如基础信息查询、水情实时监测、雨情预报预警、涉水工程调度等应用业务。

联控联调系统具体构架如图3所示。

图3 联控联调系统总体架构图

3.4 数据流程设计

数据流程包含系统数据的采集、输入、分析、加工和输出的全过程，主要分为传输和应用流程2个部分。

3.4.1 数据传输流程

数据传输流程包括数据传输体系和采集方式。其中，数据传输体系包含3个部分内容：1）数据体，包括业务、基础、空间及多媒体等数据内容；2）传输链路，有无线、水利和移动专网等传输方式；3）传输节点，包括“智水苏州”平台中心、终端用户[9]。数据采集方式可以采用人工录入的方式并定期更新，也可以进行相关信息数据的实时采集。

3.4.2 数据应用流程

数据应用流程包括以下4个部分内容：

1）数据采集。业务、地理信息、基础、多媒体数据及数据导入获取。

2）数据存储。平台信息，数据库中保存业务、地理信息、基础、多媒体及实时采集数据。

3）应用支撑平台。提供数据管理与查询，应用支撑平台将数据库与应用系统隔离，应用支撑平台负责数据的存储、管理与查询。

4）应用系统。包括综合数据库、模型库，实时监控、调度模型、系统管理，在线预报预警、调度控制和移动应用等子系统。

3.5 部署构架设计

所有监测设备通过接入网络汇聚并部署在苏州市水务局的“智水苏州”物联网平台，并进入数据汇集共享平台，数据在数据汇集共享平台进行汇聚、存储、清洗、管理和分析，供应用层业务系统使用，并以可视化或者服务的形式提供给用户使用，具体部署构架图如图4所示。

图4 联控联调系统部署架构图

3.6 总体技术方案

苏州市城区活水联控联调平台集成城市河网水动力-水质联控联调技术，整合苏州市水利地理信息数据，共享市区内相关基础地理信息，补充建设城区水利地理信息；建设水位和水质等实时监测数据采集系统及闸站自动监控系统，从而建立全覆盖和多要素空间监测预警、调度和智能决策系统。平台基于数据交换平台，集成苏州城区水文-水动力-水质一体化模型，基于调度情景，提出活水调度方案/预案集，并进行智能优选与调控；依托“智水苏州”架构，开发实时监控管理、在线预报预警、调度模型管理、联控联调控制、联控联调系统管理和联控联调移动应用等子系统，最终建成一个以城区活水为中心的先进实用、安全可靠的联控联调平台。具体技术路线如图5所示。

图5 联控联调系统技术路线图

4 结语

苏州城区活水联控联调系统架构设计按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的总体设计要求，以数字化、网络化、智能化为主线，加快构建联控联调系统平台。联控联调系统平台建成后，利用物联感知技术代替人工观测，实现全智能一键化智能决策调度代替传统人工调度，充分发挥清水工程效益。城区涉水预报精度和预见期大幅提升，河道水位调控精度误差大幅降低至厘米级，调度响应由现状条件下通过人工操作调度优化至智能化一键调度，通过精准调度实现重点河道水体清澈，提升苏州市城区水利综合调度决策能力，完善苏州水利信息化建设，将进一步实现苏州城区水资源高效利用、河网流动性科学合理、水体感观高品质提升，形成水利信息化示范区，提升水利决策与管理的科学化、精准化、高效化水平，为苏州新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。