张家口地区智慧水文建设与探究

□张 健

水文工作是关系国民经济建设与发展的基础，水文数据在防汛抗旱、水利工程规划设计、水资源管理与开发利用、水环境保护等诸多方面有着重要应用。“智慧水文”是“数字水文”概念的延伸和拓展，是信息化进步的必然趋势。水文行业在向“智慧化”管理迈进的过程中，引入了先进的技术理念及管理手段，在提升抗拒自然灾害能力、改善人民生活质量方面均作出了巨大贡献。

随着信息化建设的快速发展，水文行业对数据分析、存储、应用等方面的要求越来越高，智慧水文建设工作的要求也愈发迫切。由于电子信息化技术和物联网技术的高速发展，使得构建信息一体化平台、建设数字孪生流域以推动水文高质量发展成为可能。张家口水文中心充分利用可视化技术，结合水文管理及勘探应用场景需求，打造了适用于张家口地区的“基于数字孪生技术的智慧水文集成平台”（下文中统称集成平台）。通过此平台系统的开发建设，使区域水文信息的综合应用和数字孪生流域建设迈上一个新的台阶，推动了张家口市智慧水文的建设与发展。

1.集成平台实施内容及技术措施

1.1 主要功能

为“智慧水文”集成平台引入最新的技术手段，通过数字孪生技术精准映射各类水文数据，构建水文一张图，实现水文概况查看、实时信息查询、视频监控调用、搜索定位可视化、仪器设备的远程操作、运维管理的智能化服务和水文数据统计分析的可视化应用，为做好防汛抗旱指挥调度、应急监测、生态输水监测、水资源管理和河流保护等工作，提供了重要技术支持。

1.2 技术架构

平台的技术架构分为3 层，从下至上分别是数据集成层、数据处理层、应用展示层。

数据集成层：主要功能是数据集成交换，它连接智慧水文平台的各个子系统，把不同协议接口传输过来的数据进行整合与标准化，再分别存放到数据库的不同表中，这些数据包括地理数据、水文数据、监控数据和影像数据。

数据处理层：主要功能是数据请求处理，它接收来自前端的数据展示请求，把相应类别、范围和时段的数据从数据库中读取出来，并发送到前端进行展示。

应用展示层：主要功能是进行图形展示，它根据用户的不同操作，从后来获取相应的数据后，利用图形引擎展示出地理信息数据以及相应的站点数据、监控数据和统计数据。

1.3 技术关键

1.3.1 数据接入技术

ThingJS-X 目前提供几大内置接口的标准规范，在数据接入时，可以直接按照字段要求推送至系统中。主要包括资产数据、性能数据、告警数据、图表数据的接入格式、方法等内容，资产数据的接入可以调用批量新增或修改CI信息接口，按照格式传值，可以将资产信息保存至ThingJS-X 系统中；性能数据推送可以调用系统中内置的restAPI接口，通过接口程序直接将处理好的设备性能数据推送至系统中；告警数据推送可以调用系统中内置的restAPI 接口，通过接口程序直接将处理好的设备告警数据推送至系统中；Server 服务主要通过DIX 或其他接口程序提供，接口跨域问题通过在第三方系统中增加过滤器或通过Nginx 代理解决。

1.3.2 数据处理技术

采用vue 生态的技术栈进行开发，将项目打包部署在Nginx 服务器上，后端Spring Boot 不需要任何XML 配置即可实现Spring 的所有配置，?IntelliJ IDEA 一般可以通过使用Maven 创建和使用Spring Initializr 两种方式创建，集成平台采用 Maven 创建。XML 的结构化数据表示方法不仅可以定义元素的内容，还可以定义元素间的关系，在处理多种数据关系或大型数据仓库时，这种特性极为有用，使得它很容易处理大型或复杂的文档，可以便捷的实现数据的处理。

1.3.3 应用展示技术

三维方面采用T3D 渲染引擎，T3D是一个Web 优先的通用图形渲染引擎，主要基于WebGL 和WebGPU(未来)作为底层绘图标准的通用图形渲染库，T3D 并不限定图形渲染以外的其它逻辑，具有很好的适用性与扩展性。物联网数字孪生数据计算及服务，在面对各种应用场景时，需要在海量原始数据的基础上，进行各种数据加工计算，并通过接口对外提供数据服务。在系统架构、组件、界面、蓝图、以及周边工具等方面都得到了提升，并支持切换渲染底层。

2.功能实现

2.1 站点分布可视化

基于真实的经纬度数据，在地图上展示辖区内水系、水库、流域及站点的分布情况，并以三角标的形式进行标注，同时对重点站点进行三维建模，并基于三维化场景展示站点相关信息，包括测站地址、水系名称、河道名称、蓄水量。

支持基于地图进行放大、缩小、平移、旋转，以及一定角度的倾斜操作。

2.2 水文信息查询

系统支持多条件高级搜索，多个条件可以进行组合过滤，支持单一条件模糊搜索，可以一键定位至搜索结果；鼠标点击左侧列表中的某个水文站点，在中间地图上突出展示该站点和最关键指标数据，同时，界面右侧展示该站点的全部指标数据详情；可以根据不同选择条件进行管理对象及信息查看，主要包括：按水流量查看、按行政区域查看、按站点类型查看、按站点等级查看、按告警等级查看。

2.3 视频监控调取及展示

基于各水文站的三维场景清晰展示各视频点位的分布，同时视频点位与视频影像实现联动，点击任意位置摄像头能够快速地查看当前位置的实时视频图像，实现快速定位快速浏览查看，同时支持设置视频轮播区域，使用多个摄像头窗口并行查看重要站点的监控视频。

列表方式展出所有视频监控点信息，支持通过关键字方式搜索视频监控点，在地图上用图标展示不同视频监控点的位置信息。鼠标点击某个视频监控点图标，系统展示该监控点的详情和对应的视频流窗口。

右侧支持多个视频窗口轮播，支持拖动方式增加或者替换轮播视频窗口。

2.4 远程操作监测

实现水文站点自动监测仪器的远程操作，兼容各种自动监测仪器的操作系统，实现远程实时操作，并能将数据实时回传到监测平台，雨量、地下水，自动监测数据和工况能够实时查看。

2.5 运维管理提示

在线仪器工况出现异常后，能够及时报警，并将站点信息及基本情况推送到运维工作人员。

2.6 统计分析及展示

通过图表等形式展现区域内水文概况的基本信息，按照相关的水文指标对水系、水库、流域及站点情况进行统计分析，平台效果及统计分析展示见图1。

图1 集成平台统计分析展示

可展示不同类型站点总数，包括雨量、河道和水库的站点总数，并支持手工方式进行数量的修改。

降雨量统计：按照不同降雨量范围，以条状图方式展示5 个级别的雨量站点的数量。

水位统计：按高于警戒水位，接近警戒水位和低于警戒水位3 个分类进行统计，展示各类站点的数量。

告警分类统计：按照站点的类型和告警与否，展示相应站点的数量，根据告警阈值的变化，实时刷新展示相应站点的数量。

3.建设意义及展望

智慧水文集成平台以实现水文数据可视化、融合水文监测平台和实现“水文一张图”为目的，将水文管理范畴内的各个子系统，包括地理信息系统、视频监控系统、水文数据库系统以及动态监控数据进行汇聚整合，实施统筹了站网管理，推动了“智慧水文”系统建设，为张家口市防汛指挥调度、水文情报预警、水文应急监测、防洪减灾、水资源管理、基本水文站无人化值守提供了解决方案和优化措施，也为整个河流流域构建了一套数字孪生底座。

“四预”（预报、预警、预演、预案）是智慧水文建设的重要组成部分，是数字孪生流域建设的出发点和落脚点，也是检验数字孪生流域建设成果的主要标准。张家口地区智慧水文建设将向着“构建预演场景、模拟计算、制定和优化调度方案以及仿真可视化”等方向持续推进，构建具有“四预”功能的智慧水文体系，并充分应用于测验运维、水情分析、水资源计算等诸多方面，赋能水旱灾害防御、水资源集约节约利用、河湖生态保护治理，为水文高质量发展提供有力支撑和强力保障。