湖南省现代水利信息技术平台实践研究

贺 涛，严 涛，郑任泰，许克平，左仲元

（湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）

0 引言

根据《数字中国建设整体布局规划》中“2522”（即夯实数字基础设施和数据资源体系“两大基础”，推进数字技术与经济、政治、文化、社会、生态文明建设“五位一体”深度融合，强化数字技术创新体系和数字安全屏障“两大能力”，优化数字化发展国内国际“两个环境”）的整体框架布局，智慧水利建设是推动水治理体系和能力现代化的一项重要措施[1]。湖南省是水利大省，如何提升湖南省水利信息化水平，促进湖南省水利管理智慧化，推进水利现代化，是关系湖南省水利事业改革发展的重大命题[2]。

近年来，湖南省水利现代化建设步伐不断加快，湖南省水利云、水利一张图的应用架构已基本成形，在湖南省水旱灾害防御、水利工程建设和运行管理、水资源调度和保护、河（湖）长制实施、水利政务等工作中发挥了巨大作用。但仍存在以下几个突出问题：1） 水利信息系统各自运行，系统间各类数据共享、交互难；2） 已建系统中名录性的信息多，而规划、勘察、设计、施工等技术资料信息非常缺乏；3） 在展现与分析功能上，缺少三维数字工程和决策支持等模型，给工程管理与调度决策带来很大不便；4） 大数据服务、人工智能应用程度不高，导致水利信息系统的价值未充分发挥。因此，以湖南省水利工程大数据融合为基础，各类水利数字工程和专业分析数学等模型为支撑，智能决策和智慧应用服务为出发点，探索能够融合多系统、多模型及实现数据共享交互的湖南省现代水利信息技术平台，以提升现有水利信息系统应用水平，强化水利监管，提高水利事务管理、政务服务能力和决策科学性，促进全省水利现代化、智慧化建设。

1 国内外研究进展

智慧水利是利用先进且创新的技术手段[3-4]，对水资源进行智能化管理和优化，达到节约用水、高效供应、管控污染等目的的一种新型水利模式。现代水利信息技术平台是实现智慧水利的基础和关键，是通过先进的信息技术手段，集成水利领域的数据资源和功能模块，为水利管理和生产及科研等领域提供全面、高效、便捷的信息服务。现代水利信息技术平台包括水文、水资源、水质、防洪抗旱、水利工程、水生态、水环境等多个领域的信息化系统，具备数据采集、处理分析、预测预警、决策支持、信息发布等功能，能够实现水利工程的全生命周期管理，从而提高水资源利用效率，减少水灾风险，保障水资源安全，促进水利经济发展。

近年来，在国内外学者们的共同努力下，现代水利信息技术平台研究成为热门领域之一，涌现出许多重要成果和创新。

1.1 国内现代水利信息技术平台研究进展

自 2000 年以来，我国水利部门开始大力发展水利信息化，积极推动传感器、物联网和人工智能等前沿技术与水利行业的深度集成。同时，我国也在创建全国各地间的水利信息共享体系，共享体系包括数据中心、数据库、决策支持系统、GIS 等几十项网络化信息平台。目前，国内水利信息化建设正在从传统的系统集成向云计算、大数据、移动化的发展方向转变，以更好地满足水资源管理和环境保护的需要[5-8]。

江西省建成的水利云平台已取得初步成效，基于水库自动测报、水资源监控能力等项目，建设了若干监控站点，已基本实现水利要素的自动监测，并建成覆盖 1 690 个节点的水利骨干网络，但存在算据基础薄弱、算法智慧化水平不高的问题[9]。四川省智慧水利信息技术平台建设以防汛抗旱指挥系统、水资源监控能力建设等重大项目为依托，初步完成前端感知、传输网络、基础设施、数据资源及业务应用模块建设，但依然存在顶层设计缺乏、物联感控欠缺、数据资源分散、运行环境落后、应用支撑不足等问题[10]。

1.2 国外现代水利信息技术平台研究进展

国外已经有不少现代水利信息技术平台的应用案例和成功经验：美国纽约州负责治理哈德逊河的官方机构启动了虚拟河流项目[11]，对分布式传感器网络采集的数据进行检查分类并按优先次序处理，创建了可视化的虚拟河流，可进一步了解生态系统；以色列政府投资建设了一个水资源综合调度中心，由计算机调度系统实时给出优化的供水方案，实现水资源的统一调配管理[12]；澳大利亚一些地方开发了基于物联网的智慧供水平台，通过智能控制水泵和阀门，对供水管道进行严密监控并分析运行状况，从而优化供水流程，确保全年无间断供水；巴西圣保罗州采用智慧水监控系统，可实时优化城市水资源配置，并根据需求自动调整供水量，大大降低了供水成本。

1.3 湖南省现代水利信息技术平台研究进展

湖南省是中国重要的水资源大省之一，近年来先后建设了“湖南省大型水库泄洪决策系统”“水资源管理决策支持系统”“湖南省水情在线自动化监测系统”等省级和市级重点信息化项目，利用信息技术，实现了水文水资源实时监测、水情分析预测、水利决策支持等服务；积极开展了水利科技创新服务工作，研发了一批具有创新性和领先性的水利工程信息化技术，如“水利信息化工程总承包平台”“水利数字化建设及管理平台”“水利工程智能运维管理平台”等，为水利工程建设提供了智能化的技术支持。湖南省在现代水利信息技术平台建设方面进行了系列研发，如基于云计算和大数据的水资源综合评价、基于 GIS和虚拟现实技术的水环境可视化监测、基于遥感和GIS 的水质污染模拟与预测等研究。

湖南省现代水利信息技术平台建设虽然取得了一些进展，但仍存在以下不足：1） 各地水利信息技术平台系统独立建设，难以实现数据共享和协同管理，还须进一步完善统一平台及数据共享或共用机制；2） 目前的水利信息技术平台可视化程度不高，系统运行速度偏慢，采用的技术不够新颖。因此，开发一个多源数据融合、信息技术先进、系统运行高效的水利信息技术平台是必要的。

2 工程可视化系统研究和开发

工程可视化系统是湖南省水利信息技术平台的功能应用部分，是一种基于计算机和可视化等技术的水利工程建设管理软件，可通过三维可视化和虚拟现实技术将水利工程的设计、施工、运营过程实时呈现出来，更加直观地了解水利工程的建设进程和状态，从而更好地进行决策和管理。工程可视化系统的建设依赖现代水利信息技术平台的支撑和配套，如水文气象数据采集、数字地形大数据建模、水利工程运行情况监测、材料设备管理等系统。湖南省现代水利信息技术平台的建设是整个水利信息化体系的核心，是将现代信息技术与水利行业深度融合的重要手段，主要任务是构建一个全面高效的现代水利信息化平台，加速推进智慧水利建设，提高水资源管理能力和水利服务质量。

2.1 系统简介

工程可视化系统是水利工程的三维形象展示窗口，也是水利工程建设期多视角、全方位、三维可视化、实时动态、各种工程设计资料的集成平台。集成平台融合应用 IoT（物联网）、BIM[13]、三维地理信息系统（3D—GIS）、可视化引擎等数字孪生技术，对涉及的主要空间对象进行建模标识和展示，提供空间对象集成的相关信息查询与分析利用，以及由参数驱动的水利工程建模和人机过程的动态演示等功能，创建沉浸式的决策支持虚拟现实环境，供各参与方管理人员决策、会商及日常辅助管理使用。

2.2 系统框架

工程可视化系统软件采用 SOA（面向服务的架构）的架构模式，通过中间服务进行数据访问和功能调用，各项功能利用成熟的跨平台敏捷开发工具进行软件定制化开发。同时基于统一的 GIS 云服务、BIM 轻量化服务、工程数据库，实现工程的 BIM 模型设计、建设信息的数据共享和可视化展示；利用统一的应用门户和安全审计策略，实现用户登录和权限管理。工程可视化系统基本框架如图1 所示。

图1 工程可视化系统基本框架

基本框架各层级介绍如下：

1） 运行支持层（云平台）。运行支持层包括云计算、云存储、云服务。云计算通过互联网将大量的计算资源（如服务器、存储设备、数据库等）集中起来，形成一个虚拟的计算平台，为用户提供各种服务；云存储是一种云计算模型，可通过云计算将数据和文件存储在互联网上，通过公共互联网或专用网络连接访问这些数据和文件，提升了敏捷性、可扩展性和耐用性，并可随时随地访问数据；云服务是一种基于互联网的服务模式，将传统的 IT 资源（如计算、存储、网络等）进行整合并通过互联网进行交付，包括公有云、私有云、混合云等。

2） 数据层。主要基于统一规划的工程、工程特征属性、工程图文档、工程多媒体等数据库，以及 BIM模型库，管理与系统有关的工程数据、BIM 模型、实景模型、GIS 数据。数据层包括基础地理、工程可视化展示专题 GIS 图层、工程 BIM 轻量化展示模型、倾斜摄影实景等数据，以及 720 全景和航拍影像、工程设计等资料，同时基于业务应用无缝集成与建设管理有关的质量、进度、安全、施工监控等多种信息数据。

3） 服务支撑层。服务支撑层是工程可视化系统业务逻辑引擎，系统所用数据和功能都通过标准服务的方式提供，具有数据交换、存储、检索、备份、导出等数据库操作服务，BIM 模型剖切、漫游、空间测量、轻量化格式转换等 BIM 应用服务，以及三维 GIS 渲染、空间分析等三维GIS服务，通过 BIM + GIS 平台，实现与数据层的数据交互。

4） 应用业务层。应用业务层是利用服务支撑层提供的接口和服务，面向不同对象的业务可视化展现层，主要有工程三维综合展示、设计信息管理与展示、形象进度展示三大业务模块，实现模型轻量化管理、模型构件分析、空间漫游、空间测量、空间分析、GIS 图层管理、工程树管理、系统配置等基本功能。

2.3 系统技术

BIM 轻量化技术是工程可视化系统的核心技术之一，指在建立工程 BIM 模型后，利用专业的 BIM建模软件，如 Autodesk Revit，Bentley MicroStation，DS Catia 等，通过对 BIM 模型的压缩处理等技术手段，使 BIM 模型可以在各类 Web 浏览器、移动 App上使用。

BIM 轻量化引擎是利用先进算法对 BIM 模型进行解析重构，在 Web 端和移动端以更轻、更灵活的显示方式展示模型，是所有 BIM 应用开发的基础。

BIM 模型包含三维几何数据及模型构件属性非几何数据。BIM 轻量化引擎工作原理如下：对几何和非几何数据进行拆分，通过处理，原始 BIM 模型文件中约 20%～50% 的非几何数据被剥离；将三维几何数据转换成前端渲染结构化数据，非几何数据输出为数据文件，供 BIM 应用业务开发使用。对于三维几何数据，还需要进一步进行轻量化处理优化（即几何转化），以降低三维几何数据量，节约客户端电脑的渲染计算量，提高 BIM 模型下载、渲染和功能处理的速度。几何转化目前有参数化或三角化几何描述和相似性算法减少构件存储量 2 个阶段。非几何数据是存储模型构件的属性信息的数据，是 BIM 应用的核心数据，包括编码数据（构件编码作为构件的身份证号码，贯穿整个 BIM 应用过程）、设计数据（设计参数、设计变更、关联图纸等数据）、投资数据（工程量、价格等）、进度数据（计划、实际等进度）、质量数据（质量检查、工序报验、质检资料等）、安全数据（安全检查、风险源等数据）、物联网数据（视频、环境、特种设备等监控数据），以及其他数据（采购信息、验收资料等）。BIM 模型的轻量化逻辑流程如图2 所示。

图2 BIM 模型的轻量化逻辑流程

2.4 系统特点

工程可视化系统以二三维一体化 GIS 技术为基础框架，实现二/三维制图与可视化、决策分析、云服务等功能。在 BIM 应用中，进一步拓展了全空间数据模型及分析计算能力，更全面地融合了倾斜摄影模型、BIM、激光点云、三维场、地质体等多源异构数据。同时，基于分布式地理处理工具实现了手工建模、BIM、倾斜摄影模型、激光点云、地形等三维数据的高效全流程管理，并集成了 WebGL（Web 图形库）、虚拟现实（VR）、增强现实 （AR）、游戏引擎、3D 打印等 IT新技术，快速实现了建筑物内外一体化、宏观微观一体化与空天/地表/地下一体化的数字孪生空间，赋能各类全空间的新一代三维 GIS 应用。

2.5 系统功能模块

工程可视化系统满足工程轻量化 BIM 模型导入、信息挂接、模型管理、模型剖切、工程三维漫游、工程属性查询、图层管理、空间测量、空间分析等基本功能；支持各类轻量化模型的加载、定位和配置等功能，登录系统后，点击某工程，通过轻量化模型，能迅速定位到该工程，点击右侧目录的工程模型，可选择打开或关闭对应模型，具备挂接各类模型属性信息和相关图纸、设计报告、工程信息的功能；可为系统中 BIM模型提供存储、调用、检索等功能，可通过目录树对模型进行定位，单点某个建筑单元后其他建筑物可做透明化处理；支持按照类型和空间及系统等多种模型组织方式进行分类、检索查询、汇总统计；支持构件属性编辑及扩展，以及构件名称、属性检索；支持模型多版本管理。

工程可视化系统还可利用 BIM 模型和 3D—GIS三维分析功能进行空间分析，具备经纬度、坡度坡向分析，以及模型透视、地下开挖等功能。空间测量具有对三维地形和模型进行距离、角度、面积等量测功能。

工程可视化系统工程总览看板集成了工程概况、工程视频、工期安排、雨水情、项目动态、工程进度、安全质量态势、移民征地等主要数据指标，为工程建设主要指标的总体查看奠定了基础。

3 典型应用场景建设

应用场景建设属于湖南省现代水利信息技术平台的功能应用部分，是在水利行业各个环节中使用信息技术解决特定问题的具体场景，充分体现了信息技术与水利行业深度融合的理念，有助于推动现代水利管理和智慧水利建设。

本研究以洞庭湖堤垸洪水风险管理平台及“十四五”水安全保障规划平台为例，展示湖南省现代水利信息技术平台的典型应用场景。

3.1 典型堤垸场景

洞庭湖堤垸洪水风险管理平台以 GIS 地图为基础，结合三维影像、BIM、实时监测、实时视频等信息，展示堤垸各类信息，实现静态的工程资料信息与动态的运行监测信息相结合、二维与三维相结合、真实场景信息与虚拟场景相结合的数字可视化堤垸。可实现堤垸实景、防洪调度、地形地貌、地质、工程建设、项目管理等资料的统一融合和综合展示，典型堤垸平台界面示例如图3 所示。可完成堤垸各监测数据与 BIM 模型的融合，实现实时统计分析、历史对比、安全评价、预警报警等功能；可对堤防巡检信息进行管理，报告巡检基本情况、问题统计及处置情况等。

图3 典型堤垸平台界面

3.2 规划管理场景

“十四五”水安全保障规划平台以 GIS 地图为基础，结合并展示三维影像、BIM、无人机实景等信息，实现静态的工程资料信息与动态的运行监测信息相结合、二维与三维相结合、真实场景信息与虚拟场景相结合的湖南省水利一张图规划专题。可实现实景、水利规划、地形地貌、地质、水资源、工程建设、项目管理等资料的统一融合和综合展示；完成工程各类数据与 BIM 模型的融合，实现实时统计分析、历史对比、规划校验、空间变化等功能；将水利规划计划信息通过挂接矢量进行主要属性数据的管理，主要属性包括资金计划、实施及前期科研情况等。

4 结语

现代水利信息技术平台的建设是推进水利信息化建设和现代化管理的必要手段，可实现对水资源的全面掌握和精细管理。湖南省现代水利信息技术平台实践探索有推动水利数字工程的实施和应用、提升水利信息化应用水平、促进水利工程管理现代化等重要意义。本研究通过物联网、 BIM 轻量化引擎、三维地理信息系统、可视化引擎等多种数字孪生技术，构建了一个现代化、智慧化的现代水利信息技术平台，可为水利工程的规划、建造和运行管理提供精细化的全生命周期管理，并发挥更大的综合效益，同时提高河流湖泊等水域的管理能力，提升水利信息化应用水平。

湖南省现代水利信息技术平台的构建对提升现有水利信息系统应用水平，强化水利监管，提高水利事务管理、政务服务能力和决策科学性，促进全省水利现代化、智慧化建设，具有深远的意义。但是依然面临以下 2 个问题[14]：1） 深度感知不足，感知覆盖面和要素内容不全面，尤其在水文监测设施不完善的地方，数据获取更为困难，此外，感知自动化水平不高、通信保障能力不足等问题也依然存在；2） 信息化基础设施薄弱，水利工程服务网络传输能力不足，市（县）级到省级的联网率较低，这些问题都将制约云计算、大数据处理、人工智能等技术应用的发展，此外，基础、影像、模型等数据都需要大量的存储空间，因此物理存储设备和云盘的容量都需要大幅提升。综合以上问题，强化数据采集和处理技术、加强人工智能支持、加大对水利信息技术平台建设基础设施的投入、深入推进网络建设等十分迫切。

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