智慧水库建设研究

李祥银，位海洪，焦远亭，王 涛

（滕州市水库管理服务中心，山东 枣庄 277533）

水库是国民经济的基础产业和基础设施，长期以来，在防洪、灌溉、供水、养殖、发电和生态环境等方面发挥了重要作用[1]。党的二十大以后，加快推动新阶段水库高质量发展，不断满足人民群众日益增长的水安全、水资源、水生态、水环境和水文化需要，为全面建设社会主义现代化国家、全面推进中华民族伟大复兴提供有力的水安全保障[2]。世界科技发展新形势表明，加强数字孪生、云计算、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术与水库管理的深度融合，是构建智慧水库体系、赋能推动新阶段水库高质量发展的先进引领力和强劲驱动力[3，4]。

1 马河水库概况

马河水库位于山东省滕州市北部，地处淮河流域南四湖水系北沙河上游，1959 年11 月动工兴建，1960 年5 月建成，控制流域面积240 km2，总库容1.38 亿m3，兴利库容0.7 亿m3。水库枢纽工程包括大坝、溢洪道（闸）、放水洞等。

马河水库大坝长3 607 m，最大坝高23.3 m；溢洪道长1 200 m，设3 孔10 m×6.5 m 溢洪闸，最大泄量1 315 m3/s。水库于2004年底完成除险加固，防洪标准按100 a一遇设计、5 000 a一遇校核。马河水库是一座具有防洪、灌溉、供水、养殖、生态环境等综合效益的大型水库，对滕州市经济社会发展起着举足轻重的作用。

2 信息化建设现状和存在的问题

马河水库建有雨水情监测系统、渗流监测系统、位移监测系统、水质监测系统和视频监控系统等简单感知系统，但信息化建设整体水平较低，主要存在以下问题。

（1）缺乏统一规划。马河水库信息化建设因缺乏统一规划，其建设内容不够全面、新技术应用程度不高、应用系统功能模块不完整，仅能满足水库基本管理需要，信息化建设整体水平较低。

（2）缺少统一综合管理平台。马河水库信息化应用系统各自独立运行、互不兼容。各系统的信息不能实现统一管理和应用，形成“信息孤岛”。系统外包括水文、气象等信息也没能并入接口实现共享。因各系统独立应用，故造成运行成本高、使用效率低。马河水库管理急需建设一个能够整合现有应用系统和行业信息资源，实现信息共享和业务协同的统一综合管理平台。

（3）基础信息感知水平低。马河水库现有系统监测点布设少且以单点信息采集为主，智能传感设备、AI图像识别、无人机、无人船等新技术应用少，不满足实际管理需要。因基础感知设施覆盖范围不广、感知内容要素不全，故造成基础信息感知水平低，最终导致信息在发挥效用和实现业务协同等方面存在不足。

（4）技术标准的统一与协调问题。马河水库业务系统较多，因数据多源异构、结构复杂，存在坐标系统统一和数据格式规范化、标准化等问题；因不同设备其接口不同，存在数据交互性问题；因网络层、应用层其类型、行业应用方向不同，存在不同的架构体系和网络协议问题。对此，在智慧水库系统建设中，应首先建立统一的网络架构和技术标准体系，以便综合管理平台数据的对接和系统的研发升级。

3 智慧水库建设架构和主要任务

以运行管理为导向，充分利用新一代数字孪生、AI 图像识别以及云计算、大数据、物联网、移动应用等先进技术，搭建“一张图、一张网、一中心、一平台”的智慧水库全过程管控平台。

3.1 总体架构

根据山东省水利工程标准化管理关于工程状况、安全管理、运行管护、管理保障、信息化建设5个方面的工作要求，结合马河水库管理实际，以运行管理业务和工作管理业务为核心，构建包括运行管理系统、感知体系、数据资源库和移动终端4个部分的马河水库运行管理数字平台架构体系，如图1所示。

图1 马河水库运行管理数字平台架构

3.2 运行管理系统建设

马河水库围绕安全管理、管理保障、运行管理、档案管理、监测分析、管理自评等业务工作设置运行管理系统功能模块，实现水利工程静态数据、动态数据、实时数据的随时查用，确保工程状态可查可控。马河水库运行管理系统架构，如图2所示。

图2 马河水库运行管理系统架构

3.3 感知体系建设

感知体系是系统的信息源。根据马河水库感知体系建设现状，按照实时监测需求，需要补充、完善和增加水位、雨量、蒸发、流量、渗压、变形、水质、闸门工情、视频监控等设备设施。马河水库感知体系架构，如图3所示。

图3 马河水库感知体系架构

3.4 数据资源库建设

数据资源的标准化、规范化是实现数据集成和共享的前提，是信息资源最大限度利用的保障。数据资源库包括静态数据、动态数据和实时监测信息3 种类型的数据资源：静态数据包括工程基本信息、管理单位信息、水库大坝安全责任人、职工培训情况、管护经费、工程划界、管理手册、工程面貌、工程检查、工程监测、观测资料整编分析、年度调度运用计划、年度发生险情、应急管理、闸门试运行、调度运行、大坝注册登记、大坝安全鉴定、维修养护、除险加固等；动态数据包括工程检查、工程监测、大坝巡查、工程问题及处理、水库放水预警、调度运行、维修养护等；实时监测信息通过感知体系进行自动采集。在数据资源库建设过程中，优先利用已有感知体系资源，在合理布局并满足工程运行管理需要的基础上按照相关规范及技术标准进行完善建设。数据资源库可根据自身工作需要合理增减数据项。静态数据通常每年更新1 次（必要时及时更新），动态数据根据实际情况按月、周、日进行更新，实时监测信息通常进行实时更新。马河水库数据资源库架构，如图4所示。

图4 马河水库数据资源库架构

3.5 移动终端建设

移动终端（手机App）是马河水库现场巡查和故障排查的主要手段，内置基础信息查询、实时监测预警、工程巡查管理、调度运行管理、工程安全隐患管理、维修养护管理和日志管理7 个功能模块。马河水库移动终端架构，如图5所示。

图5 马河水库移动终端架构

3.5.1 基础信息查询

基础信息查询模块主要为马河水库提供水利工程基础信息查询服务，为水利工程巡查及隐患排查提供基础信息支撑。

3.5.2 实时监测预警

实时监测预警模块主要包括水位监测、雨量监测、流量监测、水质监测、位移监测等。当需要水位、雨量、流量、水质、位移等实时信息时，可直接调取该模块查看。当实时监测信息超过既定预警数值或巡查发现异常时，可通过AI图像识别并结合大数据系统进行分析，系统将以弹出提示框、发信息、发报警音或报警截图等方式向相关负责人员发送预警提示，相关负责人员无论身处何地，均可在第一时间收到预警信息。

3.5.3 工程巡查管理

工程巡查管理模块具有巡查信息汇总、巡查记录管理、巡查任务管理、巡查人员管理等功能，方便水库监管人员对工程巡查工作进行监管。

（1）巡查信息汇总。对巡查信息进行综合展示；亦可自定义查询条件，按巡查部位、巡查时间对巡查及隐患排查情况进行深入了解。

（2）巡查记录管理。包括巡查列表展示、巡查详情查询、巡查轨迹查询、巡查工作提醒等。

（3）巡查任务管理。对水库运管单位制定的管辖范围内水利工程巡查任务，可通过平台下发至相关责任人。

（4）巡查人员管理。进行巡查人员上报、巡查人员查询。

3.5.4 调度运行管理

调度运行管理模块具有调度信息接收、运行管理过程记录等功能，实现调度任务接收、执行、反馈的“闭环”管理，提高调度运行管理水平。

（1）调度信息接收。运行管理人员可以在移动终端查看需要执行的运行管理任务。

（2）运行管理过程记录。运行管理人员可通过移动终端对水利工程运行过程如闸门启闭前、中、后的运行状况以文字、图、表等形式记录下来并实时上报。移动终端支持拍照、录音、录像及音视频上传。

3.5.5 工程隐患管理

工程隐患管理模块具有工程安全隐患上报、安全隐患跟踪、安全隐患处置、安全隐患核销等功能，实现工程安全隐患发现、跟踪、处置、结束的“闭环”管理，提高工程安全隐患的处理效率，保障水利工程的安全运行。

（1）安全隐患上报。巡查人员对巡查及隐患排查发现的安全隐患，可上报到马河水库运行管理数字平台，平台将自动以短信、系统弹窗等方式下发至马河水库移动终端通知相关安全负责人进行安全隐患问题复核。

（2）安全隐患跟踪。当发现水利工程安全隐患后，运管单位需组织专人对出险部位进行连续观测，并将相关信息反馈到系统平台，实时跟踪工程安全隐患的状态。

（3）安全隐患处置。运管单位可以通过系统查询工程维修养护单位并通知工程维修养护单位对工程安全隐患进行处置。工程安全隐患的处理方式、处理人员信息等内容可录入系统。

（4）安全隐患核销。工程安全隐患处理完成后，运管单位需对工程的安全状态进行检查，并通过系统平台向上级主管部门申请工程安全隐患核销。上级主管部门可通过系统平台查询查看工程安全隐患处理结果，结束工程安全隐患状态，实现工程重新恢复健康状态。

3.5.6 维修养护管理

维修养护管理模块具有水利工程维修养护项目跟踪、维修养护过程记录等功能，实现工程维修养护项目跟踪、记录、结束的“闭环”管理，提升工程维修养护管理的规范化、现代化水平。

（1）维修养护项目跟踪。当水利工程维修养护项目生成后，相关管理单位需组织专人进行现场维修养护，并将相关信息反馈到系统，实时跟踪维修养护项目的进展。

（2）维修养护过程记录。水利工程维修养护过程可以以文字、图、表等形式记录在系统中。

3.5.7 日志管理

日志管理模块主要功能是可对水库运行管理的日志进行查询，即在移动终端上可查询有关日志信息。

3.6 技术标准的统一与协调

3.6.1 数据格式

数据格式采用常用标准格式。物理文件采用PDF、JPG 等不可编辑格式，数据传输采用JSON、XML 等格式。平台通信采用成熟、开放、通用的标准协议与接口。数据交换依托标准化的数据接口，遵循“一数一源”原则，建立统一的安全认证、授权管理和身份认证体系，确保数据的一致性、安全性，实现数据统一交换和共享。

3.6.2 软件平台

马河水库运行管理数字平台采用B/S（浏览器/服务器）架构，通过对软件重新配置、升级，可满足水利工程运行管理长期发展需求。

3.6.3 网络安全

根据《信息安全技术网络安全等级保护基本要求》（GB/T 22239-2019）[5]对系统进行定级，建立防入侵、防病毒、加密、安全认证和访问控制于一体的安全防控体系。

3.6.4 数据集成和系统集成

在马河水库运行管理数字平台建设过程中，按照山东省数据汇集格式要求，充分利用已建系统资源，实现了数据和系统的有效集成，避免了重复投资造成的浪费。

3.6.5 运行环境

本地机房运行环境符合国家现行标准，并在今后较长时期（3～5 a）内技术先进、指标参数不落后、设施设备不淘汰，因此在现有机房运行环境下进行系统部署。

3.6.6 平台界面

平台界面风格友好、直观、相对统一，人机对话提示说明准确、清晰、简洁，空间、文字、图形之间整体均衡、美感。

4 智慧水库建设成效

4.1 满足马河水库标准化管理实际需要

智慧水库建设是依据山东省水利工程标准化管理关于工程状况、安全管理、运行管护、管理保障、信息化建设5 个方面的工作要求，结合马河水库实际构建的水库运行管理数字平台架构体系，建设成果满足马河水库标准化管理实际需要。

4.2 提升马河水库管理水平

智慧水库建设在水文监测、渗流监测、变形监测、水质监测、视频监控、洪水预报预警和资料整编等方面提高了工作效率、降低了管理成本、细化了管理流程；依托先进的数字信息技术，实现了水利工程数据随查随用、工程状态可查可控、管理行为动态监管，提升了马河水库专业化、精细化和标准化管理水平，确保了水库运行安全并充分发挥效益。

4.3 实现马河水库内外资源整合与共享

全面整合马河水库原有系统资源至水库运行管理数字平台，丰富水利工程各类要素，实现水利工程内部信息资源的整合和共享。充分利用水文、气象等部门现有的可利用数据资源和已有的软硬件资源环境，实现了水利工程外部信息资源的整合与共享。移动终端（手机App）的建设，大幅提升了水库业务协同化、智慧化管理和服务水平。

5 结语

智慧水库建设，无论是从水库标准化管理需要方面还是从长远经济社会发展要求方面，都是一项具有显著经济效益和社会效益的战略举措。马河水库作为山东省智慧水库建设试点之一，以云计算、大数据、物联网以及移动应用等先进技术为基础，突破原有系统局限，创新水库管理决策新模式，实现了水库管理从信息化到数字化、智能化的完美转变，为全省智慧水库建设打造出了可复制可推广的标准化效果，同时将有力促进全省水利工程标准化管理水平的进一步提升。