河道堤防數(shù)字化管理平臺設(shè)計范文
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1引言
蘭溪市是浙江省18個重點防洪縣市之一，“三江口”以上集雨面積1.82萬km2，多年平均過境水量166.5億m3。“三江”支流縱橫，流域面積大于10km2的河流有34條，其中大于100km2的有5條，下游還受富春江電站的尾水頂托。由于蘭溪市特殊的地理位置，幾乎每年都要發(fā)生不同程度的洪澇災(zāi)害，是全省重點防洪城市之一。目前，蘭溪市堤防經(jīng)過多年建設(shè)和加固，雖然取得了較大進展，河道堤防管理工作也有管護人員及制度的落實，但整個管理工作在方法、手段、工具等方面都還比較落后。2010年1月29日，中央一號文件《中共中央國務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》正式公布。這是新中國成立60年來中共中央首次系統(tǒng)部署水利改革發(fā)展全面工作的決定，文件出臺了一系列針對性強、覆蓋面廣、含金量高的新政策、新舉措。文件中明確提出:推進水利信息化建設(shè)，全面實施“金水工程”，加快建設(shè)國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)和水資源管理信息系統(tǒng)，提高水資源調(diào)控、水利管理和工程運行的信息化水平，以水利信息化帶動水利現(xiàn)代化。
浙江省政府隨之推出了“五水共治”(即治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水)，是推進浙江新一輪改革發(fā)展的關(guān)鍵之策，同時它也對水資源調(diào)控、水利管理的信息化水平提出了更高的要求。國標(biāo)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《堤防工程管理設(shè)計規(guī)范》等法律法規(guī)，都對堤防工程管理設(shè)計提出正規(guī)化、制度化、規(guī)范化等要求，強調(diào)提高現(xiàn)代化管理水平［1］，并明確要求堤防工程管理設(shè)計，應(yīng)與堤防主體工程設(shè)計同步進行［2］。水利信息化建設(shè)是水利行業(yè)管理實現(xiàn)信息共享和資源整合的一項基礎(chǔ)工作。為積極響應(yīng)中央一號文件，響應(yīng)五水共治大政方針，全方位地提升蘭溪市河道堤防管理的綜合水平、實現(xiàn)河道堤防管理的現(xiàn)代化(即數(shù)字化、信息化)和規(guī)范化是十分必要的。
為此，浙江省水利水電勘測設(shè)計院在開展“蘭溪市錢塘江農(nóng)防加固工程”勘測設(shè)計工作的同時，設(shè)計開發(fā)“蘭溪市河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)”，并開展課題“河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)”的研究，該課題被列為浙江省水利廳重點科技項目。“蘭溪市河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)”由管理控制中心和以下9個子系統(tǒng)組成:現(xiàn)地數(shù)字化標(biāo)識監(jiān)測系統(tǒng);移動巡檢辦公系統(tǒng);現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng);便攜式實時視頻監(jiān)視系統(tǒng);水情監(jiān)測系統(tǒng);防洪防汛堤壩安全監(jiān)測系統(tǒng)(即河道堤防水下部分實時檢測系統(tǒng));辦公自動化系統(tǒng);泵站現(xiàn)地計算機、視頻監(jiān)視系統(tǒng);閘站現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng)。管理控制中心將建立河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的管理控制、通信調(diào)度，并實現(xiàn)與上級(各級)河道堤防行政管理部門、上級(各級)防汛指揮調(diào)度中心的通信調(diào)度。能實現(xiàn)河道堤防所有實情數(shù)據(jù)、信息的采集、存儲、共享、交換、、上傳等功能，為相關(guān)部門人員提供準(zhǔn)確、可靠、快捷的數(shù)據(jù)和信息，充分發(fā)揮計算機技術(shù)的功能，實現(xiàn)遠程監(jiān)測監(jiān)視管理、遠程調(diào)度指揮。
2系統(tǒng)平臺設(shè)計原則
蘭溪市河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)平臺的建設(shè)是一項涉及多領(lǐng)域、多學(xué)科、跨行業(yè)、跨部門的項目，系統(tǒng)必須具備開放性、可擴展性，在硬件資源上支持無限的擴展能力，靈活的集成擴展各類先進主機、存儲網(wǎng)絡(luò)設(shè)備;在應(yīng)用軟件上，系統(tǒng)平臺采用當(dāng)前先進的技術(shù)框架、中間件技術(shù)等，建成對外具備各類標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范，對內(nèi)獨立、模塊化、分層設(shè)計，實現(xiàn)可動態(tài)擴展的智慧河道管理應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)平臺的設(shè)計將遵循以下原則。
2.1先進實用GIS是地理信息系統(tǒng)的簡稱，是地理信息技術(shù)三大技術(shù)核心之一，是用于采集，表達，處理，檢索，分析和輸出地理信息的計算機信息系統(tǒng)［3］。系統(tǒng)在開發(fā)過程中結(jié)合先進的GIS技術(shù)、技術(shù)框架、中間件技術(shù)等，并且系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時同步，在很大程度上根據(jù)用戶的需求進行設(shè)計，盡可能使用戶對系統(tǒng)的操作更便捷。
2.2高效穩(wěn)定在系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)過程中，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)措施、軟硬件平臺、技術(shù)服務(wù)和維護能力等方面綜合考慮，確保系統(tǒng)較高的性能和較低的故障率。
2.3保障安全河道資源數(shù)據(jù)屬于國家水利工程核心數(shù)據(jù)，必須保證數(shù)據(jù)的安全和系統(tǒng)的安全。通過數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)上的安全設(shè)計、用戶權(quán)限認(rèn)證、權(quán)限超時處理、內(nèi)網(wǎng)用戶訪問控制、外網(wǎng)用戶域認(rèn)證控制等一系列技術(shù)手段保障河道堤防管理控制系統(tǒng)安全運行。具體包括以下幾個主要方面。
2.3.1訪問控制加強操作系統(tǒng)的用戶管理、權(quán)限管理;限制用戶口令規(guī)則和長度，禁止用戶使用簡單口令，強制用戶定期修改口令;按照登錄時間、登錄方式限制用戶的登錄請求;加強文件訪問控制管理，根據(jù)訪問的用戶范圍，設(shè)置文件的讀、寫、執(zhí)行權(quán)限;對重要資料設(shè)置被訪問的時間和日期。
2.3.2權(quán)限控制和管理按照單位、部門、職務(wù)、工作性質(zhì)等對用戶進行分類，不同的用戶賦予不同的權(quán)限、可以訪問不同的系統(tǒng)、可以操作不同的功能模塊;應(yīng)用系統(tǒng)的權(quán)限實行分級管理，每個系統(tǒng)的管理員自己定義各類用戶對該系統(tǒng)資源的可訪問內(nèi)容。
2.3.3身份驗證通過采用口令識別、數(shù)字認(rèn)證方式，來確保用戶的登錄身份與其真實身份相符，保證數(shù)據(jù)的安全性、完整性、可靠性。
2.4兼容靈活目前系統(tǒng)平臺的架構(gòu)可分為2種:B/S架構(gòu)和C/S架構(gòu)。B/S(Browser/Sever)架構(gòu)是經(jīng)歷了主機(Host)系統(tǒng)、工作站、文件服務(wù)器(Workstation/FileSever)系統(tǒng)兩個階段之后發(fā)展起來的［4］。本項目建設(shè)采用B/S架構(gòu)，具有靈活方便的二次開發(fā)接口、具有良好擴展性、兼容性和靈活方便數(shù)據(jù)接口的平臺，為以后的信息化建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ)。
2.5穩(wěn)定的部署架構(gòu)管理系統(tǒng)具備全天候的河道堤防信息檢測、分析和應(yīng)急處置功能，系統(tǒng)必須優(yōu)化各個環(huán)節(jié)，確保在大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)運算時的響應(yīng)速度和性能。非敏感數(shù)據(jù)的客戶端加密存儲機制，比如一些常用下拉框的數(shù)據(jù)，不需要每次加載都從服務(wù)器端獲取，通過設(shè)定特定的頻率或者清理客戶端緩存的方式來定期更新。提供預(yù)約報表功能，對于復(fù)雜的報表，可以由用戶發(fā)起報表計算請求，或者后臺設(shè)定好計算周期。由系統(tǒng)后臺自動計算好后推送給用戶。以空間換性能的機制預(yù)先準(zhǔn)備好業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)大表。減少交叉查詢的表數(shù)量，提高數(shù)據(jù)查詢效率。提供數(shù)據(jù)倉庫+商業(yè)智能分析功能，對于海量數(shù)據(jù)通過BI查詢來完成。提高海量數(shù)據(jù)處理能力。應(yīng)用服務(wù)器采用雙機負(fù)載均衡機制，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用雙機熱備技術(shù)或者集群技術(shù)。
2.6統(tǒng)一設(shè)計，分步實施，高度集成制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范各子系統(tǒng)間的接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計，分步、分模塊實施開發(fā)，最終全面高度集成。
3系統(tǒng)平臺總體架構(gòu)設(shè)計
考慮到為用戶提供良好的操作環(huán)境以及軟件的重用性，蘭溪市河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)平臺采用B/S架構(gòu)。該系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)包括五個主要層次，自上而下依次為:應(yīng)用層(即系統(tǒng)具體的功能應(yīng)用)、支撐層(即實現(xiàn)應(yīng)用功能具體的軟件支撐)、數(shù)據(jù)層(即數(shù)據(jù)庫內(nèi)容)、硬件與網(wǎng)絡(luò)層(即系統(tǒng)運行的配套硬件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境)、河道感知層(即數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng))。系統(tǒng)的建設(shè)總體上將通過中間件架構(gòu)訪問五個主要架構(gòu)層，實現(xiàn)對各專題服務(wù)之間的相互調(diào)用、相互觸發(fā)與數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)對各種專題服務(wù)的總體集成。
3.1應(yīng)用層采用B/S(Browser/WebServer)結(jié)構(gòu)，基于WebGIS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器應(yīng)用模式和可視化多層次的空間圖形操作界面，為河道管理工作提供基礎(chǔ)信息服務(wù)與管理服務(wù)等功能。蘭溪市河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)平臺主要包括河道基礎(chǔ)信息、水雨情信息、巡檢信息、防汛信息、視頻監(jiān)控、泵閘工程信息、數(shù)字化標(biāo)識信息、應(yīng)急管理體系等服務(wù)。
3.2支撐層為應(yīng)用層的實現(xiàn)提供軟件支撐。具體包括地圖服務(wù)、其他支撐服務(wù)等，是實現(xiàn)功能應(yīng)用的基礎(chǔ)。同時支撐層處于應(yīng)用層與數(shù)據(jù)層之間，為兩者之間的數(shù)據(jù)交互提供安全保障。支撐層主要包括對內(nèi)服務(wù)體系和對外服務(wù)體系，其中對內(nèi)服務(wù)是指由河道管理機構(gòu)負(fù)責(zé)或者委托專業(yè)機構(gòu)負(fù)責(zé)的，專門為河道內(nèi)各部門提供各種帶有一定價值的服務(wù)項目，主要有河道資源對內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)、河道防汛決策服務(wù)、遠程系統(tǒng)通訊服務(wù);對外服務(wù)是指由河道管理機構(gòu)統(tǒng)一負(fù)責(zé)與運作的，專門為河道內(nèi)各部門和其他相關(guān)企業(yè)提供的各種對外信息、交流等服務(wù)，主要有河道對外數(shù)據(jù)服務(wù)、相關(guān)企業(yè)管理服務(wù)、對外信息。
3.3數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類、組織、編碼、存儲、維護等。主要包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及各種應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。蘭溪市河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)平臺主要包括水雨情信息庫、泵閘運行信息庫、防汛信息庫、水情數(shù)據(jù)信息庫、巡檢辦公信息庫、河道基本信息庫、視頻信息庫、系統(tǒng)日志信息庫等。3.4硬件與網(wǎng)絡(luò)層提供支持系統(tǒng)運行的各種硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。除了服務(wù)器、計算機等硬件設(shè)備外，還包括防火墻、網(wǎng)關(guān)、路由器等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，在采集層與數(shù)據(jù)層之間建立一層防御體系，保證數(shù)據(jù)的安全、完整。
3.5河道感知層負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集工作，通過部署在感知層的數(shù)字化標(biāo)識、水位站設(shè)備、視頻設(shè)備等相關(guān)設(shè)備，以及與氣象部門氣象信息的通信，實現(xiàn)對河道各個資源的位置、狀態(tài)、以及環(huán)境參數(shù)、生產(chǎn)信息的全面掌握、智能預(yù)警和敏捷控制，從而真正實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在河道內(nèi)的普及應(yīng)用，為河道智慧化打下堅實的基礎(chǔ)。將數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的格式通過硬件與網(wǎng)絡(luò)層存儲到對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。按照國際電信聯(lián)盟(ITU)的定義，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品到物品(ThingtoThing，T2T)，人到物品(HumantoThing，H2T)之間的互連［5］。
4系統(tǒng)平臺應(yīng)用功能設(shè)計
蘭溪市河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)平臺的應(yīng)用功能主要是針對河道堤防管理者對河道堤防管理日常運維所需要的各類業(yè)務(wù)運行與管理工作提供支撐的信息化體系，主要包含如下部分的內(nèi)容:河道資源基礎(chǔ)信息管理模塊;現(xiàn)地數(shù)字化標(biāo)識管理模塊;現(xiàn)地視頻監(jiān)視模塊;移動巡檢辦公信息管理模塊;便攜式視頻監(jiān)視系統(tǒng)模塊;水情監(jiān)測系統(tǒng)模塊;堤防安全監(jiān)測系統(tǒng)模塊;辦公信息化管理模塊;泵站現(xiàn)地計算機、視頻監(jiān)視系統(tǒng)模塊;閘站現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng)模塊。
4.1河道資源基礎(chǔ)信息管理以數(shù)字化標(biāo)識信息數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，系統(tǒng)在GIS平臺可直觀顯示各水工建筑物的主要信息數(shù)據(jù)，為運行管理人員提供河道、堤防、已建主要水工建筑物(如:橋梁、泵站、水閘、滾水堰等)的相關(guān)屬性數(shù)據(jù)等信息的查詢管理。根據(jù)河道堤防防汛工作的需要，運行管理人員隨時可查詢防汛工作所需要的各類數(shù)據(jù)信息，包括實時水雨情、避災(zāi)安置點、防汛物資、防汛隊伍情況等數(shù)據(jù)，并可以圖表等形式進行資料統(tǒng)計、分析等管理。其主要功能包括:河道基礎(chǔ)信息資料查詢與管理;重要水利工程設(shè)施屬性信息查詢與管理;現(xiàn)地視頻點實時視頻信息查看;水雨情測站水位雨量過程查看;防汛信息資料查詢與管理。點擊需查詢的主要水工建筑物，即可顯示相關(guān)的查看界面。
4.2現(xiàn)地數(shù)字化標(biāo)識管理數(shù)字化標(biāo)識監(jiān)測系統(tǒng)主要通過對河道堤防主要水工建筑物資源信息的編碼的方式，將河道堤防主要水工建筑物(如:泵站、水閘、堤防、滾水堰、橋梁等)的基本特征相關(guān)數(shù)據(jù)進行現(xiàn)地的存儲，實現(xiàn)對主要水工建筑物的標(biāo)簽定位以及聯(lián)網(wǎng)。
4.3現(xiàn)地視頻監(jiān)視管理蘭溪市河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)設(shè)置了14套現(xiàn)地視頻監(jiān)控系統(tǒng)對河道資源、險工險段、河道堤防重點監(jiān)控區(qū)域、河道堤防重要部位、泵站、閘站進行遠程有效的全天候視頻監(jiān)控，運行管理人員可實時監(jiān)督和掌握河道、堤防、已建主要水工建筑物的運行情況及安全狀況，同時為有效應(yīng)對突發(fā)事件提供保障。
4.4移動巡檢辦公信息管理移動巡檢辦公管理系統(tǒng)是一款針對河道堤防建筑工程巡查管理工作而開發(fā)的一套集巡查信息采集、安全隱患上報、匯總信息展示、管理決策分析等多項功能為一體的綜合管理系統(tǒng)。根據(jù)河道堤防日常管理的需要，系統(tǒng)平臺提供對巡檢辦公工作流程的統(tǒng)一管理，如:制定巡檢任務(wù)計劃、巡檢員位置實時監(jiān)控、接受現(xiàn)場巡檢信息并對現(xiàn)場作指揮調(diào)度等。巡檢業(yè)務(wù)流程分為巡檢計劃、巡檢活動、整改跟蹤、統(tǒng)計分析四個過程，過程之間相互銜接，形成整個巡檢工作的閉環(huán)化管理，最終做到有計劃必執(zhí)行、有問題必處理的目的。舉例如下。(1)軌跡地圖在線地圖默認(rèn)顯示巡查人員當(dāng)前位置點，并實現(xiàn)任意時間區(qū)間內(nèi)不同或所有巡查人員的軌跡地圖瀏覽。(2)任務(wù)安排實現(xiàn)河道堤防管理工作人員對巡查員巡檢任務(wù)的派發(fā)。如圖10所示。(3)任務(wù)處理實現(xiàn)河道堤防管理工作人員對巡查員巡檢過程中所發(fā)現(xiàn)問題的查看及意見處理。
4.5便攜式視頻監(jiān)視系統(tǒng)由外業(yè)巡檢管理人員移動巡檢辦公時配套使用，對河道堤防進行遠程視頻監(jiān)控，真正實現(xiàn)對河道堤防的全方位、立體化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的縱深遠程視頻監(jiān)控。
4.6水情監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)在GIS平臺直觀顯示各水文站點信息數(shù)據(jù)，根據(jù)河道堤防日常管理的需要，運行管理人員隨時可查詢各水文站點信息數(shù)據(jù)，并可以圖表等形式進行資料的統(tǒng)計、分析等管理。
4.7堤防安全監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)河道堤防日常管理的需要，河道堤防水下監(jiān)測模塊主要包括對堤防進行實時視頻監(jiān)控，實時監(jiān)測信息展示分析，歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表，監(jiān)測圖片資料上報管理，管理船只巡查路徑管理等部分。運行管理人員隨時可查詢河道堤防水下部分的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，并可以圖表等形式進行資料統(tǒng)計、分析等管理。本系統(tǒng)將提供系統(tǒng)鏈接。
4.8泵閘工程信息管理系統(tǒng)平臺通過以太網(wǎng)(單模光纜)鏈接各泵站現(xiàn)地計算機、視頻監(jiān)視系統(tǒng)和各閘站現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng)，進行實時數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)等的通信，系實現(xiàn)泵閘工程的“遙測、遙調(diào)、遙信、遙視”功能。以下是某一泵站監(jiān)控界面實例如圖13所示。
4.9辦公信息化管理本系統(tǒng)將提供系統(tǒng)鏈接。
5結(jié)語
蘭溪市河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)平臺借助新一代的物聯(lián)網(wǎng)、決策分析優(yōu)化等信息技術(shù)，通過感知化、互聯(lián)化、智能化的方式，將河道資源中的物理基礎(chǔ)設(shè)施、信息基礎(chǔ)設(shè)施、社會基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等連接起來，提高河道管理水平與服務(wù)效率，使之成為可以指揮決策、實時反應(yīng)、協(xié)調(diào)運作的“智慧化系統(tǒng)”。系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了河道管理技術(shù)支撐手段的全面飛躍;引入先進的管理理念，依托先進的技術(shù)支撐手段，建成并完善河道日常管理與應(yīng)用兩大管理體系;依靠河道的智能化兩大服務(wù)體系與兩大管理體系在運行中獲得的河道綜合信息，通過建立對信息的深度利用體系，為河道管理行政單位的規(guī)劃、指導(dǎo)、推進工作提供強有力的信息保障。目前，該項目已根據(jù)設(shè)計的各項要求基本完成調(diào)試，并將在今后蘭溪市河道堤防的實際管理運行中不斷改進完善，為蘭溪市錢塘江農(nóng)防加固工程的安全可靠提供技術(shù)保障。
作者：任健 黃小文 楊駿 單位：浙江省水利水電勘測設(shè)計院