楊 志，顧正明

(1.寧夏回族自治區(qū)唐徠渠管理處，銀川 750001；2.廣東凱通軟件開發(fā)有限公司，廣州 510665)

0 引 言

隨著全球物聯(lián)網(wǎng)、云計算、云存儲、智能感知技術(shù)等信息技術(shù)的發(fā)展與深入運用，“智慧”一詞成了一個無所不能的形容詞，同時在多個行業(yè)中被應(yīng)用，產(chǎn)生了“智慧地球”、“智慧城市”、“智慧農(nóng)業(yè)”、“智慧交通”等一系列“智慧”概念。信息化發(fā)展正醞釀著又一次重大變革和突破，更高階段的智慧化發(fā)展已成為必然趨勢[1-3]。與此同時，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國水資源短缺與社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾日益嚴重，對水利行業(yè)也提出了更高的要求，建設(shè)可視化的智能化水利管理系統(tǒng)[4]顯得尤為重要，“智慧水利”成為水利行業(yè)發(fā)展必然趨勢。

唐徠渠是寧夏古老引黃灌區(qū)中一條著名的古渠，也是河套灌區(qū)和寧夏平原一條最大的引黃灌溉水利工程，全長314 km，承擔著6個市縣8萬多hm2農(nóng)田灌溉以及銀川、石嘴山市1萬多hm2湖泊濕地的生態(tài)補水任務(wù)。灌區(qū)內(nèi)的土地大都是寧夏引黃灌區(qū)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基本農(nóng)田，也是全國重要商品糧基地范圍內(nèi)的基本農(nóng)田。但是灌區(qū)信息化基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，信息采集系統(tǒng)落后，沒有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺，數(shù)據(jù)不能共享，灌區(qū)信息采集點單一且數(shù)量少，信息化資源分散，同時，灌區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)種類復(fù)雜，空間相關(guān)性強，實時性要求高[5]，針對唐徠渠管理處信息化建設(shè)的以上問題，將智能感知技術(shù)、3S技術(shù)、云計算云存儲技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及WebGIS等現(xiàn)代科學技術(shù)引進唐徠渠水利工程管理，實現(xiàn)數(shù)字化、自動化和智能化的唐徠渠水利工程建設(shè)和管理，建設(shè)智慧、精準的“數(shù)字唐徠，智慧水利”就顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)總體框架

智慧水利綜合管理信息系統(tǒng)總體分為5個層次，依次為：數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、管理層和集成門戶。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.1 數(shù)據(jù)層

在整個系統(tǒng)的構(gòu)建中，數(shù)據(jù)就像人體的血肉一樣，貫穿于系統(tǒng)的每一個部分。通過多途徑獲取的多種空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)作為水利數(shù)據(jù)的來源，是系統(tǒng)建設(shè)的主要依據(jù)。數(shù)據(jù)層主要包括數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)的存儲三個方面。數(shù)據(jù)的獲取包括以下兩條途徑：首先是水利廳數(shù)據(jù)中心共享的已有數(shù)據(jù)；其次是利用遙感技術(shù)、GPS技術(shù)和智能感知技術(shù)，通過遙感衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、地面監(jiān)測站點以及在水利工程管理對象中設(shè)置的傳感器等智能感知設(shè)備，自動采集灌區(qū)各部門業(yè)務(wù)工作涉及的報水點水位信息、閘門信息、渠道信息、氣象信息、終端水價計量信息、視頻監(jiān)控信息等。數(shù)據(jù)的傳輸是通過Internet、水利廳專網(wǎng)、移動通信網(wǎng)將獲取的實時數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)。由于唐徠渠覆蓋面積大，地形復(fù)雜，在一些特殊的氣候條件下，網(wǎng)絡(luò)通信信號極易受影響，單一的網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)的傳輸將帶來很多不便，因此，綜合應(yīng)用多種傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢互補，建立安全、穩(wěn)定、可靠的傳輸通道，確保數(shù)據(jù)能及時、完整的傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)的存儲是將數(shù)據(jù)進行分類并按照一定的數(shù)據(jù)規(guī)范，將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，確保數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的唯一性、準確性和安全性。

1.2 服務(wù)層

服務(wù)層是數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層的過渡，針對其水利信息的復(fù)雜性，為了全面、高效的管理灌區(qū)各類水利信息，避免信息的重復(fù)、丟失、不一致等問題，必須要將數(shù)據(jù)進行分類，發(fā)布成各種服務(wù)，包括數(shù)據(jù)服務(wù)、地圖服務(wù)、報表服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、自控服務(wù)。定義統(tǒng)一的Web Service服務(wù)接口，利用面向服務(wù)的SOA服務(wù)架構(gòu)在數(shù)據(jù)層和服務(wù)層之間調(diào)用數(shù)據(jù)，完成對各種數(shù)據(jù)的有效的獲取、統(tǒng)一的分發(fā)、多方式的展示、及時性的修改和安全的存儲。

1.3 應(yīng)用層

如果說數(shù)據(jù)層是人體的血肉，那么應(yīng)用層就像人體的器官一樣，每一部分對應(yīng)了系統(tǒng)的一項功能。對于智慧水利綜合管理信息系統(tǒng)，應(yīng)用層主要包括工程管理、灌溉管理、安全生產(chǎn)、電子政務(wù)。應(yīng)用層通過共享平臺提供的各類接口，自動化調(diào)度控制，應(yīng)用富客戶端技術(shù)，針對實際業(yè)務(wù)的需求，構(gòu)建相互關(guān)聯(lián)的、統(tǒng)一的、完整的信息管理功能，實現(xiàn)資源的交互和共享，使得灌區(qū)的管理更加便捷、直觀、統(tǒng)一。

1.4 管理層

管理層是系統(tǒng)最終的管理者和使用者，包括唐徠渠管理處、下屬的管理所、管理段等。對于不同的使用者，系統(tǒng)提供了不同的管理權(quán)限和管理內(nèi)容，滿足不同的與灌區(qū)管理相關(guān)對象的需求?？蓪嵭械臋?quán)限有：系統(tǒng)自管理、遠程設(shè)備管理、用戶權(quán)限管理、元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)質(zhì)量管理。

1.5 集成門戶

集成門戶即系統(tǒng)之門，使各獨立的信息系統(tǒng)融合為一個統(tǒng)一的整體，打破各系統(tǒng)界限進行整合，為唐徠渠管理處各級別用戶提供統(tǒng)一的工作平臺，一次性登錄后不必多次登錄。個性化的首頁展示，各級用戶不必進入各子系統(tǒng)便可獲知工作動態(tài)、通知公告等信息。

2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的“數(shù)字唐徠信息化”管理系統(tǒng)總體設(shè)計為六個“一”的功能架構(gòu)，分別為數(shù)字地圖決策指揮平臺、綜合數(shù)據(jù)分析查詢平臺、智能灌渠專家輔助系統(tǒng)、掌上唐徠移動信息終端、數(shù)字唐徠渠業(yè)務(wù)管理支撐平臺、自動化采集測控平臺，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)六個“一”的功能架構(gòu)

2.1 數(shù)字地圖決策指揮平臺

以門戶“數(shù)字地圖”為入口，基于WebGIS和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，建成數(shù)字地圖決策指揮平臺，整個內(nèi)容以數(shù)字地圖的形式直觀地展示在界面上。實現(xiàn)了灌溉信息一張圖，根據(jù)灌溉情況顯示全灌區(qū)灌溉進度、引用水情況、各支渠的用水量情況、各干渠斷面的水位流量情況等；工程信息一張圖，通過工程節(jié)點圖標顯示全灌區(qū)的工程信息、查看工程全部生命周期的歷史檔案信息；防汛信息一張圖，顯示全灌區(qū)主要洪水來水地點，將滯洪區(qū)、攔洪庫、泄洪閘、防洪溝等對象在地圖上進行標示。點擊對象在左側(cè)顯示詳細信息。啟動某個預(yù)案演示流程：發(fā)現(xiàn)洪水，啟動預(yù)案，開閘泄洪。

2.2 綜合數(shù)據(jù)分析查詢平臺

以門戶“數(shù)據(jù)查詢”為入口，以“大數(shù)據(jù)”應(yīng)用為核心，整合了灌溉、工程、防汛的各個方面的海量數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的實時處理和分析加工，建成綜合數(shù)據(jù)分析查詢平臺，包括灌溉數(shù)據(jù)查詢分析、工程數(shù)據(jù)查詢分析、防汛數(shù)據(jù)查詢分析。灌溉數(shù)據(jù)查詢分析對灌區(qū)斷面水位、支渠水位實時監(jiān)測，對各渠段累計引水量、種植結(jié)構(gòu)、稅費收繳情況進行統(tǒng)計，對農(nóng)田灌溉提供理論指導。工程數(shù)據(jù)查詢分析對各渠段的工程設(shè)施實時監(jiān)控，進行基礎(chǔ)設(shè)施改造情況分析、渠道維修養(yǎng)護工程投資分析、渠道砌護工程完成情況分析、渠道建筑物分布統(tǒng)計分析。防汛數(shù)據(jù)查詢分析是對洪水來水量分析、防汛設(shè)施泄洪能力分析、防汛物資分布情況分析、防汛調(diào)度情況分析，提出防汛預(yù)案。

2.3 數(shù)字唐徠渠業(yè)務(wù)管理支撐平臺

數(shù)字唐徠渠業(yè)務(wù)管理支撐平臺是系統(tǒng)功能架構(gòu)的核心，包括以下四個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)：灌溉管理子系統(tǒng)、工程管理子系統(tǒng)、安全生產(chǎn)管理子系統(tǒng)、防汛管理子系統(tǒng)。數(shù)字唐徠渠業(yè)務(wù)管理支撐平臺主界面如圖3所示。

圖3 數(shù)字唐徠業(yè)務(wù)支撐平臺

2.3.1 灌溉管理

以門戶“灌溉管理”為入口，灌溉管理子系統(tǒng)包括了基礎(chǔ)信息、需水計劃、配水計劃、種植結(jié)構(gòu)、監(jiān)測自控、水量計算、調(diào)度記錄、查詢統(tǒng)計等功能模塊?；A(chǔ)信息涵蓋了唐徠渠所有支渠、斷面、橋梁、涵洞、水閘、渡槽、管線、用水協(xié)會的海量信息；需水計劃的數(shù)據(jù)是一個逐級上報的過程，數(shù)據(jù)由管理處的各管理段上報到各管理所，管理所收集匯總數(shù)據(jù)上報管理處，管理處收集匯總數(shù)據(jù)并上報到水資源管理局，根據(jù)上報結(jié)果生成需水計劃；配水計劃的數(shù)據(jù)是一個逐級下達的過程，數(shù)據(jù)由水資源管理局分配到各管理處，管理處分配到各管理所，管理所分配到各管理段或者各支渠，水資源局根據(jù)各管理處的需水計劃，以及黃委下達的用水量等因素綜合考慮，生成配水計劃，并將該年、月、旬配水計劃下達到各管理處；種植結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)是一個逐級上報的過程，數(shù)據(jù)由管理處的各段上報到各所，所收集匯總數(shù)據(jù)上報處，處收集匯總數(shù)據(jù)并上報到水資源管理局，統(tǒng)計出各管理單位種植結(jié)構(gòu)和各支渠種植結(jié)構(gòu)，計算出灌溉面積，確定灌溉水量；監(jiān)測自控是一個逐級上報的過程，實時監(jiān)測的支渠水位和斷面水位數(shù)據(jù)由管理處的各段上報到各所，所收集匯總數(shù)據(jù)上報管理處，管理處及時對閘門狀態(tài)做出調(diào)整，進行閘門的開和關(guān)，并將收集匯總數(shù)據(jù)上報到水資源管理局，對水位數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，生成歷史告警信息；水量計算也是逐級上報的過程，管理處將各管理所上報的各支渠水量進行統(tǒng)計，方便各管理者查看，同時統(tǒng)計出管理單位日用水量、支渠日用水量、逐日水情、測站時段水位流量，測站平均水位流量；調(diào)度記錄是管理段、所、處及時錄入自己的調(diào)度記錄，并可按照權(quán)限分配查詢；查詢統(tǒng)計是對各水情、用水數(shù)據(jù)進行匯總統(tǒng)計，方便管理人員查看。

2.3.2 工程管理

以門戶“工程管理”為入口，工程管理子系統(tǒng)包括了基礎(chǔ)信息、工程維護、工程建設(shè)等功能模塊?；A(chǔ)信息應(yīng)用GIS技術(shù)，通過地圖、列表兩種方式對唐徠渠管理處建筑物支渠、斷面、橋梁、涵洞、水閘、渡槽、管線、險工段等進行展現(xiàn)，用戶可以根據(jù)所選組織機構(gòu)和所選受益單位檢索各類建筑物；工程維護是針對渠道建筑物包括水閘、橋梁、涵洞、渡槽、直開口等，管理段人員每天會針對這些建筑物進行檢查工作，發(fā)現(xiàn)問題，上報到管理所，管理所匯總數(shù)據(jù)上報到管理處，將維護信息及時統(tǒng)計，方便用戶查詢；工程建設(shè)實現(xiàn)對續(xù)建配套工程、歲修工程、涉外工程、水權(quán)轉(zhuǎn)換工程、綠化工程等信息的增加、刪除、修改、查詢功能。

2.3.3 安全生產(chǎn)管理

以門戶“安全管理”為入口，安全管理子系統(tǒng)包括了安全生產(chǎn)標準化體系、安全檢查、隱患排查治理、安全評估等功能模塊。安全生產(chǎn)標準化體系列出了組織機構(gòu)與職責，以及安全生產(chǎn)標準體系等一切水利法規(guī)；安全檢查是定期對水利設(shè)施進行安全檢查，發(fā)現(xiàn)問題，及時提出整改措施，相關(guān)人員及時解決；隱患排查治理是及時進行隱患排查、處理并記錄，生成歷史隱患排查記錄；安全評估是唐徠渠管理處對各管理所安全生產(chǎn)狀況進行統(tǒng)一評比。

2.3.4 防汛管理

以門戶“防汛管理”為入口，防汛管理子系統(tǒng)包括了防汛組織、防汛設(shè)施、防汛物資等功能模塊。防汛組織列出了防汛領(lǐng)導機構(gòu)、防汛搶險組織、防汛通訊錄，方便各渠段工作者遇到災(zāi)害時及時聯(lián)系到相關(guān)單位人員；防汛設(shè)施和防汛物資是對當前防汛設(shè)備、機械、物資進行統(tǒng)計，方便災(zāi)害發(fā)生時進行調(diào)度。

2.4 掌上唐徠移動信息終端

建成智慧唐徠掌上門戶，包括掌上門戶首頁、掌上門戶水位監(jiān)測界面、斷面水位上報界面和手機門戶配置。掌上門戶首頁內(nèi)容定位：湖泊補水、灌溉進度以及公告通知，內(nèi)容與門戶網(wǎng)站內(nèi)容相同；掌上門戶水位監(jiān)測界面實現(xiàn)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)實時推送到手機模塊；斷面水位上報界面利用手機終端進行斷面水位的定時上報，系統(tǒng)會根據(jù)登錄用戶自動判斷是否有權(quán)限進行水位上報，以及所負責的是哪個斷面的上報，系統(tǒng)會默認最近期的一個上報時間點，以及上一次報水的值作為默認值，盡量減少用戶的點擊操作次數(shù)；手機門戶配置界面可配置用戶信息、密碼修改以及版本更新等輔助功能。

2.5 智能灌渠專家輔助系統(tǒng)

以數(shù)字唐徠渠業(yè)務(wù)管理支撐平臺中灌溉管理子系統(tǒng)中的“灌溉專家輔助系統(tǒng)”為入口的唐徠渠支渠灌溉專家決策系統(tǒng)包括決策流程、實時監(jiān)測、灌溉決策、渠道水量分析、閘門遠程監(jiān)控五個部分。展現(xiàn)灌溉決策的流程，用數(shù)字地圖展示監(jiān)測設(shè)備和種植結(jié)構(gòu)，實時采集土壤墑情等數(shù)據(jù)，建立數(shù)學模型提出灌溉決策進行灌溉。灌溉完成后及時對各渠道的灌溉水量、蒸發(fā)水量及滲漏水量進行統(tǒng)計分析，遠程對閘門狀態(tài)進行監(jiān)控。

2.6 自動化采集測控平臺

以數(shù)字唐徠渠業(yè)務(wù)管理支撐平臺中灌溉管理子系統(tǒng)中的“監(jiān)測自控”為入口，利用光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過光纖傳輸設(shè)備構(gòu)成一個通訊網(wǎng)絡(luò)，對閘門的數(shù)據(jù)信息進行采集、處理、傳輸和控制。

3 功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)基于B/S體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建Oracle超大型企業(yè)級數(shù)據(jù)庫，進行海量水利數(shù)據(jù)的管理，利用JDBC和HIBERNATE技術(shù)對數(shù)據(jù)庫操作進行封裝，使用Java語言編寫程序來調(diào)用。對各類數(shù)據(jù)進行分類，發(fā)布成各種服務(wù)形式，定義統(tǒng)一的Web Service服務(wù)接口，利用面向服務(wù)的SOA服務(wù)架構(gòu)來存取。系統(tǒng)分別配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器，分別用于空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲和水利廳獲取的水利數(shù)據(jù)的存儲。各級用戶主要采用Web瀏覽器的方式來訪問整個應(yīng)用系統(tǒng)。

3.1 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體軟件結(jié)構(gòu)采用MVC體系架構(gòu)，系統(tǒng)技術(shù)體系劃分為5層，表示層，控制層，業(yè)務(wù)邏輯層，數(shù)據(jù)訪問層，存儲層。每層之間使用接口通信，降低層與層之間的耦合度，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)圖

表示層采用JSP、HTML、JavaScript、Flex實現(xiàn)技術(shù)業(yè)務(wù)對用戶的展現(xiàn)，目前主要是Web瀏覽器訪問。

控制層是整個系統(tǒng)的控制中心，用戶的認證與授權(quán)在控制層完成?？刂茖釉谕瓿烧J證和授權(quán)后，預(yù)處理用戶請求信息，根據(jù)處理結(jié)果發(fā)送用戶請求到相應(yīng)的服務(wù)提供者。

業(yè)務(wù)邏輯層是整個系統(tǒng)的核心，業(yè)務(wù)處理在此處完成。業(yè)務(wù)邏輯層接受用戶請求，根據(jù)用戶的請求執(zhí)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯，并把結(jié)果返回給用戶。

數(shù)據(jù)訪問層是對數(shù)據(jù)庫操作的封裝，底層包含JDBC和HIBERNATE；對頻繁查詢的數(shù)據(jù)采用緩存處理，提高系統(tǒng)性能。

業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層之間主要通過Socket、FTP、HTTP、WebService接口等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

4 結(jié) 語

截止到2015年，數(shù)字唐徠信息化管理系統(tǒng)已經(jīng)建成并投入使用。該系統(tǒng)的建成，使唐徠渠管理處所轄灌區(qū)龐大、復(fù)雜的水利數(shù)據(jù)入庫，實現(xiàn)了水利資源的整合及共享，方便各級管理者查詢；利用WebGIS技術(shù)使得灌區(qū)的灌溉、工程、防汛信息直觀地展示在數(shù)字地圖上，實現(xiàn)了水利信息的可視化；同時，所有用戶坐在辦公室，打開電腦，操作鼠標便可獲取實時的雨情、墑情、閘門、渠道、視頻監(jiān)控等信息，進行灌溉決策和閘門狀態(tài)控制，達到了解放勞動力的目的，使得灌溉管理流程更加便捷高效，提高灌溉效率，節(jié)約水資源，也可及時掌握安全隱患，采取防汛措施。徹底解決了傳統(tǒng)水利灌溉中點多、面廣、線長，通訊不便，管理手段落后、粗放，工程效益差，灌溉效率低，“人治”痕跡深，安全管理不合理、不到位造成事故頻發(fā)的問題。

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