李百鳳，張乃暢

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

信息化是引領(lǐng)創(chuàng)新和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型的先導(dǎo)力量。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目智慧水土保持系統(tǒng)建設(shè)，旨在實(shí)現(xiàn)水保措施效果的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、三維展示和水保問(wèn)題及時(shí)報(bào)警和處理，科學(xué)評(píng)估水保措施效果，實(shí)現(xiàn)水保實(shí)施效果的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析對(duì)比等，為推動(dòng)項(xiàng)目區(qū)自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境健康可持續(xù)發(fā)展，提供信息服務(wù)和業(yè)務(wù)管理技術(shù)支持。

1 智慧水土保持系統(tǒng)概念

智慧水土保持系統(tǒng)建設(shè)，是把傳感器和裝備嵌入到各種水土保持因素監(jiān)測(cè)設(shè)備中，通過(guò)后端計(jì)算單元、存儲(chǔ)設(shè)備單元、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行單元及安全運(yùn)行單元等設(shè)備為基礎(chǔ)，以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通訊網(wǎng)等通信手段和技術(shù)為連接手段，使用GIS、GPS以及云計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)建立起來(lái)的數(shù)據(jù)感知、有效采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、分析處理、智能控制的信息服務(wù)計(jì)算后臺(tái)，形成水土保持信息的全景直觀的視圖界面，以實(shí)現(xiàn)水土保持監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)，再借助物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)挖掘等新技術(shù)，組合連接監(jiān)測(cè)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和人類社會(huì)，對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)要素實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能識(shí)別，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即時(shí)傳輸和系統(tǒng)存儲(chǔ)，對(duì)海量數(shù)據(jù)智能挖掘和模擬仿真，以更加精細(xì)、及時(shí)、動(dòng)態(tài)、開放的方式實(shí)現(xiàn)水土流失在線監(jiān)測(cè)和水土流失綜合治理措施決策。

2 建設(shè)目標(biāo)

開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目智慧水保系統(tǒng)的目標(biāo)是整合開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)和監(jiān)理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水土保持措施效果的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、三維展示和水保問(wèn)題及時(shí)報(bào)警和處理，科學(xué)評(píng)估水保措施效果。為開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)行最嚴(yán)格的水保管理制度，實(shí)現(xiàn)水保優(yōu)化配置、高效利用和科學(xué)保護(hù)目標(biāo)提供支撐。與傳統(tǒng)的水土保持管理相比，智慧水土保持系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)水保實(shí)施效果的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析對(duì)比，實(shí)現(xiàn)水土保持信息實(shí)時(shí)感知等特點(diǎn)，使水土保持管理更加及時(shí)有效。

(1) 實(shí)現(xiàn)水土保持“三同時(shí)”智能管控。

通過(guò)對(duì)水保項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、投用狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目挖填活動(dòng)造成的水土流失及其防護(hù)情況、違規(guī)棄渣等問(wèn)題進(jìn)行全面監(jiān)控和預(yù)警，主要包括以下2個(gè)方面。① 對(duì)施工區(qū)規(guī)劃的水土保持措施實(shí)施嚴(yán)格管控，確保棄渣場(chǎng)先擋后棄，通過(guò)智能監(jiān)控手段，對(duì)違規(guī)取土棄渣等行為進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。② 對(duì)于施工過(guò)程中出現(xiàn)的水保問(wèn)題及隱患，所有參建人員均可通過(guò)手機(jī)APP上傳至預(yù)警決策平臺(tái)，系統(tǒng)自動(dòng)分配至相關(guān)責(zé)任單位和責(zé)任人，整改落實(shí)完畢后形成工作閉環(huán)。

(2) 實(shí)現(xiàn)水土保持監(jiān)控預(yù)警

施工區(qū)主要監(jiān)控對(duì)象包括：工程邊坡等容易造成水土流失部位的挖填活動(dòng)，工程取土、棄渣等土石方取棄土活動(dòng)，水土流失面積、流失量、流失強(qiáng)度變化情況，工程采取的水土流失防治措施數(shù)量和質(zhì)量、防護(hù)工程的穩(wěn)定性、完好程度和運(yùn)行情況各項(xiàng)防治措施的攔渣保土效果等水土保持措施狀況。通過(guò)安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集得到的環(huán)境數(shù)據(jù)及時(shí)上傳至預(yù)警決策平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)分析和預(yù)警決策。初步建立水電工程建設(shè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系及知識(shí)庫(kù)，實(shí)時(shí)把控工程風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，建立投資風(fēng)險(xiǎn)稽核體系。

(3) 實(shí)現(xiàn)水土保持措施效果自動(dòng)化評(píng)估

核心功能是實(shí)現(xiàn)水保實(shí)施效果的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和反饋分析。整合項(xiàng)目水土保持設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水保措施效果的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、三維展示和水保問(wèn)題及時(shí)報(bào)警和處理，科學(xué)評(píng)估水保措施效果。

(4) 實(shí)現(xiàn)“風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別自動(dòng)化、決策管理智能化”

針對(duì)各管理層級(jí)在工程建設(shè)管理過(guò)程中的不同職責(zé)、不同深度，通過(guò)對(duì)工程建設(shè)各階段的數(shù)據(jù)集成、挖掘、對(duì)比、分析、展示，自動(dòng)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)源，并分級(jí)預(yù)警，形成自下而上的分級(jí)管控，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)分析、自動(dòng)預(yù)警、互動(dòng)決策，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別自動(dòng)化、決策管理智能化。

3 建設(shè)內(nèi)容

智慧水保系統(tǒng)的構(gòu)架主要分為信息感知層、數(shù)據(jù)傳輸處理層、業(yè)務(wù)處理層和預(yù)警決策層。信息感知層起到的作用是利用相關(guān)設(shè)備，實(shí)時(shí)感知水土流失量等變化；數(shù)據(jù)傳輸處理層是將感知的數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互處理和共享；業(yè)務(wù)處理層是利用現(xiàn)代技術(shù)手段，將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析并實(shí)時(shí)處理應(yīng)對(duì)；預(yù)警決策層是評(píng)價(jià)各種風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)強(qiáng)弱程度，向管理者發(fā)出預(yù)警信號(hào)并提前采取預(yù)控對(duì)策的系統(tǒng)。

(1) 信息感知層

信息感知層為一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)提供信息采集功能并可時(shí)刻掌握工程建設(shè)狀態(tài)，利用GPS、RFID、寬頻定位、電子標(biāo)簽、攝像頭等設(shè)備，輔以PDA、電子表單、PC端人工錄入功能，可自動(dòng)獲取工程建設(shè)管理的關(guān)鍵信息。

開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持智慧系統(tǒng)的信息感知層建設(shè)，主要結(jié)合水土保持監(jiān)測(cè)和水土保持監(jiān)理工作建立，借助水土保持監(jiān)理監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，并建設(shè)其他現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備等，實(shí)時(shí)感知工程建設(shè)進(jìn)度、工程建設(shè)擾動(dòng)土地面積、水土流失災(zāi)害隱患、水土流失及造成的危害、水土保持工程建設(shè)情況、水土流失防治效果，以及水土保持工程設(shè)計(jì)、水土保持管理等方面的情況。并在重要的渣場(chǎng)和料場(chǎng)、工程區(qū)域內(nèi)溝道等可能發(fā)生洪水、泥石流等部位設(shè)立定位觀測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可能發(fā)生的影響人們生命財(cái)產(chǎn)安全的水土流失災(zāi)害等情況。

信息感知層將項(xiàng)目?jī)?nèi)的各種水土保持活動(dòng)有機(jī)結(jié)合，有利于提高工作效率、減少人為干擾，為實(shí)現(xiàn)參建各方工程管理數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)共享、及時(shí)反饋提供技術(shù)支持。當(dāng)水土流失災(zāi)害發(fā)生時(shí)，搶險(xiǎn)人員可以通過(guò)移動(dòng)采集模塊，第一時(shí)間向系統(tǒng)提供照片、音頻、視頻、文字及GPS準(zhǔn)確位置等信息，通過(guò)移動(dòng)視頻監(jiān)測(cè)的功能，了解到周圍重點(diǎn)區(qū)域的情況，提高搶險(xiǎn)效率。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸處理層

數(shù)據(jù)管理層是對(duì)感知層信息的集成，包含平臺(tái)所需的基礎(chǔ)空間地理、三維模型、工程圖檔、業(yè)務(wù)流程等方面的數(shù)據(jù)信息。通過(guò)工程建設(shè)管理數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一的空間對(duì)象編碼和工程模型數(shù)據(jù)配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的管理和開發(fā)，以避免不同來(lái)源、不同階段、不同類型的信息出現(xiàn)沖突、孤立、無(wú)法關(guān)聯(lián)等問(wèn)題。同時(shí)，根據(jù)建設(shè)管理需要，可通過(guò)接口控制實(shí)現(xiàn)與項(xiàng)目其他智慧系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。

數(shù)據(jù)傳輸處理層在充分集成利用現(xiàn)有軟、硬件資源的基礎(chǔ)上，集成整合項(xiàng)目的水土保持信息資源，通過(guò)實(shí)施數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)，形成面向各個(gè)參建方數(shù)據(jù)資源匯集的基礎(chǔ)性架構(gòu)，具有數(shù)據(jù)分析統(tǒng)籌全面、數(shù)據(jù)整合與數(shù)據(jù)融合、各方數(shù)據(jù)系統(tǒng)集成共享、數(shù)據(jù)查詢快速響應(yīng)等特點(diǎn)及優(yōu)越性。

(3) 業(yè)務(wù)處理層

業(yè)務(wù)處理層是根據(jù)功能要求來(lái)劃分管理對(duì)象，并作為與建設(shè)單位組織架構(gòu)相銜接的接口，與相關(guān)機(jī)構(gòu)和部門的職能一一對(duì)應(yīng)。該層面主要針對(duì)項(xiàng)目建設(shè)中的重點(diǎn)問(wèn)題，以對(duì)工程狀態(tài)的全面感知、信息的即時(shí)傳達(dá)為基礎(chǔ)，以智能信息系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心，借助物聯(lián)網(wǎng)、三維數(shù)字移交、BIM等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建設(shè)各個(gè)環(huán)節(jié)的高效管控。

業(yè)務(wù)處理層主要分析處理項(xiàng)目區(qū)各項(xiàng)水土流失防治措施，重點(diǎn)處理水土保持方案落實(shí)情況，取土(石)場(chǎng)、棄土(渣)場(chǎng)使用情況及安全要求落實(shí)情況，擾動(dòng)土地及植被占?jí)呵闆r，水土保持措施(含臨時(shí)防護(hù)措施)實(shí)施狀況，水土保持責(zé)任制度落實(shí)情況等。掌握項(xiàng)目區(qū)水土流失狀況和效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)重大水土流失危害隱患并進(jìn)行處理。

業(yè)務(wù)處理層是智慧水土保持系統(tǒng)的核心層，可為各個(gè)參加方提供項(xiàng)目水土保持建設(shè)實(shí)施情況，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映各個(gè)階段的水土流失問(wèn)題，供各參建方發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題并評(píng)價(jià)實(shí)施效果。

(4) 預(yù)警決策層

預(yù)警決策層是利用多終端來(lái)創(chuàng)建沉浸式工程建設(shè)輔助管理和總體決策支持的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，通過(guò)構(gòu)建可視化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信息的快速獲取，同時(shí)滿足與上層公司實(shí)現(xiàn)信息鏈接與共享的需求。

預(yù)警決策主要針對(duì)工程區(qū)泥石流溝道型渣場(chǎng)。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目尤其是水電建設(shè)項(xiàng)目，工程區(qū)域堆渣場(chǎng)地條件較差，常常利用溝道堆渣，溝道堆渣體會(huì)占據(jù)大面積溝道而束窄泥石流流通渠道,將會(huì)改變泥石流運(yùn)動(dòng)特征,產(chǎn)生較嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害。若較大規(guī)模泥石流可能會(huì)引起堆渣體局部失穩(wěn),甚至堵塞溝道進(jìn)而形成更大規(guī)模泥石流,對(duì)工程區(qū)域內(nèi)人民生命及財(cái)產(chǎn)安全和水電站的正常運(yùn)營(yíng)都造成較大威脅。水土保持智慧系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性,可以及時(shí)對(duì)渣場(chǎng)穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)出預(yù)警提示,收到預(yù)警的工作人員可及時(shí)提出處理決策并通過(guò)系統(tǒng)向各相關(guān)人員進(jìn)行命令的下達(dá)，保證渣場(chǎng)的穩(wěn)定性和安全性,避免災(zāi)害的產(chǎn)生或者造成較大的損失。

智慧水土保持預(yù)警決策層的建立，對(duì)于預(yù)防開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失災(zāi)害事件的發(fā)生意義重大。

4 關(guān)鍵技術(shù)

(1) 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與傳輸技術(shù)

運(yùn)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)等IT技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建設(shè)區(qū)域取棄挖填等擾動(dòng)地表活動(dòng)、水土保持措施實(shí)施過(guò)程和實(shí)施效果、棄渣場(chǎng)等監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和管理，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳分類。

智慧水土保持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可借助水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段，如遠(yuǎn)距離測(cè)量、激光掃描、實(shí)時(shí)攝像、徑流泥沙自動(dòng)觀測(cè)、侵蝕過(guò)程數(shù)字化攝影、航天遙感、航空遙感、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)攝像、地面觀測(cè)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高頻自動(dòng)采集、遠(yuǎn)距離信息傳輸、模型化分析處理、數(shù)字化應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)共享。

(2) 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，整合各級(jí)數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建形成布局合理、規(guī)模適中、各種保障有力的大數(shù)據(jù)中心體系，促進(jìn)各種大數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)資源的匯聚應(yīng)用。建設(shè)內(nèi)容包括以下幾部分：① 計(jì)算資源。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器集群、信息數(shù)據(jù)采集前置集群、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)處理集群、中間件軟件服務(wù)器集群、業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用集群。② 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源。數(shù)據(jù)庫(kù)資源池、高并發(fā)數(shù)據(jù)資源池、常規(guī)數(shù)據(jù)資源池、視頻圖片數(shù)據(jù)資源池。③ 容災(zāi)備份資源。用于數(shù)據(jù)庫(kù)備份、文件級(jí)備份、操作系統(tǒng)、塊數(shù)據(jù)級(jí)別備份。建立兩地三中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)災(zāi)備恢復(fù)系統(tǒng)。④ 軟件平臺(tái)資源。服務(wù)器虛擬化系統(tǒng)、超融合系統(tǒng)、大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、云計(jì)算管理平臺(tái)，在PAAS基礎(chǔ)上構(gòu)建完備的軟件平臺(tái)系統(tǒng)。⑤ 網(wǎng)絡(luò)資源?；ヂ?lián)網(wǎng)寬帶及網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)，實(shí)現(xiàn)完備的內(nèi)外網(wǎng)安全設(shè)計(jì)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)資源設(shè)計(jì)等。

(3) GIS空間顯示平臺(tái)技術(shù)

對(duì)數(shù)據(jù)中心層匯總的大數(shù)據(jù)及應(yīng)用層模塊對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多樣化的空間顯示和開發(fā)模擬。平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容可劃分為2個(gè)主體功能部分：大數(shù)據(jù)的空間顯示及系統(tǒng)管理。① 大數(shù)據(jù)的空間顯示，包括中心層存儲(chǔ)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及應(yīng)用層各模塊處理生成信息的空間呈現(xiàn)。顯示的內(nèi)容包括大數(shù)據(jù)中心層存儲(chǔ)的水土流失情況、水土保持措施實(shí)施進(jìn)度形象、實(shí)施效果情況、棄渣場(chǎng)堆渣情況等各模塊對(duì)應(yīng)用層管理模塊基于水利大數(shù)據(jù)處理生成的信息。② 大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)管理，包括大數(shù)據(jù)的支撐管理系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)及變化趨勢(shì)擬合。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，建立相關(guān)模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，通過(guò)在線數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試分析，不斷提高模型準(zhǔn)確性和健壯性，為水土流失措施實(shí)施及項(xiàng)目水土保持管理提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

(4) 信息管理平臺(tái)建設(shè)

集合大量的水土流失預(yù)測(cè)模型，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和模擬， 通過(guò)人工智能決策和系統(tǒng)虛擬仿真， 預(yù)測(cè)不同條件下的水土流失強(qiáng)度，對(duì)水土流失的防治、堆渣體的穩(wěn)定性、山洪和泥石流的防控進(jìn)行智能規(guī)劃和模擬，最終選擇最優(yōu)決策。

信息化是引領(lǐng)創(chuàng)新和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型的先導(dǎo)力量。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目智慧水土保持系統(tǒng)的建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目全過(guò)程信息化監(jiān)控，及時(shí)準(zhǔn)確掌握新增水土流失治理情況?？v觀山區(qū)的開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目，尤其是棄渣量大、場(chǎng)地布置困難、溝道洪水與泥石流發(fā)育的水電建設(shè)項(xiàng)目，因山洪、泥石流造成的財(cái)產(chǎn)損失動(dòng)輒上千萬(wàn)，甚至造成人員傷亡，其損失更是難以計(jì)量。建設(shè)智慧水土保持系統(tǒng)，預(yù)防水土流失災(zāi)害事件的發(fā)生，減小水土流失災(zāi)害造成的人民生命財(cái)產(chǎn)損失，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語(yǔ)

開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目智慧水土保持系統(tǒng)建設(shè)工程，通過(guò)監(jiān)測(cè)感知、數(shù)據(jù)處理、云計(jì)算中心、一體化平臺(tái)的建設(shè)，將工程建設(shè)過(guò)程中的水土保持施工、水土保持監(jiān)測(cè)、水土保持監(jiān)理等所有數(shù)據(jù)、流程進(jìn)行統(tǒng)籌管理、分析、利用，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)管理的信息化、數(shù)字化、智能化，使水土保持管理工作的層次和決策工作更加準(zhǔn)確和智慧。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目全過(guò)程信息化監(jiān)控，推進(jìn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)動(dòng)態(tài)采集與分析，及時(shí)準(zhǔn)確掌握項(xiàng)目水土流失治理情況，全面提升生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持現(xiàn)代化建設(shè)管理水平。