基于互聯(lián)網(wǎng)+的小型水庫“水庫管家”創(chuàng)新服務(wù)模式研究

陳 華，田冰茹，劉炳義，王 俊，香天元，葛曉武

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430072，武漢；2.水利部長江水利委員會水文局，430010，武漢；3.北京太比雅科技股份有限公司，100038，北京）

一、研究背景

小型水庫是國家水網(wǎng)體系的重要節(jié)點(diǎn)，是國家水利工程體系的重要組成部分。但由于產(chǎn)權(quán)不明晰、重建輕管等原因，小型水庫普遍存在管理制度不健全、管理模式落后、信息化基礎(chǔ)設(shè)施薄弱等問題。當(dāng)前條件下，針對小型水庫安全運(yùn)行與管理面臨的困境，傳統(tǒng)的水利工程管理模式和方法無法解決小型水庫安全運(yùn)行與管理存在的問題，科技創(chuàng)新是小型水庫安全運(yùn)行與管理困境破冰的必經(jīng)之路。

近年，我國各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）針對小型水庫信息化管理展開了科技創(chuàng)新模式的探索，貴州省、四川省、浙江省和江蘇省等地建設(shè)了小型水庫群信息化管理平臺，提高了當(dāng)?shù)氐男⌒退畮旃芾硭?。但我國水利工程的信息化管理仍處于起步階段，針對標(biāo)準(zhǔn)化小型水庫集成管理的信息化云平臺研究依舊匱乏。目前信息化在小型水庫中的應(yīng)用集中在水情遙測、洪水預(yù)報(bào)軟件等方面，信息感知分析不足、智能決策程度低、安全監(jiān)測系統(tǒng)不完善、數(shù)據(jù)資源難以信息共享和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題，使小型水庫信息化管理模式應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)。

二、“水庫管家”創(chuàng)新服務(wù)技術(shù)體系

針對小型水庫安全運(yùn)行管理現(xiàn)狀及點(diǎn)多面廣的特性，探索了將互聯(lián)網(wǎng)+和大數(shù)據(jù)技術(shù)融合到小型水庫安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理的各個(gè)環(huán)節(jié)，提出了一種與互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時(shí)代相適應(yīng)的水庫管理科技創(chuàng)新服務(wù)體系新構(gòu)想——水庫管家。水庫管家是以構(gòu)建小型水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理科技創(chuàng)新服務(wù)體系為核心，以提供全方位安全運(yùn)行科技創(chuàng)新服務(wù)為目標(biāo)，以“互聯(lián)、集約、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用”為特征的高效科技創(chuàng)新服務(wù)體系。基于互聯(lián)網(wǎng)＋的“水庫管家”是新一代信息技術(shù)支撐下的水庫管理“科技+服務(wù)”模式，具有高度互聯(lián)、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化、成果應(yīng)用導(dǎo)向和集成創(chuàng)新的特征。

為了實(shí)現(xiàn)小型水庫面向安全運(yùn)行服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化管理，本文集合水文及大壩安全監(jiān)測技術(shù)、水文氣象耦合預(yù)報(bào)、水庫調(diào)度與應(yīng)急預(yù)警等技術(shù)，構(gòu)建了小型水庫“水庫管家”科技創(chuàng)新服務(wù)體系，如圖1 所示。小型水庫“水庫管家”科技創(chuàng)新綜合服務(wù)平臺是依托于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、Web 開發(fā)技術(shù)等信息技術(shù)，以滿足社會化和專業(yè)化的多種小型水庫管理創(chuàng)新模式需求為導(dǎo)向，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)構(gòu)建小型水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理科技創(chuàng)新體系，提供全方位的安全運(yùn)行服務(wù)，集成創(chuàng)新雨水情和工程安全監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備，提供耦合水文氣象的預(yù)報(bào)與調(diào)度方案，具有較好的信息分析深度，可實(shí)現(xiàn)小型水庫的數(shù)值模擬、信息存儲及個(gè)性化服務(wù)?；谠摽萍紕?chuàng)新服務(wù)技術(shù)體系，建設(shè)了集大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)的小型水庫 “水庫管家”智慧云平臺，研發(fā)了面向小型水庫安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理的“水庫管家”智能移動App。

三、“水庫管家”科技創(chuàng)新體系關(guān)鍵支撐技術(shù)

1.面向標(biāo)準(zhǔn)化管理的多源異構(gòu)信息融合技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)+的小型水庫“水庫管家”科技創(chuàng)新服務(wù)模式，一個(gè)核心問題是要解決標(biāo)準(zhǔn)化管理中多源異構(gòu)的水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合問題，如氣象、實(shí)時(shí)水雨情、實(shí)時(shí)工情、災(zāi)情、巡檢以及社會公眾提供的各種不同類型數(shù)據(jù)。這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，給小型水庫安全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)化管理帶來了巨大挑戰(zhàn)。選取了Apache 開源軟件基金會發(fā)布的HDFS 和HBase 存儲小型水庫多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)集，對各類海量數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析、歸類和總結(jié)，實(shí)現(xiàn)小型水庫多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)集存儲，提出一種基于知識與人工智能的多源異構(gòu)信息融合算法，整合小型水庫多源異構(gòu)信息，從而獲取高質(zhì)量的有用知識，為小型水庫安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)管理提供信息化框架服務(wù)。

2.面向小型水庫安全運(yùn)行多源感知監(jiān)測技術(shù)

圖1 小型水庫“水庫管家”科技創(chuàng)新服務(wù)技術(shù)體系

小型水庫安全運(yùn)行監(jiān)測涉及水雨情監(jiān)測和大壩安全監(jiān)測等內(nèi)容，2016 年水利部調(diào)研顯示，僅有50%的小型水庫設(shè)有庫水位監(jiān)測項(xiàng)目，其中能正常運(yùn)行的只有10%，這是由于小型水庫大都位置偏遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)和市電條件差，且數(shù)量眾多，現(xiàn)行很多儀器由于配套設(shè)施要求高以及造價(jià)成本高，不適合在小型水庫大面積推廣應(yīng)用。因此研究和建立適用于小型水庫安全運(yùn)行的多源感知監(jiān)測技術(shù)對于小型水庫安全運(yùn)行具有重要意義。本文提出的小型水庫“水庫管家”智慧云平臺采用了自主研發(fā)的基于圖像識別的非接觸式水位和流量監(jiān)測方法，成功實(shí)現(xiàn)了低成本在線測流問題，流量計(jì)算誤差在5%以內(nèi)，精度達(dá)到了水文測驗(yàn)規(guī)范要求。

3.耦合氣象降雨預(yù)報(bào)的小型水庫入庫洪水預(yù)報(bào)技術(shù)

洪水預(yù)報(bào)和應(yīng)急預(yù)警技術(shù)對小型水庫安全運(yùn)行具有重要作用。然而由于水文資料缺失，小型水庫的入庫洪水預(yù)報(bào)面臨著諸多問題與挑戰(zhàn)，是水庫安全運(yùn)行管理的薄弱環(huán)節(jié)。針對存在的難點(diǎn)問題，在充分挖掘降雨空間分布對小型水庫流域產(chǎn)匯流模式影響機(jī)制的基礎(chǔ)上，深入研究了洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)敏感度的時(shí)空變化規(guī)律，通過構(gòu)建不同時(shí)空尺度下敏感參數(shù)的后驗(yàn)分布，推求參數(shù)分布隨時(shí)間和空間尺度變化的函數(shù)關(guān)系以及參數(shù)區(qū)域化方法，通過鄰近有資料流域的相關(guān)信息，獲取小型水庫控制流域洪水預(yù)報(bào)模型的參數(shù)；針對數(shù)值氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品空間分辨率低、偏差大的問題，提出了降水預(yù)報(bào)的降尺度和偏差訂正技術(shù)，獲取了小型水庫控制流域高分辨率和高精度的降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，以此建立耦合氣象降水預(yù)報(bào)的入庫洪水預(yù)報(bào)方法，主要技術(shù)路線見圖2。

4.智慧云平臺與智能移動App信息技術(shù)

針對小型水庫各業(yè)務(wù)系統(tǒng)相互隔離、縱向上未形成穩(wěn)固的信息根基、橫向上未構(gòu)筑互補(bǔ)的信息橋梁、信息孤島現(xiàn)象突出、應(yīng)用系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)等問題，“水庫管家”智慧云平臺以滿足“三個(gè)責(zé)任人”為根本出發(fā)點(diǎn)，采用BS/MS 混合架構(gòu)開發(fā)，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)制定了小型水庫群統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)，為上層應(yīng)用服務(wù)提供統(tǒng)一運(yùn)行環(huán)境和模型、算法等智慧能力的統(tǒng)一服務(wù)，建設(shè)了一張圖、一個(gè)數(shù)據(jù)中心和一個(gè)綜合管理門戶的智慧云平臺，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源“一數(shù)一源”，一張地圖全域共享，多業(yè)務(wù)共用“一個(gè)平臺”。

圖2 小型水庫徑流模擬方法的技術(shù)路線

在“水庫管家”智慧云平臺的基礎(chǔ)上，研發(fā)了小型水庫智能移動App?！八畮旃芗摇敝悄芤苿覣pp 通過與“水庫管家”智慧云平臺（PC 平臺）協(xié)同，實(shí)現(xiàn)水庫巡查、養(yǎng)護(hù)、保潔、培訓(xùn)等水庫運(yùn)行管理多工作流程協(xié)同。網(wǎng)絡(luò)安全和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系下的 “水庫管家”智慧云平臺與“水庫管家”智能移動App 的總體框架圖略。

四、“水庫管家”應(yīng)用

1.“水庫管家”服務(wù)應(yīng)用模式

小型水庫“水庫管家”科技創(chuàng)新服務(wù)技術(shù)體系響應(yīng)水利部關(guān)于深化小型水庫管理體制改革和智慧水利建設(shè)的要求，經(jīng)過多年的探索與實(shí)踐，在小型水庫管理技術(shù)體系、政府購買服務(wù)、社會化物業(yè)化管理體系等方面，形成了可推廣可復(fù)制的“科技+服務(wù)”的現(xiàn)代化水庫管理模式。為適應(yīng)各級水利主管部門的需求和不同地區(qū)小型水庫多元化管理現(xiàn)狀，“水庫管家”為業(yè)主量身定制了多元化的組合服務(wù)模式，具體包括信息化、物業(yè)化和專業(yè)化等。信息化提供“水庫管家”智慧云平臺和智能移動App 信息化平臺；物業(yè)化是指進(jìn)駐物業(yè)化運(yùn)維隊(duì)伍，通過政府購買服務(wù)對水庫提供巡檢、觀測監(jiān)測（水雨情監(jiān)測）、養(yǎng)護(hù)維護(hù)、現(xiàn)場管理與保潔等服務(wù)；專業(yè)化是指通過與高校、科研院所合作，建立產(chǎn)學(xué)研深度合作模式，建立小型水庫專家問診咨詢服務(wù)。

2.“水庫管家”應(yīng)用典型實(shí)踐

目前，全國已納入“水庫管家”平臺的小型水庫有12 219 座，約占全國小型水庫總數(shù)的13%。應(yīng)用實(shí)踐范圍分布于陜西、貴州、廣東、廣西、福建、江蘇、江西、吉林、遼寧、河南、河北、山東、云南、湖南、湖北、安徽、青海、內(nèi)蒙古等18 個(gè)省份，主要以縣級區(qū)域?yàn)閱卧M(jìn)行應(yīng)用，其中青海、廣東建立了“水庫管家”省級平臺。實(shí)踐證明，水庫管家項(xiàng)目成果能切實(shí)解決小型水庫管理難題，保障小型水庫工程的安全穩(wěn)定，使小型水庫充分發(fā)揮防洪減災(zāi)、水環(huán)境保護(hù)、水資源保護(hù)利用等社會效益、生態(tài)效益及經(jīng)濟(jì)效益；更大限度地保護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，推動新時(shí)代水利高質(zhì)量發(fā)展，為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)提供基礎(chǔ)保障。

五、結(jié)論

針對小型水庫安全運(yùn)行與管理面臨的困境，互聯(lián)網(wǎng)+和大數(shù)據(jù)是當(dāng)今社會新一代信息技術(shù)和服務(wù)業(yè)態(tài)，是實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化和智慧水利建設(shè)目標(biāo)的重要抓手。而“水庫管家”是一種與互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時(shí)代相適應(yīng)的水庫管理科技創(chuàng)新服務(wù)體系的新構(gòu)想，具有以下實(shí)用性：

①水庫管家創(chuàng)新服務(wù)模式將加強(qiáng)和彌補(bǔ)防洪工程體系的薄弱環(huán)節(jié)和短板所在，也將有力促進(jìn)水利現(xiàn)代化的建設(shè)。水利部《加快推進(jìn)新時(shí)代水利現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見》明確提出提升水利管理現(xiàn)代化水平，大力推進(jìn)水利科技創(chuàng)新和全方位推進(jìn)智慧水利建設(shè)。水庫管家創(chuàng)新服務(wù)模式有利于加快基于互聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)設(shè)計(jì)、知識產(chǎn)權(quán)、科技咨詢等水利科技創(chuàng)新服務(wù)向“智慧水利”發(fā)展，培育網(wǎng)絡(luò)化的小型水庫管理服務(wù)新模式，發(fā)展具有高技術(shù)含量和高附加值的小型水庫安全運(yùn)行管理科技服務(wù)平臺。

②從全國小型水庫數(shù)量與分布來看，“水庫管家”創(chuàng)新服務(wù)模式具有極大的潛力和市場空間，互聯(lián)網(wǎng)+、水利現(xiàn)代化、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出，形成龐大的小型水利工程服務(wù)市場規(guī)模，為“水庫管家”創(chuàng)新服務(wù)模式發(fā)展提供了強(qiáng)大的市場驅(qū)動力，如小型水庫大壩白蟻治理，可通過“水庫管家”提供專家遠(yuǎn)程診斷、知識與案例共享，解決地方小型水庫管理專業(yè)人才缺乏的問題。同時(shí)，全國水利信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施已具備一定規(guī)模和水平，為“水庫管家”創(chuàng)新服務(wù)模式發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

③“水庫管家”創(chuàng)新服務(wù)模式將互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、小型水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理、水利科技相融合，可以打破地域條件限制，有利于推動小型水庫管理集約化、標(biāo)準(zhǔn)化管理服務(wù)、社會化物業(yè)服務(wù)體系的建立?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)體系的特點(diǎn)在于應(yīng)用性、系統(tǒng)性和集成性，將其與小型水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理、水利科技融合，使小型水庫有可能通過面向應(yīng)用的模式創(chuàng)新帶動技術(shù)的系統(tǒng)集成創(chuàng)新，擺脫只是簡單搭建平臺的單一局面，實(shí)現(xiàn)小型水庫安全運(yùn)行管理技術(shù)體系的整體跨越式發(fā)展。