蘇州城區(qū)活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)架構設計

吳志鋼，范子武，洪 磊，甘 琳，謝 忱

（南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

蘇州是長三角一體化國家戰(zhàn)略的核心地，地處太湖流域腹部，區(qū)域地勢平坦，河道交錯縱橫，水系發(fā)達復雜，早些年隨著城市建設速度加快，治污措施不足，城市水環(huán)境、水生態(tài)質(zhì)量飽受威脅。近些年，蘇州高度重視水環(huán)境治理工作，經(jīng)過多年不懈努力，城區(qū)河道污染得到明顯控制，水環(huán)境質(zhì)量得到一定程度改善，在此基礎上，水利部門提出了更高要求的水環(huán)境質(zhì)量目標[1]。按照系統(tǒng)治理、多措并舉的原則，蘇州市提出實施城市中心區(qū)清水工程，主要包括控源截污、源水削污、活水擴面、清淤貫通、生態(tài)清水、長效管理六大任務，其中“活水擴面”中提出建設蘇州市城市中心區(qū)清水工程——城區(qū)活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)[2]。

1 需求分析

蘇州城區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布，閘、泵眾多，為了提高河道實體觀感，對蘇州城區(qū)內(nèi)的水系進行合理智能化調(diào)度至關重要。目前，日常調(diào)度主要依賴于人工，人工調(diào)度統(tǒng)籌兼顧難度大，高質(zhì)量的水環(huán)境引排水需要精準調(diào)度，人工調(diào)度模式難以滿足精準化需求[3]。未來蘇州清水工程全面實施后，城區(qū)形成多水源引水格局，閘泵堰群的聯(lián)合智能化調(diào)度十分復雜，更加依賴精準調(diào)度。目前蘇州已建成蘇州城區(qū)水務工程調(diào)度控制系統(tǒng)，城區(qū)內(nèi)閘、泵、堰基本實現(xiàn)遠程觀看，部門工程實現(xiàn)水位實時觀測。但城區(qū)河道、閘、泵、堰的物聯(lián)網(wǎng)布設及遠程調(diào)控未能達到全覆蓋，控制系統(tǒng)也沒有智能化的模型作指導，仍然無法達到智能化決策調(diào)度。因此亟須建設蘇州城區(qū)活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)，通過建立全覆蓋、多要素空間監(jiān)測預警、調(diào)度和智能決策系統(tǒng)，利用全智能、一鍵化實時在線調(diào)度代替人工調(diào)度[4]，實現(xiàn)閘、泵、堰等水利工程的精準調(diào)度。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 水利工程現(xiàn)狀

水利工程是聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)中不可或缺的要素，目前，蘇州市主城區(qū)節(jié)點水利工程包括澹臺湖、婁江、外塘河、元和塘等10處大包圍樞紐，加上包圍圈沿線小閘站為城區(qū)活水提供了動力需求，閘泵站分布如圖1所示。自流活水工程建設的2座活動溢流堰及婁門堰和閶門堰，協(xié)同城區(qū)內(nèi)已有的閘泵，構成城區(qū)活水調(diào)度工程群。

圖1 蘇州城區(qū)水系及大包圍樞紐位置圖

2.2 監(jiān)測設備現(xiàn)狀

蘇州市生態(tài)環(huán)境局已建10處水質(zhì)自動監(jiān)測設備，監(jiān)測指標包括溫度、溶解氧、pH 值、電導率、濁度，以及部分設備含有的高錳酸鹽指數(shù)和氨氮。監(jiān)測點的部署位置位于白蓮橋、山塘河、中市河、校場橋、胡廂使橋、醋坊橋、渡子橋、裕棠橋、桂花公園、官瀆橋，如圖2所示。為了使每條河道水質(zhì)情況能夠與聯(lián)控聯(lián)調(diào)平臺實時響應，水質(zhì)設備還需增建。

圖2 蘇州市生態(tài)環(huán)境局已建水質(zhì)監(jiān)測設備分布圖

2.3 信息化現(xiàn)狀

與蘇州城區(qū)活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)建設相關的主要是蘇州城區(qū)水務工程調(diào)度控制運行系統(tǒng)和“智水蘇州”，其中蘇州城區(qū)水務工程調(diào)度控制運行系統(tǒng)是目前蘇州河道管理處主要使用的信息化系統(tǒng)，該系統(tǒng)存在5點不足：1）水位、視頻、水質(zhì)監(jiān)測點比較稀疏，無法滿足一鍵調(diào)度需求；2）部分監(jiān)測設備超出維護期，精準度不高；3）部分閘泵站無法實現(xiàn)遠程控制；4）信息采集系統(tǒng)不夠先進，需要改造；5）系統(tǒng)平臺沒有智能化決策支持功能。

“智水蘇州”為在建系統(tǒng)，目前處于一期實施階段。建立活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)平臺是蘇州市實現(xiàn)“智水蘇州”的重要環(huán)節(jié)，“智水蘇州”重點在水，從水安全保障、水資源利用、水環(huán)境改善、水生態(tài)穩(wěn)定、水景觀提升、水文化弘揚、水管理系統(tǒng)、水經(jīng)濟賦能等8個方面管好水并用好水?；钏?lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)平臺受“智水蘇州”的技術規(guī)范約束。因此，在建設活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)平臺時要充分考慮與“智水蘇州”的關系和相互作用：

1）活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)平臺的建設規(guī)劃、技術框架和標準規(guī)范要服從“智水蘇州”總體規(guī)劃，但同時聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)平臺調(diào)度業(yè)務相對獨立，業(yè)務流和模擬計算有特殊的規(guī)范要求，具有相對的自主性。

2）活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)平臺計劃部署在蘇州水務局接入中心，與“智水蘇州”部署地點相同，考慮部分網(wǎng)絡、安全設備復用。

3 系統(tǒng)架構設計

結合已有工作基礎條件和當前信息技術發(fā)展水平，充分利用“智水蘇州”搭建的云平臺，在“智水蘇州”總體規(guī)劃的基礎上，共享數(shù)據(jù)資源交換平臺，構建聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)平臺信息交換和共享渠道，建設活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)，提升城區(qū)水環(huán)境治理與暢流活水的現(xiàn)代化管理水平。

3.1 設計原則

為構建模型云服務并為使用單位提供優(yōu)質(zhì)服務[5]，活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)平臺設計遵循以下4個原則：

1）持標準化、開放性原則。針對目前國內(nèi)市場上各類模型輸入輸出、運行環(huán)境都存在一定的不規(guī)范性，而國家和行業(yè)在這個領域的標準制定上屬于空白，因此本平臺的建設過程中會著重建設模型的運行、描述、輸入輸出等標準規(guī)范，用于指導在平臺上進行模型接入的工作[6]。

2）先進、實用性原則。系統(tǒng)以水利專業(yè)技術為基礎，盡量采用云和并行計算，以及數(shù)據(jù)挖掘等先進的計算機技術，使開發(fā)的系統(tǒng)具有先進的技術體系架構，從而滿足相關單位模型計算的需要。

3）簡便、易用性原則。考慮到用戶的客戶端及使用習慣差異，系統(tǒng)的使用和管理應便于操作，容易使用，以避免不必要的人力和時間耗費。

4）可靠性原則。系統(tǒng)的可靠性設計是在保證功能的前提下，以保障和提高系統(tǒng)可靠性為目的，從組織管理、網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)安全等多方面保障系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。

3.2 設計思路

蘇州城區(qū)活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)的設計同時考慮了項目的整體性和可擴充性，采取如下總體技術思路：

1）打造模型庫生態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)面向模型使用者和提供者，搭建模型運行的云平臺服務，為模型提供良好的模型運行環(huán)境，為模型使用者提供良好的模型計算成果和接口數(shù)據(jù)，能夠將復雜的模型簡化和實用。此外，平臺提供完善的管理方法，能夠為模型的運行提供全方位的管理和監(jiān)控措施[7]，讓用戶能夠安全快捷地訪問本平臺。

本系統(tǒng)中使用的模型為業(yè)務專用模型，經(jīng)過標準化處理，最后歸集到“智水蘇州”統(tǒng)一的模型庫中。

2）統(tǒng)一標準的基礎與應用平臺。系統(tǒng)設計充分考慮到不同使用單位的業(yè)務需求，保證多源數(shù)據(jù)的共享傳輸和各業(yè)務功能交互協(xié)作。另外，滿足系統(tǒng)平臺良好的可維護性與擴展性。因此，系統(tǒng)對接“智水蘇州”，利用基礎資源構建應用業(yè)務平臺。

3）分布式計算設計思想。在模型計算引擎的設計上采用分布式的方案，提供可橫向擴展的計算節(jié)點，通過統(tǒng)一的分布式調(diào)度引擎提供模型運行的總調(diào)度，采用分布式的方式提升模型計算的效率，利用模型云的技術提升模型計算的速度和準確率。

4）基于關系、流數(shù)據(jù)庫的空間和非空間業(yè)務應用數(shù)據(jù)一體化管理?！爸撬K州”已經(jīng)規(guī)劃數(shù)據(jù)匯集共享平臺，具有標準規(guī)范、格式統(tǒng)一的資源中心?；钏?lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)所有采集的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標準匯入“智水蘇州”的數(shù)據(jù)匯集共享平臺。

業(yè)務應用數(shù)據(jù)基于國家標準空間數(shù)據(jù)庫結構，采用關系數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)，可以有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的關聯(lián)和集成。另外，數(shù)據(jù)都以數(shù)據(jù)表或視圖的形式存儲，采用數(shù)據(jù)庫逆向工程的方法提取元數(shù)據(jù)，便于實現(xiàn)基于元數(shù)據(jù)信息資源管理[8]。

此外，為了方便計算和調(diào)用大量的模型輸入、輸出數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)結構的流數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)存儲，通過 OpenTsdb 完成流數(shù)據(jù)的存儲和轉換，為業(yè)務系統(tǒng)提供快捷的調(diào)用方式，并結合關系數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)進行完整的時空展示。

5）基于元數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。元數(shù)據(jù)包含共用基礎數(shù)據(jù)及各業(yè)務應用模塊的信息元數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理為實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)的集成提供便利，同時也為數(shù)據(jù)共享提供支持。

6）面向服務的軟件架構（SOA）的應用。SOA的實施具有以下幾個基本特征：松散耦合、可重用的服務、服務接口設計管理、標準化的服務接口、支持各種消息模式、精準定義的服務契約等?；诖思軜?，系統(tǒng)平臺能很好地對接多目標功能的水利專業(yè)模型及多功能的業(yè)務應用模塊。

3.3 總體構架

活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)構架主要包括以下3個層級：

1）監(jiān)測設備層。應用物聯(lián)網(wǎng)感知技術，構建標準的水位、流量、水質(zhì)、工情等監(jiān)測網(wǎng)絡；根據(jù)活水業(yè)務需求，利用遠程控制技術，對城區(qū)現(xiàn)有水利樞紐工程進行遠程控制改造，增加調(diào)度管理手段；采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺統(tǒng)一技術設計視頻監(jiān)控平臺，將所有視頻監(jiān)控信息匯聚到調(diào)度中心進行統(tǒng)一管理，并采用視頻識別技術增加監(jiān)測手段，輔助物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。

2）支撐平臺層。采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺等先進技術，建立基于工作流、智能表單、消息中間件的業(yè)務流程，集統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫、用戶管理、認證服務、安全保障、系統(tǒng)展示一體的應用支撐平臺。根據(jù)規(guī)劃范圍具體需求，按照相關規(guī)范標準，建設水利地理和工程數(shù)據(jù)庫。構建蘇州城區(qū)水系水文-水動力-水質(zhì)耦合模型，以模型為核心，對接物聯(lián)感知監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合水利工程遠程控制，進行區(qū)域工程調(diào)度優(yōu)化模擬計算。

3）業(yè)務應用層。面向用戶，通過可視化的界面實現(xiàn)用戶的業(yè)務流程操作，如基礎信息查詢、水情實時監(jiān)測、雨情預報預警、涉水工程調(diào)度等應用業(yè)務。

聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)具體構架如圖3所示。

圖3 聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)總體架構圖

3.4 數(shù)據(jù)流程設計

數(shù)據(jù)流程包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、輸入、分析、加工和輸出的全過程，主要分為傳輸和應用流程2個部分。

3.4.1 數(shù)據(jù)傳輸流程

數(shù)據(jù)傳輸流程包括數(shù)據(jù)傳輸體系和采集方式。其中，數(shù)據(jù)傳輸體系包含3個部分內(nèi)容：1）數(shù)據(jù)體，包括業(yè)務、基礎、空間及多媒體等數(shù)據(jù)內(nèi)容；2）傳輸鏈路，有無線、水利和移動專網(wǎng)等傳輸方式；3）傳輸節(jié)點，包括“智水蘇州”平臺中心、終端用戶[9]。數(shù)據(jù)采集方式可以采用人工錄入的方式并定期更新，也可以進行相關信息數(shù)據(jù)的實時采集。

3.4.2 數(shù)據(jù)應用流程

數(shù)據(jù)應用流程包括以下4個部分內(nèi)容：

1）數(shù)據(jù)采集。業(yè)務、地理信息、基礎、多媒體數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)導入獲取。

2）數(shù)據(jù)存儲。平臺信息，數(shù)據(jù)庫中保存業(yè)務、地理信息、基礎、多媒體及實時采集數(shù)據(jù)。

3）應用支撐平臺。提供數(shù)據(jù)管理與查詢，應用支撐平臺將數(shù)據(jù)庫與應用系統(tǒng)隔離，應用支撐平臺負責數(shù)據(jù)的存儲、管理與查詢。

4）應用系統(tǒng)。包括綜合數(shù)據(jù)庫、模型庫，實時監(jiān)控、調(diào)度模型、系統(tǒng)管理，在線預報預警、調(diào)度控制和移動應用等子系統(tǒng)。

3.5 部署構架設計

所有監(jiān)測設備通過接入網(wǎng)絡匯聚并部署在蘇州市水務局的“智水蘇州”物聯(lián)網(wǎng)平臺，并進入數(shù)據(jù)匯集共享平臺，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)匯集共享平臺進行匯聚、存儲、清洗、管理和分析，供應用層業(yè)務系統(tǒng)使用，并以可視化或者服務的形式提供給用戶使用，具體部署構架圖如圖4所示。

圖4 聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)部署架構圖

3.6 總體技術方案

蘇州市城區(qū)活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)平臺集成城市河網(wǎng)水動力-水質(zhì)聯(lián)控聯(lián)調(diào)技術，整合蘇州市水利地理信息數(shù)據(jù)，共享市區(qū)內(nèi)相關基礎地理信息，補充建設城區(qū)水利地理信息；建設水位和水質(zhì)等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及閘站自動監(jiān)控系統(tǒng)，從而建立全覆蓋和多要素空間監(jiān)測預警、調(diào)度和智能決策系統(tǒng)。平臺基于數(shù)據(jù)交換平臺，集成蘇州城區(qū)水文-水動力-水質(zhì)一體化模型，基于調(diào)度情景，提出活水調(diào)度方案/預案集，并進行智能優(yōu)選與調(diào)控；依托“智水蘇州”架構，開發(fā)實時監(jiān)控管理、在線預報預警、調(diào)度模型管理、聯(lián)控聯(lián)調(diào)控制、聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)管理和聯(lián)控聯(lián)調(diào)移動應用等子系統(tǒng)，最終建成一個以城區(qū)活水為中心的先進實用、安全可靠的聯(lián)控聯(lián)調(diào)平臺。具體技術路線如圖5所示。

圖5 聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)技術路線圖

4 結語

蘇州城區(qū)活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)架構設計按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的總體設計要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為主線，加快構建聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)平臺。聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)平臺建成后，利用物聯(lián)感知技術代替人工觀測，實現(xiàn)全智能一鍵化智能決策調(diào)度代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工調(diào)度，充分發(fā)揮清水工程效益。城區(qū)涉水預報精度和預見期大幅提升，河道水位調(diào)控精度誤差大幅降低至厘米級，調(diào)度響應由現(xiàn)狀條件下通過人工操作調(diào)度優(yōu)化至智能化一鍵調(diào)度，通過精準調(diào)度實現(xiàn)重點河道水體清澈，提升蘇州市城區(qū)水利綜合調(diào)度決策能力，完善蘇州水利信息化建設，將進一步實現(xiàn)蘇州城區(qū)水資源高效利用、河網(wǎng)流動性科學合理、水體感觀高品質(zhì)提升，形成水利信息化示范區(qū)，提升水利決策與管理的科學化、精準化、高效化水平，為蘇州新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強力驅動。