朱昌濤，王雅波，馬 闊

（1.山東省水利勘測設(shè)計院有限公司，山東 濟南 250014；2.濟南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟南 250000；3.山東省水利工程局有限公司，山東 濟南 250013）

小清河流域位于魯北平原南部，干流全長229 km，自西向東流經(jīng)濟南、濱州、淄博、東營、濰坊5 個市的12 個縣（市、區(qū)），在壽光市羊口鎮(zhèn)匯入萊洲灣。流域水系復(fù)雜，支流眾多，且多是山洪型河道，比降上陡下緩，遇到降雨天氣，河道來水急。小清河又是條平原河道，洪水往下演進相對較慢，匯入后極易引起干流水位快速上升，造成較大防洪壓力。因此，加強建設(shè)小清河自動化調(diào)度指揮系統(tǒng)建設(shè)，推動流域數(shù)字化管理，以全面提升小清河水旱災(zāi)害防御能力。

1 建設(shè)目標(biāo)及原則

1.1 建設(shè)目標(biāo)

在智慧水利建設(shè)以及大數(shù)據(jù)等高新前沿技術(shù)快速發(fā)展的背景下，緊扣防洪除澇綜合治理目標(biāo)和流域內(nèi)洪水的統(tǒng)一調(diào)度指揮工作需求，整合已有資源，以防洪調(diào)度業(yè)務(wù)為核心，以預(yù)報、演進、調(diào)度、風(fēng)險分析為重點，以自動化控制為手段，以硬件基礎(chǔ)設(shè)施和傳輸網(wǎng)絡(luò)為載體，以監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)為支撐，構(gòu)建精準(zhǔn)高效、信息整合、輔助決策的系統(tǒng)。

1.2 建設(shè)原則

1）支撐決策，安全實用。系統(tǒng)的建設(shè)能提高洪水預(yù)報與調(diào)度能力，加強工程之間的聯(lián)合調(diào)度，以防汛、抗旱等業(yè)務(wù)為核心，建設(shè)小清河流域水災(zāi)害防御業(yè)務(wù)應(yīng)用。以安全為根本，以需求為導(dǎo)向，以實用為原則，從前端基礎(chǔ)感知、硬件支撐環(huán)境、物聯(lián)通信、數(shù)據(jù)處理、業(yè)務(wù)應(yīng)用等方面保障系統(tǒng)安全。

2）補齊短板，快速提升。要先補齊當(dāng)前在基礎(chǔ)設(shè)施、信息采集、計算機通信網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用服務(wù)支撐、應(yīng)用服務(wù)等多方面存在的短板。圍繞防汛抗旱調(diào)度指揮業(yè)務(wù)，充分運用新一代信息技術(shù)，快速提升流域水災(zāi)害防治能力。

3）整合資源，先進智能。充分整合山東省水利信息化已有各項資源。應(yīng)用先進的信息技術(shù)，強化水利基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)資源、業(yè)務(wù)應(yīng)用的整合集約與成果復(fù)用。結(jié)合防汛抗旱調(diào)度業(yè)務(wù)實際，確保系統(tǒng)建設(shè)的實用性、智能性和可操作性。

4）服務(wù)全局，突出重點。從服務(wù)于小清河流域相關(guān)水利業(yè)務(wù)、全面提升防汛抗旱整體能力出發(fā)，兼顧跨流域調(diào)水和航運交通，但要突出強化水利工程之間的聯(lián)合調(diào)度應(yīng)用，重點建設(shè)水災(zāi)害防御智能應(yīng)用。

2 總體架構(gòu)

2.1 信息采集與傳輸

信息采集主要接收前端監(jiān)測信息，由視頻監(jiān)控、雨量、水位、流量、閘泵站監(jiān)控監(jiān)測等組成，建設(shè)成覆蓋庫、閘、站、河的天地一體化監(jiān)測體系。

2.2 云節(jié)點硬件資源層

云節(jié)點硬件資源層主要是機房網(wǎng)絡(luò)、計算所需資源、存儲所需資源和安全相關(guān)設(shè)備等，為系統(tǒng)提供運行環(huán)境。基于已建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)資源，升級優(yōu)化業(yè)務(wù)外網(wǎng)、業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)。

2.3 數(shù)據(jù)資源管理平臺

數(shù)據(jù)資源管理平臺包含數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)治理由通用數(shù)據(jù)匯集、空間數(shù)據(jù)匯集和數(shù)據(jù)收集處理組成。數(shù)據(jù)存儲包含業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫、元數(shù)據(jù)庫、ODS數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫等組成。數(shù)據(jù)管理包含數(shù)據(jù)空間管理、元數(shù)據(jù)、目錄管理、數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)質(zhì)量組成等。數(shù)據(jù)服務(wù)包含通用數(shù)據(jù)服務(wù)、專題數(shù)據(jù)服務(wù)、大數(shù)據(jù)服務(wù)、空間數(shù)據(jù)服務(wù)和數(shù)據(jù)減緩共享等組成。

2.4 應(yīng)用支撐平臺

應(yīng)用支撐平臺由公共服務(wù)和基礎(chǔ)支撐服務(wù)組成，具體包含MQ、ETL、Cache、身份認(rèn)證、規(guī)則引擎、模型計算、預(yù)報、系統(tǒng)日志、查詢統(tǒng)計、調(diào)度、GIS 等服務(wù)。

2.5 業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)

業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)按照功能應(yīng)用劃分系統(tǒng)模塊，主要包括水雨情服務(wù)、洪水預(yù)報預(yù)警、防洪調(diào)度、風(fēng)暴潮預(yù)報預(yù)警、數(shù)據(jù)維護、系統(tǒng)管理等，各系統(tǒng)模塊相互支持，相輔相成，協(xié)同實現(xiàn)流域洪水預(yù)報調(diào)度一體化系統(tǒng)化管理。系統(tǒng)以電子地圖、各類數(shù)據(jù)庫、前端監(jiān)測信息、相關(guān)水動力模型、數(shù)據(jù)模型為支撐，將模型和系統(tǒng)緊密融合，通過人機交互的方式，實現(xiàn)雨量、水位、工情等信息監(jiān)視、流域防洪形勢分析、預(yù)報調(diào)度計算、調(diào)度方案展示、調(diào)度方案比較等功能，有效支持小清河流域防洪調(diào)度決策。

2.6 接入層

接入層建立起用戶與系統(tǒng)應(yīng)用之間的鏈接，包含水利業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)門戶、水利業(yè)務(wù)外網(wǎng)門戶、客戶端和移動APP。

3 建設(shè)成效

3.1 基本建成流域數(shù)字場景

以構(gòu)建小清河數(shù)字孿生流域為目標(biāo)，建設(shè)覆蓋全流域的三維數(shù)字流域。整合與集合小清河流域現(xiàn)有水文、工程、視頻、遙測等信息，補充重點工程和關(guān)鍵部位監(jiān)測站點，形成一套覆蓋全流域的監(jiān)測感知體系，實現(xiàn)流域內(nèi)11 個排澇泵站及干線和分洪道的27 個控制閘站遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)度。同時依托GIS 平臺，結(jié)合小清河業(yè)務(wù)管理需求，融合整理基礎(chǔ)的地理數(shù)據(jù)、監(jiān)測感知數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)，構(gòu)建了小清河流域“一張圖”。

3.2 初步實現(xiàn)智慧化模擬

整合流域內(nèi)206 個實時水情監(jiān)測點位，結(jié)合實時氣象信息，將地理信息與水雨情信息進行耦合，基本實現(xiàn)了對流域內(nèi)預(yù)見期的降雨，河道的水位、流量等信息的有效預(yù)報；分析研究流域歷年洪水組成、流域內(nèi)水庫防洪庫容及工程聯(lián)合防洪調(diào)度，形成科學(xué)精細(xì)、詳實可靠的水工程聯(lián)合調(diào)度預(yù)案。

基于機器學(xué)習(xí)模型和知識圖譜分析，使調(diào)度方案具備流域防洪調(diào)度背景場次相似性分析、防洪調(diào)度方案推薦、防洪調(diào)度方案自學(xué)習(xí)等功能；內(nèi)置不同機理的洪水預(yù)報模型與方案，支持系統(tǒng)以自動方式和人機交互模式進行洪水預(yù)報計算與分析，基于三維數(shù)字化場景，實現(xiàn)小清河流域內(nèi)8 座水庫的入庫流量、庫水位以及河道水位洪水演進分析，實現(xiàn)洪水到達和淹沒情況的及時預(yù)警，以可視化方式展示洪水預(yù)報和防洪調(diào)度結(jié)果。

3.3 逐步完善精細(xì)化決策功能

根據(jù)實時的雨量、水位、預(yù)報數(shù)據(jù)等，在已有的防洪調(diào)度預(yù)案基礎(chǔ)上，通過人機交互的方式，自動生成防洪調(diào)度方案，對防洪調(diào)度工作的流轉(zhuǎn)、綜合會商等起到支撐作用，調(diào)度方案生成基于機器學(xué)習(xí)模型和知識圖譜分析，具備流域防洪調(diào)度背景場相似性分析、防洪調(diào)度方案推薦、防洪調(diào)度方案自學(xué)習(xí)等功能。

3.4 積極探索智慧流域建設(shè)

研究了虛擬現(xiàn)實等前沿技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用，以小清河流域水行政管理范圍為邊界，以水利工程管理業(yè)務(wù)為主線，以預(yù)報預(yù)警為重要環(huán)節(jié)，對小清河流域水利工程管理活動進行全息精準(zhǔn)化模擬，借助AR 和VR 技術(shù)，融合水利專業(yè)模型、可視化模型和數(shù)學(xué)模擬，對部分重點水利工程開展三維仿真場景建設(shè)，實現(xiàn)工程運行管理活動的真實模擬，為未來智慧流域建設(shè)提供前期準(zhǔn)備。