佟保根，梁礼永

（徐州市铜山区水务局，江苏  徐州   221100）

摘  要：近年来水利部积极推进行业智慧建设，部分智慧水利试点工作已初见成效。徐州市铜山区水务局从2016年起，就已开展了水利信息化的建设。到2020年初，经过“智慧水利”一期建设，徐州市铜山区已具备良好的信息化基础，开发了防汛防旱综合服务系统、水利工程管理系统、供排水管理系统、河长制管理系统等各大业务系统。但是一期系统建设仍存在业务应用的协同能力与智慧化水平不足以及信息资源整合不够深入等问题。为此，徐州市铜山区智慧水务综合管理平台建设了两大中台，三个业务模块以及水利大脑，并研究了AI算法在水务活动中的具体使用。综合管理平台的研究实现了水务系统从离散化与信息化到集成化与智慧化的转变。

关键词：智慧水务；综合管理；研究应用

1. 引言

智慧水利是水利信息化发展的新阶段。具体指水利活动利用新一代信息技术，如大数据、物联网、云计算、人工智能等，实现对水利活动的全面感知、互联互通、科学决策、智能应用以及泛在服务^[1]。2018年11月，水利部提出新时期水利工作的总思路和总基调是“水利工程补短板、水利行业强监管”。在水利部的积极推进下，各流域机构与地方水利部门陆续开展了试点性的智慧水利建设。江苏省水利厅完成了机关内网资源整合，并构建了基于统一门户系统与水利资源目录服务的水里云服务中心[2,3]。上海市水务局构建了覆盖全市的雨情自动测报、积水自动监测采集网，与气象、市政、公安、交通、环保等部门形成防汛防台应急指挥联动调度。

徐州市铜山区历来十分重视水利信息化的建设。自2016年起，铜山区全面开展智慧水利建设工作，完成了前端感知设备、水务专网、相关水务数据库以及业务系统的建设。经过两年多的建设，铜山区水务局共建立建成418个视频监控站点、158处自动雨情监测站、108处自动水位监测站、105处预警广播、7处自动水质监测站与8处自动控制闸门，同时，建设了防汛防旱综合服务系统、水利工程管理系统、供排水管理系统、河长制管理系统等业务系统以及相关的业务数据库。铜山区水利业务在信息互联互通、数据采集与视频监控、数据资源管理、业务应用等各方面均有成效。

经过两年的信息化业务系统的使用，水务工作的便捷性与工作效率都得到了极大的提升。但是随着对智慧水利的不断探索与深入思考，铜山区水务局明确了当前铜山区智慧水利建设中存在以下问题亟待进一步解决。

1. 数据缺乏治理，整合深度不足。虽然针对业务需求，建立了各类水利基础数据库和主题数据库，并建设数据共享交换平台。但随着前端监测手段的日益丰富，监测点的日益增多，大数据环境下的数据治理与数据组织缺乏有效的技术手段，导致数据对业务的支撑能力下降。

2. 业务系统独立，协同能力不足。已建业务系统虽然基于统一的应用支撑平台以及数据资源平台，但各业务系统间的协同能力较差，难以充分发挥信息化促进业务水利及业务效率的能力。

3. 业务功能的智能化服务不足。目前业务系统中大量应用仍然停留在数据统计查询的功能层面，对信息资源的深度挖掘以及对业务的智能决策辅助不足，尚不能完全满足各类主题会商决策所需的全面信息服务。

因此，针对上述现象以及存在的问题，铜山区水务局在已有信息化业务系统的基础上，研究并建设了智慧水务综合管理平台。

2. 总体思路

2.1  设计思路

为了提高数据治理能力，平台应充分考虑水务系统中的数据来源与数据形式，设计建设水务数据仓库。在水务数据仓库的基础上，进一步集成整合铜山区本级数据资源，以水资源、水政、水工程管理业务需求驱动水务数据治理。此外，形成高质量的数据资产，对省市乡村水利部门和其他委办数据提供统一的传输接口与数据共享服务。

针对业务应用协同能力不足的问题，平台通过对已有和将建业务功能的深入分析，提取出各个业务服务中通用的、可共享的基础能力和业务模块，如GIS引擎、权限管理等，作为公共基础组件。以公共基础组件为基础，建设业务支撑平台，所有的业务系统将基于水务数据仓库与业务支撑平台建设，提高业务系统间数据互通、协同工作的能力。

针对智能化服务不足的问题，首先分析智能化服务的需求场景，如水务违法行为识别，智能调度与辅助决策等。其次，基于业务支撑平台设计模型存储与智能调度服务，系统可根据需求与当前运行状态，对模型及其所需资源进行自动调整、调度，实现系统资源的充分利用。

2.2  集成整合方案

数据应用的集成整合包括已建应用与数据的接入和新建应用及数据的接入，并通过集成整合框架完成。新建应用按照标准规范进行建设，并与已建应用一样，以微服务的方式注册到应用发布平台中；新建数据与已建数据通过水务数据仓库进行统一汇聚、存储和分析利用。集成整合框架如图1所示。

1.基础设施集成

智慧水务综合管理平台部署在水务局机房云平台上，共享和利用水务局其他已建项目建设的计算和存储资源。平台支持云计算环境下的动态部署方式，可通过应用支撑平台的基础云管理能力按需配置和调度云基础设施资源，实现资源的有效利用，保障服务的安全性和高可用。

2.空间数据集成

平台采集的水务空间专题图层信息，包括如河流、水闸、水库、取水井等地理信息，按照统一格式、坐标系等要求进行加工处理后，完成水利专题数据与水利公共基础地理数据的融合，基于统一的GIS引擎发布地图服务。

3.数据资源集成

智慧水务综合管理平台相关数据包含新建应用数据、已建应用数据、省市水利条线共享数据等。新建应用数据按照水务数据仓库制定的数据管理规范和技术要求进行数据资源的注册和发布，生成数据资源目录，并对外提供数据检索和共享服务；已建应用数据通过数据离线批量同步方式，将历史或新增数据整合到水务数据仓库中，并按要求完成数据资源的注册和发布；对省市水利业务条线共享的数据，可根据实际情况实施数据集成。

4.应用系统集成

新建应用系统统一按照技术开发规范、服务集成规范、数据共享规范和交互设计规范等标准规范要求，基于微服务架构，将系统应用服务注册发布为统一应用服务，供其他业务系统共享；对已建系统，根据实际情况开展系统上云迁移或功能模块的集成整合，可通过微服务封装方式进行服务发布和共享。

5.统一门户集成

通过统一门户建设，整合水利互联网、水利专网和移动端访问入口，并完成用户体系和权限认证的整合改造，实现统一用户和单点登录管理。

 2.3 总体框架

在标准规范与现有安全体系的指导下建设综合管理平台，平台主要包括数据获取、数据传输、数据存储与业务应用四个部分，分别对应前端感知、基础运行、水务数据仓库、业务支撑与应用服务五个体系。系统总体框架如图2所示。

1. 前端感知体系

   前端感知体系由一系列的采集信息的设备组成，包括记录仪，监测站，监控器等。在一期建设的基础上，根据具体业务需求，适当增加视频监控点以及移动采集设备。

1.基础运行环境

系统平台主要依托水务局机房的网络、计算和存储资源，支持弹性扩容，主要提供系统的计算、存储、网络、安全等基础保障。

2.水务数据仓库

建设水务数据仓库，整合水务局内部和外部共享数据，形成按业务过程、公共基础和主题应用分层建立的水务大数据资源体系，编制统一数据资源目录，发布统一数据共享交换服务，逐步建立形成水务大数据开发能力和水务数据资产管理能力。

3.应用支撑平台

应用支撑平台是智慧水务综合管理平台的公共能力聚集平台和智慧使能平台，在公共支撑能力基础上，建立满足水务业务应用需求的公共基础服务，包含统一地图、统一用户、统一视频、统一模型、统一服务等水利应用公共支撑服务，视频图像分析等人工智能应用支持服务，未来可进一步扩展水利专业模型、大数据模型、机器智能、知识图谱等智能支撑能力。

4.应用服务体系

应用服务体系面向水资源管理、水政监察、水工程管理等业务，以丰富、灵活的界面设计和应用组装能力，构建满足业务部门和社会公众需求的业务应用，提供水利大脑、水资源管理应用、水政监察应用、水工程管理应用和移动应用等服务。

5.标准规范体系

编制和完善水务数据共享和业务协同的相关管理和技术标准规范，在建设运行过程中加强标准规范的实施评估，及时组织修订完善，推动标准规范全面贯彻落实。

6.安全保障体系

基于水务局已建的安全保障体系，为智慧水务综合管理平台提供基础环境、网络设施等方面的安全防护，按照等保要求，强化用户授权、认证、审计管理，防范数据遗失和泄露风险，全面保障平台及应用安全。

3. 具体实施

平台通过水务数据仓库集成整合已有数据与新建数据，通过应用中台提供业务支撑、业务集成与业务协同的功能。在此基础上，平台集成了具体的业务应用，以实现水务工作的信息化与智能化。最后，水利大脑充分结合建设应用与数据，提供统计信息的实时展示与智慧管理的功能。

3.1 水务数据仓库

水务数据仓库建设的目的是提高水务数据治理与整合能力，以及对业务平台的数据支撑能力，因此，水务数据仓库在建设时，应包括数据集成、数据存储、数据计算以及数据管理四个功能模块。

数据集成模块负责将铜山区河长制平台、水库管理信息化系统、水资源系统等共享数据集成到中台数据库中，支持CSV数据上传、库表导入以及非结构化数据的文件形式上传等方式。数据存储和计算引擎负责具体异构数据的存储与管理的实现，以及通过编写SQL方式实现对海量数据的分析             和处理。水务数据资产管理通过提供友好使用的、灵活控制的资源目录实现水利数据资源目录的动态可视化管理，同时允许用户创建周期性调度数据的计划，并针对数据接入、清洗、治理与服务，提供了相应的可视化功能，动态展现整体或局部数据资源量、数据变化情况、数据存储情况、数据质量状况等信息。

3.2 应用中台

应用中台即业务支撑平台，是在原有的业务综合管理平台的基础上，对业务需求不断分析，将业务模块分解成原子模块，并提炼出的公共的、基础的应用模块， 以服务的形式对外发布，提高业务模块的复用性以及业务间的协同能力。

通过分析，应用中台主要包含统一地图管理、统一用户管理、统一模型管理、统一视频汇聚和统一服务管理等。统一地图管理整合铜山区河湖、水资源、水政、水工程等业务相关的水利空间数据，为各业务系统提供基础的GIS引擎与地图服务。统一用户管理在现有身份认证系统基础上，建立铜山区水利统一的用户管理体系，包含部门管理、岗位管理、人员管理、角色管理和登录验证等功能。统一模型管理负责各类算法模型的集中整合管理，包括模型注册、计算模块注册、资源注册等。统一视频汇聚整合不同时期建设的视频信息以及外部接入共享的视频信息，提供统一的视频流接入和分发服务。统一服务管理提供业务服务注册、发布、监控、日志、认证等功能。

3.3业务应用

铜山区智慧水务综合管理平台采用微服务架构的模式进行整体设计，以先进的技术架构降低各业务组件和功能模块间耦合的复杂度，充分调度和利用云计算资源能力，确保平台运行的安全、稳定、高效、顺畅。

3.3.1 水资源管理

水资源管理系统基于一期工程的基础，进一步完善水资源数据库以及相应的业务应用。

1.水资源数据库

水资源数据库包含与取水、地下水相关的实时监测信息，水资源业务相关的数据信息、与取水用户、取水工程相关的基础信息，与电子地图相关如行政区划、取水口分布、监测井分布等相关的空间信息等，对应的数据库为实时监测数据库（实时库）、业务数据库（业务库）、基础信息数据库（基础库）、空间数据库。

2.业务应用

业务应用包含“四个一”管理、年度用水计划管理、水资源费征收与水资源报表等功能。“四个一”管理包含日常管理与监督管理两大模块。日常管理负责取水户的基本资料管理、取水许可证办理自动提醒、台账管理。监督管理负责定期对取水企业计量设施运行、台账记录、用水管理等工作进行综合统计分析的功能。年度用水计划管理提供取水户用水计划申报、主管单位取用水审核与考核功能。水资源费征收负责统计取水户取用水量并征收相应的缴纳金额。水资源报表提供数据自动汇总计算以及水资源报表的编制、查询、修改与发布功能，并提供报表模板管理功能，丰富报表样式。

3.3.2 水利工程管理

水利工程管理系统用于实现对水利工程的监测、信息管理、管护巡查等，包含PC端应用和移动端应用。

1.PC端应用

PC端应用包含实时监测信息、水利工程基本信息、视频监控、长效管护巡查、统计分析五大模块。实时监测模块满足工程信息与实时运行情况的查看，并发出调整、调度指令更改运行状态。水利工程基本信息为工作人员提供水利工程的基础信息查询和数据统计服务，包括工程外景照片、多媒体资料、设计图纸、工程结构示意图、技术参数等，并在地图上展示工程的具体分布情况。视频监控模块为已授权用户提供工程实时监控，并且可以控制摄像头等设备，了解关键设备的运行状态。长效管护巡查模块包含巡检、设施养护维修、灾情险情数据上报与管理、险工险段地图标绘处理等功能。统计分析则提供针对长效管护巡查记录、工单、故障记录等项目信息的统计分析，查询结果以数据报表、柱状图、饼图等多种方式进行报表的统计分析，并提供报表的输出打印功能。

2.移动端应用

移动端应用针对水利工程长效管护巡查配套使用，包含日常巡检、计划巡检、巡检结果上报、养护维修上报、灾情险情数据上报等。

3.3.3 水政执法管理

水政执法管理系统主要包含执法监视、执法活动、执法能力、执法管理与指挥调度等功能。

执法监视通过前端监控站点结合AI算法识别以及执法记录仪和巡查APP实时信息，实现违法行为的识别与上报。执法活动模块负责执法巡查案件的上报与受理。执法能力则是负责对执法相关的人员、装备等的管理。执法管理则是对执法案件、制度建设等进行管理。调度指挥则是基于地图服务平台实现对执法人员、装备的实时指挥调度。

3.4 水利大脑

水利大脑基于数据中台和应用中台，汇聚水资源、水利工程、水政系统的业务数据以及实时监控，实施多源数据的深度治理与分析，强化云计算、大数据、人工智能、GIS等技术和业务的融合应用。

水利大脑具有基础的数据展示功能，包括数据统计结果、数据分布情况、业务预警与超期的信息展示等，实现业务间数据充分共享和高效协同，并能够根据个性化的业务需求持续扩展丰富主题内容。水利大脑同时也接入了视频监控数据，包括监控分布、监控信息以及违法行为智能分析功能，在此基础上，提供了违法事件警报功能。此外，紧情发生时，水利大脑也会主动发出警报，并提供实时指挥调度与决策的功能。因而不断提升水利综合管理、决策分析和主动服务的科学化、精细化和智能化水平。 

4. 总结

徐州市铜山区水务信息管理综合平台的研究与开发，首先提供了一套集成整合的框架，不仅实现了已建业务的集成，还具有良好的可扩展性；其次通过应用中台，降低了业务间的耦合，避免了功能模块的重复开发；还通过数据中台实现了多源异构数据的深度整合，并且完善了水资源管理系统、新建水利工程管理系统与水政执法管理系统，丰富了铜山水务信息化系统内容；最后将AI算法引入到智能监测中，实现了从水务信息化到水利智慧化的转变。

参考文献

1. IBM商业价值研究院. 智慧地球[M]. 北京: 东方出版社, 2009.

2. 叶健. 江苏水利信息资源整合共享研究与实践[J]. 水利信息化, 2018, (5): 1-5.

3. 许国艳, 高祥涛, 司存友, 等. 基于水利云的江苏省水利信息资源整合共享研究[J]. 水利信息化, 2017, (6): 37-40.

作者简介：佟保根（1966—）正高级工程师，硕士研究生，从事水务科技网络安全信息化工作。E-mail:t8388@126.com  电话：13815308388