基于物联网的数字唐徕信息化管理系统设计与实现

杨 志，顾正明

(1.宁夏回族自治区唐徕渠管理处，银川 750001；2.广东凯通软件开发有限公司，广州 510665)

0 引 言

随着全球物联网、云计算、云存储、智能感知技术等信息技术的发展与深入运用，“智慧”一词成了一个无所不能的形容词，同时在多个行业中被应用，产生了“智慧地球”、“智慧城市”、“智慧农业”、“智慧交通”等一系列“智慧”概念。信息化发展正酝酿着又一次重大变革和突破，更高阶段的智慧化发展已成为必然趋势[1-3]。与此同时，随着国民经济的发展，我国水资源短缺与社会经济发展的矛盾日益严重，对水利行业也提出了更高的要求，建设可视化的智能化水利管理系统[4]显得尤为重要，“智慧水利”成为水利行业发展必然趋势。

唐徕渠是宁夏古老引黄灌区中一条著名的古渠，也是河套灌区和宁夏平原一条最大的引黄灌溉水利工程，全长314 km，承担着6个市县8万多hm2农田灌溉以及银川、石嘴山市1万多hm2湖泊湿地的生态补水任务。灌区内的土地大都是宁夏引黄灌区高产稳产的基本农田，也是全国重要商品粮基地范围内的基本农田。但是灌区信息化基础设施薄弱，信息采集系统落后，没有统一的网络平台，数据不能共享，灌区信息采集点单一且数量少，信息化资源分散，同时，灌区的监测数据量大，数据种类复杂，空间相关性强，实时性要求高[5]，针对唐徕渠管理处信息化建设的以上问题，将智能感知技术、3S技术、云计算云存储技术、物联网技术以及WebGIS等现代科学技术引进唐徕渠水利工程管理，实现数字化、自动化和智能化的唐徕渠水利工程建设和管理，建设智慧、精准的“数字唐徕，智慧水利”就显得尤为重要。

1 系统总体框架

智慧水利综合管理信息系统总体分为5个层次，依次为：数据层、服务层、应用层、管理层和集成门户。系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架

1.1 数据层

在整个系统的构建中，数据就像人体的血肉一样，贯穿于系统的每一个部分。通过多途径获取的多种空间数据和属性数据作为水利数据的来源，是系统建设的主要依据。数据层主要包括数据的获取、数据的传输和数据的存储三个方面。数据的获取包括以下两条途径：首先是水利厅数据中心共享的已有数据；其次是利用遥感技术、GPS技术和智能感知技术，通过遥感卫星、气象卫星、地面监测站点以及在水利工程管理对象中设置的传感器等智能感知设备，自动采集灌区各部门业务工作涉及的报水点水位信息、闸门信息、渠道信息、气象信息、终端水价计量信息、视频监控信息等。数据的传输是通过Internet、水利厅专网、移动通信网将获取的实时数据与数据库相关联。由于唐徕渠覆盖面积大，地形复杂，在一些特殊的气候条件下，网络通信信号极易受影响，单一的网络为数据的传输将带来很多不便，因此，综合应用多种传输网络，通过网络优势互补，建立安全、稳定、可靠的传输通道，确保数据能及时、完整的传输到数据库。数据的存储是将数据进行分类并按照一定的数据规范，将数据存储到数据库中，确保数据在数据库中的唯一性、准确性和安全性。

1.2 服务层

服务层是数据层和应用层的过渡，针对其水利信息的复杂性，为了全面、高效的管理灌区各类水利信息，避免信息的重复、丢失、不一致等问题，必须要将数据进行分类，发布成各种服务，包括数据服务、地图服务、报表服务、应用服务、自控服务。定义统一的Web Service服务接口，利用面向服务的SOA服务架构在数据层和服务层之间调用数据，完成对各种数据的有效的获取、统一的分发、多方式的展示、及时性的修改和安全的存储。

1.3 应用层

如果说数据层是人体的血肉，那么应用层就像人体的器官一样，每一部分对应了系统的一项功能。对于智慧水利综合管理信息系统，应用层主要包括工程管理、灌溉管理、安全生产、电子政务。应用层通过共享平台提供的各类接口，自动化调度控制，应用富客户端技术，针对实际业务的需求，构建相互关联的、统一的、完整的信息管理功能，实现资源的交互和共享，使得灌区的管理更加便捷、直观、统一。

1.4 管理层

管理层是系统最终的管理者和使用者，包括唐徕渠管理处、下属的管理所、管理段等。对于不同的使用者，系统提供了不同的管理权限和管理内容，满足不同的与灌区管理相关对象的需求。可实行的权限有：系统自管理、远程设备管理、用户权限管理、元数据与数据质量管理。

1.5 集成门户

集成门户即系统之门，使各独立的信息系统融合为一个统一的整体，打破各系统界限进行整合，为唐徕渠管理处各级别用户提供统一的工作平台，一次性登录后不必多次登录。个性化的首页展示，各级用户不必进入各子系统便可获知工作动态、通知公告等信息。

2 系统功能架构

基于物联网的“数字唐徕信息化”管理系统总体设计为六个“一”的功能架构，分别为数字地图决策指挥平台、综合数据分析查询平台、智能灌渠专家辅助系统、掌上唐徕移动信息终端、数字唐徕渠业务管理支撑平台、自动化采集测控平台，如图2所示。

图2 系统六个“一”的功能架构

2.1 数字地图决策指挥平台

以门户“数字地图”为入口，基于WebGIS和物联网等技术，建成数字地图决策指挥平台，整个内容以数字地图的形式直观地展示在界面上。实现了灌溉信息一张图，根据灌溉情况显示全灌区灌溉进度、引用水情况、各支渠的用水量情况、各干渠断面的水位流量情况等；工程信息一张图，通过工程节点图标显示全灌区的工程信息、查看工程全部生命周期的历史档案信息；防汛信息一张图，显示全灌区主要洪水来水地点，将滞洪区、拦洪库、泄洪闸、防洪沟等对象在地图上进行标示。点击对象在左侧显示详细信息。启动某个预案演示流程：发现洪水，启动预案，开闸泄洪。

2.2 综合数据分析查询平台

以门户“数据查询”为入口，以“大数据”应用为核心，整合了灌溉、工程、防汛的各个方面的海量数据，进行数据的实时处理和分析加工，建成综合数据分析查询平台，包括灌溉数据查询分析、工程数据查询分析、防汛数据查询分析。灌溉数据查询分析对灌区断面水位、支渠水位实时监测，对各渠段累计引水量、种植结构、税费收缴情况进行统计，对农田灌溉提供理论指导。工程数据查询分析对各渠段的工程设施实时监控，进行基础设施改造情况分析、渠道维修养护工程投资分析、渠道砌护工程完成情况分析、渠道建筑物分布统计分析。防汛数据查询分析是对洪水来水量分析、防汛设施泄洪能力分析、防汛物资分布情况分析、防汛调度情况分析，提出防汛预案。

2.3 数字唐徕渠业务管理支撑平台

数字唐徕渠业务管理支撑平台是系统功能架构的核心，包括以下四个业务子系统：灌溉管理子系统、工程管理子系统、安全生产管理子系统、防汛管理子系统。数字唐徕渠业务管理支撑平台主界面如图3所示。

图3 数字唐徕业务支撑平台

2.3.1 灌溉管理

以门户“灌溉管理”为入口，灌溉管理子系统包括了基础信息、需水计划、配水计划、种植结构、监测自控、水量计算、调度记录、查询统计等功能模块。基础信息涵盖了唐徕渠所有支渠、断面、桥梁、涵洞、水闸、渡槽、管线、用水协会的海量信息；需水计划的数据是一个逐级上报的过程，数据由管理处的各管理段上报到各管理所，管理所收集汇总数据上报管理处，管理处收集汇总数据并上报到水资源管理局，根据上报结果生成需水计划；配水计划的数据是一个逐级下达的过程，数据由水资源管理局分配到各管理处，管理处分配到各管理所，管理所分配到各管理段或者各支渠，水资源局根据各管理处的需水计划，以及黄委下达的用水量等因素综合考虑，生成配水计划，并将该年、月、旬配水计划下达到各管理处；种植结构的数据是一个逐级上报的过程，数据由管理处的各段上报到各所，所收集汇总数据上报处，处收集汇总数据并上报到水资源管理局，统计出各管理单位种植结构和各支渠种植结构，计算出灌溉面积，确定灌溉水量；监测自控是一个逐级上报的过程，实时监测的支渠水位和断面水位数据由管理处的各段上报到各所，所收集汇总数据上报管理处，管理处及时对闸门状态做出调整，进行闸门的开和关，并将收集汇总数据上报到水资源管理局，对水位数据进行统计，生成历史告警信息；水量计算也是逐级上报的过程，管理处将各管理所上报的各支渠水量进行统计，方便各管理者查看，同时统计出管理单位日用水量、支渠日用水量、逐日水情、测站时段水位流量，测站平均水位流量；调度记录是管理段、所、处及时录入自己的调度记录，并可按照权限分配查询；查询统计是对各水情、用水数据进行汇总统计，方便管理人员查看。

2.3.2 工程管理

以门户“工程管理”为入口，工程管理子系统包括了基础信息、工程维护、工程建设等功能模块。基础信息应用GIS技术，通过地图、列表两种方式对唐徕渠管理处建筑物支渠、断面、桥梁、涵洞、水闸、渡槽、管线、险工段等进行展现，用户可以根据所选组织机构和所选受益单位检索各类建筑物；工程维护是针对渠道建筑物包括水闸、桥梁、涵洞、渡槽、直开口等，管理段人员每天会针对这些建筑物进行检查工作，发现问题，上报到管理所，管理所汇总数据上报到管理处，将维护信息及时统计，方便用户查询；工程建设实现对续建配套工程、岁修工程、涉外工程、水权转换工程、绿化工程等信息的增加、删除、修改、查询功能。

2.3.3 安全生产管理

以门户“安全管理”为入口，安全管理子系统包括了安全生产标准化体系、安全检查、隐患排查治理、安全评估等功能模块。安全生产标准化体系列出了组织机构与职责，以及安全生产标准体系等一切水利法规；安全检查是定期对水利设施进行安全检查，发现问题，及时提出整改措施，相关人员及时解决；隐患排查治理是及时进行隐患排查、处理并记录，生成历史隐患排查记录；安全评估是唐徕渠管理处对各管理所安全生产状况进行统一评比。

2.3.4 防汛管理

以门户“防汛管理”为入口，防汛管理子系统包括了防汛组织、防汛设施、防汛物资等功能模块。防汛组织列出了防汛领导机构、防汛抢险组织、防汛通讯录，方便各渠段工作者遇到灾害时及时联系到相关单位人员；防汛设施和防汛物资是对当前防汛设备、机械、物资进行统计，方便灾害发生时进行调度。

2.4 掌上唐徕移动信息终端

建成智慧唐徕掌上门户，包括掌上门户首页、掌上门户水位监测界面、断面水位上报界面和手机门户配置。掌上门户首页内容定位：湖泊补水、灌溉进度以及公告通知，内容与门户网站内容相同；掌上门户水位监测界面实现水位监测数据实时推送到手机模块；断面水位上报界面利用手机终端进行断面水位的定时上报，系统会根据登录用户自动判断是否有权限进行水位上报，以及所负责的是哪个断面的上报，系统会默认最近期的一个上报时间点，以及上一次报水的值作为默认值，尽量减少用户的点击操作次数；手机门户配置界面可配置用户信息、密码修改以及版本更新等辅助功能。

2.5 智能灌渠专家辅助系统

以数字唐徕渠业务管理支撑平台中灌溉管理子系统中的“灌溉专家辅助系统”为入口的唐徕渠支渠灌溉专家决策系统包括决策流程、实时监测、灌溉决策、渠道水量分析、闸门远程监控五个部分。展现灌溉决策的流程，用数字地图展示监测设备和种植结构，实时采集土壤墒情等数据，建立数学模型提出灌溉决策进行灌溉。灌溉完成后及时对各渠道的灌溉水量、蒸发水量及渗漏水量进行统计分析，远程对闸门状态进行监控。

2.6 自动化采集测控平台

以数字唐徕渠业务管理支撑平台中灌溉管理子系统中的“监测自控”为入口，利用光纤数据传输技术，通过光纤传输设备构成一个通讯网络，对闸门的数据信息进行采集、处理、传输和控制。

3 功能实现

该系统基于B/S体系结构构建Oracle超大型企业级数据库，进行海量水利数据的管理，利用JDBC和HIBERNATE技术对数据库操作进行封装，使用Java语言编写程序来调用。对各类数据进行分类，发布成各种服务形式，定义统一的Web Service服务接口，利用面向服务的SOA服务架构来存取。系统分别配置数据库服务器、应用服务器，分别用于空间数据、属性数据、实时监测数据的存储和水利厅获取的水利数据的存储。各级用户主要采用Web浏览器的方式来访问整个应用系统。

3.1 技术体系结构

系统整体软件结构采用MVC体系架构，系统技术体系划分为5层，表示层，控制层，业务逻辑层，数据访问层，存储层。每层之间使用接口通信，降低层与层之间的耦合度，如图4所示。

图4 系统技术体系结构图

表示层采用JSP、HTML、JavaScript、Flex实现技术业务对用户的展现，目前主要是Web浏览器访问。

控制层是整个系统的控制中心，用户的认证与授权在控制层完成。控制层在完成认证和授权后，预处理用户请求信息，根据处理结果发送用户请求到相应的服务提供者。

业务逻辑层是整个系统的核心，业务处理在此处完成。业务逻辑层接受用户请求，根据用户的请求执行相应的业务逻辑，并把结果返回给用户。

数据访问层是对数据库操作的封装，底层包含JDBC和HIBERNATE；对频繁查询的数据采用缓存处理，提高系统性能。

业务逻辑层和数据访问层之间主要通过Socket、FTP、HTTP、WebService接口等技术实现数据的交互。

4 结 语

截止到2015年，数字唐徕信息化管理系统已经建成并投入使用。该系统的建成，使唐徕渠管理处所辖灌区庞大、复杂的水利数据入库，实现了水利资源的整合及共享，方便各级管理者查询；利用WebGIS技术使得灌区的灌溉、工程、防汛信息直观地展示在数字地图上，实现了水利信息的可视化；同时，所有用户坐在办公室，打开电脑，操作鼠标便可获取实时的雨情、墒情、闸门、渠道、视频监控等信息，进行灌溉决策和闸门状态控制，达到了解放劳动力的目的，使得灌溉管理流程更加便捷高效，提高灌溉效率，节约水资源，也可及时掌握安全隐患，采取防汛措施。彻底解决了传统水利灌溉中点多、面广、线长，通讯不便，管理手段落后、粗放，工程效益差，灌溉效率低，“人治”痕迹深，安全管理不合理、不到位造成事故频发的问题。

[1] 杨 鹏. 关于建设“智慧长江”的思考[J]. 人民长江,2014,23:30-34.

[2] 左其亭. 中国水利发展阶段及未来“水利4.0”战略构想[J]. 水电能源科学,2015,(4):1-5.

[3] 芮晓玲,吴一凡. 基于物联网技术的智慧水利系统[J]. 计算机系统应用,2012,(6):161-163,156.

[4] 黄凤岗. 基于物联网的智慧水利工程信息管理系统[J]. 中国水能及电气化,2013,(7):47-50.

[5] 罗 鹏,陈秀万,万 玮,等. 基于WebGIS的大型灌区水利信息综合管理系统设计与实现[J]. 节水灌溉,2013,(1):64-68.