丹江口水库综合管理平台设计与开发

林 聪，李 花

（江河瑞通（北京）技术有限公司，北京 100097）

丹江口水库位于汉江中上游，是亚洲第一大人工淡水湖，也是国家南水北调中线工程水源地、国家一级水源保护区、中国重要的湿地保护区、国家级生态文明示范区。丹江口水库是整个南水北调中线的水源保障，水库正常蓄水位为 170 m，库容为290.5 亿 m3，水域面积达 1 022.75 km2，北京、天津、河北、河南 4个省市沿线约 6 000 万人可以直接饮用水质优良的汉江水，近 1 亿人间接受益[1]。

当前，水利信息化建设如火如荼开展，大数据、云计算等物联网技术得到充分应用，智能感知、数据分析、智慧决策等人工智能技术在水利行业崭露头角[2–4]。在水利事业发展改革的新形式下，水利作为国民经济的基础设施，信息化更是水利现代化的基础[5]。丹江口水库的信息化管理在供水、水文水情、水质监测、地质灾害监测、地震监测、水库移民、视频监控、大坝安全监测、界桩管理等方面都建立了独立的业务系统，用于满足日常的水库管理工作。但随着新技术的不断发展和综合业务分析需求的不断增长，水库管理工作中还存在管理技术水平相对落后、管理手段比较单一等制约水库充分发挥其工程效益的因素，无法满足规范、准确、及时的水库管理工作要求，在一定程度上阻碍了丹江口水库管理的现代化和智慧化发展，主要体现在：1）建立了许多独立系统，但分散的业务系统无法满足信息化统一管理的需求；
2）现有的数据共享覆盖范围和模式只能共享部分数据，无法满足精细化管理要求；
3）库区巡查、水质水量监控、视频监察等工作依赖人工，容易增加工作成本和出错率；
4）缺乏统一展示丹江口水库整体信息化管理水平的窗口，无法从宏观层面整体了解丹江口水库的工作现状、业务现状和信息化管理水平。

为实现丹江口水库的现代化管理，形成新型智慧工程管控，达到行业科技应用的引领，根据现阶段中线水源工程运行管理工作需要，结合当前水源工程及运行管理实际情况建设丹江口水库综合管理平台，整合丹江口水库现有分散的、独立的数据资源和信息系统，建立内外部数据的汇集与共享机制，构建大数据支撑服务平台框架和统一的丹江口业务管理与应用系统（以下简称系统），实现数据资源、应用系统和用户统一集成管理，同时结合大数据、智能图像识别、遥感影像分析等技术，实现新技术与丹江口水库综合管理融合，提升水库精细化管理水平，初步实现智能化应用。

1.1 系统建设需求

系统建设需求主要从以下方面进行考虑：

1）用户需求。系统设立水利部及高层领导、水库管理单位领导、各业务部门三级用户。水利部及高层领导主要通过系统了解丹江口水库总体态势、水库状态、运行管理情况等；
水库管理单位领导主要负责指导水库运行管理工作，掌握大坝安全状态信息，及时发现问题并协调处理；
各业务部门主要负责水库供水、库区、大坝安全等具体业务管理。

2）功能需求。系统具体功能需求为：a．实现已建各业务系统和数据的融合应用，将丹江口水库信息化建设成果按照多维度、多方位的主题形式进行直观展示；
b．在一张图的形式下掌握水质全部监测情况和变化趋势，并对水质异常情况进行预警分析；
c．利用遥感和图像分析技术，对库区巡查任务和路线进行智能规划和分配，提升库区巡查效率；
d．实现大坝安全监测信息集成与三维可视化展示。

1.2 系统建设原则

系统建设以“大数据 + 图像识别”技术为核心，对水库管理业务提供标准服务应用，系统建设遵循 2个基本原则：1）遵循标准规范，满足未来扩展需求；
2）选用成熟的技术建设系统，适度应用先进理念。

2.1 系统架构

系统按照“遵循国家智慧水利总体方向—制定统一数据汇集共享机制—围绕实际业务需求”的技术路线逐步建设。充分运用大数据、人工智能等新技术为水库管理智慧化建设提供技术支撑。系统总体上划分成 3 层架构，包括一体化感知、平台支撑服务和业务应用层面。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

一体化感知体系主要实现空天地监测体系的完善及多源数据源的构建，包括传感器、业务和文本类信息。

支撑服务体系主要将分散在各处的已有数据和业务信息进行汇集，实现对流、结构化和非结构化数据的存储管理，提供图像识别分析支撑、大数据可视化支撑和基础支撑服务等。

业务应用层主要包括大数据综合信息展示应用，供水调度及管理（供水管理）、库区综合管理（库区管理）和大坝安全监测管理（枢纽管理）等应用。

2.2 关键技术应用

2.2.1 大数据技术及实现

丹江口水库信息化系统经过多年建设，积累的数据资料已经初具规模。针对这种容量大、类型多、应用价值高，同时又具备动态和可持续特征的数据，必须通过新系统、新工具、新模型的挖掘处理和存储等技术，从中获取具有洞察力和新价值的信息并反哺于应用，即采用大数据技术[6]。丹江口水库综合管理平台在充分利用现有供水、库区管理、枢纽业务的基础上，利用物联网技术，通过智慧化感知体系，加大信息采集面的覆盖，实现水库水质、水量的实时在线监测，完成多元异构数据的采集。根据不同类型、格式的数据，设计相应的数据集成汇入服务和工具，实现数据的人工、自动、半自动汇入。通过数据预处理（包括数据清洗、去重和数据规范建设），对数据进行统一的标准化处理，分别放入流数据库、结构化和非结构化数据库，为供水、库区管理、枢纽管理等业务提供基础的数据服务支撑。结合高分高清大屏系统，对数据进行实时渲染，实现供水、库区管理、大坝安全监测等数据的图形实时可视化，场景化和交互，打造大数据可视化的高效水库管理系统，进一步提高丹江口水库信息化管理水平。

2.2.2 图像识别技术及实现

图像识别技术即计算机视觉，是指用摄影机和计算机代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量等，并进行图像处理。通过图像识别分析技术，能够自动识别图像中的信息，并将信息有效传递给用户，解决庞大视频数据的查询并提高分析效率[7–8]。

系统主要利用图像识别技术解决水库管理中人员及车辆非法闯入、设备安全巡检、安全帽佩戴和垃圾漂浮物等不同场景的视频分析问题，为水库管理单位提供准确、高效的视频监控分析服务。通过标准协议直连视频头、码流获取、SDK 获取 3种方式接入库区各个摄像头视频图像数据，并对图像进行除雾除雨、除倒影及波纹等增强处理。根据不同的事件场景建立视频图像分析模型，分别构建：1）水位、水域智能识别模型，智能识别实时水位和水面范围信息；
2）构建垃圾漂浮物识别模型，智能识别是否有垃圾漂浮物及严重程度；
3）人员非法闯入识别模型，对非法闯入指定区域的人员进行智能识别；
4）设备漏水、漏油识别模型，监测特定设备是否有漏油、漏水现象；
5）施工安全帽佩戴智能识别模型，对进入水库施工场地的人员识别是否佩戴安全帽。建立统一的分析模型计算引擎，为视频图像的分析提供标准的模型计算调用接口，将识别出的的异常事件推送至系统平台进行展示。

2.3 功能设计

2.3.1 大数据综合及专题分析

大数据综合及专题分析提供包括各类专题信息及各应用系统处理后的成果信息，结合一张图进行汇总展示，按照业务应用主题进行专题服务，主要包括供水、库区、枢纽管理等业务，以及实时动态监测水库运行数据等内容。大数据综合及专题分析整体页面布局如图2所示。

图2 大数据综合及专题分析页面

2.3.2 供水管理

供水管理主要包括供水监测、供水计划、调令管理、水量数据校正、水质监测等功能模块。供水监测模块是对当前现有的供水口门流量、水位、闸门开度等数据进行监测，并在地图上实时展现当前的水量、流量数据及变化过程和趋势，并与年、月计划进行比较；
供水计划模块主要实现供水年和月计划相关数据的录入和管理，为供水量分析及供水偏差的预警提供数据支持；
调令管理模块将上级单位下发的调度指令文件进行数字化管理，智能判断是否有缺漏的调令，补全后形成完整的调令指导流量数据；
水量数据校正模块主要实现流量监测数据的实时展示，并与调令指导流量对比，当偏差超过阈值时，提示有异常数据并进行自动校核；
水质监测模块主要展示当前的水质监测成果，对超标站点进行预警提示，并对水质的变化过程和发展趋势进行分析。

2.3.3 库区管理

库区管理模块主要包括库区水域岸线遥感监测、库区人工巡查管理、库区视频监控分析管理和地震与地灾管理等。库区水域岸线遥感监测主要以遥感监测数据为数据源，通过数据自动处理、解译，实现对水域岸线及消落区涉水违法行为的及时发现和持续跟踪，并展示消落区、岸线占用、水面污染物、水面养殖监测成果及影像数据。库区人工巡查管理是对全年各不同时间节点的巡查重点制订计划安排，按区域制定巡检任务、参与巡检人员、巡检目标任务、拟定巡查工作线路。库区视频监控分析管理可以实现丹江口市视频监控站点的接入及管理，实时查看摄像头的位置和属性信息及实时视频监控画面。通过智能图像识别技术可以识别出人员及车辆非法闯入、设备漏水漏油、垃圾漂浮物、安全帽未佩戴等违法现象并进行预警提醒。地震与地灾管理集成库区周围地震台、地灾点数据，实现地震地灾数据的展示及筛选查询。

2.3.4 枢纽管理

枢纽管理模块主要集成枢纽区航空摄影三维建模及重要建筑物三维倾斜摄影数据，实现大坝外观及周边地形地貌的三维可视化。集成枢纽建筑物结构的建模成果，可以实现大坝外部及主要内部结构的三维可视化。集成监测设施设备模型成果，通过三维可视化方式可以直观、立体地展示大坝安全监测仪器的空间分布，集成仪器的运行状态信息，根据仪器的状态（正常、预警、故障）对仪器进行分类显示。枢纽管理部分界面如图3所示。

图3 枢纽管理页面

通过对丹江口水库综合管理平台的设计与实现，主要取得以下成果：

1）结合丹江口水库管理当前存在的问题，综合分析水库综合管理系统的建设需求，运用“大数据 +视频图像识别”技术，基于 SOA（Service-Oriented Architecture）架构建成丹江口水库综合管理系统，全方位提高水库运行管理的规范化、智能化、精细化能力。

2）详细介绍了系统建设应用到的大数据和视频图像识别技术的原理及实现过程。阐述水库综合管理系统的各项功能，主要包括大数据综合及专题分析、供水业务管理、库区业务管理、大坝安全监测集成等四大模块。

3）水库综合管理系统的建设将实现丹江口水库信息化建设成果的全场景体验，提高丹江口水库精细化管理手段，形成标准化应用服务和大数据分析手段，为水库工程安全、供水及库区综合管理提供决策支撑，全面提升水库的综合管理能力。

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