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1緒論

水利工程是國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的重要組成部分，在防洪安全、航運(yùn)發(fā)電、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源合理利用等方面具有不可替代的作用。水利工程建設(shè)可以推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，帶動(dòng)產(chǎn)生巨大的綜合效益，在社會(huì)發(fā)展中更是起到舉足輕重的作用。同時(shí)，發(fā)展信息化建設(shè)是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，我國(guó)也正處于產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、工業(yè)化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，而水利信息化建設(shè)是國(guó)家信息化建設(shè)的重要組成部分， 國(guó)家明確提出水利現(xiàn)代化建設(shè)的基礎(chǔ)和標(biāo)志就是水利信息化的實(shí)施與運(yùn)用。水利信息化建設(shè)是防洪減災(zāi)、水資源管理、水環(huán)境監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目的重要手段和技術(shù)支撐，是提高水利工程管理工作效率的重要途徑和必然要求。盡管 水利工程信息化建設(shè)已經(jīng)提出數(shù)年，但目前信息化建設(shè)工作仍存在諸多弊端及問題。首先是信息資源共享困難，已建水利樞紐業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)目前還以分散建設(shè)為主，不同部門不同階段只考慮局部應(yīng)用，服務(wù)目標(biāo)單一。其次水利工程信息系統(tǒng)存在重復(fù)建設(shè)性，當(dāng)前信息系統(tǒng)的建設(shè)模式缺乏兼容性、靈活性及可擴(kuò)展性，難以自主適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展模式的調(diào)整，通常需要依據(jù)工程新的需求重新建設(shè)系統(tǒng)去配合服務(wù)，使已建信息系統(tǒng)資源產(chǎn)生極大的浪費(fèi)。再次是水利工程信息系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本較高，水利樞紐工程的信息系統(tǒng)涉及面廣、專業(yè)性強(qiáng)，各項(xiàng)系統(tǒng)都有一套獨(dú)立完整的軟硬件及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，平臺(tái)和技術(shù)架構(gòu)存在不統(tǒng)一性，加大了運(yùn)行維護(hù)管理的工作量和維護(hù)成本。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)代信息發(fā)展的一項(xiàng)新型技術(shù)，是信息技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)新階段，其主要內(nèi)容是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的拓展和延伸，實(shí)現(xiàn)了物品、事物和人之間的有效連接及信息傳輸。物聯(lián)網(wǎng)通過應(yīng)用感知和信息系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)，將智能識(shí)別技術(shù)配合計(jì)算機(jī)分析處理技術(shù)，完成物體間及物體和人之間有效的信息交流和傳遞。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，為各行業(yè)的信息化建設(shè)和管理做出了巨大的貢獻(xiàn)，促進(jìn)了科技信息的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水利信息化建設(shè)中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類水信息的自動(dòng)收集和整理，對(duì)水利資源信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)共享，自主進(jìn)行科學(xué)的分析和決策進(jìn)行智能化分析和處理。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)中心的有效結(jié)合和合理應(yīng)用，進(jìn)一步完善水利資源的合理規(guī)劃、有效管理及應(yīng)急處理能力，力爭(zhēng)通過物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)庫(kù)及大數(shù)據(jù)體系建設(shè)去消除信息資源共享困難、減免信息化重復(fù)建設(shè)工作并有效降低運(yùn)維費(fèi)用。

某河道防洪排澇工程是近年來南方某省市重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目，地處XX市XX新區(qū)，區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布，暴雨頻發(fā)，水利基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱。整個(gè)新區(qū)規(guī)劃東靠A干流，南臨B干流、北有C水庫(kù)，內(nèi)有D、E兩條主要河涌。整個(gè)新區(qū)防洪排澇工程體量大，分布廣，主要任務(wù)包括A、B干流堤岸加固、D、E河涌段疏浚、重建A干流某站點(diǎn)倒虹吸及新建C水庫(kù)引水閘等。同時(shí)區(qū)內(nèi)雨洪頻發(fā)、防汛任務(wù)嚴(yán)峻，因此該工程在以高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建造的同時(shí)，也要以高要求、高水準(zhǔn)建立水利信息管控系統(tǒng)去提升管理服務(wù)質(zhì)量，打造智能化管控水利樣板工程。

2 某工程物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)建

 工程初始設(shè)計(jì)目標(biāo)即為“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)共享‘’。整體設(shè)計(jì)思路立足于區(qū)域?qū)嶋H情況與整體防洪排澇治理工程設(shè)計(jì)要求，結(jié)合區(qū)域的規(guī)劃建造要求，以區(qū)域 防洪排澇安全為核心，高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和軟件應(yīng)用系統(tǒng)，打造工程行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建設(shè)和運(yùn)行管理的數(shù)字化、信息化展示，能夠直接對(duì)接區(qū)域相關(guān)的信息化平臺(tái)。同時(shí)從防洪排澇治理工程管理者角度出發(fā)，整套系統(tǒng)本著技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、便于安裝、方便維護(hù)的使用要求，以節(jié)省工程投資和降低維護(hù)費(fèi)用、提高社會(huì)效益為指導(dǎo)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。整體設(shè)計(jì)思路將依托于感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用層四個(gè)層次去分別布置設(shè)計(jì)，如圖1所示。

感知層的核心是硬件設(shè)備去主動(dòng)感知外界環(huán)境的變化， 整個(gè)硬件監(jiān)測(cè)感知體系的設(shè)計(jì)思路是結(jié)合實(shí)際情況與監(jiān)測(cè)需求，分區(qū)域、分層次設(shè)計(jì)硬件布設(shè)方案。硬件的布設(shè)既能夠供應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、展示、分析，還能夠滿足實(shí)時(shí)控制的需要。通過設(shè)計(jì)硬件監(jiān)測(cè)感知體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)堤壩、閘門等相關(guān)設(shè)施的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，對(duì)工程實(shí)時(shí)信息進(jìn)行有效的發(fā)掘了解。該防洪排澇工程采用了以下布置方案：

（1）堤岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：

實(shí)時(shí)采集危險(xiǎn)工段以及各相關(guān)水工建筑物的堤防監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)管理中心進(jìn)行分析、處理及存儲(chǔ)。

（2）閘門監(jiān)控系統(tǒng)：

采集水工建筑物閘門監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并能遠(yuǎn)程控制閘門的啟、閉、停。

（3）視頻監(jiān)視系統(tǒng)：

實(shí)時(shí)采集建筑物的攝像機(jī)數(shù)據(jù)并能遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)。同時(shí)建設(shè)應(yīng)急廣播通訊系統(tǒng)，設(shè)置應(yīng)急廣播通訊終端，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音調(diào)度，指揮現(xiàn)場(chǎng)人員工作，發(fā)布汛情信息。

網(wǎng)絡(luò)層的建設(shè)主要體現(xiàn)在通信系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)。工程應(yīng)當(dāng)考慮實(shí)施成本與難易程度，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)通信模式，針對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體情況進(jìn)行通信系統(tǒng)的配套設(shè)計(jì)。在該防洪排澇工程中，采用光纜線路構(gòu)建專用通信網(wǎng)絡(luò)，并采用公共網(wǎng)絡(luò)作為備用通信網(wǎng)絡(luò)，沿堤岸相關(guān)智能設(shè)施去設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集信息的發(fā)送、傳輸，將各監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一上傳至云平臺(tái)共享。

數(shù)據(jù)支撐層在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)工程中起著承上啟下的作用， 主要目的是依據(jù)不同數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)更新上報(bào)的頻率靈活調(diào)配，進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存及交互，同時(shí)利用物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)支撐平臺(tái)融合各層數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一分析處理。通過感知層對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所獲取的信息錄入標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)對(duì)各類系統(tǒng)服務(wù)提供包括服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、注冊(cè)和使用管理等方面的基礎(chǔ)支撐。數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)即數(shù)字工程CIM（City Information Model）智慧平臺(tái)為整個(gè)水利物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的核心項(xiàng)目之一，主要通過GIS的空間分析與可視化能力，將區(qū)域內(nèi)陸形地貌特點(diǎn)、河流管網(wǎng)排布、建筑物分布等信息生動(dòng)形象的展示出來。通過BIM數(shù)字化三維模型細(xì)節(jié)展示，將建筑物內(nèi)部空間構(gòu)造及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分布展示，并作為未來全生命周期運(yùn)行管理的依托基礎(chǔ)。通過IOT海量數(shù)據(jù)匯總綜合處理分析及各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的收集、處理及發(fā)布服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體工程的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)治理的全過程管控，將當(dāng)前空間規(guī)劃、三維效果展示、大數(shù)據(jù)運(yùn)用處理有效地結(jié)合在一起，為防洪排澇相關(guān)業(yè)務(wù)提供宏觀分析，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的宏觀信息與三維模型的聯(lián)動(dòng)展示分析。

應(yīng)用層在保證數(shù)據(jù)交換中數(shù)據(jù)一致性和時(shí)效性的基礎(chǔ)上，通過集成堤壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)、 視頻監(jiān)視系統(tǒng)、 數(shù)字CIM平臺(tái)去建立運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)保障工程安全可靠的運(yùn)行 該防洪排澇工程應(yīng)用層主要包括以下三項(xiàng)運(yùn)行管理系統(tǒng)：防洪信息管理系統(tǒng)、運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng)。

（1）防洪信息管理系統(tǒng)是利用天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、水位流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合水文模型與水動(dòng)力模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)水情、工情、險(xiǎn)情等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，并利用系統(tǒng)智能化生成的調(diào)度方案進(jìn)行防洪調(diào)度。同時(shí)基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還可以耦合相關(guān)的水文水動(dòng)力模型，對(duì)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行模擬，為洪水來臨情況下動(dòng)態(tài)演進(jìn)、淹沒分析的應(yīng)急管理業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。

（2）運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)是對(duì)整個(gè)防洪排澇工程建設(shè)完成后的運(yùn)行階段進(jìn)行信息系統(tǒng)的管理，針對(duì)工程巡檢維護(hù)、考核管理、工單管理、設(shè)備管理、突發(fā)事件響應(yīng)等業(yè)務(wù)需求進(jìn)行功能化設(shè)計(jì)安排。

（3）安全保障體系應(yīng)結(jié)合通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況，考慮系統(tǒng)安全需求和保障需求，從網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)、應(yīng)用和管理等方面出發(fā)，進(jìn)行安全保障體系設(shè)計(jì)。借助用戶權(quán)限管理體系進(jìn)行用戶權(quán)限控制，打造專業(yè)訪問入口和信息服務(wù)處理平臺(tái)，同時(shí)結(jié)合各業(yè)務(wù)系統(tǒng)、軟硬件環(huán)境及通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全整合設(shè)計(jì)，全面保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

3.系統(tǒng)先進(jìn)性及關(guān)鍵技術(shù)

在利用數(shù)據(jù)層融合去消除信息共享困難、利用支撐層去解決系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)困難、利用應(yīng)用層去降低運(yùn)行費(fèi)用較高的同時(shí)，該物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)分層合理，體系結(jié)構(gòu)清晰，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)數(shù)據(jù)從采集到處理分析的全過程應(yīng)用， 特別是此防洪排澇工程物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)所采用的海量數(shù)據(jù)管理、GIS+BIM+IoT大數(shù)據(jù)運(yùn)用及模擬平臺(tái)分析、二次可開發(fā)性等方面具有一定的先進(jìn)性和指導(dǎo)性。

整個(gè)防洪排澇工程監(jiān)測(cè)類型較廣，設(shè)備數(shù)量眾多，在監(jiān)測(cè)過程中會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫(kù)索引及優(yōu)化數(shù)據(jù)排布等算法，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘，提煉諸如峰值等具有價(jià)值的信息。同時(shí)對(duì)于錯(cuò)誤的、無(wú)意義的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)也能夠自主進(jìn)行剔除。在硬件數(shù)據(jù)匯聚和軟件數(shù)據(jù)交互方面，本系統(tǒng)制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了多種不同監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)接入和多類系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。標(biāo)準(zhǔn)具有較高的融合性和開放性，適合于各種硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和軟件業(yè)務(wù)系統(tǒng)，包括水情、工情、視頻、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)測(cè)和水利、氣象、環(huán)保等多個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，且能夠向更多的軟硬件開放，提升了開發(fā)效率與便利度。

基于GIS+BIM+IoT技術(shù)， 數(shù)字CIM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)體工程與數(shù)字工程的同步規(guī)劃、 同步建設(shè)、同生共長(zhǎng)。通過對(duì)GIS數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、IoT數(shù)據(jù)及各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集、處理、發(fā)布服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)治理過程管控，為各類業(yè)務(wù)提供輔助決策支持。同時(shí)本系統(tǒng)綜合采用三維渲染技術(shù)、可視化技術(shù)、耦合模型編輯等多種先進(jìn)技術(shù)，在整體及局部工程三維立體展示、 水文水動(dòng)力模型模擬洪水狀況等方面具有工程直觀清晰、 模擬運(yùn)行準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)。例如防洪信息管理系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)運(yùn)用及模擬分析平臺(tái)不僅能夠提供水情、工情、災(zāi)情等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)展示的基礎(chǔ)功能，還能夠耦合水文、水動(dòng)力等專業(yè)模型，進(jìn)行各類復(fù)雜的業(yè)務(wù)分析應(yīng)用，為管理人員提供有效地決策支持。

本系統(tǒng)同樣具有開放性強(qiáng)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)搭建相關(guān)信息服務(wù)平臺(tái)的同時(shí)，設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)章制度、預(yù)留足夠的標(biāo)準(zhǔn)化接口，為開發(fā)完成后接入?yún)^(qū)域內(nèi)其他相關(guān)對(duì)象或擴(kuò)展功能打好基礎(chǔ)，方便二次升級(jí)與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)新區(qū)層面的統(tǒng)一管理和業(yè)務(wù)應(yīng)用。例如防洪信息管理系統(tǒng)， 后期可接入其他河流或防洪管理相關(guān)對(duì)象，進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理及防洪業(yè)務(wù)應(yīng)用，以打造整片區(qū)域的防洪信息管理系統(tǒng)為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)。

整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)、監(jiān)視等方法可以清晰地展示實(shí)際狀況及各類數(shù)據(jù)信息，通過強(qiáng)大的通信系統(tǒng)傳輸至數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行處理， 最終在支撐平臺(tái)技術(shù)的支持下在應(yīng)用層得以展示與運(yùn)用。針對(duì)以上物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架及各平臺(tái)設(shè)計(jì)理念，某防洪排澇工程在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)投入應(yīng)用后運(yùn)行效果如下圖所示： 整個(gè)界面可通過衛(wèi)星地圖、視頻監(jiān)視畫面清晰直觀的觀測(cè)雨洪信息及設(shè)備運(yùn)行狀況，并能展示出各時(shí)期相關(guān)數(shù)據(jù)信息， 對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控操作。同時(shí)可結(jié)合氣象、 水文、地形地貌等信息，對(duì)未來水情水位走勢(shì)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)分析，提前制定防洪排澇調(diào)度方案及應(yīng)急預(yù)案。

4.總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)信息化平臺(tái)建設(shè)對(duì)整個(gè)水利工程具有十分重要的意義， 整個(gè)項(xiàng)目工程充分考慮系統(tǒng)建設(shè)的開放性、 可靠性、 可維護(hù)性， 進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)， 堅(jiān)持以數(shù)字CIM智慧平臺(tái)為核心，以物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)為支撐平臺(tái)，統(tǒng)籌考慮工程運(yùn)行管理要求，進(jìn)行感知層數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)系統(tǒng)的建設(shè)，同步建設(shè)運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)，做到采集數(shù)據(jù)全面、傳輸及時(shí)、數(shù)據(jù)暢通、信息共享，為防洪決策提供功能強(qiáng)大的支持環(huán)境。通過合理分層去布設(shè)感知系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及應(yīng)用系統(tǒng)，有效地處理海量數(shù)據(jù)信息及整體防洪排澇工程運(yùn)維管控。