【实例讲解】物联网服务技术，优化河道防洪排涝工程！

那山那水 ID：BJshuibao

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1绪论

水利工程是国民经济基础的重要组成部分，在防洪安全、航运发电、生态环境保护、水资源合理利用等方面具有不可替代的作用。水利工程建设可以推动经济发展，带动产生巨大的综合效益，在社会发展中更是起到举足轻重的作用。同时，发展信息化建设是当今世界经济和社会发展的大趋势，我国也正处于产业优化升级和实现现代化、工业化的关键节点，而水利信息化建设是国家信息化建设的重要组成部分， 国家明确提出水利现代化建设的基础和标志就是水利信息化的实施与运用。水利信息化建设是防洪减灾、水资源管理、水环境监测等项目的重要手段和技术支撑，是提高水利工程管理工作效率的重要途径和必然要求。尽管 水利工程信息化建设已经提出数年，但目前信息化建设工作仍存在诸多弊端及问题。首先是信息资源共享困难，已建水利枢纽业务应用系统目前还以分散建设为主，不同部门不同阶段只考虑局部应用，服务目标单一。其次水利工程信息系统存在重复建设性，当前信息系统的建设模式缺乏兼容性、灵活性及可扩展性，难以自主适应业务发展模式的调整，通常需要依据工程新的需求重新建设系统去配合服务，使已建信息系统资源产生极大的浪费。再次是水利工程信息系统运行维护成本较高，水利枢纽工程的信息系统涉及面广、专业性强，各项系统都有一套独立完整的软硬件及网络设备，平台和技术架构存在不统一性，加大了运行维护管理的工作量和维护成本。

物联网技术是现代信息发展的一项新型技术，是信息技术发展的又一个新阶段，其主要内容是在互联网技术基础上的拓展和延伸，实现了物品、事物和人之间的有效连接及信息传输。物联网通过应用感知和信息系统相结合的技术，将智能识别技术配合计算机分析处理技术，完成物体间及物体和人之间有效的信息交流和传递。当前，物联网技术被广泛应用于各个行业，为各行业的信息化建设和管理做出了巨大的贡献，促进了科技信息的进步和社会经济的发展。物联网技术在水利信息化建设中可以实现对各类水信息的自动收集和整理，对水利资源信息进行网络共享，自主进行科学的分析和决策进行智能化分析和处理。通过计算机网络及数据中心的有效结合和合理应用，进一步完善水利资源的合理规划、有效管理及应急处理能力，力争通过物联网大数据库及大数据体系建设去消除信息资源共享困难、减免信息化重复建设工作并有效降低运维费用。

某河道防洪排涝工程是近年来南方某省市重点实施项目，地处XX市XX新区，区内河网密布，暴雨频发，水利基础设施较为薄弱。整个新区规划东靠A干流，南临B干流、北有C水库，内有D、E两条主要河涌。整个新区防洪排涝工程体量大，分布广，主要任务包括A、B干流堤岸加固、D、E河涌段疏浚、重建A干流某站点倒虹吸及新建C水库引水闸等。同时区内雨洪频发、防汛任务严峻，因此该工程在以高标准设计建造的同时，也要以高要求、高水准建立水利信息管控系统去提升管理服务质量，打造智能化管控水利样板工程。

2 某工程物联网平台构建

 工程初始设计目标即为“统一规划、统一标准、统一设计、数据共享‘’。整体设计思路立足于区域实际情况与整体防洪排涝治理工程设计要求，结合区域的规划建造要求，以区域 防洪排涝安全为核心，高标准建设物联网硬件监测系统和软件应用系统，打造工程行业内领先的物联网系统，实现对工程建设和运行管理的数字化、信息化展示，能够直接对接区域相关的信息化平台。同时从防洪排涝治理工程管理者角度出发，整套系统本着技术先进、经济合理、安全适用、便于安装、方便维护的使用要求，以节省工程投资和降低维护费用、提高社会效益为指导思想进行设计。整体设计思路将依托于感知层、网络层、数据支撑层、应用层四个层次去分别布置设计，如图1所示。

2.1 感知层

感知层的核心是硬件设备去主动感知外界环境的变化， 整个硬件监测感知体系的设计思路是结合实际情况与监测需求，分区域、分层次设计硬件布设方案。硬件的布设既能够供应用系统进行数据的读取、展示、分析，还能够满足实时控制的需要。通过设计硬件监测感知体系，实现对堤坝、闸门等相关设施的实时监测监控和数据采集，对工程实时信息进行有效的发掘了解。该防洪排涝工程采用了以下布置方案：

（1）堤岸监测系统：

实时采集危险工段以及各相关水工建筑物的堤防监测数据，并将数据上传至数据管理中心进行分析、处理及存储。

（2）闸门监控系统：

采集水工建筑物闸门监控系统的实时数据，并能远程控制闸门的启、闭、停。

（3）视频监视系统：

实时采集建筑物的摄像机数据并能远程控制摄像机。同时建设应急广播通讯系统，设置应急广播通讯终端，实现语音调度，指挥现场人员工作，发布汛情信息。

2.2 网络层

网络层的建设主要体现在通信系统的优化升级。工程应当考虑实施成本与难易程度，选择合适的网络通信模式，针对各监测点的具体情况进行通信系统的配套设计。在该防洪排涝工程中，采用光缆线路构建专用通信网络，并采用公共网络作为备用通信网络，沿堤岸相关智能设施去设置物联网无线接入点，实现对各监测点采集信息的发送、传输，将各监控系统采集的数据通过网络统一上传至云平台共享。

2.3 数据支撑层

数据支撑层在整个物联网工程中起着承上启下的作用， 主要目的是依据不同数据类型和数据更新上报的频率灵活调配，进行数据的储存及交互，同时利用物联网服务支撑平台融合各层数据信息进行统一分析处理。通过感知层对监测数据所获取的信息录入标准化平台对各类系统服务提供包括服务标准、注册和使用管理等方面的基础支撑。数据支撑平台即数字工程CIM（City Information Model）智慧平台为整个水利物联网建设的核心项目之一，主要通过GIS的空间分析与可视化能力，将区域内陆形地貌特点、河流管网排布、建筑物分布等信息生动形象的展示出来。通过BIM数字化三维模型细节展示，将建筑物内部空间构造及结构设计分布展示，并作为未来全生命周期运行管理的依托基础。通过IOT海量数据汇总综合处理分析及各类业务数据的收集、处理及发布服务，实现对整体工程的规划、建设、运营治理的全过程管控，将当前空间规划、三维效果展示、大数据运用处理有效地结合在一起，为防洪排涝相关业务提供宏观分析，实现业务的宏观信息与三维模型的联动展示分析。

2.4 应用层

应用层在保证数据交换中数据一致性和时效性的基础上，通过集成堤坝监测系统、闸门监控系统、 视频监视系统、 数字CIM平台去建立运行维护管理系统保障工程安全可靠的运行 该防洪排涝工程应用层主要包括以下三项运行管理系统：防洪信息管理系统、运行维护管理系统和安全保障系统。

（1）防洪信息管理系统是利用天气预报数据、水位流量监测数据，结合水文模型与水动力模型，实现对水情、工情、险情等的实时监测预警，并利用系统智能化生成的调度方案进行防洪调度。同时基于基础数据，系统还可以耦合相关的水文水动力模型，对设计洪水进行模拟，为洪水来临情况下动态演进、淹没分析的应急管理业务提供技术支撑。

（2）运行维护管理系统是对整个防洪排涝工程建设完成后的运行阶段进行信息系统的管理，针对工程巡检维护、考核管理、工单管理、设备管理、突发事件响应等业务需求进行功能化设计安排。

（3）安全保障体系应结合通信系统的设计情况，考虑系统安全需求和保障需求，从网络、系统、应用和管理等方面出发，进行安全保障体系设计。借助用户权限管理体系进行用户权限控制，打造专业访问入口和信息服务处理平台，同时结合各业务系统、软硬件环境及通讯网络进行安全整合设计，全面保证整个系统的安全性。

3.系统先进性及关键技术

在利用数据层融合去消除信息共享困难、利用支撑层去解决系统优化升级困难、利用应用层去降低运行费用较高的同时，该物联网平台系统分层合理，体系结构清晰，实现了相关数据从采集到处理分析的全过程应用， 特别是此防洪排涝工程物联网平台所采用的海量数据管理、GIS+BIM+IoT大数据运用及模拟平台分析、二次可开发性等方面具有一定的先进性和指导性。

3.1 海量数据管理

整个防洪排涝工程监测类型较广，设备数量众多，在监测过程中会产生海量数据。该物联网系统通过数据库索引及优化数据排布等算法，对海量数据进行分析、挖掘，提炼诸如峰值等具有价值的信息。同时对于错误的、无意义的数据，系统也能够自主进行剔除。在硬件数据汇聚和软件数据交互方面，本系统制定了统一的标准规范，实现了多种不同监测设备的数据接入和多类系统的数据交互。标准具有较高的融合性和开放性，适合于各种硬件监测系统和软件业务系统，包括水情、工情、视频、环境监测等多种监测和水利、气象、环保等多个业务应用系统，且能够向更多的软硬件开放，提升了开发效率与便利度。

3.2 GIS+BIM+IoT 大数据运用及模拟分析平台

基于GIS+BIM+IoT技术， 数字CIM平台实现实体工程与数字工程的同步规划、 同步建设、同生共长。通过对GIS数据、BIM数据、IoT数据及各类业务数据的采集、处理、发布服务，实现对工程的规划、建设、运营治理过程管控，为各类业务提供辅助决策支持。同时本系统综合采用三维渲染技术、可视化技术、耦合模型编辑等多种先进技术，在整体及局部工程三维立体展示、 水文水动力模型模拟洪水状况等方面具有工程直观清晰、 模拟运行准确等优势。例如防洪信息管理系统运用先进的大数据运用及模拟分析平台不仅能够提供水情、工情、灾情等基础数据展示的基础功能，还能够耦合水文、水动力等专业模型，进行各类复杂的业务分析应用，为管理人员提供有效地决策支持。

3.3 二次可开发性

本系统同样具有开放性强的特点，在设计搭建相关信息服务平台的同时，设立标准化规章制度、预留足够的标准化接口，为开发完成后接入区域内其他相关对象或扩展功能打好基础，方便二次升级与开发，实现新区层面的统一管理和业务应用。例如防洪信息管理系统， 后期可接入其他河流或防洪管理相关对象，进行统一的数据处理及防洪业务应用，以打造整片区域的防洪信息管理系统为物联网系统的建设目标。

3.4 数字 XX 工程 CIM 智慧平台展示

整个物联网系统通过监测、监视等方法可以清晰地展示实际状况及各类数据信息，通过强大的通信系统传输至数据平台进行处理， 最终在支撑平台技术的支持下在应用层得以展示与运用。针对以上物联网系统框架及各平台设计理念，某防洪排涝工程在物联网平台投入应用后运行效果如下图所示： 整个界面可通过卫星地图、视频监视画面清晰直观的观测雨洪信息及设备运行状况，并能展示出各时期相关数据信息， 对重点部位进行实施远程监控操作。同时可结合气象、 水文、地形地貌等信息，对未来水情水位走势进行模拟预测分析，提前制定防洪排涝调度方案及应急预案。

4.总结

物联网信息化平台建设对整个水利工程具有十分重要的意义， 整个项目工程充分考虑系统建设的开放性、 可靠性、 可维护性， 进行系统方案设计， 坚持以数字CIM智慧平台为核心，以物联网服务为支撑平台，统筹考虑工程运行管理要求，进行感知层数据采集、传输、存储系统的建设，同步建设运行维护管理系统，做到采集数据全面、传输及时、数据畅通、信息共享，为防洪决策提供功能强大的支持环境。通过合理分层去布设感知系统、通信系统、数据处理系统及应用系统，有效地处理海量数据信息及整体防洪排涝工程运维管控。 

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END

文章来源：物联网在某河道防洪排涝工程中的优化运用程龙，张子沛（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065）