费 定，章龙飞，余 涛

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100）

1 背景

21世纪是信息化时代，5G、物联网、区块链等热词一度成为新世纪的沸点。随着《中华人民共和国档案法》的修订，水利工程档案信息化管理有了更稳固的实施依据。李玲霞[1]对新档案法下水利工程档案信息化管理做了深切研讨，归纳了新时期水利工程档案信息化管理的特点和有待解决的问题，提出了在档案鉴定前提下要加强信息化管理工作。曹健[2]等人总结了目前天津市水务管理工程中的实际问题，提出要完善河道、闸站基础观测工作，同时提高管理人员科技素质，大力引进信息化、科技领先管理人才。李燕[3]将德州市水利信息化进程做了重点概括，提出网络技术、遥感技术、数据库技术是水务信息系统管理工作取得提升的重要技术保障。目前，已有国家级水情数据库用到了ArcGIS 软件，该软件具有简洁、实用、实时、高效集成等特点。信息化时代强调数据的可视化和同步性，对水务信息系统而言，兼顾多方使用者的便捷和能动性对设计者提出了空前的挑战，现阶段智慧水务的发展还处在初步阶段，水质监测暴露出的问题还亟需解决。

作为国家重要战略建设开发区，山东省东营市近年来步入了工农业高速发展的新阶段。但由于其自身一直存在的水环境问题，其在城镇化、工农业快速发展的同时出现了生态环境破坏等问题，环境的日益恶化反过来又极大地限制了东营地区的发展。因此，采取新型的水环境监测告警系统，从中切断水环境不断恶化的导线显得尤为重要。对东营市广利河、溢洪河（以下简称两河）流域进行水环境管理，必须充分考虑河道管理的实时信息共享、信息传输处理快速高效等要求，建设两河流域一体化管控、各点互联互动、全市共享统一的整体式智慧河流管理系统，进而形成“监控”合一的协同性管理模式，实现管理的实时性和准确性、计划的科学化和有效化。

2 系统总体框架

智慧水务系统平台总体框架的构建既要满足我国水环境系统治理的业务需要，又要充分考虑未来业务扩展的需求[4]。东营市两河水环境监测与告警系统借鉴国内外同种项目布局经验，搭建适应的智慧水务总体框架。该系统总体框架分5 层设计，囊括用户层、业务应用层、数据资源层、运行环境层、信息采集层，如图1 所示。各个部分由标准化的协议与接口结合为一个有机的整体，其中信息采集层包含水质、水位、流量和视频等信息。

图1 系统总体框架

该系统框架具有如下特点：①功能分区明确，流程简单，运作规范，自动化可塑性较大；②最终面对用户，以业务应用层为主导，数据导入与导出清晰，适用性强；③能够满足东营市水务运营管理需求，并且设置终端，充分考虑构件扩充和业务扩展需要，同时终端满足与市总系统连接的要求。

该系统采用“三条主线”进行总体设计，将水质站点、水位站点、流量站点、视频站点等监测设备的相关数据接入系统，具有以下功能：①围绕实时数据，实现各监测站点数据的实时查询、水质超标预警响应等；②围绕设施设备，设置巡检计划，按时生成巡检任务，及时进行站点的维护；③围绕水污染，实现水污染事件的上报以及事件处理。

3 系统建设主要内容

在科学发展观的指导下，认真贯彻《山东省东营市水利信息化建设规划（2016—2025 年）》《东营市发展和改革委员会关于东营市中心城两河（广利河、溢洪河）及内水系环境综合治理工程可行性研究报告的批复》（东发改审批〔2019〕29 号）文件精神，采用“基础先行、急用先建、示范带动、分布实施”的建设思路，结合东营市已开展的信息化建设实际，以人为本，务实推进，按照实用性、易用性、先进性、高效性、集成性、标准化和开放性的原则，稳步推进两河流域水环境监测体系智能化建设。

3.1 信息采集与展示体系设计

水质信息采集体系应用SFM600WS浮标水质分析仪实时采集水质数据。SFM600WS浮标水质分析仪是一套以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感器技术，由浮标体、太阳能供电系统、GRRS 全球定位系统、锚泊系统组成的放置于水域内的小型水质监测设备。该设备采用全光谱扫描和电化学方法，实现了对温度、pH 值、溶解氧、电导率、浊度、总氮和总磷等多参数数据的实时快速采集[5]。

大屏信息展示为管理人员提供目前两河的水质概况以及各类站点、任务等信息的一览和统计[6]。此外，大屏还能集中展示实现超标预警、水质站点概况、视频站点状态、水质达标情况以及上月水质等多种要素。大屏信息展示体系以东营市地图为底图，标绘水质站点、视频站点等信息并结合相关图表展示水环境监测的相关要素；通过点击“视频”图标可以查看实时视频，点击“水质监测站点”图标可以查看站点的监测信息，点击“切换页签”还可以查看巡检任务情况以及水质达标情况等信息；能够实现监测站点、排水信息、流域水系、水质专题以及巡检专题等要素在天地图中的可视化展示，同时直观展示超标预警、水污染事件以及巡检事件。主界面大屏展示，如图2所示。

图2 主界面大屏展示

3.2 水质监测与评价体系设计

水质监测系统主要提供水质监测站监测数据的查询、查看和导出等，包括当前水质、氨氮（NH3-N）、高锰酸盐指数、pH值、水温、浊度、电导率和溶解氧等监测数据。水质监测数据分为已建成的站点和新建的站点2 类。已建成的站点监测数据通过四信RTU上传至四信厂家的RTU接收平台，同时汇集到智慧水务大数据中心；新建的站点通过自建数据接收软件接收数据，并同时汇集到智慧水务大数据中心，本系统通过数据库只读方式读取水质监测数据展示监测成果，该方式可有效防止“黑客”盗取实时数据和数据丢失。该水质监测系统数据大致流向，如图3所示。

图3 监测数据流程

此外，该监测系统按照“以人为本”的用户体验理念设计了数据交互系统（Data Interaction System），监测数据界面提供最新的水质监测数据，并自动将超标水质及污染因子的超标倍数用红色显著标识，系统界面上方同步反映了监测站编码、名称、政区和时间的检索，点击“重置”即可清空检索条件，点击“导出”就能将监测数据导出至本地，实现了人与产品及服务之间有意义的关系。

水质分析评价主要是针对东营市所有水质站点的监测信息提供各个维度的统计分析和水质报告的自动生成，其中统计分析维度包括达标率、水质变化情况、污染指标等[7]。其功能主要包括水质报告管理、统计分析和污染统计。水质报告管理是每个月初针对各政区上月水质站点的监测数据进行统计分析，并根据分析的信息自动生成一份报告，报告的内容主要包括水质站达标情况、水质变化情况以及水质站点的监测数据详情，帮助工作人员了解上月水质站点的水质概况以及变化情况，更好地掌握水质信息。统计分析可以提供给工作人员各行政区划不同月份水质概览、达标率以及水质变化情况和不同年度水质达标率的同比及环比情况。此外，对不同污染指标出现的污染次数也进行了统计，这可以帮助工作人员了解不同政区最为常见的污染事件。污染统计可以提供给工作人员各水质站点不同污染指标的污染次数，同时提供各水质站点不同污染指标污染次数的对比情况，帮助工作人员了解各个水质站点的主要污染物，从而能够有针对性地去开展水污染治理工作。

上述3 种评价功能模块均能实现人机交互式运行，且都能按照工作人员要求实时导出一手数据。水质报告管理模块和污染统计模块均按照列表的形式展示了水质报告和污染状况信息，并按照报告编号倒序进行排序，提供政区、报告以及报告时间作为查询条件。统计分析模块则按照“可视化报告”的形式将水质分析数据反馈给相关人员，以多种统计图相结合的方式展示了水质相关的各类统计信息，提供政区、月份以及年份作为查询条件。通过该模块，可以选择不同的月份查看各水质站的水质等级分布、水质达标率以及较上月水质变化情况，也可以选择不同的年份查看水质达标率的同比及环比情况和污染指标的出现次数等。

3.3 预警管理体系设计

预警管理模块包含超标预警、预警响应、事后评估等，如图4 所示。超标预警主要是提供给值班人员对已经出现的水质超标预警信息进行预警发布的功能，并能够对水质超标预警信息进行统一的管理，提供包括查询、预警发布以及导出等功能。预警响应主要是提供给工作人员对已经发布的超标预警信息进行响应的功能，并能够对已发布的超标预警信息进行统一的管理。

图4 预警管理模块

3.4 使用端接口体系设计

两河水环境监测与告警系统使用端分为PC 端和 App 端，其中 PC 端采用 B/S 结构开发、App 端提供H5 页面集成在防汛排涝智慧调度系统中的移动App 中，2 个使用端都提供友好的用户界面，采用HTTP 协议实现用户与程序之间的操作指令、数据交换[8]。其中，PC 端的各种操作通过浏览器实现，App 端通过Android 或者IOS 的移动端设备安装智慧水务App实现，数据格式都是以JSON格式字符串的形式通过HTTP协议进行数据传输。

在用户接口部分，根据需求分析的结果，用户需要一个友善的用户界面。在前端界面设计上，应做到简单明了、易于操作，并且注意界面布局，突出显示重要或者出错的信息，采用顶部下拉式菜单方式列出所有的功能。同时，运行出错时应以标准形式给出出错提示，各功能的操作界面参见功能设计中的交互设计。总的来说，系统的用户界面应做到可靠性、简单性、易学习和使用。

在外部接口中，主要介绍前端界面组件和防汛排涝智慧调度系统。前端界面组件使用的外部组件有天地图、高德地图和Echarts。天地图WebAPI 是一套由JavaScript 语言编写的应用程序接口，使用它能够制作各种地图图层，为两河水务一张图上的应用提供支撑。高德地图JSAPI是一套采用JavaScript语言开发的地图应用编程接口，移动端、PC 端一体化设计，一套API兼容众多系统平台，为大屏上自定义深色底图和移动端地图显示提供支撑。通过防汛排涝智慧调度系统统一管理两方系统的用户体系，由防汛排涝智慧调度系统统一的登录界面进行登录，登录成功生成用户与Token 关系，并在调整本系统页面时将Token 传递过来，本系统接收传递过来的Token，后续系统请求都携带着Token，在后台通过接口的方式请求防汛排涝智慧调度系统去验证Token 的有效性以及Token 代表的用户，本系统再根据得到的用户所属权限去处理数据，两方数据方面的权限由各自管理。

4 结语

随着“十四五”规划的展开，进一步加强我国水利工程建设又迎来了新的挑战，县市两级智慧水务信息化建设迫在眉睫。从长远看，破解体制束缚、实现数据共享、全面科学部署和完善总体方案是完成新一轮智慧水务创新性建设的总抓手。

该智慧水务系统集监测与告警为一体，对保障东营市两河流域河道沿岸的水质安全、水环境生态多样性和经济社会可持续发展具有重要意义。该智慧水务系统的成功建设对该流域治理实现智能化管控打下了坚实基础。

根据对目前我国水环境河道智慧水务实施情况开展调查研究发现，当前水务信息系统没有一套通用的参考标准，无法形成一套统一的建设体系，设计人员多在参考其他行业的标准来编制规范。所以，针对上述情况，我国智慧水务系统建设迫切需要出台河流流域水环境体系下的智慧水务的设计标准、导则，建立统一的技术标准和权威的导则，以利于提高智慧水务信息系统建设与应用的整体水平。