水利枢纽工程综合管理信息化系统框架设计

肖晓春，张 煦，邓小刚

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038）

0 引言

针对我国人多水少、水资源时空分布不均、洪涝灾害频发、水土流失严重以及水生态环境脆弱等特点，近年来，我国持续加强水利基础设施建设，为保障防洪安全、供水安全、粮食安全和生态安全打下坚实基础。水利枢纽工程由于兼具防洪、灌溉、供水、发电、航运、生态等综合效益，在社会经济发展中更是起到举足轻重的作用。2015年初国务院部署172项重大水利工程建设中包含相当部分的水利枢纽工程，工程建成后科学的运营管理是工程良性运行、充分发挥工程设施效能的重要保障。因此，在水利枢纽工程建设的同时，规划建设综合管理信息化系统，借助信息技术提升枢纽工程的现代化管理水平，坚持建管并重，最大程度发挥和挖掘水利枢纽的综合效益。本文针对以往水利枢纽信息化系统建设中存在的重点问题，迎合现代水利枢纽运营管理的发展趋势和新的需求，提出了适于推广应用的水利枢纽工程综合管理信息化系统框架结构，在提高枢纽工程信息系统开放性和兼容性、延长信息系统生命周期、避免重复建设、强化信息资源共享等方面进行了有益的探索。

1 水利枢纽工程信息化建设现状

水利枢纽工程涉及的专业种类多、业务范围广，其中广泛应用的计算机监控、大坝安全监测、视频监视、水情水调、办公OA等自动化信息化系统有力支撑了水利枢纽工程运营管理的各项工作，在保障枢纽工程安全运行、发挥工程效益、提高管理能力方面发挥了重要作用。但是，随着中央“四化同步”战略部署的贯彻落实、水利改革发展的持续深化以及信息技术的快速发展，水利枢纽工程的信息化建设仍然存在一些突出问题和薄弱环节[1-3]，主要表现在以下方面：

1.1 信息资源共享困难

已建水利枢纽业务应用系统目前还是以分散建设为主，不同部门不同阶段只考虑局部应用，服务目标单一。这些分散开发的业务应用系统相互独立，一般不会统一考虑数据标准或信息共享问题，导致在后续的使用中形成数据资源不能共享、业务系统协调性差等信息孤岛问题，造成水利枢纽的信息资源分散、信息使用和管理效率低下，无法有效地提供跨部门、跨系统的综合性信息，难以构成系统化的综合应用成果，决策支撑能力不足，为水利枢纽信息资源的深度挖掘、专业决策支持系统的发展设置了障碍。

1.2 信息系统重复建设

水利枢纽工程建设功在当代，利在千秋，其运营管理是一个长期的过程，不同时期管理侧重点的需求有所不同，业务流程有所变化，目前信息系统的建设模式缺乏灵活性、兼容性及可扩展性，难以适应业务发展模式的调整，通常的做法是依据新的需求重新建设新的系统，造成已建信息系统资源的极大浪费。而且，不同部门、不同业务建设的信息系统存在相当多的通用工具和功能模块，如GIS、报表、用户管理、权限管理等，这些重复建设不仅大大增加了水利枢纽信息化建设的投资成本，还造成信息系统开发周期长、开发效率不高等问题。

1.3 运行维护成本较高

良好的运维是提高信息系统可用性、使信息系统更好地服务于生产运营和管理的重要保障。水利枢纽工程的信息系统涉及面广、专业性强，对运维人员的技术水平要求较高；同时，各个独立建设的信息系统都有一套完整的软硬件及网络设备等，平台和技术架构不统一，涉及软件缺陷修改或功能完善部分的维护有时需要协调不同信息系统的开发厂商来进行，更是加大了运维管理的工作量和维护成本。

2 水利枢纽工程信息化建设需求

十三五时期是深化水利改革、推进水利现代化进程的重要时期，国家信息化战略的总体布局和信息技术的高速发展，都对水利信息化提出了新的、更高的要求。水利枢纽工程信息化建设也应该顺应时代需求，在水利信息化发展十三五规划指导下，加强水利枢纽信息资源的整合共享，深化信息技术与水利枢纽运营管理业务的深度融合，推动“数字水利枢纽”向“智慧水利枢纽”转变，提升水利枢纽工程的精细化管理水平[4]。具体需求有：

2.1 信息资源整合

对水利枢纽工程的信息化资源进行梳理，做好信息化规划和顶层设计，整合信息资源，包括数据资源、应用系统、基础软硬件设施等，消除信息孤岛，提高信息资源的共享程度和支撑能力，逐步实现水利信息化“统一技术标准、统一运行环境、统一安全保障、统一数据中心和统一门户”的“五统一”要求，促进水利枢纽信息化的良性发展。

2.2 支撑平台建设

为使水利枢纽工程的信息化系统具有柔性地适应业务发展变化的能力，在信息资源整合的基础上建设应用支撑平台，除具备通用的平台管理功能外，还为业务应用系统提供与具体业务无关的通用的基础服务、工具服务和应用服务，具有良好的标准型、兼容性、灵活性，使得各类业务应用能规范快速、低成本地建立和运行，同时促进各部门之间的业务协同[5]。

2.3 综合决策支持

强化水利枢纽各业务协同，加大信息资源的开发利用程度，深层次挖掘数据价值，进行知识化处理，形成服务水利枢纽全局的信息资源体系，提高水利枢纽联合调度管理工作效率和应急响应能力，提高科学决策水平和智能化管理水平，进一步发挥水利枢纽的整体优势和规模效应，促进水利枢纽工程综合效益的提升[6-7]。

2.4 技术融合创新

物联网、云计算、大数据等先进信息技术的高速发展，极大地提升了各行业的智能化水平，信息技术与行业技术日趋呈现深度融合的态势。泛在感知、虚拟化资源、数据挖掘、三维仿真等新技术在水利信息化建设过程中的创新应用[8-11]，已经对水利行业的管理方式和技术发展产生了深远影响，也将为水利枢纽工程信息资源整合、应用平台建设、综合决策支持以及业务管理工作等提供强有力的技术支撑。

3 水利枢纽工程综合管理信息化系统框架设计

水利枢纽工程综合管理信息化系统是一个涉及在线监测、水库调度、发电管理、工程防汛、远程办公等多方面应用的综合性系统，部分水利枢纽还涉及景区管理、航运调度、水量分配等等，业务种类繁多，接口交互复杂。系统建设应遵循“简单、实用、安全、可靠”的设计原则，在业务需求分析的基础上，紧密结合大型水利枢纽工程运行管理的特点，分析研究系统建设的关键问题，以水库调度、工程防汛、发电管理等业务为核心，统筹考虑工程运行管理、综合办公等要求，做好顶层设计，力求全面感知、传输及时、数据畅通、信息共享，为水利枢纽工程综合管理决策提供科学的技术支撑。同时，系统必须采用良好的体系结构，具有足够的灵活性，以适应业务柔性变化和技术快速发展的需求。

3.1 设计思路

3.1.1 分层分区建设思路

系统设计和建设采取分层分区的思路，按照“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”原则，满足水利工程控制系统安全体系建设规范要求。分层主要是从管理层次来说，根据水利枢纽公司各层级职责定位的不同，依据管理需求系统建设可以分为两个层级；分区主要是从网络信息安全的角度来说，根据枢纽工程水库调度、电站管理、工程防汛等不同业务应用的安全需求，采用网络分区的方式进行系统建设。

纵向上，考虑到水利枢纽工程不同业务管理机构的职能范围和应用需求，系统在纵向结构上通常可以分为集控中心和业务管理分中心两层。集控中心负责汇聚来自各业务管理分中心的相关数据，配置完整的自动化信息化系统功能，处理不同业务管理分中心之间的数据交互和业务协同，负责整套系统的运行管理。业务管理分中心负责采集和处理业务相关信息，配置业务管理流程和功能，保持与集控中心的信息交互，接收和执行来自集控中心的指令。

横向上，为保障系统运行安全和网络信息安全，划分为安全区Ⅰ（控制区）、安全区Ⅱ（业务区）和安全区Ⅲ（管理区），三个分区配置独立网络，网络之间配置横向隔离装置以进行物理隔离[12-13]。安全区Ⅰ：用于实时控制，承载实时性要求最强、安全性要求最高的控制信息，包括运行电站监控系统、闸门监控系统等，符合电力安全规定架构要求。安全区Ⅱ：用于承载各类业务信息，包括水情水调、工程防汛、安全监测、综合决策等。安全区Ⅲ：用于承载各类管理信息，包括视频监控、远程办公、视频会议、信息发布等，可以与互联网连接，用于通过互联网进行信息传输的应用。

3.1.2 应用支撑平台思路

随着信息技术的快速发展，数据存储、硬件平台、应用系统等资源无法共享的问题越来越严重，迫使用户不得不花费大量的投资去打通这些信息孤岛，或者提前终止已有业务系统的生命周期，重新投资建设新的业务系统以满足新的业务需求，造成重复建设和投资效率低下等问题，面对这些问题，应用支撑平台技术应运而生。

应用支撑平台支持应用系统、平台之间的协作通过服务以高内聚、低耦合的方式设计，具有特定业务逻辑或功能的服务可以重用，根据业务需求也可对服务进行组合，部分通用功能可以采用成熟商业软件支持，因此可以更好地促成资源共享、提升系统建设效率、适应系统的需求变化及发展，满足工程运行管理对系统可扩展性、易维护性、高安全性、灵活性等方面的要求。

水利枢纽工程综合管理信息化系统宜采用平台化的设计思路，充分利用统一的应用支撑平台建设公共基础服务和应用支撑服务，将客户端应用、算法实现、数据资源结合在一起，并随着工程运行不断更新和发展。通过对应用中一些共性问题的归纳，提炼出一些与应用系统相对独立的、通用性的组件及管理工具，作为各个应用系统统一的底层。同时，采用面向对象和模块化软件开发技术，为今后的技术更新和功能升级提供支持和保障。

3.1.3 标准化开放性思路

标准化是系统建设管理和运行管理的重要基础，也是系统软件、硬件、数据等各类资源共享、系统有效开发和顺利集成、系统安全运行和平稳更新的重要保证。在系统的总体建设原则下，系统编码、数据信息、外部接口等方面按照统一的标准和规范，保证不同系统之间的互联互通，打破信息孤岛，实现各类业务数据的集成，并对各类业务数据进行挖掘和利用，实现控制、管理与调度决策等不同层次的应用体系。

开放性是在标准化的支撑下，以统一应用支撑平台为基础，系统建设可容纳不同厂家的产品，博取众家之长，以最优的组合达到系统建设目标。

3.1.4 资源整合共享思路

信息资源整合与共享是国家、水利部门及各行各业信息化建设中重点推进的工作。系统设计和建设要依据水利部《水利信息化顶层设计》和《关于推进水利信息化资源整合与共享指导意见》中的相关指导意见和技术要求，严格按照有关规定组织实施。

水利枢纽工程综合管理信息化系统开发建设中，要充分利用现有的基础设施和水利监测数据等，做到相关资源的共享，避免不同项目之间的重复建设。对于通信系统，要充分利用电力光纤、卫星通信、运营商链路等公共资源；对于各类硬件设施，优选云计算基础设施，为以后资源整合和扩充打好基础；对于应用系统，通过统一应用支撑平台，为各个业务系统提供通用的功能和服务，实现信息和资源的高度共享，避免重复开发和资源浪费。

3.2 总体框架设计

按照系统设计思路，水利枢纽工程综合管理信息化系统开发建设应采用先进的、科学的信息技术，搭建系统总体框架，尽可能避免短期内的重复建设，为系统开发建设和运行维护打下坚实的基础[14-16]。系统逻辑构成包括综合展示、业务应用、应用支撑、数据中心、基础设施、标准规范、安全保障等七个部分，系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架图

其中主体部分采用的分层体系结构可以降低不同层次之间的依赖性，实现不同层次之间松散耦合的集成，降低平台整体的复杂度，提升开发效率，并提供良好的可维护性与可扩展性，有利于系统后期的不断完善与发展，保障系统平台与后续业务扩展之间的连续性。

3.2.1 综合展示层

综合展示层以二三维可视化信息综合展示与会商平台为依托，是水利枢纽工程及枢纽管辖范围总体信息展示、用户交互及查询会商的窗口。综合展示以枢纽工程管辖区域基础地理信息系统和工程三维模型为载体，集成工程的基本属性、水文地质、结构图纸等设计成果数据，通过GIS、三维、虚拟现实等展示技术再现工程主要业务的真实管理和决策环境，提供电站监控、水库调度、水雨情监测、视频监控等电子沙盘，对各类专题信息以及各子系统处理后的成果信息进行直观形象的展示，对水利枢纽工程的全局运行状况、所在流域水雨情信息等进行动态展示。

3.2.2 业务应用层

业务应用层是整个系统的核心，用于实现系统的核心业务逻辑，集成用户直接使用的各类业务应用系统，主要包括各种业务应用、办公应用、移动应用、综合应用等。业务应用层是通过客户端浏览器建立与应用支撑平台中间件、数据服务的连接，根据业务处理的需求，对应用支撑平台请求各种服务，完成业务处理功能，并将结果返回到浏览器端。业务应用层可方便灵活地修改业务流程或增加新的业务功能，不同的水利枢纽工程业务应用层的应用系统或功能模块可以完全依据不同的业务管理需求进行个性化开发和定制。

3.2.3 应用支撑层

应用支撑层遵循SOA（面向服务的体系结构）设计理念[17]，集成ESB（企业服务总线）技术，基于跨操作系统平台、数据库平台的中间件软件构建，提供跨领域、与具体业务无关、通用的基础服务，包括公共服务、系统管理、应用组件、交互接口等，具有良好的平台兼容性、部署灵活性、互操作性和标准性等特点，提供一个支持信息访问、传递、以及协作的集成化环境，能实现个性化业务应用的高效开发、集成、部署与管理。应用支撑层隔离了业务应用层对数据库的直接访问，将业务应用系统与支持应用系统运行的数据资源进行了有效隔离，一方面提高了数据库的安全性，另一方面降低了应用系统与数据库的耦合性，同时为业务应用系统提供运行平台，以及资源整合机制、信息共享机制、软件复用机制、应用生成机制、资源统一管理机制、用户统一认证机制等。在应用支撑层基础上构建的业务应用系统，具有建设周期短，平台移植性强，系统运行稳定、扩展维护方便等特点。

3.2.4 数据中心层

数据中心层是利用基础设施层的硬件、软件和网络设施构成的一个存储、管理和访问数据的数据支撑平台，将水利枢纽工程涉及的各类数据进行集中管理，支持大量异构数据的交互和共享[18]，并确保数据的唯一性、准确性和安全性。数据库包括工程基础数据库、空间信息数据库、业务数据库、BI数据库、系统管理数据库及接入的其他外部系统数据库等，按照网络分区的要求分别存储在安全区Ⅰ（控制区）、安全区Ⅱ（业务区）和安全区Ⅲ（管理区），对应建设安全区I数据管理平台、安全区II数据管理平台、安全区III数据管理平台，实现本区域内的数据管理以及与相关区域数据的单向传输。

3.2.5 基础设施层

基础设施层是整个系统的基石，提供包括服务器、存储设备、通信及基础网络设施、操作系统、GIS软件、数据库软件在内的各种基础软硬件平台设施，以及水利枢纽各类监控点采集和控制设施，是信息资源采集、传输、存储及共享的基础，提供系统开发与运行的实体环境。

3.2.6 系统标准规范

标准化和规范化是信息系统建设的核心，也是重要的基础性工作，在系统开发建设和运行维护的各个阶段，严格按照相关标准执行，才能确保系统有效开发和安全运行。水利枢纽工程综合信息化系统是一个综合业务管理信息系统，涉及到多种业务、不同管理级别的用户、其他相关联的信息系统，系统本身也需融合不同厂家的产品和技术，因此，在建设过程中确立相关的标准规范显得尤为重要。系统设计应该在贯彻执行国家标准和行业标准的基础上，制定水利枢纽工程信息化系统相应的标准规范，诸如信息交换平台技术要求、信息采集设备接口标准、各类监测数据库数据字典和表结构标准、数据库及服务接口规范、系统应用IP地址分配规则等。

3.2.7 系统安全保障

网络信息安全是系统建设的重要内容，对系统面临的主要安全风险要提供可行的防范措施和解决手段，保障系统的安全运行。水利枢纽工程综合管理信息化系统也是一个实时业务监视系统，不仅需要从工程现场实时采集数据，还可能与其他相关部门实时交互动态信息，这些数据需经通信系统、计算机网络系统跨安全区传输，因此在数据交换共享方面需要加强安全保障措施。系统设计应该在信息安全防护相关规范的指导下，从物理层、系统层、网络层、应用层等确立安全保障体系，积极采取多种方案措施，诸如逻辑隔离、入侵检测、安全WEB服务、系统访问控制、恶意代码防护等，确保系统运行安全和数据安全。

4 结语

信息化手段对于水利枢纽工程的运营管理具有十分重要的意义，一体化的综合管理信息系统较好地克服了以往信息化建设过程中存在的信息资源分散、业务协同困难、综合效益低下等技术难点，并且具有资源共享和业务灵活性等技术优势，将是水利枢纽工程信息化建设和改造的发展趋势。H90006.0的开发，为一体化综合管理提供了良好的基础平台，在此基础上，重点开展的后续研究包括：①针对水利枢纽工程的运营管理的要求，对技术成熟的各专业应用软件进行专项研究，通过适应性改造，实现在H90006.0平台上的发布和应用；②借助大数据、云计算等先进信息技术进一步提高系统性能和工程运行管理效能；③推进水利枢纽工程综合管理一体化相关标准的制定，为水利枢纽工程的精细化、智能化、现代化管理提供切实可行的技术支撑。