梁志开 叶倍颖 曹阳 金能 李甘
摘要：随着计算机科学与水利行业的融合，大中型水利工程逐渐向数字化、信息化、智慧化转型，基于异构数据库的水利工程信息管理系统可对日益增长的海量数据实现共享和透明访问。以福建省九龙江北溪水闸基于异构数据库的工程信息管理系统为例，详细介绍了基于异构数据库的水利工程信息管理系统架构体系、异构数据库的结构组成、工程信息管理系统智慧业务应用。提出的基于异构数据库的水利工程信息管理系统方案具有较好的启示性。
关键词：水利工程; 信息管理系统; 异构数据库; 智慧业务应用系统
中图法分类号：TP315 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.024
文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0137 - 06
0 引 言
水利行业正逐渐向数字化、信息化、智慧化转型，水利工程将面临日益增长的海量工程数据，而水利工程中涉及的各种行业标准不一，数据之间存在平台差异、协议差异、语言差异、设备差异、厂家差异、数据结构差异等。目前尚无适用于水利工程管理系统各子系统统一的异构数据格式标准规范，直接导致数据孤岛问题加剧，无法实现数据结构的共享与整合，阻碍了水利工程数据信息管理系统的智慧化应用[1]。
目前，智慧工程信息管理系统的建设包括BIM+GIS[3]、数字孪生[4]、物联网技术[5]、传感器集群[6]、中间件技术、云计算[7]等多种方式，笔者认为智慧工程中数据是最关键的环节，解决了数据孤岛、数据共享等技术问题，工程信息管理系统才能实现真正的智慧化。基于异构数据库的工程信息管理系统采用的异构数据库集成了多个相关数据库系统，可以实现数据的共享和透明访问，实现不同数据库之间的数据信息资源、硬件设备资源和人力资源的合并和共享，从而有效解决了原有综合自动化系统存在的数据孤岛问题，从而为后续智慧业务应用打下坚实基础。
福建省九龙江北溪水闸工程基于异构数据库的工程信息管理系统，是由原有综合自动化系统升级改造而来，原有的综合自动化系统包括了水情水质自动测报系统、水闸安全监测系统、闸门监控系统、工业电视及广播系统、网络与数据库平台、综合信息管理系统以及三维仿真管理系统等多个子系统[2]，系统复杂，数据量大。本文以福建省九龙江北溪水闸基于异构数据库的工程信息管理系统为例，详细介绍了基于异构数据库的结构组成和水利工程信息管理系统架构体系及智慧业务应用。
1 系统架构体系
九龙江北溪水闸基于异构数据库的工程信息管理系统在现有的综合自动化系统基础上进行升级改造，构建多源异构数据库，汇集各个子系统数据。各子库采用统一的数据格式，汇聚数据资源，实现数据的管理、调度、运维，形成数据资源池，并在异构数据库的基础上建立智慧业务应用系统，从而创建基于异构数据库的水利工程信息管理系统。现有综合自动化系统的升级改造提供了工程信息管理系统所需的软硬件基础，水利工程异构数据库为信息管理系统提供了可共享与透明访问的数据源，智慧业务应用利用异构数据库实现了工程信息管理系统的数字化、信息化、智慧化业务应用。
1.1 系统总体架构
基于异构数据库的水利工程信息管理系统由自动化系统数据层、异构数据库层、智慧业务应用层组成，其总体架构如图1所示。
（1） 自动化系统数据层。自动化系统数据层是整个信息系统的基础平台。自动化系统数据层各子库采用统一的数据格式，实现各类数据的采集、获取。
（2） 异构数据库层。异构数据库层在自动化系统数据层和智慧业务应用层之间，利用数据层进行数据相关的访问调用并提供上层的应用服务给应用层使用。异构数据库层集成了多个相关数据库系统，可以实现数据的共享和透明访问。
（3） 智慧业务应用层。智慧业务应用层集成了综合信息查询和显示、工程运维巡检、决策综合信息服务、移动端管理信息化、运行期应急响应、综合管理办公、工程防洪调度管理、水资源调配管理、会商决策支持等多个子系统，采用B/S（浏览端/服务器）架构体系，系统根据用户权限来确定需要执行的智慧业务模块。
1.2 IT架构
基于异构数据库的水利工程信息管理系统IT网络架构如图2所示，包括：① IT基础架构（交换机、服务器、磁盘阵列、备份存储、光缆及配线架、中继等）;② 网络安全架构（防火墙、安全网关、双向隔离网闸、数据库审计系统、安管一体机等）;③ 数据云备份。
2 异构数据库结构组成
作为数据支持层，异构数据库是工程管理信息系统平台的信息源头和基础，通过对北溪水资源调配所需的水文水情预报、大坝安全监测、闸门监控、工业电视、水质监测、配电监控等专业自动化系统进行收集、整合与完善[2]，各子库采用统一的数据格式，构建数据管理、调度、运维系统，形成数据资源池，建设实用、可靠、先进、标准、兼容的工程信息管理系统异构数据库，为实现智慧业务应用提供了数据基础。
2.1 异构数据库系统功能要求
基于异构数据库的水利工程信息管理系统其异构数据库系统需满足以下功能要求。
（1） 数据获取。异构数据库从各业务系统定时批量地获取变动数据。各业务系统应将每天更新的数据，即数据变动，放入自建临时数据库中，并开放通訊端口和提供接口，异构数据库在每日的零点通过接口批量获取变动数据。
（2） 数据筛选。异构数据库对从各业务系统获得的数据进行清洗，获取的数据可能存在不符合规范的情况，还可能有数据缺失和不一致等问题，异构数据库需要对相应的问题进行查证、识别、转换和处理，使之符合数据分析的要求并存储[8]。
（3） 数据接口。异构数据库为各业务系统定制接口和开放端口，业务系统应能通过相应接口向异构数据库主动推送所需实时信息。
（4） 数据配置。异构数据库提供配置能力，能动态配置所要接入的系统、提供的接口及端口。
（5） 数据分析。异构数据库对来自不同系统的数据进行整合处理，运用大数据分析技术和机器学习方法，对工程运行进行更加准确的分析，提供综合性更强的各类统计报表，为决策提供有力支持。
（6） 数据交互。异构数据库提供给各业务系统的接口，各业务系统提供给异构数据库的接口都采用Web Service技术，接口的返回值为JSON字符串，使得运行在不同机器上的不同应用无须借助附加的、专门的第三方软件或硬件，就可相互交换数据或集成。针对Web Service的安全访问采用WS-Security协议。通信协议目前采用标准的HTTPS协议方式。在通信过程中，为了统一字符集，交易报文采用UTF-8格式传送[9]。
2.2 异构数据库系统信息交换流程
异构数据库系统与各信息子系统信息交换拓扑结构如图3所示。
各信息子系统向异构数据库推送实时信息的交换流程包括：① 异构数据库发起业务请求;② 分发枢纽校验用户名和密码的正确性;③ 分发枢纽校验通过后，将业务请求转发给信息系统平台;④ 信息系统进行用户有效性的校验;⑤ 信息系统进行业务处理;⑥ 信息系统将业务处理的消息返回给分发枢纽;⑦ 分发枢纽将消息的处理结果返回给异构数据库[10]。
2.3 异构数据库构建流程
异构数据库的构建流程包括以下方面[11]。
（1） 基础资料收集。采用面向对象的数据模型，构建非冗余的有序管理基础数据。将对象划分为标识和属性，其中对象标识仅表达本体的存在性和唯一性，属性则是该本体的相关特征信息，如基本属性、业务属性、空间属性以及标识或属性均有可能存在的时相特征等。对象与其属性的数据模型如图4所示。
（2） 数据收集与预处理。实施整合前对已有各类分散数据进行收集与预处理，是后续具体整合工作的基础。根据整合需求，对维持数据源物理集中的需要收集各类数据资料的样表、数据库模型、设计模型、设计文档资料等信息;对归并数据源物理集中的需要收集纸质报告、数据报告、数据电子文件、数据库备份文件及其表结构标识符等说明文档，并对其进行初步分类与预处理，检查数据的时效性、正确性、一致性与完整性，并进行补充完善，以满足数据库设计与采集相关要求。
（3） 解耦与对象抽取。对收集与预处理后的数据进行解耦，逐类对象抽取形成整合目标对象，对于多源数据还需形成并集、剔除重复、统一结构、统一编码等处理，形成统一的对象名录及新旧编码对照表，并对对象名称以及基本信息进行标准化处理，建立对象标识表和基本属性表。
（4） 业务属性扩展。根据已建立的标识对象逐类进行。
（5） 空间属性挂接。对象的空间属性一般通过点、线、面3类空间要素来表达，对有空间属性的对象，逐类开展标识与空间要素挂接。已有空间要素数据的对象在挂接时可通过编码或关键字建立关联进行挂接。
（6） 对象关系挂接。对象与对象间的关系有依赖、相关和空间关系。经梳理，行为客体类对象（项目、事件、政策法规、标准规范、规章制度、公文、统计、规划成果、计划成果、设计成果、实施成果、档案、文献）与其他对象之间是弱关联关系。对象间可通过关键字等建立相關关系，且关系需要挂接处理，否则对象间就无法建立关联。多媒体对象与其他所有均可能存在依赖关系或相关关系，在数据建模时已对多媒体对象与其他对象之间的依赖关系建立对象关系表。空间关系则需通过分析算法得到。
（7） 数据入库。对上述已处理好的数据通过ETL工具进行初始入库。首先制定迁移策略，再使用脚本将处理后的数据导入至项目面向对象设计中心数据库。需对部分数据进行人工补录。
（8） 数据校验与质量控制。入库对象业务属性数据检验包括：① 属性分类合理性及一致性;② 属性数据完整性及一致性;③ 对象属性值（包括计量单位、长度等）的正确。
（9） 元数据采编与资源目录编制。① 元数据采编，按元数据标准采集项并入库，同时重点检查核心元数据项;② 资源目录编制，根据元数抽取或人工编制的方式进行资源目录。
2.4 异构数据库组成
根据北溪水闸工程信息管理系统建设的需要，本次系统平台异构数据库包括平台数据库、基础数据库、业务数据库、监测数据库、空间数据库以及非结构化数据库。通过高效的数据更新机制，整合数据资源，保证数据的完整性和一致性。
（1） 平台数据库。包括人员、组织结构、角色、菜单、通知、邮件、日志等信息。
（2） 基础数据库。主要管理与水利相关的自然对象、工程及设施，如河流、水系基本信息，闸站、隧洞、测站基本信息等。
（3） 业务数据库。包含水库管理综合服务、水资源配置计划与综合调度、工程运行管理等，包括工程设施基本信息、特征信息、水资源配置计划与调度、闸站控制与调度、日常巡检、工程运维、精细化管理、千分制考核、综合办公业务等。主要通过数据交换平台从其他业务系统同步。
（4） 监测数据库。包含水雨情/水质监测信息、安全观测监测信息、测站设备信息等。如降水量信息、沉降、位移信息、传感器基本信息等。数据通过数据交换平台从安全监测自动化系统同步。
（5） 空间数据库。主要可分为基础地理空间信息（DEM/DLG）、影像数据信息等，这些数据按照数据的组织形式可以分为属性数据和空间数据。
（6） 非结构化数据库。主要包括公文、法规、制度、规范、图纸、影音、图片等，通过数据交换平台从其他业务系统同步。
3 智慧业务应用
现有综合自动化系统的软硬件改造升级，提供了智慧业务应用软硬件基础，构建异构数据库消除了信息孤岛，为智慧业务应用提供了数据基础。智慧业务应用系统能全面提高九龙江北溪水资源调配中心的管理技术水平，对实现水资源合理配制和优化调度具有强有力的推动促进作用[12]。
智慧业务应用由综合信息查询和显示系统、工程运维巡检系统、决策综合信息服务系统、移动端管理信息化系统、运行期应急响应系统、综合管理办公系统、工程防洪调度管理系统、水资源调配管理系统、决策会商支持系统等组成。主要建设内容如下。
（1） 综合信息查询和显示系统。通过对各专业自动化系统数据的集成和成果展示，结合GIS+BIM进行直观化的综合信息展示，为用户提供实时、统一集中的工程监控及管理，实现更快捷、准确的图形及数据展现，让用户可随时掌握工程运行状态，并通过对实时采集数据的数据分析、结合数据模型及工程设备运行现状，展现不同级别的安全预警信息，为用户决策提供数据支撑。
（2） 工程运维巡检系统。依据历年来水闸工程维修养护经验并结合闸门设备状态风险评估，为用户提供更方便、更标准的水闸维修养护流程，定制水闸运行管理维护体系。
（3） 决策综合信息服务系统。遵循当前主流门户系统技术规范、W3C的标准和规范、WebGIS等技术，通过应用支撑平台实现对北溪引水调度、闸站监控、工程防洪、水质监测等信息的查询、统计和会商决策支持等功能，能根据角色授予权限，访问不同的资源，并能提供灵活、简洁、个性化的应用界面，为北溪引水调度与运行管理提供信息支持。
（4） 移动端管理信息化系统。提供基于移动端的多种业务应用，提供快捷、方便移动的巡检功能，及时地处理工程安全隐患，提高巡检人员和管理人员工作效率。运用移动设备实时查看水闸运行状况及风险，方便快捷查阅和处理水闸工程监测及维护出现的问题，同时使管理局各层级员工互联互通、时刻掌握工程安全状态。
（5） 运行期应急响应系统。总体功能分为应急信息汇集与评价、应急方案制定、应急方案执行指挥、应急档案管理、应急回顾与知识更新五大模块，此外还有综合功能为各系统服务。
（6） 综合管理办公系统。以实现对水利政务信息流的传输、存储、处理、控制为主要内容，对水利政务信息进行跨平台整合集成，实现方便快捷、高效、准确、智能一体化水利政务管理。
（7） 工程防洪调度管理系统。以平台为依托，在防汛信息数据库的基础上，开发防洪形势分析、防洪应急响应、防洪组织管理等功能，以现代化的管理理念和工作方式，提高防洪信息综合处理能力，为安全调水提供信息支持，并为水量调度计划的编制提供数据资源。
（8） 水资源调配管理系统。以实时雨情、水情、工情等各类实时信息作为输入，通过启动计划模型和方法，对供水量、需水量峰值出现时间等水资源配置要素进行计划并预报，为水资源调配中心提供决策依据。根据水资源配置计划和调度规则，制定北溪水闸和左干渠各闸站优化运行调度与控制计划，以实现水资源充分利用和合理调配。
（9） 决策会商支持系统。通过对综合信息查询和显示系统所提供的相关决策内容和相关信息进行试算分析，以提供会议辅助决策信息，并结合三维GIS+BIM仿真系统对相关内容进行会议展示，为管理者提供及时、准确、科学的决策依据。
4 结 语
本文以福建省九龙江北溪水闸基于异构数据库的工程信息管理系统为例，详细阐述了大中型水利工程基于异构数据库的工程信息管理系统架构体系、异构数据库的结构组成、工程信息管理系统智慧业务应用等內容，可为其他水利工程基于异构数据库的工程信息管理系统构建提供参考。
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Development of engineering information management system based on heterogeneous databases in water conservancy projects
LIANG Zhikai，YE Beiying，CAO Yang，JIN Neng，LI Gan
（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）
Abstract：
With the combination of computer science and water conservancy industries， large and medium-sized water conservancy projects are gradually transforming into digital， informational， and intelligent projects. The water conservancy project information management system based on heterogeneous databases can realize data sharing and transparent access for the increasingly large amounts of data. Taking the information management system based on heterogeneous databases of Beixi Sluice Project on the Jiulong River in Fujian Province as an example， this paper introduces in detail the framework of water conservancy project information management system based on heterogeneous databases， the structure of heterogeneous databases， and the intelligent business application of engineering information management system. The water conservancy project information management system based on heterogeneous database proposed in this paper has good feasibility， advancement and demonstration.
Key words：
water conservancy projects; information management system; heterogeneous databases; intelligent business application system