水利工程运行管理系统的设计与实现V3

水利工程运行管理系统的设

计与实现

UniversityofScienceandTechnologyof

China

ADissertationforMaster's

DegreeofDngineering

DesignandImplementation

ofWaterConservancyProject

OperationManagementSystem

摘要

摘要

水利工程运行管理是水利工程管理重要组成部分，随着我国经济的飞速发展,

水利工程管理水平也日益提升，但是对于水利工程来说，由于其受影响的因素较

多，比如相关部门重建轻管、工程难度过、管理任务过重、管理多元化、种类多

样、数量过多以及面积过广等等。目前来看，在管理水利工程运行的相关环节时，

还有很多薄弱的地方，比如使用了过于单一的管理方法，无法使得管理效率得到

提升，并且其不具备足以支撑其高效工作的信息化管理平台，使得管理工作不够

科学、有效以及全面，进而无法对水利工程的综合管理效益进行充分发挥。本文

的研究对象为南水北调工程东线山东段，主要研究工作如下：

调研当前工程现状及特点。通过现场调研，发现山东境内建筑物众多，工程

安全（包括工程安全、水质安全、工程防洪等）是该水利工程运行管理的重要保

障问题。为保障该项水利工程安全运行，各项工程的安全隐患能够及时排除，研

究时在对水利工程现场检查与远程监控进行实现时应用了信息化的方法，以对水

利工程的运行情况与安全进行实时地掌控，并根据调研结果进行需求分析。根据

该项水利工程运行项目的参与角色不同、权限不同，以及需求分析结果对系统进

行设计与编码实现，构建一套符合水利行业工程运行标准流程和数据接口规范的

管理平台，该平台采用先进的大数据和移动互联技术，主要实现运行监测、日常

作业（包括设备管理、工程巡检、问题上报、维修养护、两票管理、工程检查、

工程观测、安全管理等）、健康诊断、运行调度等功能，改变传统的事后管理模

式为在线监管模式，经测试表明，达到多用户并发操作时，系统事务响应时间、

点击率、吞吐量、吞吐率、资源利用率等指标。经上线运行，基本实现水利工程

设备的在线监测、健康诊断目标，为南水北调东线山东段的水利工程安全运行提

供技术保障，对后期实现水利工程现代化与智能化管理方式的基础进行了奠定。

系统上线后，对系统进行全面测试，验证功能的完整性及性能的稳定性。测

试部分主要分为测试工具选择，测试环境的搭建及测试案例编写和测试报告的编

写。

摘要

关键词：水利工程运行管理在线监测健康诊断

11

Abstract

ABSTRACT

Theoperationandmanagementofwaterconservancyprojectisanimportantpart

ofwaterconservancyprojectmanagement,withtherapiddevelopmentofeconomyin

ourcountry,themanagementlevelofwaterconservancyprojectisimprovingdayby

day,butforwaterconservancyproject,itisaffectedbymanyfactors,forexample,the

reconstructionofrelevantdepartmentsislight,theprojectistoodifficult,the

managementtaskistooheavy,themanagementisdiversified,thevarietyistoomuch,

thequantityistoolargeandtheareaistoowideandsoon.Atpresent,therearestill

manyweaknessesinthemanagementoftherelevantlinksintheoperationofwater

conservancyprojects,suchastheuseoftoosinglemanagementmethods,whichcan

notimprovethemanagementefficiency,anditdoesnothaveaninformation

managementplatformthatissufficienttosupportitsefficientwork,sothatthe

managementworkisnotscientific,effectiveandcomprehensive,sothatthe

comprehensivemanagementbenefitsofwaterconservancyprojectscannotbe

broughtintofullplay.TheresearchobjectofthispaperistheShandongsectionofthe

eastrouteoftheSouth-to-NorthWatertransferProject.Themainresearchworkisas

follows:

Investigatethecurrentsituationandcharacteristicsoftheproject.Through

on-siteinvestigation,itisfoundthattherearemanybuildingsinShandong,and

engineeringsafety(includingprojectsafety,waterqualitysafety,projectfloodcontrol,

etc.)isanimportantguaranteefortheoperationandmanagementofthewater

conservancyproject.Inordertoensurethesafeoperationofthewaterconservancy

project,thehiddendangersofvariousprojectscanbeeliminatedintime,andthe

informationmethodisappliedintherealizationofon-siteinspectionandremote

monitoringofthewaterconservancyproject,inordertocontroltheoperationand

safetyofthewaterconservancyprojectinrealtime,andcarryonthedemandanalysis

accordingtotheinvestigationresults.Accordingtothedifferentrolesandpermissions

ofthewaterconservancyproject,andtheresultsofdemandanalysis,thesystemis

in

Abstract

designedandcodedtobuildamanagementplatformthatconformstothestandard

processanddatainterfacespecificationofengineeringoperationinthewater

conservancyindustry,theplatfoimadoptsadvancedbigdataandmobileInternet

technology.Itmainlyrealizesthefunctionsofoperationmonitoring,dailyoperation

(includingequipmentmanagement,engineeringinspection,problemreporting,

maintenanceandmaintenance,two-ticketmanagement,engineeringinspection,

engineeringobservation,safetymanagement,etc.),healthdiagnosis,operationand

scheduling,etc.changethetraditionalpost-eventmanagementmodetotheonline

supervisionmode,andthetestshowsthatwhenmulti-userconcurrentoperationis

achieved,Systemtransactionresponsetime,clickrate,throughput,throughput,

resourceutilizationandotherindicators.Afteron-lineoperation,thegoalofon-line

monitoringandhealthdiagnosisofwaterconservancyequipmentisbasicallyrealized,

whichprovidestechnicalguaranteeforthesafeoperationofwaterconservancy

projectinShandongsectionoftheeastrouteofSouth-to-NorthWatertransferProject.

Itlaysthefoundationforrealizingthemodernizationandintelligentmanagementof

waterconservancyprojectsinthelaterstage.

Afterthesystemisonline,acomprehensivetestofthesystemiscarriedoutto

verifytheintegrityofthefunctionandthestabilityoftheperformance.Thetesting

partismainlydividedintotheselectionoftesttools,theconstructionoftest

environment,thecompilationoftestcasesandthepreparationoftestreports.

KeyWords:hydraulicengineering,Operationmanagement,On-linemonitoring,

Healthdiagnosis

IV

目录

目录

摘要I

ABSTRACTIll

第1章绪论1

1.1研究背景及意义1

1.1.1研究背景1

1.1.2研究意义2

1.2国内外研究现状2

1.2.1国外研究现状3

1.2.2国内研究现状6

1.3研究目标7

1.3本人主要工作8

1.4本文组织结构8

第2章需求分析10

2.1系统需求概述10

2.1.1水利工程管理基本概念10

2.1.2用户界面11

2.1.3用户对象分析11

2.2系统功能性需求11

2.2.1设备管理11

2.2.2工程管理11

2.2.3作业管理11

2.2.4运行管理11

2.2.5运行监控12

2.2.6统计分析12

2.2.7健康诊断12

2.2.8移动应用12

2.3系统非功能性需求12

231性能需求12

2.3.2灵活性需求12

2.3.3安全性需求13

V

第1章绪论

2.3.4系统故障处理要求13

2.3.5其他需求14

2.4本章小结14

第3章系统概要设计15

3.1设计理念与原则15

3.1.1设计理念15

3.1.2设计原则15

3.2总体架构设计16

3.3功能架构设计18

3.4技术架构设计20

3.5数据库设计21

3.5.1数据库设计原则21

3.5.2数据库结构设计22

3.6本章小结39

第4章系统详细设计与实现40

4.1功能详细设计40

4.1.1设备管理40

4.1.2工程管理41

4.1.3作业管理42

4.1.4运行管理44

4.1.5运行监控45

4.1.6统计分析46

4.1.7健康诊断47

4.1.8移动应用48

4.2接口设计49

4.2.1用户接口49

4.2.2硬件接口49

4.2.3软件接口50

4.3关键技术说明50

4.3.1多源异构数据采集技术51

4.3.2数据传输技术52

4.3.3曲线拟合技术53

4.3.4离群点检测技术54

4.4本章小结55

VI

第1章绪论

第5章系统测试57

5.1测试工具57

5.2测试目的57

5.3测试环境57

5.4测试用例58

5.5测试结果摘要60

5.5.1用户运行情况图61

5.5.2事务摘要图62

5.5.3每秒点击数63

5.5.4Windows资源情况图63

5.6本章小结64

第6章总结和展望66

6.1总结66

6.2展望66

参考文献67

致谢错误!未定义书签。

VII

第1章绪论

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

1.政策背景

党的十八大以来，习近平同志多次就治水管水、保障水安全作出重要指示，

提出了十六字的治水方针，即“节水优先、空间平衡、系统治理、两手着力”。

同时突出要对以往的错误行为与错误观念进行纠正。习主席的十六字治水方针

是习近平新时代中国特色社会主义思想在治水领域的智慧结晶。

为了推动新时代水利行业发展，并且对党的十九大、十九届二中全会与三

中全会的相关精神进行贯彻，以及对上述习近平总书记提出的十六字治水方针

进行实践，中国水利部部长鄂竟平提出“水利工程补短板，水利行业强监管”

理念，指出治水主要矛盾的深刻变化，加快转变治水思路和方式，要以弥补水

利工程的短板以及加强监管水利行业作为当前的工作重点，其中，所谓弥补短

板主要是指要对河湖水系综合整治工程、农村饮水安全巩固工程、山洪灾害防

治工程、中小河流治理工程、病险水库加固工程以及江河治理工程等的实施进

行推进，即对水利工程的基础设施短板进行弥补；所谓加强监管水利行业则是

指要以不同地区与不同流域的经济发展情况以及自然条件为依据，基于以水定

需与节水优先的方针来对能够操作与能够量化的清单与指标进行制定，然后把

一套标准、规范以及全面的体制创建出来，以对人的行为进行规范川。水利工

程的“重建设，轻运维”的理念也发生改变，各级水利工程管理单位日趋重视

水利工程运行管理与维护。

2.项目背景

南水北调东线一期山东段工程，主干线从苏鲁省界开始一直向山东韩庄运

河延伸，在进入到南四湖的下级湖之前会先后经过台儿庄、万年闸以及韩庄的

三级泵站进行提水，然后通过湖内航道向着南四湖二级坝进行引流，接着再向

南四湖上级湖进行延伸，期间经过二级坝的泵站进行提水,继续沿着航道前行,

一直向着梁济运河与柳长河延伸，期间再经过邓楼与长沟两级泵站提水，提水

后向着东平湖方向延伸，此间又经过八里湾泵站进行提水，再经过了东平湖以

后，会分成两股分别向着胶东地区与黄河以北延伸，即最终实现供水。第一条

线路，向黄河以北供水，主要分为两期工程，整体是从黄隧洞穿过向着黄河方

向延伸，然后自流通过小运河到达临清地区，其一期工程主要是进入到大屯水

第1章绪论

库，期间经过七一河与六五河，二期工程则是通过临清继续向河北方向延伸，

以实现对天津市与河北省供水的目标。第二条线路，向胶东地区供水，引水通

过东平湖渠首闸进行，然后通过胶东的输水渠道实现输水过程。此外，此工程

主要包含了两大输水干线，分别为东西输水干线与南北输水干线，呈现出T字

形，干线总长度接近一千两百公里⑵。

对于南水北调工程来说，由于其东线工程具有过大的覆盖范围，因此使得

管理与运行工作较为困难，主要呈现出具有过于复杂的管理内容、过多的层次

以及过广的机构地域分布等问题，因此，要想实现对工程的高效管理，那么就

必须以先进的管理技术与平台为依托，这样才能够保证及时且准确地从上往下

传达相关指令，以对工程整体管理工作的高效性与有序性提供保障。以下是此

工程管理目标的主要内容：基于南水北调东线山东干线的调水业务与全线的自

动化控制，与先进的自动控制技术、信息技术、通讯技术以及水利技术相结合，

对调度会商决策支持环境与信息化的作业平台进行创建，此平台主要是对工程

管理、运行维护、工程安全监控、水质监控以及调度监控等业务进行服务，最

终使得工程运行管理信息化与调水过程自动化的目标得以实现，进而对调水的

安全提供保障。工程基于“资源共享、业务协同、信息流畅”的方针，对完善

的数字化网络系统进行了建设，以对系统工程可以对外部与内部信息进行及时

且快速地捕捉提供保障，并且能够迅速应对各种紧急状况与异常情况，对应急

决策与响应过程进行加速，最终使得工程整体的运行效率提升。

1.1.2研究意义

随着国家在水利工程建设上的不断投入，特别是经过“十一五”和“十二五”

的大规模水利工程基础建设，水利工程的自动化技术和信息化水平已经有了质

的飞跃，但由于水利工程信息化项目建设普遍存在多头管理分散建设，导致存

在以下问题：1.水利工程信息化项目建设多头管理分散建设导致技术规范标准

不统一，系统技术异构问题严重，软硬件环境没有得到充分利用；2.业务应用

系统开发与应用方面普遍存在业务处理功能相对单一、仅能满足基本业务处理

需求，无法满足业务协同发展的需要；3.各类业务应用系统数据共享程度低，

信息资源难以整合，“信息孤岛”现象仍然严重。南水北调工程是优化我国水资

源时空配置的重大举措，是有效缓解我国北方水资源严重短缺问题的特大型基

础水利工程项目，因此保证工程的安全运行、提高工程运行效率，对南水北调

东线具有非常重要的意义［3］。

1.2国内外研究现状

2

第1章绪论

1.2.1国外研究现状

就当前的国外调水工程管理情况而言，不管是计划经济国家，还是市场经济

国家，如果跨流域调水工程中牵扯到了过多的人口以及过大的供水面积，那么就

会较大的影响到社会的发展与国民经济的发展，政府负责组织并施行工程的建设

与管理工作，当然不同的工作会由不同的管理机构来完成，但是对于这种公益性

的水利工程来说，市场机制是无法完全运作其运行费用与投资费用的，只有具备

充分自主经营权以及独立核算权限的经济实体才能够负责综合性工程的运营过

程。整体而言，不同的国家在不同经济发展阶段会对具有不同功能的水利工程进

行建设，相应的在进行管理时也会使用不同的机制，以及运营与管理的资金来源

也会有所差异。

1.美国水资源管理及调水工程管理模式

在最近几十年时间中，美国地区的水资源管理制度呈现出了多样的发展形势,

首先从分散趋于集中，接着又趋向于分散，最后又趋向于集中［4］。我们通过例

举其位于加州的调水工程来对他们的管理体制经验进行梳理与总结：

（1）政府主导调水工程的建设过程

通常来说，美国管理机构的权威性是较高的，政府把对应的行政职权赋予了

这些部门，甚至于有些部门还具有立法权。而在建设跨流域调水工程时，其就把

较强的政府行为体现了出来，即政府部门统一组织并建设完成了此跨流域的调水

工程，同时也独立负责此工程的管理与后期运营。其基于统筹经营的方式来建设

并管理此调水工程，目的是为了合理利用并且优化配置水资源［5］。

（2）国家严格依法调配水资源

对于美国来说，其调水工程从立项到投资规模的确定再到最后的施工与管理

过程全部都受到相关法律的监管，通常来说，每一个水利工程都会与一项详细的

法案相对应。而美国之所以能够成功地建设水利工程并且充分调配水资源，原因

就在于其具有有效的立法与严格的执法过程，从批准建设一个调水工程当天开始,

就会有相应的法律来保障工程的良性运行机制、管理机制、质量标准、投资、水

量分配以及后续效益发挥等。

（3）提供了优惠的融资政策与投资政策

相较于其它的基础产业与基础设施来说，大型的调水工程具有更加显著的环

3

第1章绪论

境效益与社会效益，但是也具有相对较低的直接经济效益收益，针对这一点，美

国政府通常会制定多样化的优惠政策提供给工程的建设投资过程。首先，联邦政

府会对长期性的低息贷款与拨款政策进行提供：对于环境保护过程和防洪工程来

说，政府会直接进行拨款以投资这两类项目；对于水力发电工程、供水工程和灌

溉工程来说，政府会对长达五十年时期的低息贷款政策进行提供，并且在建设期

间不用对本息进行归还；其次，联邦政府对有关建设债券进行发行。这种集资方

式经常被用于美国的远距离调水工程中，购买了这种类型的债券后，债券所有人

无需对各种收入的税费进行缴纳；最后，联邦政府会对调水工程建设资金进行创

建。

（4）水资源的多目标开发利用

对于美国的调水工程规划来说，其还有一个特性，即对于多目标的综合开发

利用十分重视。每一个调水工程都尽可能多地结合其它方面，以便于对其效益进

行充分地发挥，比如渔业收益、旅游收益、航运收益、发电收益、防洪收益、农

村收益以及城市工业收益等等。

（5）企业化的管理模式与运营模式

在完成了加州调水工程的建设之后，联邦政府为了基于高效的运营与管理来

对经济效益目标进行实现，他们对现代化的管理设施与设备进行了创建，同时结

合科学的管理体制来对管理人员的能力进行增强，从而使得他们的管理水平得到

提升，最终保障工程经济效益目标得以实现。负责加州调水工程的单位对企业化

的管理方式进行了施行，以规范的公司体制要求来对调水有限责任公司进行了组

建。不仅如此，他们还对地方的供水公司进行了组建，以对配套工程的建设与管

理工作进行负责。供水与用水的关系存在于供水企业与用水户之间。这种方式能

够便于对企业和出资人之间的经济关系进行梳理，具有非常清晰的产权与明确的

职责，最终使得企业的完全自主经营过程得以实现。

加州调水工程还能够对水资源管理机构的作用进行充分地发挥，早在20世

纪50年代中期，美国加利福利亚州的州议会中基于立法的方式来给州水资源局

赋予了设计、规划、勘探、建设以及管理此工程的重任。在建设完成工程之后，

对其经济效益与社会效益进行了充分发挥。从加州调水工程中我们可以获悉，给

健全的水资源管理机构授予相关的权限，能够对工程建设与管理运营的效率提供

4

第1章绪论

较好的保障，而美国的管理机构与我国流域管理机构十分的相似，因此可以对其

中的一些经验进行借鉴。

2.法国的水资源管理体制

对于法国水资源管理工作来说，其中最大的特点就是基于流域来进行管理。

法国用六大流域来划分了本国内的河流水系统，同时对流域财务局与流域委员会

进行了成立。法国当前的水政策是全方位综合管理自然水系，他们从来不是用简

单的自然物来看待水资源，而是把水资源看成一个整体的系统，即用一个融合了

社会法律、地质学、化学以及物理的复杂系统来看待全部的河流，并通过综合的

方式来管理地下水与地表水，最终使得与水资源有关的很多生态问题都得到了较

好的解决。

3.加拿大的水资源管理体制

在加拿大，联邦政府与省政府共同承担水资源的开发与利用，联邦政府主要

负责对影响通航与国际活动的水体进行管理；同时其还需要直接管理国家公园、

跨省工程与跨地区工程，而省政府则主要负责管理内陆水权。通常来说，政府负

责组织并施行工程的建设与管理工作，但是其不具有完全相同的管理机构，对于

这种公益性的水利工程来说，市场机制是无法完全运作其运行费用与投资费用的,

只有具备充分自主经营权以及独立核算权限的经济实体才能够负责综合性工程

的运营过程。整体而言，不同的国家在不同经济发展阶段会对具有不同功能的水

利工程进行建设，相应的在进行管理时也会使用不同的机制，以及运营与管理的

资金来源也会有所差异。

通过对各个国家水利工程管理工作特性进行分析，我们可以总结出以下几点

经验：

1.统一组织与经营管理

在建设与管理大型的调水工程时，绝大部分国家使用的方式都是由中央政府

与地方政府共同负责，然后统一进行组织与建设，实际上，对于大型的水利工程

来说，其建设与管理的宏观控制权必然是属于国家或者地方政府的，只有具备充

分自主经营权以及独立核算权限的经济实体才能够负责工程的建设与运营过程。

2.重视法律法规的建设

就大型调水工程的建设与管理工作来说，不同的国家会对不同时期的法律法

5

第1章绪论

规进行相应的制定。那么对于水利工程而言，其制定的法律法规需要涵盖到工程

的组织建设、水事纠纷、水量分配、水量控制、运行调度、职能划分以及机构设

置等方面内容。

3.保证资金来源

对于大型的调水工程来说，其工程投资资金的来源很多，比如利用贷款、发

行债券、各类基金、政府财政拨款以及收取的各类税费、电费和水费等，政府通

过免除工程债券的水费，以及对低息或者免息的贷款政策进行施行，从而把一个

稳定的资金来源提供给水利工程的建设过程。

4.建立完善的配套设施

要基于现代化的方式来科学管理大型的调水工程。对于工程效益充分发挥、

工程有效调度与安全运营以及合理控制用水的前提来说，就是要对完善的配套工

程和先进的自动化控制系统进行建设，基于此才能够实现现代化科学管理的目标。

所以，在建设工程的过程中应当更多地应用新技术与新方法，这样才能有效提升

工程管理的效率。

1.2.2国内研究现状

从1980年开始，我国逐渐启动了水利工程管理信息化建设的工作，不过在

那个时期，几乎所有的水利系统都是通过对国际上先进的计算机设备与软件进行

引进才实现的，之后，我国的各个相关高校、研究所与设计院相继对大量的应用

软件进行了开发，从而快速提升了我国水利系统的计算机应用水平。此外，防汛

部门以及水文部门也投身于信息化建设的工作之中，使得大量的工程资料与基础

资料得到了积累。在1990年以后，由于国民经济发展非常迅速，水资源的利用

需求与防洪减灾的需求都相应地被提高，人们也愈发重视起了水利信息工作。同

时，国际社会的信息化发展也冲击了我国已经建设完成的水利系统。而为了对水

利系统的信息化进程进行推动，有关部门相继对多项信息化建设工程规划进行了

制定。在进入到21世纪以后，我国在水利工程信息化方面逐渐取得了丰硕的成

果。随着国家在水利工程建设上的不断投入，特别是经过“十一五”和“十二五”

的大规模水利工程基础建设，水利工程的自动化技术和信息化水平已经有了质的

飞跃，但由于水利工程信息化项目建设普遍存在多头管理分散建设，导致存在以

6

第1章绪论

下问题⑹。

1.水利工程精细化管理水平有待提升

水利工程精细化管理水平较低；工程运行安全事故监控和预警能力不足；

水利工程体量较大，行政主管部门很难直观把握全局，实时进行工程运行工作

监管和决策；工程运行完全依赖于人工管理，无法完全形成标准化管理体系。

水利工程运行的全生命周期管理缺乏标准化严格的流程管理模式，以及线上电

子化的便捷作业方式。

2.数据管理不足，资料无法同步

水利工程运行期间产生的大量文档、数据信息以纸质或光盘存储，信息管

理庞杂无序，依靠数据进行决策和控制的难度较大，甚至资料丢失，追溯困难。

资料报送耗费时间，大部分水利工程运行资料都需要人工进行报送，报送时间

长，办理效率低，信息共享也不够及时。

3.数据平台、数据资源应用程度不高

水利工程众多，自动化监测也在水利工程中逐步完善起来，通过自动化监

测软件可以解决数据资源分散的问题，但忽视日常管理业务以及整编分析、预

警、对外信息发布等功能，没有实现水利工程日常管理业务的全覆盖，软件实

用性不强、管理人员对软件应用程度不高。

4.技术人员稀缺，管理手段落后

管理单位管护力量不足，技术力量薄弱，难以满足日常巡查、闸门启闭、

调度运行等管理事项的需求；水利工程的安全管理及水源地水质管理不到位；

水利工程运维期病害和隐患依赖于管理人员的判断，设备维修也主要靠传统经

验，对管理人员的个人能力依赖性过大。

1.3研究目标

根据国内外水利工程运行管理的信息化研究发展历程，针对南水北调东线

山东段水利工程整体自动化、信息化建设现状，结合南水北调山东线水利工程

特点，确定本论文研究目标：在水利工程管理规范的基础上，通过建立涵盖工

程运行监测、日常作业（包括设备管理、工程巡检、问题上报、维修养护、两

票管理、工程检查、工程观测、安全管理等）、健康诊断、运行调度等功能水利

工程运行管理系统，帮助管理单位规划工作任务、按制度规范执行任务、按标

7

第1章绪论

准规范评价工作任务。实现在对人的科学管理、对设备的精准管理、对事务的

标准管理的基础上，进一步为高层管理者提供科学的决策依据，为中层管理者

提供实时的监管工具，为一线工作人员提供便捷的作业工具，从而形成基层运

作、中层管理、高层决策的三级监控监管模式。为后期实现水利工程运行监测

数据模型建立、预测及故障诊断技术研究提供技术支撑。

1.3本人主要工作

本人在该项目中参与的工作主要包括以下几点：

1.系统总体设计：

♦总体布局设计：根据水利工程运行项目的参与角色不同、权限不同，

设计相应职责的操作范围，构建一套符合水利行业工程运行标准流程和数

据接口规范的应用系统。

♦总体架构设计：采用采用了Java技术，J2EE架构，MVC三层总体

框架。

♦技术架构：系统采用B/S架构，技术架构上从下至上依次统分为感

知层、网络层、数据层、服务层、应用层及展示层。

♦数据传输架构：包括与PLC数据传输、系统前后端数据传输。

2.关键技术研究：

♦多源异构数据采集技术：基于B/S架构，利用OPC通信技术实现

不同监测点位的监测数据实时采集与整编，以及异常数据报警功能。

♦数据传输技术：本系统监测数据类型多，数据量大，且数据接收频

率高等特点，因此研究基于Netty技术实现数据传输，保障数据传输实时性

及稳定性。

♦曲线拟合技术：利用曲线拟合技术寻找不同监测点位数据之间的关

联关系°

♦离群点检测技术：研究利用离群点检测技术检测监测数据中的异常

数据。

1.4本文组织结构

本论文组织结构如下：

第一章绪论

基于目前党中央、国务院及水利部关于治水指导精神，分析水利工程运行

8

第1章绪论

管理政策方向，结合南水北调工程东线山东段水利工程背景，提出水利工程运

行管理信息化研究意义。分析国内外水利运行管理信息化研究现状，提出本论

文的研究目标及根据研究目标确定本研究的主要内容及技术路线。

第二章需求分析

从水利工程总体需求入手，由水利工程运行管理功能及非功能性需求两方

面对水利工程运行管理进行需求分析。

第三章系统概要设计

以需求分析为基础，从提炼业务、技术、数据共性和项目管理角度出发，

遵循设计原则，对系统进行总体架构设计。围绕系统总体架构，结合水利工程

运行管理业务需求分析，分别设计功能架构与数据库设计。

第四章系统详细设计与实现

在系统概要设计内容的基础上，对系统功能进行详细设计，描述每个功能

的业务流程，设计功能模块的数据输入、输出及展现形式。同时对该系统中涉

及到关键技术如数据采集技术、数据传输技术、诊断分析技术等做详细介绍。

第五章系统测试

从测试方法、测试环境及功能性测试等角度出发，对系统进行全面测试，

验证其流程是否完整、通常，功能是否正常运行等，并验证系统运行结果是否

与系统设计目标一致。

第六章总结和展望

归纳本研究取得的结论、创新点，指出本研究存在的不足，并结合已经进

行的研究工作，提出本课题的研究展望。

9

第2章需求分析

第2章需求分析

所谓系统需求分析，指的是通过深入理解系统的业务，来分析其可行性水平

以及精细化相关内容，最终用软件元素来对其进行转化。需求分析的主要工作是

对软件系统所必须的功能模块进行明确，即要对哪些功能进行实现，即要把软件

系统的完整、清晰且明确的要求予以提出。

2.1系统需求概述

当前，随着水利工程建设越来越多，对于工程建设完成后的运行管理问题日

益突出，亟需通过信息化手段，来对水利工程的管理工作进行增强，从而对其安

全与正常的运行提供保障，对水利工程的日常管理模式进行转变，以实现全过程

监督的目标，最终对水利工程管理工作的标准化、精细化以及专业化水平进行提

高。就水利工程运行管理系统而言，其基于多维度进行考量并从实际出发，对移

动应用、健康诊断、统计分析、作业管理、运行管理、工程管理以及设备管理等

工程运行管理的需求进行了实现，通过水利工程运行管理系统的应用将会提高工

程运行管理水平，最大化发挥工程运行效益。

2.1.1水利工程管理基本概念

水利：指的是人类为了生存与发展，通过各种方式来控制与调配自然界的水

资源，同时对水旱灾害进行防治，以及对水资源进行开发、利用与保护。

水利工程：水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水，达到除害

兴利目的而修建的工程。

水利工程管理：就是在水利工程项目发展周期过程中，以确保水利工程安

全质量，节省时间和成本，以充分发挥水利工程效益为目的，对水利工程所涉及

的各项工作进行计划、组织、指挥、协调和控制。一般而言，水利工程管理主要

包括水利工程运行管理与水利工程建设管理这方面内容。

水利工程运行管理：指的是在建立健全组织及相关规范制度，综合运用行政、

法律、经济、技术等手段，对正在运行的水利工程设施进行保护和运用，充分发

挥工程效益。

10

第2章需求分析

2.1.2用户界面

界面设计力求简洁，并提供便捷的导航服务，对导航进行科学、合理的设

计，最大限度方便用户使用。

支持以1920*1080的分辨率浏览，支持IE11.0以上及兼容360、Google

Chrome、MozillaFirefox等主流浏览器。

2.1.3用户对象分析

本系统的服务对象可以分为三类：分别是管理人员、作业人员、信息维护

人员。

2.2系统功能性需求

在分析水利工程运行管理系统的需求时，我们分别从移动应用、健康诊断、

统计分析、作业管理、运行管理、工程管理以及设备管理等方面来进行。

2.2.1设备管理

通过登记水利工程设备基本信息、技术参数，备品备件出入库记录，统计

备品备件实际库存，建立水利工程设备数据库。

2.2.2工程管理

对水利工程中工程检查、工程观测信息进行登记记录，支持图片上传和检

查记录打印、导出功能。

2.2.3作业管理

标准化、规范化管理水利工程运行安全业务，即对操作票管理、问题呈报、

巡检管理、交接班管理以及排班计划等进行规范化管理。

2.2.4运行管理

标准化、规范化管理水利工程运行安全业务，即对调度令管理、工作票管理、

养护管理以及维修管理等进行规范化管理。

11

第2章需求分析

2.2.5运行监控

对水利工程运行情况进行实时监测，包括实时监测、预警告警、历史报表。

2.2.6统计分析

此模块包括巡检分析、设备分析、问题统计分析，该模块依据项目的定制

化需求而变动。

2.2.7健康诊断

水利工程管理系统以监测数据关联性分析为核心，为用户提供可视化的数

据关联性分析，使用户能够在良好的交互性界面中分析与明确监测数据之间是

否有关联以及影响程度。

2.2.8移动应用

为了更便捷的处理相关事务、了解工程相关信息，平台结合移动运行APP,

进行个人事务处理及相关信息了解。功能包括首页、工程信息展示、移动监测、

移动视频、移动巡检、问题上报、移动交接班即时通讯等功能。

2.3系统非功能性需求

2.3.1性能需求

以下是系统建设运行后必须具备的性能要求：

1.访问负载能力，系统必须具备处理最大并发请求的能力；

2.登录响应时间：用户登录时间不超过1秒；

3.页面浏览响应时间：不超过3秒；

4.信息查询时间：百分之九十以上的业务处理时间必须在3秒以内；

5.更新处理时间：所有内容的更新时间必须在3秒以内。

2.3.2灵活性需求

1.数据库发生变化后，系统的变动不能过大；

12

第2章需求分析

2.设计的系统应当具备根据业务变化进行相应变化的能力，当改变系统既

有业务功能或者新增业务功能时，应当对业务变化影响的局部化提供保障；

3.系统基于模块化编程来是吸纳，代码具有较高的可重复利用率，如果变

更了需求，也无需对底层代码进行修改；

4.系统基于WebService来对连接其它系统的接口进行实现，并且便于修

改；

5.具有可扩充的信息发布服务，对WebService等信息服务方式提供了支

持，使得相关服务要求得以满足。

2.3.3安全性需求

要对系统数据处理的一致性提供保障，要避免数据的修改伪造以及非法盗用

的情况出现，以防意外丢失或者损坏数据，同时要对多类安全检查与审计手段进

行实现。

操作安全性：对安全认证的方式进行设置来对用户在平台中的操作进行限制。

数据安全性：对数据的自动备份功能进行提供，防止由于出现紧急事件或者

灾害时丢失数据；此外，要加密部分的核心数据与敏感数据。

2.3.4系统故障处理要求

1.系统软件故障恢复策略

定期对系统做备份，当系统出现故障后，可用备份对系统做恢复操作。

2.硬件故障恢复策略

建立群集机制，当其中一台服务出现故障时，不会导致系统无法使用。

3.软件自身容错策略

建立完善的应用系统日志机制，当系统出现故障时，可及时追踪并找到故障

原因。

4.软件备份策略、软件恢复策略

定期对系统做备份。

定期对数据库做备份。

定期对应用系统做备份。

13

第2章需求分析

2.3.5其他需求

系统要具备较好的可维护性能，本项目的有关功能对系统提出了较高的可维

护性要求。同时要求只需要经过简单的培训后，系统的管理员就能够完成软件日

常的操作与维护工作，软件需要具备简单的修改与升级方式，此外，可测试性、

可修改性以及可读性等也应当具备。

系统要具有较高的可靠性水平，最小化故障的出现率，只有如此才能够将正

确的依据提供给决策过程，进而将正确的信息公之于众。在保证具有正确信息的

前提下，系统的数据及时性也是非常重要的。因此，要求系统在全天候不间断运

行一周中的错误率不应当超过千分之一，有关数据的更新间隔时间不能超过60

分钟，同时要对所有环境条件下系统业务逻辑的正确性进行保证。

要对系统的帮助文档与用户手册进行具体的设计，保证内容简洁易懂，没有

遗漏。

1.数据库查询统计响应时间要求：不超过5秒。

2.系统运行存储：系统需要满足T级别的存储需求。

2.4本章小结

上一章节中我们对当前水利工程的运行与管理情况、项目背景以及政策背景

进行了分析，把其中存在的问题列举了出来，而本章节则是具体介绍水利工程运

行管理系统的整体需求，进而对系统的非功能性需求与功能性需求进行了确定，

最终保障系统软件的设计有据可依。

14

第3章系统概要设计

第3章系统概要设计

水利工程运行管理系统是在水利工程管理规范的基础上，通过建立涵盖设备

管理、工程管理、作业管理、运行管理、运行监控、统计分析、健康诊断、移动

应用等功能，帮助管理单位规划工作任务、按制度规范执行任务、按标准规范评

价工作任务，为上级提供工作任务的实时监管，为管理者提供决策依据的数字化

水利工程标准化运维管控一体化平台。

3.1设计理念与原则

3.1.1设计理念

设计先进适用软件，以安全为保障、监测为依据、业务为支撑、管理为导向、

优化调度为目的，提高水利工程安全运行效率是本产品的软件设计理念。

设计先进适用软件，指在做软件产品设计时，一方面要求采用先进、主流的

技术框架，另一方面产品设计时要人性化、使用方便、操作简单，能满足客户的

需求，给使用者带来良好的用户体验；以安全为保障、监测为依据、业务为支撑、

管理为导向、优化调度为目的，提高水利工程安全运行效率，指的是客户对软件

使用以后，其成本得到了降低、效率得到了提升、决策得到了保证以及管理得到

了加强，即把效益带给了用户，只有如此，用户才会选择使用软件［7］。

3.1.2设计原则

为了能够使系统工程的建设投资少、见效快，既先进实用、又具有前瞻性,

其基础设施建设和软件工程开发应遵循以下原则［8］：

为了能够通过最少的投资来快速地建设系统工程，同时对其前瞻性、实用性

与先进性提供保障，我们在开发软件工程和建设基础设施时应当对下面的几点原

则引起重视：

1.整体设计与分期实施相统一

水利工程信息化系统的建设工作涵盖范围较广，很多行业的很多部门都被

涉及其中，所以也会面临更多的问题，同时具有较为繁重的工作任务。因此，

15

第3章系统概要设计

在设计时应当做到全方位考量、统筹规划并进行系统性的分析，通过分析施行

的方式来对分级管理过程进行实现。

2.新建扩建与改造完善相结合

要对水利工程已经建设完成各种自动化监控硬件与软件进行利用，对其中

的问题进行修改与完善，使得其在水利工程信息化管理系统中能够完美融入。

3.先进性和实用性相兼顾

要对社会经济发展水平与水利工程的自然条件进行充分考量，同时与当前

水利工程信息化建设工作的情况相机和，从实际问题入手，对完善的方法与技

术进行应用，以对工程的实用性与先进性提供保障。最终要把高效益产出、高

水平管理、高科技投入以及高标准建设的目标实现。

4.兼容性和可扩展性相协调

对于水利工程信息化建设工作来说，其是一项十分复杂的系统性工程，具

有广发的覆盖范围，同时涉及到了多门学科知识，因此在设计系统的各个模块

时应当基于行业的标准与规范，同时对其兼容性提供保障，保证系统实现以后

具有较高水平的可扩充性与开放性。

5.信息系统安全作为重点

要对先进的加密解密技术进行利用来实现加密处理系统核心数据的目标，

同时定期备份核心数据，以对管理平台的数据安全提供保障，此外，要基于操

作日志来对管理平台的所有操作进行记录，以对信息系统的安全追溯目标进行

实现。

3.2总体架构设计

本系统在设计开发过程中对Java技术与J2EE框架进行了应用。就Java技

术而言，其具有面向对象与跨平台的特点，因此在各种政府应用中已经成为了一

种标准。J2EE框架则有机地整合WEB技术、Java组件以及数据库访问技术，使

得其在大中型的应用中尤其适用，能够对B/S模式提供更好的支持，对系统的可

拓展性提供了保障。

1、三层框架：即设计过程基于MVC的三层框架来进行，使得系统具有较

高的灵活性。

2、兼容性：通过跨平台的系统设计方式，使得其对多种关系型数据库进行

了兼容，能够对客户的不同软件与硬件环境进行适应。

16

第3章系统概要设计

3、高性能：对数据库连接池进行了应用，借助于ORM技术来对数据库进

行访问，使得频繁的访问需求得到了满足；同时对缓存技术进行了使用，使得系

统的整体性能大幅提升。

4、B/S模式：对用户的使用以及管理员的维护提供了便利。

展示层移可运行APP

济信息台账嚏磬监舞思

工作台I待XI事务或事务消总提醒

作业管理日常管理徘班计划任务管理工程检查作业设置

设留管理I入库管理出库管理废弃管理备件管理

运行管理运行监测维修管理养护管理故障管理设福评级

安

标

全

准

统计吩析采集分析维舞护巡检分析设醮能lls

保

7DVT力忻lm规

有

障

范

鹏

系统管理账号管理人员管理角色管理菜单管理

体

5体

系

系

移就跖移动巡查移动监测工需息N欲签医

数揖采集共享服务应用集成服务消史提醐艮务

基础业务监测

数据库数据库数据库

公网专网GPRS3G

水流N

量

计标

L签

图3.1水利工程运行管理系统总体架构图

在该总体架构中，自下而上分别为感知层、网络层、数据层、服务层、应用

层及展示层。感知层涉及水利工程各类传感设备，包括水位计、流量计、PLC控

制柜、NFC标签等；网络层包含互联网、3/4G、通信专网，用以保障采集到数

据传输；数据层通过数据的采集共享建立水利工程数据仓库，包含监测数据库、

基础数据库、业务数据库等；服务层包括采集共享服务、应用集成服务、消息提

醒服务，用以支撑数据的交换共享及应用层部分系统业务；应用层包含基本信息

17

第3章系统概要设计

管理、工作台、作业管理、设备管理、运行管理、统计分析、系统管理、移动运

行等功能；展示层主要两部分展示：PC端展示与移动APP展示。

3.3功能架构设计

水利工程运行管理系统主要功能有设备管理、工程管理、作业管理、运行管

理、运行监控、统计分析、健康诊断、移动应用。

图3.2水利工程运行管理系统功能架构图

1.设备管理

r

t土tt

废

废

备

参

设

入

出

设

弃

弃

件

数

库

备

备

库

记

记

类

设

记

台

类

记

录