第2章　水利工程建设管理信息化技术

2.1　信息化技术

2.1.1　概述

21世纪是信息化、数字化、网络化和知识化的时代，随着信息技术、计算机技术、网络技术的飞速发展，整个社会进入了一个飞速发展的阶段，信息产业逐步成为国家的支柱产业，成为国民经济发展新的增长点，信息化程度已经成为各国综合国力竞争的焦点，成为了评价综合国力的重要标志。“信息化”一词最初起源于日本，是相对于“工业化”概念而提出的。20世纪60年代，世界经济呈现出快速发展态势，但这样的快速发展是以资本的高投入和资源的高消耗为代价的，70年代，在世界范围内爆发了大规模的石油危机，这次危机推进了由可触摸的物质产品起主导作用向信息产业起主导作用的根本性转变。

各国学者对“信息化”的内涵和外延也进行了深入而细致的研究，从不同的角度进行了概括和阐释，其中也不乏真知灼见，但由于人们的认识角度不同，对“信息化”的理解也不尽一致，但总体对“信息化”内涵的认识基本趋近一致。信息化就是在国家的统一规划和领导下，在国民经济和社会发展的方方面面广泛应用信息、技术，大力开发信息资源，全面提高社会生产力，实现社会形态从工业化社会向信息化社会转化的发展过程。

信息化是综合国力较量的重要因素，是振兴经济、提高工业竞争力、提高人类生活质量的有力手段；信息产业的竞争，以及对开发、利用、占有、控制信息资源的争夺，是国家、跨国公司地位和实力竞争的核心。

信息技术（Information Technology，IT）是主要用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称。它主要是应用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装以及实施信息系统及应用软件。它也常被称为信息和通信技术（Information and Communications Technology，ICT）。

水利信息技术包括水利信息生产、信息交换、信息传输、信息处理等技术。广义的水利信息活动包括信息的生产、传输、处理等直接的信息活动。首先，水利信息化为一个过程，即“向信息活动转化的过程，向信息技术、信息产业的发展过程和信息基础设施的形成过程”；其次，水利信息化为信息活动能力所具备的一定水平，即水利信息活动的“量”和“质”；第三，水利信息化为水利信息活动能力发挥的效果，信息技术水平、信息工业规模和信息基础设施能力为信息活动服务、为水利现代化建设服务的效果。

现代信息技术的发展为水利工程管理信息化建设提供了强有力的支持。从系统开发技术角度看，水利工程信息化系统（Hydraulic Engineering Information System，HEIS）技术构架的基本特征如下。

1.支持软件能力成熟度模型

软件能力成熟度模型（Capability Maturity Model，CMM）是目前国际公认的评估软件能力成熟度的行业标准，可适用于各种规模的软件系统。CMM软件开发组织按照不同开发水平划分为Initial（初始化）、Repeatable（可重复）、Defined（已定义）、Managed（已管理）和Optimizing（优化中）5个级别。CMM的每一级是按完全相同的结构组成的，每一级包含了实现这一级目标的若干关键过程域（Key Procedure Area，KPA）。这些KPA指出了系统需要集中力量改进的软件过程。可指导软件开发的整个过程，大幅度地提高软件的质量和开发人员的工作效率，满足客户的需求。

2.跨平台

HEIS系统支持如Windows、Window NT、Linux、Solaris、HP-UX、JBMAIX等平台。对于使用多个不同平台开发的HEIS来说，一个统一、支持多平台的HEIS系统是最理想的。

3.开发并行和串行的版本控制

HEIS系统支持多用户并行开发，支持基于Copy-Modify-Merge（复制-修改-合并）的并行开发模式和基于Lock-Unlock-Lock（锁定-解锁-锁定）的串行开发模式。

4.支持异地开发

HEIS系统能够通过同步不同开发地点的存储库支持异地开发，提供多种同步方式，如直连网络同步、存储介质同步、文件传输同步（FTP、E-mail附件）等。

5.备份恢复功能

HEIS系统自带备份恢复功能，无需采用第三方的工具，也无需数据库维护人员开发备份程序。

6.基于浏览器用户界面

HEIS系统通过浏览器用户界面浏览所有的项目信息，如项目的基本信息、项目的历史、项目中的文件、文件不同版本的对比、文件的历史记录、变更请求问题报告的状态等。

7.图形化用户界面

HEIS系统提供浏览器用户界面和基于命令行的使用界面，同时也提供图形化的用户界面。

8.处理二进制文件

HEIS系统能够处理文本文件，还可以管理二进制文件，而且对于二进制文件也能够实现增量传输、增量存储、节省存储空间、降低对网络环境的要求。

9.基于TCP/IP协议支持不同的LAN或WAN

HEIS系统的客户端和服务器端的程序通过协议通信，能在任何局域网（LAN）或广域网（WAN）中正常工作。一旦将文件从服务器上复制到用户自己的机器上，普通的用户操作无需访问网络，如编译、删除、移动等。现代的系统应支持脱机工作、移动办公，无论在什么样的网络环境、操作系统下，所有客户端程序和服务器端程序都是兼容的。

10.高效率

HEIS系统具有一个良好的体系结构，使得它的运行速度很快，把传输的数据量控制到最小，从而节省网络带宽、提高速度。

11.高可伸缩性

HEIS系统具有良好的可伸缩性（Scalability）。随着水利工程建设规模的扩大，HEIS系统依然能正常工作，HEIS系统的工作性能不会因为数据的增加而受影响。

12.高安全性

HEIS系统能有效防止病毒攻击和网络非法复制，支持身份验证和访问控制，能对项目的权限进行配置。

2.1.2　信息化建设架构

水利是指人类社会为了生存和发展的需要，采取各种措施，对自然界的水和水域进行控制和调配，以防治水旱灾害，开发、利用和保护水资源。其中，用于控制和调配自然界的地表水和地下水，以达到兴利除害目的而修建的工程，称为水利工程。

水利工程按目的或服务对象可分为以下几种。

（1）减免洪水灾害、提高土地利用效率的防洪工程。

（2）防治旱、涝、渍灾，为农业生产服务的农田水利工程，或称灌溉和排水工程。

（3）为工业和生活用水服务，并处理和排除污水和雨水的调水、城镇供水和排水工程。

（4）防治水土流失和水质污染，维护生态平衡的水土保持工程和环境水利工程。

（5）围海造田，满足工农业生产或交通运输需要的海涂围垦工程。

（6）同时为防洪、供水、灌溉、发电、航运等多种目标服务的综合利用水利工程。

水利工程具有以下特点：工作条件复杂、规模大、技术复杂、工期长、投资多；有很强的系统性和综合性，对环境有很大影响；水利工程的效益具有随机性等。上述特点决定了水利工程管理对于水利工程效益的发挥至关重要。

水利工程管理就是在水利工程项目发展周期中，对水利工程所涉及的各项工作进行的计划、组织、指挥、协调和控制，以达到确保水利工程质量和安全，节省时间和成本，充分发挥水利工程效益的目的。

我国的水利工程信息化建设还处于起步阶段，各工程管理信息系统的建设独立且分散，缺乏整体规范的指导。因此，当前的水利工程管理信息化建设应达到信息系统内部结构的完善与稳定，使信息化建设能满足工程管理业务信息化正常运行的需要。水利工程信息化建设的直接目标就是实现水利工程的信息化管理。而水利工程信息化管理就是运用信息理论，采用信息工具，对各种水利工程信息进行获取、存储、分析和应用，进而得到所需的新信息，为水利决策目标服务。

水利工程信息化的总体框架内容包括数据采集管理、数据管理、业务处理和数据输出方案，如图2-1所示。数据采集手段中，有原始数据采集和地图数据采集，数据采集成果有空间数据、关系型数据和非关系型数据。数据管理包括对空间数据管理和属性数据管理的方法。业务管理包括水利资源管理和监测、工程项目建设管理以及工程信息社会经济环境服务管理等方面。

1.数据采集

数据采集包括原始数据采集和地图数据采集。原始数据采集主要有：基于数字全站仪、电子经纬仪和电磁波测距仪等地面仪器的野外数据采集；基于GIS的数据采集；基于卫星遥感（RS）和数字摄影测量（DPS）等先进技术的数据采集。地图数据采集主要有地图数字化，包括扫描和手绘跟踪数字化。

2.数据管理

计算机及相关领域技术的发展和融合，为水利空间数据库系统的发展创造了前所未有的条件，以新技术、新方法构造的先进数据库系统正在或将要为水利信息数据库系统带来革命性的变化。

针对不同系统（GIS或DBMS），根据系统需求和建设目标，采取不同的数据管理模式。

在数据管理模式实现的基础上，实现数据模型的研制问题，选取合适的数据模型以方便数据的管理。

尽可能采用成熟的数据库技术，并注意采用先进的技术和手段来解决水利工程信息化过程中的数据管理问题。应用面向对象数据模型使水利空间数据库系统具有更丰富的语义表达能力，并具有模拟和操纵复杂水利空间对象的能力，应用多媒体技术拓宽水利空间数据库系统的应用领域。

在数据库建立的基础上，实现数据挖掘、知识提取、数据应用和系统集成。

数据库主要数据管理模式包括以下几种。

（1）独立系统模式。

（2）附加系统模式。

（3）扩展系统模式。

（4）完整系统模式。

3.业务处理

水利工程项目管理信息化是指将水利工程项目实施过程所发生的情况，如数据、图像、声音等采用有序的、及时的和成批采集的方式加工储存处理，使它们具有可追溯性、可公示性和可传递性的管理方式。以计算机、网络通信、数据库作为技术支撑，对项目整个生命周期中所产生的各种数据进行及时、正确、高效地管理，为项目所涉及的各类人员提供必要的高质量的信息服务。

针对水利工程项目信息化系统在数据、管理、功能等方面的特殊性要求，并结合一般项目管理内容，其业务主要包括以下几项。

（1）项目进度管理。

（2）项目质量管理。

（3）项目资金管理。

（4）项目计划管理。

（5）项目档案管理。

（6）项目组织管理。

（7）项目采购招标管理。

（8）项目监测管理。

（9）项目效益评价。

4.数据输出

将实现对信息数据淋漓尽致的表达，使用户从多角度、多层次、实时地感受和理解对虚拟世界的分析和模拟。其数据输出主要包括以下内容。

（1）图件输出。

（2）表册输出。

（3）文档输出。

（4）多媒体输出。

2.1.3　信息化技术模式

水利工程管理信息化建设技术架构基本模式分为4个层次，即网络平台层次、系统结构层次、信息处理层次和业务管理层次，如图2-2所示。

1.网络平台层

网络平台层是保证信息无障碍传输的硬件设施基础。其中Intranet是实现水利工程管理信息化内涵发展的信息传递通道，此Intranet/Extranet是保证水利工程管理信息化外延发展的信息传递通道。

2.系统结构层

根据水利工程管理信息化的信息管理功能侧重点的不同，将水利工程管理信息化系统结构层次上的技术架构分为HESCM模式（Hydraulic Engineering Supply Chain Management）、HECRM模式（Hydraulic Engineering Customer Relationship Management）、HEERP模式（Hydraulic Engineering Enterprise Resource Planning）以及三者结合的HEERP+HECRM+HESCM混合模式。

3.信息处理层

任何信息都必须经过输入、处理、输出的过程。水利工程管理信息作为水利工程信息化的核心内容，从水利信息所经不同的处理阶段来划分有：基于空间数据采集管理的HE3S模式；基于资源、环境、经济数据处理的HEMIS模式；基于水利资源环境经济信息进行知识发现、挖掘以支持科学决策的HEDSS模式；以及以这三者结合HE（3S+MIS+DSS）的综合模式。

4.业务管理层

水利工程管理信息化建设的业务管理层则是实现工程建设和水利资源管理与监测业务的数字化。从其内容来看，主要包括资源利用、管理和监测以及工程建设项目管理等。

2.1.4　信息化技术理论

水利工程管理信息化理论体系是对水利工程管理信息化本质的认识和反映，是认识水利工程信息化的基本出发点。对水利工程信息化理论体系的探索有助于认识水利工程信息基本规律、信息属性、信息功能、信息模式和信息行为。

1.水利工程3S技术

3S技术通常指地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）和遥测技术（RS）的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通信技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术，在水利行业中有着广泛的应用。

2.网络技术

网络技术是从20世纪90年代中期发展起来的新技术。它把互联网上分散的资源融为有机整体，包括高性能计算机、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源、大型数据库、网络和传感器等。

网络技术具有很大的应用潜力，能同时调动数百万台计算机完成某一个计算任务，能汇集数千科学家之力共同完成同一项科学试验，还可以让分布在各地的人们在虚拟环境中实现面对面交流。

计算机网络技术的广泛运用，使得水利等诸多行业向高科技化、高智能化转变，涉及水利工程的各项管理工作，如水文测报、大坝监测、河道管理、水质化验、流量监测、闸门监控等方面的计算机运用得到了快速、有效的发展。

水利工程管理单位将所有的信息收集到网络管理中心的服务器之后，通过网络数据库管理软件进行分析、处理，对其合理性进行判断，并根据计算处理以后的成果进行运行方案的制订、指令执行情况反馈等，最后网络中心所产生的信息成果通过网络向主管机关或相关部门发布，充分发挥网络技术在水利工程管理单位运用中所带来的社会效益。

3.数据库技术

数据库是数据的集合，数据库技术研究如何存储、使用和管理数据，主要目的是有效地管理和存取大量的数据资源。新一代数据库技术的特点提出对象模型与多学科技术有机结合，如面向对象技术、分布处理技术、并行处理技术、人工智能技术、多媒体技术、模糊技术、移动通信技术和GIS技术等。

数据库管理系统（Database Management System，DBMS）是辅助用户管理和利用大数据集的软件，对它的需求和使用正快速增长。常见的数据库有以下几种：

（1）水利工程基础数据库。

（2）水质基础数据库。

（3）水土保持数据库。

（4）地图数据库。

（5）地形地貌数字高程模型。

（6）地物、地貌数字正射影像数据库。

（7）遥感影像和测量资料数据库。

4.中间件技术

中间件（Middleware）是处于操作系统和应用程序之间的软件，是一种独立的系统软件或服务程序，也有人认为它应该属于操作系统的一部分。分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源。中间件位于客户机/服务器的操作系统之上，管理计算机资源和网络通信，是连接两个独立应用程序或独立系统的软件。相连接的系统，即使它们具有不同的接口，但通过中间件相互之间仍能交换信息。

中间件技术是为适应复杂的分布式大规模软件集成而产生的支撑软件开发的技术。其发展迅速且应用愈来愈广，已成为构建分布式异构信息系统不可缺少的关键技术。执行中间件的一个关键途径是信息传递，通过中间件应用程序可以工作于多平台或OS环境。

将中间件技术与水利工程管理系统相结合，搭建中间件平台，合理、高效、充分地利用水利信息，充分吸收交叉学科的研究精华，是水利信息化应用领域的一个创新和跨越式的发展。针对水利行业特点，建立起一个面向水利信息化的中间件服务平台，该平台由数据集成中间件、应用开发框架平台、水利组件开发平台、水利信息门户等组成，将水雨情、水量、水质、气象社会信息等数据综合起来进行分析处理，会在水利工程管理中发挥重要作用。

中间件的作用如下：

（1）远程过程调用。

（2）面向消息的中间件。

（3）对象请求代理。

（4）事务处理监控。