［摘要］水利工程是穩(wěn)定生產(chǎn)和保障民生的重要基礎(chǔ)工程，加強(qiáng)信息技術(shù)與水利工程業(yè)務(wù)深度融合，推動(dòng)智慧水利工程建設(shè)，是提升水利工程質(zhì)量和保障工程穩(wěn)定運(yùn)行的有力支撐。文中以珠江三角洲水資源配置工程為例，系統(tǒng)分析了水利工程大數(shù)據(jù)的基本特征、分類(lèi)體系和主要構(gòu)成，研究提出了水利工程大數(shù)據(jù)治理方法和輔助決策的具體應(yīng)用，對(duì)水利工程大數(shù)據(jù)的推廣應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
［關(guān)鍵詞］水利工程；大數(shù)據(jù)；信息化
水利工程是穩(wěn)定生產(chǎn)和保障民生的重要基礎(chǔ)工程，按照建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)的總體部署，加強(qiáng)新一代信息技術(shù)的應(yīng)用，推進(jìn)智慧水利工程建設(shè)，是全面落實(shí)“兩新一重”要求、積極踐行水利改革發(fā)展總基調(diào)、驅(qū)動(dòng)水利現(xiàn)代化發(fā)展的必由之路。隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，“大數(shù)據(jù)+行業(yè)”滲透融合全面展開(kāi)，成為促進(jìn)生產(chǎn)生活和社會(huì)管理方式創(chuàng)新變革的重要驅(qū)動(dòng)。為全面推動(dòng)落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于大數(shù)據(jù)發(fā)展的系列決策部署，水利部印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)水利大數(shù)據(jù)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，這標(biāo)志著水利大數(shù)據(jù)發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新階段，在此背景下，充分認(rèn)識(shí)大數(shù)據(jù)在水利改革發(fā)展中重要作用，分析水利大數(shù)據(jù)發(fā)展和應(yīng)用面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，研究水利數(shù)據(jù)管理的有效途徑，明確水利大數(shù)據(jù)發(fā)展和應(yīng)用方向，顯得尤為必要[1]。珠江三角洲水資源配置工程（以下簡(jiǎn)稱“珠三角工程”）是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《珠江流域綜合規(guī)劃（2012—2030年）》提出的重要水資源配置工程，是國(guó)務(wù)院確定的全國(guó)172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一。珠三角工程以“打造新時(shí)代生態(tài)智慧水利工程”為建設(shè)目標(biāo)，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高新技術(shù)與工程業(yè)務(wù)的深入融合，推動(dòng)珠三角工程的智慧化建設(shè)，為提升水利工程質(zhì)量和保障工程穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支撐。隨著珠三角智慧水利工程建設(shè)的推進(jìn)和發(fā)展，積累了大量的工程數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著巨大的數(shù)據(jù)價(jià)值，需要全面匯聚安全、質(zhì)量、進(jìn)度、資金、調(diào)度、運(yùn)維等工程數(shù)據(jù)，利用云計(jì)算，通過(guò)模型分析和算法推演等大數(shù)據(jù)方法，深度挖掘工程建設(shè)和運(yùn)行管理中的數(shù)據(jù)價(jià)值，從數(shù)據(jù)中尋找規(guī)律、預(yù)測(cè)未來(lái)，利用數(shù)據(jù)增強(qiáng)決策支持能力[2]，提升工程的精細(xì)化管理能力。從珠三角工程大數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，通過(guò)分析研究工程大數(shù)據(jù)特征、分類(lèi)、構(gòu)成、治理方法和輔助決策應(yīng)用，以此開(kāi)展工程大數(shù)據(jù)在水利工程建設(shè)管理中的應(yīng)用研究，為實(shí)現(xiàn)水利工程智慧化建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)。
1基本特征
隨著大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用的不斷更新和發(fā)展，大數(shù)據(jù)的概念也在不斷完善。業(yè)界普遍認(rèn)為大數(shù)據(jù)具有4V特性，即海量的數(shù)據(jù)規(guī)模（Volume）、快速的數(shù)據(jù)流動(dòng)（Velocity）、多樣的數(shù)據(jù)類(lèi)型（Variety）和巨大的數(shù)據(jù)價(jià)值（Value），這也成為判斷是否構(gòu)成大數(shù)據(jù)的基本指標(biāo)[3]。珠三角工程包括隧洞、管道、泵站、閘門(mén)、水庫(kù)、盾構(gòu)、塔吊等工程對(duì)象，涉及安全、質(zhì)量、進(jìn)度、資金、環(huán)境、水情、水質(zhì)、調(diào)度、運(yùn)維等眾多要素，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)紛繁復(fù)雜，具有來(lái)源多樣、結(jié)構(gòu)多維、更新實(shí)時(shí)等大數(shù)據(jù)基本特征，具體如下：1）數(shù)據(jù)量大，來(lái)源及形式多樣：珠三角工程數(shù)據(jù)來(lái)源廣泛，涉及工程運(yùn)行的各個(gè)階段，包含珠三角工程全線數(shù)萬(wàn)臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備每秒產(chǎn)生的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及涉及數(shù)十萬(wàn)模型構(gòu)件的珠三角工程全線設(shè)計(jì)、施工BIM模型數(shù)據(jù)；同時(shí)，在工程建設(shè)運(yùn)行管理過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生大量的管理數(shù)據(jù)、調(diào)度運(yùn)行數(shù)據(jù)、工程運(yùn)維數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)年增長(zhǎng)總量約為1TB，且具有結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征。2）數(shù)據(jù)持續(xù)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)價(jià)值高：隨著水利工程的建設(shè)運(yùn)行，信息化應(yīng)用的不斷深入，監(jiān)測(cè)密度與指標(biāo)的不斷完善，相應(yīng)的建設(shè)運(yùn)行數(shù)據(jù)增長(zhǎng)速度也將不斷加快，而這些數(shù)據(jù)是水利工程建設(shè)、管理及決策分析的依據(jù)，蘊(yùn)含著巨大的數(shù)據(jù)價(jià)值。3）數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化，實(shí)時(shí)性強(qiáng)：水利工程數(shù)據(jù)具有明顯的動(dòng)態(tài)變化特征，如水量水質(zhì)、水生態(tài)、水文地質(zhì)條件等數(shù)據(jù)，在不同時(shí)間、不同空間均會(huì)呈現(xiàn)不同的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；工程BIM模型具有明顯的時(shí)空分布特征，需要隨著工程進(jìn)度不斷地調(diào)整完善，如泵站、隧洞等工程對(duì)象在設(shè)計(jì)、施工、竣工階段的模型均會(huì)呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)；同時(shí)，水利工程對(duì)于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性具有較高的要求，如工程安全監(jiān)測(cè)、智慧工地監(jiān)測(cè)、質(zhì)量檢測(cè)、調(diào)度運(yùn)行等數(shù)據(jù)，是判別工程是否正常運(yùn)行、是否啟用應(yīng)急預(yù)案等的依據(jù)。4）數(shù)據(jù)相互影響，關(guān)聯(lián)緊密：水利工程各類(lèi)數(shù)據(jù)之間是相互影響、互相關(guān)聯(lián)的。如工程進(jìn)度與工程標(biāo)段劃分、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施配備狀況、施工環(huán)境、天氣情況等數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)密切；再如工程險(xiǎn)情與工程設(shè)計(jì)參數(shù)、水情、雨情、地形地貌、工程水文地質(zhì)等數(shù)據(jù)息息相關(guān)。因此，工程各類(lèi)型數(shù)據(jù)之間并不是完全獨(dú)立的，而是相關(guān)影響、相互關(guān)聯(lián)的，具有較為復(fù)雜的關(guān)系[4]。
2分類(lèi)體系
珠三角工程大數(shù)據(jù)的分類(lèi)體系通過(guò)制定工程對(duì)象分類(lèi)分級(jí)、工程對(duì)象編碼及數(shù)據(jù)資源模型等標(biāo)準(zhǔn)，從而形成統(tǒng)一遵循的標(biāo)準(zhǔn)，為后期數(shù)據(jù)管理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1）工程對(duì)象分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)：將工程對(duì)象劃分為工程主體和工程輔助設(shè)施兩大類(lèi)。其中工程主體劃分輸水干線、隧洞、閘門(mén)、泵站、管道、水庫(kù)等；工程輔助設(shè)施劃分主要設(shè)施、附屬設(shè)施和相關(guān)設(shè)施，包括工程機(jī)械、工程電氣、工程金屬結(jié)構(gòu)、工程消防、對(duì)外交通等。2）工程對(duì)象編碼標(biāo)準(zhǔn)：工程對(duì)象根據(jù)業(yè)務(wù)管理精細(xì)化程度，按照業(yè)務(wù)管理和實(shí)體歸屬層級(jí)進(jìn)行編碼。編碼體系由多級(jí)構(gòu)成，包括標(biāo)段、工區(qū)、大類(lèi)、小類(lèi)等，如編碼示例：GA101A0001000100101，按照編碼體系“特征碼+標(biāo)段碼+工區(qū)碼+大類(lèi)碼+工藝位置碼+感知對(duì)象類(lèi)型（中類(lèi)碼）+流水號(hào)+感知單元碼+感知項(xiàng)”進(jìn)行編碼，見(jiàn)表1。3）數(shù)據(jù)資源模型標(biāo)準(zhǔn)：將工程對(duì)象劃分為標(biāo)識(shí)和屬性，以減少數(shù)據(jù)冗余、提高結(jié)構(gòu)靈活性和數(shù)據(jù)間的易關(guān)聯(lián)能力。其中對(duì)象標(biāo)識(shí)表達(dá)本體的存在性和唯一性，屬性表達(dá)本體可能存在的相關(guān)特征，如基本屬性、業(yè)務(wù)屬性、空間屬性、BIM屬性，以及標(biāo)識(shí)或?qū)傩跃锌赡艽嬖诘臅r(shí)相特征等，數(shù)據(jù)資源模型標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示。
3主要構(gòu)成
隨著珠三角工程智慧應(yīng)用有效、穩(wěn)定和持續(xù)地運(yùn)行，逐步形成并積累了大量的工程數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)又推動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用不斷發(fā)展，最終為業(yè)務(wù)應(yīng)用智能化打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[5]。珠三角工程大數(shù)據(jù)主要由基礎(chǔ)、空間、BIM、工程管理、工程監(jiān)測(cè)、調(diào)度運(yùn)行、多媒體等7類(lèi)數(shù)據(jù)構(gòu)成，具體如下。1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：包括工程建設(shè)單位、工程參建單位、工程標(biāo)段、工區(qū)、單位工程劃分、水利工程、設(shè)備設(shè)施、監(jiān)測(cè)測(cè)站等基礎(chǔ)信息；2）空間數(shù)據(jù)：包括隧洞、泵站、水閘、水庫(kù)、河流、測(cè)站、等基礎(chǔ)地理信息、衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)及傾斜攝影數(shù)據(jù)等；3）BIM數(shù)據(jù)：包括工程擋水建筑物、輸水建筑物、邊坡工程、導(dǎo)流建筑物、運(yùn)行管理建筑物等BIM模型數(shù)據(jù)，涉及幾何表達(dá)精度、信息深度等級(jí)、數(shù)據(jù)格式等標(biāo)準(zhǔn)，以保證BIM數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性、邏輯一致性；4）工程管理數(shù)據(jù)：包括安全管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、投資管理、生態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)、智慧工地等管理數(shù)據(jù)；5）工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：包括工程安全監(jiān)測(cè)、智慧工地監(jiān)測(cè)、質(zhì)量檢測(cè)、施工環(huán)境監(jiān)測(cè)、水土保持監(jiān)測(cè)、水生態(tài)監(jiān)測(cè)、水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)；6）調(diào)度運(yùn)行數(shù)據(jù)：包括調(diào)度運(yùn)行方案、調(diào)度運(yùn)行評(píng)價(jià)方案、工程調(diào)度指令、調(diào)度會(huì)商成果、需水來(lái)水?dāng)?shù)據(jù)等數(shù)據(jù)；7）多媒體數(shù)據(jù)：包括工程建設(shè)、運(yùn)行過(guò)程中的文檔、圖片、影像、聲音、視頻等數(shù)據(jù)。
4治理方法
珠三角工程大數(shù)據(jù)治理主要包括數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)融合、存儲(chǔ)與服務(wù)等4個(gè)階段。利用數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)技術(shù)、ETL技術(shù)、質(zhì)量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)、清洗、建模、裝載，針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理、一致性處理、圖斑處理、實(shí)體編碼與關(guān)聯(lián)、質(zhì)量檢查，利用分布式存儲(chǔ)與管理實(shí)現(xiàn)水利工程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與服務(wù)。工程大數(shù)據(jù)治理如圖2所示。1）數(shù)據(jù)匯聚：通過(guò)WebService，前置系統(tǒng)、FTP，網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)、Excel文件上傳等多種方法，實(shí)現(xiàn)珠三角工程各類(lèi)監(jiān)測(cè)感知、相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)及其他外部系統(tǒng)產(chǎn)生的關(guān)系型、時(shí)序型、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化及地理空間數(shù)據(jù)的匯聚。2）數(shù)據(jù)清洗：珠三角工程大數(shù)據(jù)采用全流程式數(shù)據(jù)清洗模式，通過(guò)數(shù)據(jù)過(guò)濾、數(shù)據(jù)補(bǔ)全、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)去重、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等環(huán)節(jié)，清除垃圾數(shù)據(jù)、補(bǔ)全缺失數(shù)據(jù)、修改數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容錯(cuò)誤，獲取“干凈”數(shù)據(jù)資源，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，保證數(shù)據(jù)規(guī)范可用。3）數(shù)據(jù)融合：利用工程數(shù)據(jù)融合模型，以多業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)為管理對(duì)象，建立跨業(yè)務(wù)、跨組織的數(shù)據(jù)融合與關(guān)聯(lián)，有效整合分散的工程數(shù)據(jù)資源。4）存儲(chǔ)與服務(wù)：通過(guò)分布式資源調(diào)度、分布式存儲(chǔ)管理和分布式數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)，完成結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)、高效管理和資源服務(wù)。
5輔助決策應(yīng)用
在珠三角工程的大數(shù)據(jù)輔助決策應(yīng)用中，通過(guò)構(gòu)建工程安全、工程質(zhì)量、工程進(jìn)度、工程資金、工程調(diào)度、工程運(yùn)維等大數(shù)據(jù)分析主題，利用人工智能方法，結(jié)合工程模型算法，實(shí)現(xiàn)了工程安全、質(zhì)量、進(jìn)度、資金、調(diào)度、運(yùn)維的態(tài)勢(shì)感知和趨勢(shì)預(yù)測(cè)，為工程建設(shè)的精細(xì)化管理、工程調(diào)度的智能化決策、工程險(xiǎn)情的自動(dòng)化識(shí)別提供輔助決策支撐。1）工程安全輔助決策：融合安全管理、安全監(jiān)督、安全教育、安全隱患、安全監(jiān)測(cè)等信息，運(yùn)用工程安全大數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)模型，基于數(shù)據(jù)駕駛艙可視化展現(xiàn)工程現(xiàn)場(chǎng)人、機(jī)、水工建筑物等的安全狀態(tài)，實(shí)時(shí)構(gòu)建工程安全的數(shù)字畫(huà)像。通過(guò)模型推演分析，預(yù)測(cè)工程安全的未來(lái)趨勢(shì)，結(jié)合工程安全的分級(jí)預(yù)警體系，動(dòng)態(tài)提供安全預(yù)警，并精準(zhǔn)定位工程的安全隱患，實(shí)現(xiàn)工程安全的有效管控。2）工程質(zhì)量輔助決策：融合質(zhì)量計(jì)劃、質(zhì)量管理、質(zhì)量檢查、質(zhì)量評(píng)定、質(zhì)量檢測(cè)等信息，運(yùn)用工程質(zhì)量大數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)模型，綜合評(píng)估工程質(zhì)量，精準(zhǔn)識(shí)別工程質(zhì)量不達(dá)標(biāo)部分，實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量監(jiān)督量化考核與有效管控。3）工程進(jìn)度輔助決策：融合進(jìn)度計(jì)劃、進(jìn)度監(jiān)控、資源監(jiān)控、作業(yè)狀態(tài)等信息，運(yùn)用工程進(jìn)度大數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)模型，構(gòu)建工程進(jìn)度的數(shù)字畫(huà)像，精準(zhǔn)識(shí)別進(jìn)度滯后的標(biāo)段或工區(qū)。通過(guò)工程進(jìn)度預(yù)測(cè)模型，推演工程進(jìn)度未來(lái)趨勢(shì)，輔助管理人員及時(shí)掌握進(jìn)度態(tài)勢(shì)，提前發(fā)現(xiàn)和處理工程進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度的有效管控。4）工程資金輔助決策：融合工程總投資、工程概預(yù)算、工程變更、工程支付等信息，運(yùn)用工程資金大數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)模型，結(jié)合工程進(jìn)度狀態(tài)，對(duì)項(xiàng)目投資的完成比例進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)展現(xiàn)工程預(yù)付及實(shí)際支付的執(zhí)行情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程投資的全過(guò)程控制，輔助管理人員把控項(xiàng)目成本，實(shí)現(xiàn)工程資金的有效管控。5）工程調(diào)度輔助決策：融合工程供水能力、用水計(jì)劃、安全監(jiān)測(cè)等信息，結(jié)合沿線各泵站流量、閘門(mén)開(kāi)度、管道壓力等數(shù)據(jù)，利用工程調(diào)度大數(shù)據(jù)模型算法形成調(diào)度方案，基于工程BIM+GIS平臺(tái)對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行分析預(yù)演，下達(dá)調(diào)度指令，提高水量調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性和安全性。6）工程運(yùn)維決策：融合工程安全監(jiān)測(cè)、水量水質(zhì)、巡查檢修、工程調(diào)度等信息，利用工程運(yùn)維大數(shù)據(jù)算法，評(píng)估工程水工建筑物、機(jī)電設(shè)備、金結(jié)設(shè)備的健康狀態(tài)，預(yù)測(cè)工程設(shè)備設(shè)施的健康態(tài)勢(shì)，精準(zhǔn)診斷與異常識(shí)別，為工程安全運(yùn)行提供保障。
6結(jié)語(yǔ)
大數(shù)據(jù)在水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，以珠三角工程大數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用為例，分析了水利工程大數(shù)據(jù)的基本特征，初步研究了水利工程大數(shù)據(jù)的應(yīng)用體系，包括水利工程大數(shù)據(jù)資源的7種分類(lèi)、水利工程大數(shù)據(jù)治理的4個(gè)階段、水利工程大數(shù)據(jù)輔助決策應(yīng)用的6個(gè)維度，為探索行業(yè)內(nèi)水利工程大數(shù)據(jù)的建設(shè)，充分挖掘水利工程大數(shù)據(jù)的價(jià)值，積極推進(jìn)智慧水利工程建設(shè)提供了思路與經(jīng)驗(yàn)。
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