寧波市推進(jìn)水利工程運(yùn)行管理智能化的實(shí)踐與探索

孫春奇 ，余麗華 ，程海洲

（1. 寧波市水利局，浙江 寧波 315016；2. 寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，水資源短缺、水生態(tài)損害、水環(huán)境污染成為常態(tài)問題，我國治水主要矛盾發(fā)生深刻變化，已經(jīng)從同水旱災(zāi)害做斗爭轉(zhuǎn)變?yōu)樗こ萄a(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管，信息化是水利工程補(bǔ)短板之一。隨著新時(shí)期治水矛盾轉(zhuǎn)變及持續(xù)推進(jìn)水利改革發(fā)展的要求，水利工程運(yùn)行管理面臨新的形式和要求，而目前在水利工程管理過程中，存在著工程設(shè)施點(diǎn)多、量大、面廣、管理難，工程自動(dòng)化監(jiān)控協(xié)同水平不高，工程調(diào)度技術(shù)支撐薄弱，缺乏統(tǒng)一的智能化監(jiān)管手段等問題。為實(shí)現(xiàn)水利工程智能化運(yùn)行管理，需要在現(xiàn)有寧波市水利信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)代通信與信息、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、水利行業(yè)智能控制等技術(shù)匯集而成的智能化技術(shù)，融入到水利工程信息采集、調(diào)度決策、業(yè)務(wù)管理的應(yīng)用中，推進(jìn)水利工程管理的自動(dòng)化及現(xiàn)代化[1-2]。及時(shí)開展水利工程運(yùn)行管理智能化建設(shè)內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)研究，對(duì)于提高水利工程運(yùn)行管理的現(xiàn)代化水平，大幅推進(jìn)智慧水利建設(shè)，有積極的推動(dòng)和促進(jìn)作用。

1 工程運(yùn)行管理智能化實(shí)踐成果

寧波市是全國首批水利現(xiàn)代化試點(diǎn)城市與水生態(tài)文明城市建設(shè)試點(diǎn)[3]。寧波市水利信息化發(fā)展經(jīng)過多年努力，目前已經(jīng)基本形成感知、應(yīng)用、保障3 個(gè)體系“三位一體”發(fā)展模式，大力構(gòu)建先進(jìn)實(shí)用、精準(zhǔn)高效的智慧水利體系。為發(fā)揮智慧水利和工程管理智能化在防洪、供水、灌溉、擋潮、排澇等方面的重要作用，寧波市相繼開展建設(shè)了水利工程運(yùn)行管理系統(tǒng)、水庫網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺(tái)、數(shù)字三江、數(shù)字原水、江北區(qū)智慧水利綜合應(yīng)用平臺(tái)、寧波城市動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)等一批業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。目前，已在洪水管理、水資源調(diào)度、水利工程管理、流域區(qū)域協(xié)同管理等方面取得部分成果，初步實(shí)現(xiàn)了工程運(yùn)行管理的智能化。

1.1 洪水預(yù)測預(yù)報(bào)和決策調(diào)度管理

在洪澇災(zāi)害治理手段中，洪澇災(zāi)害的預(yù)測、預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)技術(shù)是保障濱海城市防洪排澇安全最重要的非工程措施之一，但目前在技術(shù)上存在預(yù)報(bào)預(yù)警能力低及應(yīng)急管理薄弱等問題。為此《水利改革發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[4]，《“十三五”水利科技創(chuàng)新規(guī)劃》[5]提出應(yīng)用城市洪澇預(yù)警、調(diào)度及綜合防控技術(shù)，提高暴雨和洪水預(yù)測預(yù)報(bào)的時(shí)效性、準(zhǔn)確率，為水利工程安全和良性運(yùn)行提供重要的運(yùn)行依據(jù)，使其在防洪減災(zāi)中發(fā)揮巨大的效益。

寧波市地處東南沿海，是典型的江南水鄉(xiāng)兼濱海城市，強(qiáng)風(fēng)、暴雨、高潮、洪水、內(nèi)澇等自然災(zāi)害頻發(fā)多發(fā)。針對(duì)寧波市洪水多發(fā)、易發(fā)現(xiàn)狀，在水雨情、閘泵工情、水庫工情、城市積水點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測體系的基礎(chǔ)上，建立較為完善的工程監(jiān)測預(yù)警體系，并依托濱海城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)判與智能跟蹤關(guān)鍵技術(shù)，建立了寧波中心城區(qū)洪水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，根據(jù)暴雨前、中、后 3 個(gè)階段洪澇風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)判作業(yè)模式，對(duì)山區(qū)洪水、平原澇水、外海潮位進(jìn)行精確預(yù)報(bào)。同時(shí)綜合考慮城市雨水管網(wǎng)的排水能力和內(nèi)河水位對(duì)城市雨水管網(wǎng)排水的頂托作用，模擬分析計(jì)算寧波市區(qū)遭受暴雨、風(fēng)暴潮和江河洪水襲擊時(shí)，可能發(fā)生的城市內(nèi)澇情況，實(shí)時(shí)繪制城市洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，統(tǒng)計(jì)分析災(zāi)情損失，為洪澇災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。此外，以歷史洪水信息庫、洪水調(diào)度預(yù)案庫為基礎(chǔ)，運(yùn)用多因子臺(tái)風(fēng)信息智能關(guān)聯(lián)、洪澇風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)判等技術(shù)，以及調(diào)度預(yù)案決策智能優(yōu)選方法，模擬分析水庫、水閘、泵站、雨水管網(wǎng)等各類工程在不同運(yùn)行工況下的洪水影響風(fēng)險(xiǎn)，并自動(dòng)優(yōu)化得出最小災(zāi)害損失情況下的工程群的聯(lián)合調(diào)度方案，經(jīng)專家復(fù)核后通過現(xiàn)有水利工程的調(diào)度運(yùn)行和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)測預(yù)報(bào)和決策調(diào)度的全過程管理。2007—2016 年近 20 場臺(tái)風(fēng)暴雨防汛期間，通過綜合防控及技術(shù)的應(yīng)用，寧波市在防汛工作中取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 水資源科學(xué)調(diào)度管理

2011 年中央 1 號(hào)文件強(qiáng)調(diào)要實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，建立用水總量控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制納污“三項(xiàng)制度”，建立用水總量、用水效率和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”，著力改變當(dāng)前水資源過度開發(fā)、用水浪費(fèi)、水污染嚴(yán)重等突出問題[6]。姚江干流為寧波市重要水源地之一，與中心城區(qū)的生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水密切相關(guān)。對(duì)姚江水資源進(jìn)行科學(xué)、有效、合理的調(diào)度管理是實(shí)現(xiàn)寧波市水資源現(xiàn)代化管理的重要內(nèi)容之一。

寧波市在逐步健全規(guī)模以上取用水戶、重點(diǎn)引用水源地、重要水功能區(qū)、重點(diǎn)入河排污口、重要水位流量水質(zhì)監(jiān)測斷面等水資源在線監(jiān)測體系的基礎(chǔ)上，建設(shè)了姚江流域水資源調(diào)度決策分析系統(tǒng)。根據(jù)國家關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的要求，姚江流域水資源調(diào)度決策分析系統(tǒng)依托來水、需水、現(xiàn)狀水位、水質(zhì)、工程運(yùn)行工況等實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)施，結(jié)合水資源配套模型，對(duì)未來一定時(shí)間內(nèi)水資源利用變化情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、預(yù)測和優(yōu)化配置，包括水資源可用水量、用水變化、工程控運(yùn)方式等，有效提升水資源工程管控、調(diào)度決策及江北區(qū)水資源調(diào)度管理等能力。

1.3 水利工程精細(xì)化管理

在浙江省全面推行水利工程標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的基礎(chǔ)上[7-8]，寧波市建立了十大類水利工程標(biāo)準(zhǔn)化日常管理系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理模式；同時(shí)建立市級(jí)的寧波市水利工程運(yùn)行管理系統(tǒng)，形成全方位、標(biāo)準(zhǔn)化的多級(jí)協(xié)同管理體系，實(shí)現(xiàn)了水利工程日常管理的流程化、標(biāo)準(zhǔn)化、在線化，全面規(guī)范了運(yùn)行管理、維修養(yǎng)護(hù)、檢查觀測、安全評(píng)估、技術(shù)培訓(xùn)等管理工作。

對(duì)于周公宅、亭下水庫等重要大中型水庫工程，進(jìn)行了以下精細(xì)化管理：

1）通過構(gòu)建大中型水庫現(xiàn)代化管理平臺(tái)，對(duì)水庫日常工作中涉及的組織管理、工程信息、工程檢查、安全監(jiān)測、維修養(yǎng)護(hù)、調(diào)度運(yùn)行、應(yīng)急管理、上下級(jí)聯(lián)動(dòng)等工作內(nèi)容，進(jìn)行數(shù)字化、流程化、精細(xì)化管理；

2）應(yīng)用元素化理念，將安全生產(chǎn)職責(zé)和管理對(duì)象層層分解，細(xì)化水庫安全生產(chǎn)的各類安全要素，落實(shí)水庫安全生產(chǎn)的具體管理責(zé)任，利用信息化手段使管理層和全體員工隨時(shí)掌握水庫工程運(yùn)行動(dòng)態(tài)，有效解決安全生產(chǎn)管理工作中責(zé)任落實(shí)不徹底，隱患排查不全面，日常管理無抓手，問責(zé)風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)大化的問題；

3）依托水利專業(yè)模型為水庫承洪能力分析、防洪調(diào)度提供決策支持，精確指定水庫預(yù)排、預(yù)泄工作，實(shí)現(xiàn)大中型水庫安全運(yùn)行的數(shù)字化、精細(xì)化，調(diào)度決策的科學(xué)化、智慧化，日常辦公的流程化、定量化。

1.4 流域區(qū)域協(xié)同管理

甬江、奉化江、姚江是寧波市的母親河，為全面提升寧波市三江干流綜合業(yè)務(wù)管理能力，寧波市水利局從 2012 年起，陸續(xù)啟動(dòng)數(shù)字三江一期、二期等工程建設(shè)，目前已基本形成全面感知、可靠保障、精細(xì)管理的三江干流現(xiàn)代化管理體系。同時(shí)率先應(yīng)用“以大帶小、小小聯(lián)合”區(qū)域工程集中化管理的模式，集約整合以流域和行政區(qū)為單元的工程運(yùn)行監(jiān)視、調(diào)度執(zhí)行、設(shè)備巡視與維護(hù)，應(yīng)急會(huì)商、業(yè)務(wù)展示等全面運(yùn)行管理工作，建立“1 + 4”的工程集控管理中心，形成“信息全面掌握、運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、維護(hù)全程跟蹤、調(diào)度智能優(yōu)化”的水利工程調(diào)度決策指揮一體化管理體系，實(shí)現(xiàn)水利工程管理規(guī)模從 N 到 1 的集約化、精細(xì)化作業(yè)，節(jié)省人力物力成本，最大程度地實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和工程效益發(fā)揮，促進(jìn)管理模式向精細(xì)化快速轉(zhuǎn)變，有效提高水利工程現(xiàn)代化管理水平。

2 工程運(yùn)行管理智能化探索提升

寧波市水利局將以水利現(xiàn)代化管理需求為導(dǎo)向[9-11]，構(gòu)建以信息共享、業(yè)務(wù)協(xié)同、智能應(yīng)用為核心的智慧水利總體框架，以“看水一張網(wǎng)、治水一張圖、管水一平臺(tái)、興水一盤棋”為總體要求[12]，實(shí)施《智慧水利三年行動(dòng)計(jì)劃（2019—2021 年）》。同時(shí)，在推進(jìn)工程運(yùn)行管理智能化方面，重點(diǎn)做好工程運(yùn)行動(dòng)態(tài)物聯(lián)感知和智慧管護(hù)等 4 個(gè)方面的工作。

2.1 工程運(yùn)行動(dòng)態(tài)物聯(lián)感知和智慧管護(hù)

1）制定標(biāo)準(zhǔn)，全面監(jiān)測?；A(chǔ)感知是智慧水利的重要組成部分，為水利工程智慧調(diào)度和管理提供準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠的基礎(chǔ)信息服務(wù)。綜合考慮水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理建設(shè)要求，統(tǒng)籌寧波市水利管理業(yè)務(wù)內(nèi)容、現(xiàn)存的新老問題，合理制定具有寧波地方特色的《寧波市智慧水利基礎(chǔ)感知建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)水庫、山塘、海塘、堤防、大型水閘泵站、灌區(qū)、水電站、河道等 15 個(gè)監(jiān)測對(duì)象，21 種監(jiān)測類別的感知建設(shè)提出要求，以此規(guī)范指導(dǎo)全市工程物聯(lián)感知建設(shè)過程。

2）物聯(lián)感知，智慧管護(hù)。針對(duì)水利工程物聯(lián)設(shè)備多樣，通信協(xié)議不同，集成接入繁瑣，設(shè)備在線狀態(tài)難以診斷等問題，基于寧波市現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，構(gòu)建全市統(tǒng)一的水利智能物聯(lián)管護(hù)系統(tǒng)，利用 NB-LoT，有線，4G，GPRS 等網(wǎng)絡(luò)方式整合接入前端感知控制設(shè)備資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，防止數(shù)據(jù)的丟失、重傳，最終實(shí)現(xiàn)鏈路切換自動(dòng)化、協(xié)議解析通用化、參數(shù)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)化、健康檢查智能化，輔助工程運(yùn)行管理單位對(duì)工程運(yùn)行監(jiān)控終端設(shè)備進(jìn)行全方位智慧化管護(hù)。

2.2 區(qū)域工程群多目標(biāo)智能調(diào)度

圍繞系統(tǒng)治水的戰(zhàn)略方針，針對(duì)“水多、水少、水臟”等核心問題，結(jié)合多源、多尺度氣象數(shù)值預(yù)報(bào)成果，智能分析未來降雨預(yù)報(bào)信息，根據(jù)閘泵等工程的實(shí)時(shí)工況、控運(yùn)計(jì)劃、水資源水量水質(zhì)監(jiān)測信息，耦合專業(yè)的水文水動(dòng)力、水資源優(yōu)化配置、水質(zhì)數(shù)學(xué)等模型，建立區(qū)域工程群的多目標(biāo)智能調(diào)度系統(tǒng)，智能模擬優(yōu)化水利工程不同應(yīng)用情景下的調(diào)度運(yùn)行方案。同時(shí)依托物聯(lián)網(wǎng)、閘泵遠(yuǎn)程控制、智能視頻分析、人工智能等技術(shù)，進(jìn)行閘泵自動(dòng)化調(diào)度執(zhí)行、現(xiàn)場工況自診斷回饋，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)—模擬—調(diào)度—控制—評(píng)價(jià)全鏈路的水系工程群智能化調(diào)度管理，為防汛排澇、水資源水生態(tài)、工程管理提供決策支撐。

2.3 水利工程安全管理

寧波市作為 13 個(gè)全國首批遏制重特大事故暨雙重機(jī)制建設(shè)試點(diǎn)城市之一，把握水利安全管理脈搏，優(yōu)化安全風(fēng)險(xiǎn)管理模式與架構(gòu)，整合安全管理資源，構(gòu)建寧波市水利局安全風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)，對(duì)不同的水利工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、評(píng)價(jià)、管控，隱患排查、處理，以及應(yīng)急管理，可為水利工程開展風(fēng)險(xiǎn)管控提供管理和技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)水利安全生產(chǎn)管理從傳統(tǒng)的事后管理到現(xiàn)在的事前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控和作業(yè)過程管控的轉(zhuǎn)變，提升水利安全生產(chǎn)管理水平。

2.4 智慧型水庫試點(diǎn)

以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合水庫管理需求，突破水庫現(xiàn)有系統(tǒng)的局限性，創(chuàng)新水庫管理決策模式?；诖笾行退畮旃こ态F(xiàn)有信息化建設(shè)成果，補(bǔ)充完善智能感知體系，升級(jí)優(yōu)化四大網(wǎng)絡(luò)體系（政務(wù)、視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等專網(wǎng)，以及工控網(wǎng)），提升改造三大物理保障環(huán)境（數(shù)據(jù)、會(huì)商、水庫工程集控 3 個(gè)中心），升級(jí)打造水庫智慧管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水庫科學(xué)診斷、快速預(yù)警、智能決策、綜合分析，通過智慧決策引領(lǐng)智慧水庫建設(shè)。

3 結(jié)語

水利工程運(yùn)行管理智能化是現(xiàn)代先進(jìn)科技發(fā)展的結(jié)果，也是提高水利工程現(xiàn)代化管理能力的重要手段。寧波市水利局近年來在水利工程智能化管理方面的實(shí)踐表明，在水利工程運(yùn)行管理中應(yīng)用智能化技術(shù)能夠有效提高在線洪水風(fēng)險(xiǎn)分析、水資源科學(xué)調(diào)度、水利工程精細(xì)化管理、區(qū)域工程協(xié)同管理水平，以及應(yīng)急響應(yīng)能力，對(duì)于優(yōu)化資源配置和發(fā)揮工程效益具有重要意義。后期寧波市將考慮從水利工程運(yùn)行物聯(lián)管護(hù)、多目標(biāo)智能調(diào)度、工程安全風(fēng)險(xiǎn)管控等方面進(jìn)行探索，進(jìn)一步提升水利工程運(yùn)行管理的智能化程度，以智能化推動(dòng)水利工程管理模式快速向現(xiàn)代化管理模式轉(zhuǎn)變，從而確保工程管理質(zhì)量。