“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)在大型水利樞紐中的應(yīng)用

伍明兆

（廣東省樂昌峽水利樞紐管理處，廣東 韶關(guān) 512200）

0 引言

當(dāng)前，以“互聯(lián)網(wǎng) +”為代表的新興技術(shù)新業(yè)態(tài)迅速興起，推動(dòng)新一代信息技術(shù)融合發(fā)展[1]。“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)已滲透、應(yīng)用于社會各個(gè)行業(yè)，并成為當(dāng)前高新技術(shù)的熱門研究課題。近年來，水利信息化與業(yè)務(wù)融合發(fā)展取得長足進(jìn)展，而大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用，已吸引越來越多科研機(jī)構(gòu)，并取得了大量的研究成果[2]。水利綜合業(yè)務(wù)基本已構(gòu)建泛在、智能感知、天地一體的信息數(shù)據(jù)采集體系，但在數(shù)據(jù)挖掘利用、人工智能等新技術(shù)應(yīng)用方面存在欠缺[3]。水利樞紐是水利工程管理的綜合體，在這種情況下，“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)在大型水利樞紐的地位顯得尤為重要。目前，針對“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)在大型水利樞紐進(jìn)行全面應(yīng)用或研究存在欠缺。

基于全面感知技術(shù)，以廣東省樂昌峽水利樞紐為實(shí)例，介紹水利信息數(shù)據(jù)采集、處理、應(yīng)用的過程，結(jié)合工程實(shí)際，重點(diǎn)分析研究“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)在大型水利樞紐中常用先進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)，為國內(nèi)同類型水利樞紐進(jìn)行防洪調(diào)度、發(fā)電生產(chǎn)、水資源管理、工程監(jiān)測管理等各項(xiàng)工作的信息化建設(shè)提供參考。

樞紐位于廣東省韶關(guān)樂昌市境內(nèi)、珠江流域北江一級支流武江樂昌峽河段，集雨面積為4988 km2，壩址多年平均流量為138m2/s。樞紐為 II 等大（2）型水利工程，以防洪為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧航運(yùn)、灌溉等。

1 樞紐“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)應(yīng)用

樞紐“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)應(yīng)用，主要從樞紐數(shù)據(jù)采集全面感知、統(tǒng)一數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)挖掘與融合、構(gòu)建全方位應(yīng)用、業(yè)務(wù)全方位管理、統(tǒng)一監(jiān)控展示平臺等方面進(jìn)行“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)應(yīng)用的探討。

1.1 全面感知

全面感知是指利用傳感器等先進(jìn)設(shè)備、手段獲取物體的深度信息，是“互聯(lián)網(wǎng) +”數(shù)據(jù)信息獲取與分析應(yīng)用的基礎(chǔ)?；跇I(yè)務(wù)的全面感知（物聯(lián)網(wǎng)）是水利數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)和技術(shù)手段，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、遙測遙感、新型傳感器等技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)層組建監(jiān)測站網(wǎng)，建成全面覆蓋樂昌峽水利樞紐的水情、雨情、工情、工程安全、險(xiǎn)情、災(zāi)情等信息的智能感知和立體化采集監(jiān)測網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)感知任務(wù)分發(fā)與感知數(shù)據(jù)采集利用，最終完成系統(tǒng)整體的感知任務(wù)。

樞紐目前基本建成氣象、水（雨）情、水工安全監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)控等多元化信息的自動(dòng)化和智能化采集網(wǎng)，有以下功能：

1）氣象信息感知。利用氣象大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，智能感知流域及相關(guān)防御范圍內(nèi)的氣象自動(dòng)站監(jiān)測數(shù)據(jù)；同時(shí)，基于 GIS 的多普勒雷達(dá)資料定量預(yù)測各時(shí)段雨量情況。

2）水（雨）情信息感知。目前已在庫區(qū)流域各個(gè)區(qū)域建成水（雨）情感知網(wǎng)，將水（雨）情信息采集延伸至各級河道；或?qū)⒘饔虬凑罩Я髑闆r劃分多個(gè)子流域，同步、實(shí)時(shí)采集子流域水情數(shù)據(jù)。

3）安全監(jiān)測感知。在大壩及周邊、地下廠房、引水隧洞和古滑坡體布控水工安全近千個(gè)監(jiān)測儀器，采集滲流、應(yīng)力、變形等關(guān)鍵信息，并通過應(yīng)力計(jì)、揚(yáng)壓力計(jì)、滲壓計(jì)、測斜儀等27種監(jiān)測儀器組建成安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，結(jié)合光纜/GSM 通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)樞紐水工安全在線監(jiān)測。

4）水資源監(jiān)控。利用物聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)等新技術(shù)，建立集水資源、水環(huán)境、水污染于一體的天地一體化監(jiān)測網(wǎng)。

5）設(shè)備健康狀態(tài)在線感知。前端通過智能傳感器采集單元，并通過現(xiàn)地控制單元 LCU“核心大腦”對數(shù)據(jù)進(jìn)行對接和信號處理，數(shù)據(jù)分析結(jié)果通過綜合預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)展示，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警，達(dá)到在線監(jiān)控的目的。

1.2 統(tǒng)一數(shù)據(jù)資源池

對全面感知數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、整合，建成覆蓋水（雨）情、水資源、水工安全、洪水預(yù)報(bào)與調(diào)度、電力生產(chǎn)等綜合數(shù)據(jù)庫體系，形成集約化的計(jì)算資源池服務(wù)于各應(yīng)用，應(yīng)用框架如圖1所示。依托關(guān)聯(lián)、聚合、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等大數(shù)據(jù)分析方法和水利專業(yè)模型，構(gòu)成了樞紐水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一管理和調(diào)用，為樞紐業(yè)務(wù)融合發(fā)展提供全面、準(zhǔn)確、可靠的信息支撐[4]。

1.3 數(shù)據(jù)挖掘與融合

為滿足實(shí)現(xiàn)樞紐“全面感知，高速互聯(lián)、充分共享、智能應(yīng)用、周到服務(wù)”的目標(biāo)，從感知層采集數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸層到達(dá)數(shù)據(jù)處理與計(jì)算層[4]，通過采用機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和推理技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，融合和理解，建立信息綜合數(shù)據(jù)處理模型和數(shù)據(jù)深度挖掘與融合算法，完成數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算層[5]。

圖1 數(shù)據(jù)整合后的應(yīng)用框架

1.4 構(gòu)建全方位應(yīng)用

樂昌峽樞紐以“一張網(wǎng)，一個(gè)平臺，三類應(yīng)用”為核心（即構(gòu)建1張多元感知的信息采集傳輸網(wǎng)，打造樞紐基礎(chǔ)信息平臺，提升防洪調(diào)度、發(fā)電運(yùn)行工程管理3類應(yīng)用），構(gòu)建以“多元高效、泛在感知的采集傳輸網(wǎng)絡(luò)（物聯(lián)網(wǎng)），集約共享、安全可靠的基礎(chǔ)信息平臺，業(yè)務(wù)協(xié)同、智能決策的綜合應(yīng)用體系”為核心的“互聯(lián)網(wǎng) +”樂昌峽信息化框架[6]，如圖2所示。

樞紐統(tǒng)一信息平臺，設(shè)計(jì)、開發(fā)并構(gòu)建全方位的業(yè)務(wù)應(yīng)用。目前已建防洪調(diào)度、發(fā)電監(jiān)控、安全監(jiān)測、綜合辦公4個(gè)業(yè)務(wù)類別20多個(gè)專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)基于“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)，深度融合與開發(fā)，是“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)應(yīng)用的具體體現(xiàn)，通過對水利原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)充分進(jìn)行量化、挖掘與利用，應(yīng)用新技術(shù)，推動(dòng)樞紐業(yè)務(wù)、管理、服務(wù)的模式創(chuàng)新。具體系統(tǒng)介紹如下：

1）樂昌峽流域面雨量預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)。基于WebGIS 建立氣象雨量預(yù)測、水文水位預(yù)測和調(diào)度相融合的業(yè)務(wù)內(nèi)容展示，利用移動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)集氣象雨量實(shí)況監(jiān)測、精細(xì)化面雨量短期和短時(shí)預(yù)報(bào)產(chǎn)品及水位預(yù)測和調(diào)度綜合內(nèi)容即時(shí)查詢；同時(shí)，基于多普勒雷達(dá)資料定量降水估測技術(shù)提供庫區(qū)域面雨量精細(xì)化預(yù)報(bào)[7]，實(shí)現(xiàn) 0～3 h 定量降水預(yù)報(bào)（QPF），以及 24～72 h 短期、0～3 h 短時(shí)面雨量精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)報(bào)。通過“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)能使流域雨量預(yù)測從被動(dòng)模式轉(zhuǎn)為主動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)洪水主動(dòng)防御。

2）常規(guī)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)?；谛掳步{(diào)度模型，通過設(shè)定實(shí)測雨量、蒸發(fā)量、張力水蓄水容、流量等參數(shù)[8]，開發(fā)智能防洪調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)可視化“一張圖”展示，成果如圖3所示，實(shí)現(xiàn)水（雨）情、出入庫的動(dòng)態(tài)調(diào)度。

圖2 業(yè)務(wù)應(yīng)用與數(shù)據(jù)總體架構(gòu)

圖3 樞紐24h 常規(guī)洪水調(diào)度成果圖

3）發(fā)電生產(chǎn)管理系統(tǒng)。以設(shè)備全生命周期管理為核心[9]，基于大數(shù)據(jù)算法和智能感知技術(shù)，預(yù)測、感知設(shè)備狀態(tài)情況，通過關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)在線診斷；同時(shí)，采用基于 RFID 技術(shù)的 GPRS 移動(dòng)巡檢系統(tǒng)進(jìn)行電廠設(shè)備巡檢工作，在一定范圍內(nèi)即可智能感知設(shè)備狀態(tài)，極大提高了巡檢效率。

4）工程安全監(jiān)測系統(tǒng)。通過在大壩壩體、地下廠房和古滑坡體等埋設(shè)布控近千支/組/點(diǎn)溫度計(jì)，滲壓計(jì)，應(yīng)力計(jì)等各種先進(jìn)儀器組建全方位水共安全監(jiān)測網(wǎng)，利用人工智能技術(shù)將自動(dòng)化采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能篩選、校核、分析與處理，達(dá)到監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)監(jiān)測與精確預(yù)報(bào)預(yù)警。

5）智慧樂昌峽移動(dòng)應(yīng)用?；?MEID，IMEI 移動(dòng)識別碼和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)出集水（雨）情、三維全景、防洪調(diào)度、移動(dòng)會商等核心功能的智慧水利移動(dòng)應(yīng)用 App，通過 IMEI 識別碼認(rèn)證后即可隨時(shí)掌握樞紐運(yùn)行狀態(tài)[10]。

6）實(shí)時(shí)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。在大壩壩基、壩腰、壩頂?shù)忍卣鞑课还膊荚O(shè)10個(gè)三分向加速度計(jì)，9 個(gè)雙分向加速度計(jì)，總計(jì)48通道，通過電纜連接組建各傳感器、采集器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測信號自動(dòng)化傳輸和采集，數(shù)據(jù)通過 VPN 傳輸級聯(lián)共享至廣東省地震監(jiān)測網(wǎng)，進(jìn)行智能比對、分析與處理，并進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，從而達(dá)到大壩實(shí)時(shí)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測的目的。

7）超級 Wi-Fi 無線系統(tǒng)。采用有線+無線相結(jié)合的通信方式[11]，搭建覆蓋大壩、地下廠房等重點(diǎn)區(qū)域的全方位立體式 Wi-Fi 無線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)辦公及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的無線同步傳輸、無線信號無縫切換、智能終端穩(wěn)定的無線連接。逐步統(tǒng)一 Wi-Fi 與 4G 的接入、無線與有線的接入，實(shí)現(xiàn)人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器等互聯(lián)，搭建基于超級 Wi-Fi 無線系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)平臺。

1.5 業(yè)務(wù)全方位管理

以全面感知、統(tǒng)一數(shù)據(jù)資源池、大數(shù)據(jù)挖掘與融合為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建樞紐全方位業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)水情測報(bào)服務(wù)、防洪調(diào)度、水資源、發(fā)電生產(chǎn)運(yùn)行、電調(diào)、安全、庫區(qū)等業(yè)務(wù)應(yīng)用的全方位管理。

1.6 統(tǒng)一監(jiān)控展示平臺

樞紐已建成集防汛調(diào)度、發(fā)電生產(chǎn)、工程監(jiān)測于一體的樞紐安全監(jiān)控中心。該中心應(yīng)用了大量的先進(jìn)技術(shù)，如以全息技術(shù)，GIS，RS 和三維仿真等高新技術(shù)為依托，建成樂昌峽水利樞紐工程的三維全息展示系統(tǒng)。結(jié)合洪水預(yù)報(bào)、調(diào)度等數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境下的河道洪水演進(jìn)、淹沒分析、工程運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測。監(jiān)控中心具有調(diào)度統(tǒng)一性與業(yè)務(wù)前瞻性，能把監(jiān)控調(diào)度、業(yè)務(wù)應(yīng)用與會商決策結(jié)合，實(shí)現(xiàn)樞紐監(jiān)控一體化。

2 “互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)總結(jié)

2.1 “互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)在樂昌峽樞紐應(yīng)用效果

以“互聯(lián)網(wǎng) +”融合水利業(yè)務(wù)應(yīng)用，更是智慧水利具體體現(xiàn)，覆蓋著防洪除澇減災(zāi)、水資源綜合利用、水環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)、水利綜合管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域。融合云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)和新理念，提供全面的感知、識別、模擬、預(yù)測和預(yù)判，“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)重塑了信息化應(yīng)用新模式，推動(dòng)樂昌峽管理處業(yè)務(wù)、管理、服務(wù)等模式的創(chuàng)新，通過全面感知、高速互聯(lián)、充分共享、智能應(yīng)用、周到服務(wù)，全面提高水利樞紐的管理、決策和服務(wù)水平[12]，實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理、快速響應(yīng)、協(xié)同調(diào)度、科學(xué)決策和更人性化服務(wù)。

2.2 樂昌峽“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)應(yīng)用評價(jià)

“互聯(lián)網(wǎng) +”技術(shù)在樂昌峽水利樞紐得到廣泛的應(yīng)用，在感知、互聯(lián)、共享、應(yīng)用和服務(wù)等領(lǐng)域取得了良好的效果?；跇I(yè)務(wù)的全面感知實(shí)現(xiàn)樞紐數(shù)據(jù)智能采集，統(tǒng)一數(shù)據(jù)資源池為樞紐數(shù)據(jù)充分挖掘與融合奠定基礎(chǔ)，通過大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)開發(fā)的業(yè)務(wù)應(yīng)用和統(tǒng)一監(jiān)控平臺具有前瞻性和可操作性，能全方位管理樞紐主線業(yè)務(wù)。特別是在面雨量精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)測誤差控制在 ± 10% 內(nèi)，增強(qiáng)樞紐動(dòng)態(tài)監(jiān)控能力，發(fā)電量明顯增加，并整體提升水利樞紐防洪保障水平；達(dá)到業(yè)務(wù)感知智能化、監(jiān)測監(jiān)控可視化，掌握設(shè)備設(shè)施狀態(tài)即時(shí)化，核心業(yè)務(wù)管理移動(dòng)化，極大提升整體辦公效率。