水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理平臺(tái)研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用示范研究 *

(1.四川省武都引水工程建設(shè)管理局，四川 綿陽，621000； 2. 四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072； 3.浙江禹貢信息科技有限公司，杭州，310009)

引言

2019年1月，全國水利網(wǎng)信工作會(huì)議明確提出了“水利工程補(bǔ)短板，水利工程強(qiáng)監(jiān)管”的水利改革發(fā)展總基調(diào)，要求盡快補(bǔ)齊信息化短板，在水利信息化建設(shè)上提檔升級(jí)，按需構(gòu)建安全實(shí)用、智慧高效的水利信息系統(tǒng)，以水利信息化驅(qū)動(dòng)水利現(xiàn)代化，全面提升水利業(yè)務(wù)管理的效率，為我國水資源管理、水安全保障、水生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)支撐。而水庫運(yùn)行管理是水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理的重中之重，結(jié)合水庫安全運(yùn)行管理的實(shí)際需求構(gòu)建水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺(tái)很有必要。

武都引水工程是四川省“西水東調(diào)”總體規(guī)劃中確定的大型綜合利用水利工程，曾被鄧小平同志譽(yù)為“第二個(gè)都江堰”。工程共分二期建設(shè)，其中第一期工程包括取水樞紐、總干渠和涪梓灌區(qū)(灌溉8.47萬hm2)渠系及沉抗囤蓄水庫等已建成；第二期工程包括武都水庫、西梓灌區(qū)(灌溉7萬hm2)等。武都水庫位于四川省江油市境內(nèi)的涪江干流上，是已建成的武都引水一期工程和在建的武都引水二期灌溉工程及蓬船灌區(qū)工程的水源工程，可控灌溉面積達(dá)到21.33萬hm2；是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧城鄉(xiāng)工業(yè)、生活及環(huán)境供水的大(I)型水利樞紐工程。主要建筑物有：攔河壩、壩后式電站廠房等。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高120.34m，正常蓄水位658m；總庫容5.72億m3，裝機(jī)容量為150MW，裝機(jī)利用時(shí)數(shù)4064h，多年平均發(fā)電量6.1億kW·h。工程于2012年底建成并投入運(yùn)行使用。二期灌區(qū)工程于2013年全面開工建設(shè)，現(xiàn)仍在建設(shè)之中。隨著建設(shè)不斷深入和配套工程的不斷完工，如何“建管并重”和“補(bǔ)短板、強(qiáng)監(jiān)管”成為當(dāng)前亟待解決的問題[2]。

為全面提升水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理水平，補(bǔ)齊水庫管理信息化短板，本文通過系統(tǒng)分析水庫運(yùn)行管理存在的問題和實(shí)際需求，基于信息化理論方法研究了水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理云平臺(tái)總體構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)，最后以武都水庫為試點(diǎn)進(jìn)行了水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用示范，結(jié)果表明，水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理云平臺(tái)是進(jìn)行水庫運(yùn)行管理的有力工具，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。

1 總體構(gòu)架

水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理研究內(nèi)容主要包括標(biāo)準(zhǔn)化管理體系研究、標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理手冊(cè)編制和水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理云平臺(tái)的研發(fā)三部分內(nèi)容[3]。

其中標(biāo)準(zhǔn)化管理體系研究主要包括了管理體系、決策體系、安全監(jiān)測體系、執(zhí)法體系、應(yīng)急管理體系、維修養(yǎng)護(hù)體系、安全生產(chǎn)考核體系等方面；標(biāo)準(zhǔn)化管理手冊(cè)主要包括組織手冊(cè)、制度手冊(cè)和操作手冊(cè)的編制；水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理云平臺(tái)的研發(fā)主要包括數(shù)據(jù)庫建設(shè)、平臺(tái)功能建設(shè)、基礎(chǔ)環(huán)境搭建三個(gè)方面的內(nèi)容，應(yīng)用平臺(tái)功能涵蓋了水庫基礎(chǔ)管理、安全管理、運(yùn)行管理、維養(yǎng)管理、應(yīng)急管理、信息總覽、辦公管理、庫區(qū)管理、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化考核等[4]。結(jié)合水庫日常運(yùn)行管理實(shí)際，水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺(tái)整體架構(gòu)如圖1所示，由智能感知層、智能互聯(lián)層、云數(shù)據(jù)中心、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及其安全保障體系構(gòu)成。

圖1 水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺(tái)總體設(shè)計(jì)框架

其中智能感知層主要包括水情、雨情、工情、視頻監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)信息等，還包括取水樞紐、安全監(jiān)測、氣象監(jiān)測、泥沙觀測、水質(zhì)監(jiān)測等共享數(shù)據(jù)；智能互聯(lián)層主要包括互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、3G/4G乃至以后5G通信網(wǎng)等；數(shù)據(jù)中心采用云平臺(tái)框架，由靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成；業(yè)務(wù)系統(tǒng)是進(jìn)行業(yè)務(wù)辦理的集中服務(wù)窗口，用戶可以通過登錄實(shí)現(xiàn)包括動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測、安全運(yùn)行評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析、辦公統(tǒng)一審批等，平臺(tái)服務(wù)模塊涵蓋信息總覽、運(yùn)行管理、應(yīng)急管理、辦公管理、生產(chǎn)管理、基礎(chǔ)管理、維修養(yǎng)護(hù)、安全管理、庫區(qū)管理、移動(dòng)應(yīng)用等[5-7]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理云平臺(tái)的研究與開發(fā)是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及的核心技術(shù)很多，一些通用技術(shù)如互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云平臺(tái)構(gòu)架技術(shù)、安全加密技術(shù)、APP開發(fā)技術(shù)、流程化定制技術(shù)等本文限于篇幅不再累述。本文重點(diǎn)論述數(shù)據(jù)庫集成開發(fā)技術(shù)、全景圖技術(shù)、NFC安全巡查巡檢技術(shù)[8]及其流程化引擎設(shè)計(jì)技術(shù)[9]等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)庫集成開發(fā)技術(shù)

一個(gè)軟件平臺(tái)只有在擁有源源不斷的數(shù)據(jù)時(shí)才有生命力，因此，有效集成水庫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(水位、雨情、工情等)、靜態(tài)數(shù)據(jù)(工程信息、管理制度、設(shè)備檔案、組織機(jī)構(gòu)、崗位職責(zé)等)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(運(yùn)行調(diào)度臺(tái)賬、巡查記錄、汛前檢查記錄等)，形成水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫尤為重要[10]。數(shù)據(jù)庫集成開發(fā)技術(shù)通過建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和靈活可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的格式化整編和標(biāo)準(zhǔn)化采集工作，最后在通信上對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)采用Web Service和HTTP Service協(xié)議進(jìn)行有效集成[11]。

圖2 數(shù)據(jù)集成

2.2 720°全景圖技術(shù)

基于地理信息技術(shù)和全景圖技術(shù)建立系統(tǒng)展示界面，全面、直觀地反映工程運(yùn)行管理全貌。全景圖拍攝采用目前國內(nèi)比較成熟的720°空中全景拍攝技術(shù)。全景實(shí)際上只是一種對(duì)周圍景象以某種幾何關(guān)系進(jìn)行映射生成的平面圖片，只有通過全景播放器的矯正處理才能成為三維全景(全景特指水平360°，上下360°全能觀看的，能看到“天、地”的全景)，本次項(xiàng)目建設(shè)擬使用無人機(jī)機(jī)載相機(jī)完成大壩上空1處、大壩下游1處、庫區(qū)2處、管理大樓1處，總計(jì)5處全景圖拍攝。

(1)720°全景數(shù)據(jù)采集技術(shù)要求

無人機(jī)低空720°全景采集高度為距被拍攝物50m左右，范圍涉及重要閘、壩及泵站工程全貌及其上下游河道與左右岸各100m范圍，分辨率在0.2m左右。相機(jī)視角：360°(水平)×180°(垂直)。拼接后像素：≥3000萬。

圖4 系統(tǒng)集成展示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(2)全景拼接技術(shù)

使用定制的全景相機(jī)采集的數(shù)據(jù)，都需要對(duì)每一景的多幅照片進(jìn)行后期的三維全景拼接處理，拼接后得到720°全景照片。最終輸出的全景圖片長寬比應(yīng)為2∶1的固定比例，對(duì)于缺失的天空或者水面的影像需要其它圖片進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)色、優(yōu)化等處理。

2.3 NFC安全巡查巡檢技術(shù)

近場通信(Near Field Communication)即NFC是一種新興的技術(shù)[8]，使用了NFC技術(shù)的設(shè)備(比如手機(jī))可以在彼此靠近的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，是由非接觸式射頻識(shí)別(RFID)及互連互通技術(shù)整合演變而來，通過在單一芯片上集成感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的功能，本系統(tǒng)利用該技術(shù)，結(jié)合云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPS定位技術(shù)等國際最先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行構(gòu)架開發(fā)，基于SaaS互聯(lián)網(wǎng)+架構(gòu)的新型軟件架構(gòu)模式，流程如圖3所示。

圖3 NFC感應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

從圖3可知，觸發(fā)器1將觸發(fā)登錄界面，啟動(dòng)APP應(yīng)用程序，以便登錄人員完成任務(wù)，并將完成任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫[13]；觸發(fā)器2將觸發(fā)GPS定位，記錄定位，自動(dòng)繪制路徑，傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫；觸發(fā)器3將觸發(fā)時(shí)鐘，將時(shí)間信息進(jìn)行記錄并傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫中；所有數(shù)據(jù)將可以到達(dá)后臺(tái)電腦程序進(jìn)行處理。

2.4 流程化設(shè)計(jì)技術(shù)

通過工作流引擎設(shè)計(jì)的管理流程可以比較容易進(jìn)行工作流程調(diào)整，利用全新的Activity引擎技術(shù)[15]，將業(yè)務(wù)處理的過程控制邏輯從業(yè)務(wù)處理操作中分離出來，通過工作流引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程的優(yōu)化配置和重組，采用國際標(biāo)準(zhǔn)WFMC工作流引擎Activity技術(shù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.5 系統(tǒng)集成互聯(lián)技術(shù)

當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)、流程化數(shù)據(jù)集成到云端后，例如視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視圖像、信息采集系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、泵閘監(jiān)控系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理系統(tǒng)、水資源調(diào)度管理系統(tǒng)運(yùn)行情況等，可以采用系統(tǒng)集成互聯(lián)技術(shù)，以各種各樣的模型進(jìn)行分析，分析結(jié)果可以通過多種多樣的方式進(jìn)行展示。武都水庫采用拼接屏、手機(jī)終端、電腦工作站等結(jié)合方式進(jìn)行展示，如圖4所示。

3 應(yīng)用研究

以前期已有研究成果為業(yè)務(wù)指導(dǎo)，基于關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理平臺(tái)的研發(fā)測試，并在武都水庫進(jìn)行應(yīng)用示范，經(jīng)過6個(gè)月不斷測試，目前運(yùn)行情況良好，系統(tǒng)信息總覽界面如圖5所示。

圖5 信息總覽界面

通過GIS開發(fā)，將各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如水情、雨情、工情、視頻和720°全景圖集成到綜合地圖中，形成各種數(shù)據(jù)的一張圖管理，即綜合地圖管理，如圖6所示。

圖6 綜合地圖管理界面

基于NFC安全巡查巡檢技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)庫區(qū)的智能化巡檢。手機(jī)端APP巡檢界面如圖7所示。

圖7 手機(jī)APP安全巡檢界面

武都水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理需要流程管理，依據(jù)《操作手冊(cè)》定制化開發(fā)流程化數(shù)據(jù)引擎，以防洪調(diào)度模塊為例，具體流程如下：水庫上報(bào)請(qǐng)示單——防辦下發(fā)指令單——水庫按流程簽發(fā)預(yù)警指令單(閘門預(yù)操作指令)進(jìn)行開閘前各項(xiàng)準(zhǔn)備工作(包括預(yù)警準(zhǔn)備、工程設(shè)備準(zhǔn)備等)——預(yù)警反饋——水庫按流程簽發(fā)操作令——操作完成后操作人員向水庫反饋操作情況——向上級(jí)主管部門反饋操作情況。此外，用戶還可以通過平臺(tái)進(jìn)行操作流程的修改完善。系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 興利調(diào)度流程界面

4 結(jié)論

實(shí)踐表明，水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理平臺(tái)有效提升了武都水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理的水平，具有很強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值和示范作用，武都水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理平臺(tái)研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用示范研究，對(duì)下一步開展全省水庫現(xiàn)代化管理意義重大，具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

(1)平臺(tái)基本滿足了水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理的功能需求，通過平臺(tái)進(jìn)行水庫運(yùn)行管理實(shí)現(xiàn)了水庫的規(guī)范化管理；

(2)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了水庫管理涉及數(shù)據(jù)的有效集成，完成了武都水庫水雨情、工情閘門、流量、機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、集水井?dāng)?shù)據(jù)整合，并已形成綜合數(shù)據(jù)庫，并且可以通過平臺(tái)對(duì)已有數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行管理；

(3)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了水庫現(xiàn)代化管理的需要。該平臺(tái)將先進(jìn)的NFC技術(shù)、VR技術(shù)、APP技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、云技術(shù)、云數(shù)據(jù)庫技術(shù)等結(jié)合在一起，滿足水庫現(xiàn)代化管理需求。

水庫的運(yùn)行管理也是一個(gè)不斷改革的過程，因此，水庫標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理平臺(tái)建設(shè)不能止步當(dāng)前，還需要結(jié)合實(shí)際管理進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。此外，還要擴(kuò)大研究范圍，研究基于信息化技術(shù)方法的水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理方法。