淮漣灌區(qū)GMS設(shè)計與應(yīng)用

楊添平

(沈陽智信佰達(dá)科技有限公司，沈陽 110000 )

1 系統(tǒng)建設(shè)背景

江蘇省淮安市淮漣灌區(qū)自1958年興建，自1999年列入國家大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃以來，已立項(xiàng)實(shí)施12期項(xiàng)目，累計完成總投資4.38億元，共建設(shè)涵閘渠首349座、泵站147座、其他配套建筑物164座，興建防滲渠道282.87km,灌區(qū)工程得到進(jìn)一步更新改造和完善提高，增加和改善灌溉面積3.83萬hm2，增加和改善除澇面積2.98萬hm2，新增糧食生產(chǎn)能力4905萬kg，新增節(jié)水能力10213萬m3，有效灌溉面積不斷擴(kuò)大，灌溉條件得到很大改善，經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)效益顯著提升。在工程措施和管理體制基本完善之后，灌區(qū)面臨的問題是非工程措施滯后[1]。

目前，硬件方面：淮漣灌區(qū)支渠以上閘門基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地電動控制，現(xiàn)場設(shè)施完備長期供電，但是缺少閘門開度監(jiān)測設(shè)備。閘門控制房環(huán)境良好，設(shè)施齊全。水位監(jiān)測設(shè)備基本失效或者損壞，部分穿線保護(hù)措施完好。灌區(qū)沒有雨量監(jiān)測站點(diǎn)，沒有量水設(shè)施，過閘流量全部依據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，灌區(qū)管理者不能及時了解灌區(qū)內(nèi)的降雨和用水情況；軟件方面：2008年曾建設(shè)灌區(qū)管理信息系統(tǒng)，經(jīng)過10年信息化發(fā)展，目前已無人使用。目前灌區(qū)管理基本靠管理人員經(jīng)驗(yàn)，淮漣灌區(qū)現(xiàn)行的管理方式主要以人工錄入及紙質(zhì)文檔傳送為主，沒有完善的信息化系統(tǒng)來支持整個灌區(qū)的管理和決策，既無法實(shí)現(xiàn)對各類資料信息的有效管理、維護(hù)，也無法做到信息共享，灌區(qū)管理目標(biāo)無法量化[2]。

因此，通過建設(shè)淮漣灌區(qū)GMS，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)管理信息化，提高灌區(qū)管理的能效性、時效性勢在必行。

2 平臺總體架構(gòu)

淮漣灌區(qū)GMS設(shè)立一個中心站和一個分中心站，中心站為淮漣灌區(qū)管理處，作為數(shù)據(jù)匯集、儲存、整理、分析、共享的數(shù)據(jù)中心，中心站擁有大屏幕等展示系統(tǒng)，可以對灌區(qū)整體進(jìn)行管理和決策；分中心站為淮安水利局作為展示中心。

本平臺是通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)程傳輸，將監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)匯集至中心站，最終可以通過分中心站PC客戶端與大屏顯示終端實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、查詢、管理等功能。平臺總體體系架構(gòu)由感知層、傳輸層、智能物聯(lián)層、延生應(yīng)用層和展示層組成。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集及傳輸

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

平臺包括水位監(jiān)測、雨量監(jiān)、視頻監(jiān)測、閘門控制測這4種類型。

設(shè)計在淮漣灌區(qū) 14 個取水口門的閘門位置安裝水位計、雨量計、閘位計、視頻攝像頭、閘門控制柜。建設(shè)水位監(jiān)測點(diǎn) 20 個，一體化水位雨量監(jiān)測點(diǎn) 5個，流量監(jiān)測點(diǎn) 6個，視頻監(jiān)測點(diǎn) 21 個，覆蓋整個灌區(qū)。

3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸

淮漣灌區(qū)GMS數(shù)據(jù)通訊可采用有線或無線兩種方式。

若位于各閘上現(xiàn)場有光纖，則充分利舊利用光纖有線傳輸，其中杰勛河地涵下游因與閘控室跨河，故下游監(jiān)測設(shè)備采用無線方式傳輸；若位于渠道現(xiàn)場無光纖，可以采用DTU的方式，通過4G網(wǎng)絡(luò)無線傳輸。

3.2 數(shù)據(jù)存儲及處理

3.2.1 數(shù)據(jù)存儲

平臺建設(shè)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、水雨情信息數(shù)據(jù)庫、水工建筑物數(shù)據(jù)庫、灌區(qū)信息數(shù)據(jù)庫、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、視頻信息庫、模型方法庫、水費(fèi)計收數(shù)據(jù)庫。

各種數(shù)據(jù)經(jīng)過人工錄入，或利用已有地理數(shù)字信息轉(zhuǎn)入，或經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集，形成數(shù)據(jù)庫中重要的原始數(shù)據(jù)。而后，通過信息處理、資料分析等研究，對庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立一個方便、實(shí)用、可靠的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

淮安市水利局淮漣灌區(qū)管理工具的作用主要是用于對數(shù)據(jù)的管理和控制。數(shù)據(jù)無論在采集、傳輸、發(fā)送或者儲存這幾個過程中都可能會出現(xiàn)這樣或那樣的錯誤，為了糾正這些錯誤，讓用戶使用時都是正確及時的數(shù)據(jù)，建立管理工具是非常必要的。管理工具結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.3 軟件功能

3.3.1 灌區(qū)基礎(chǔ)信息子系統(tǒng)

灌區(qū)基礎(chǔ)信息子系統(tǒng)主要包括灌區(qū)簡介、灌溉制度、土地利用、灌區(qū)水資源等，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)基礎(chǔ)信息電子化，用戶可以查詢歷年的基礎(chǔ)情況信息，基礎(chǔ)情況信息支持在線編輯、導(dǎo)出、導(dǎo)入和打印功能。

圖1 管理工具結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 電子沙盤系統(tǒng)

通過建立淮漣灌區(qū)地理信息系統(tǒng)，完善灌區(qū)的全景展現(xiàn)，并對管理區(qū)域內(nèi)各元素的分布有一個統(tǒng)一的了解。補(bǔ)齊電子地圖的短板，建立灌區(qū)“一張圖”的信息化管理模式，讓灌區(qū)真正做到數(shù)字化、智能化和現(xiàn)代化。

應(yīng)用GIS地理信息系統(tǒng)，將灌區(qū)信息布設(shè)在沙盤上，除展示水工建筑物的信息和資料等靜態(tài)數(shù)據(jù)外，還支持動態(tài)監(jiān)測點(diǎn)例如：水位站、雨量站、閘位站等的點(diǎn)擊、查看、歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和查詢，監(jiān)測信息以圖表結(jié)合的方式展示。電子沙盤中還會展示預(yù)警信息，預(yù)警信息根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定自動生成[4]。

電子沙盤中所有展示的數(shù)據(jù)都支持關(guān)聯(lián)查詢，例如：地塊與渠道關(guān)聯(lián)、渠道與閘門關(guān)聯(lián)、渠道與渠道關(guān)聯(lián)等等。關(guān)聯(lián)的目的是在點(diǎn)擊一個內(nèi)容時能夠快速的找到與其相關(guān)的其他內(nèi)容，提高查詢效率。

3.3.3 實(shí)時監(jiān)控與告警系統(tǒng)

3.3.3.1 實(shí)時監(jiān)控

1)水雨情監(jiān)控。通過水雨情監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時掌握灌區(qū)的水位信息和降雨信息，降雨信息為灌區(qū)用水調(diào)度和防洪提供數(shù)據(jù)依據(jù)，還為決策模型計算提供數(shù)據(jù)來源；水位數(shù)據(jù)用來計算閘門過閘流量，還為防洪提供告警信息。

2)視頻監(jiān)控。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對灌區(qū)現(xiàn)場的真實(shí)情況有一個全面的展現(xiàn)，將視頻監(jiān)控與閘門遠(yuǎn)程控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對閘門狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，同時對灌區(qū)決策支持提供檢驗(yàn)方法和決策依據(jù)。例如閘門是否按照規(guī)定開啟，水位是否真如系統(tǒng)所示已經(jīng)超出警戒水位，灌溉制度執(zhí)行后是否順利進(jìn)行等。

3)閘位監(jiān)控。通過閘位監(jiān)控系統(tǒng)，展示各閘門實(shí)時開度信息，結(jié)合上下游水位信息利用水力學(xué)公式推求各閘門實(shí)時流量，用于計算引水量，為灌區(qū)供水提供服務(wù)。

3.3.3.2 告警信息

將告警信息統(tǒng)一統(tǒng)計，單獨(dú)分類列表，對不同等級的告警可以分類查詢。主要包括水位告警、降雨告警、監(jiān)測設(shè)備故障告警等。

3.3.4 閘門控制子系統(tǒng)

閘門控制子系統(tǒng)有三種運(yùn)行方式：“微機(jī)集控”(調(diào)度中心上位機(jī)集中控制)、“現(xiàn)地自動”(觸模屏設(shè)定高度控制)和“現(xiàn)地手動”(常規(guī)手動控制)。系統(tǒng)正常情況下，通過調(diào)度中心上位機(jī)集中控制；在網(wǎng)絡(luò)中斷或現(xiàn)地的情況下，現(xiàn)場控制柜可置為“現(xiàn)地自動”；現(xiàn)地控制柜觸模屏故障，還可實(shí)現(xiàn)常規(guī)“現(xiàn)地手動”控制，保證淮漣灌區(qū)閘門在任何情況下都可正常運(yùn)行。

3.3.5 輔助決策支持系統(tǒng)

輔助決策支持系統(tǒng)是整合灌區(qū)現(xiàn)有的信息資源，以告警級別為主線，以預(yù)案為輔線，以事件為驅(qū)動，以各負(fù)責(zé)人員的職責(zé)為切入點(diǎn)，通過設(shè)計一個科學(xué)合理的業(yè)務(wù)協(xié)同模式，構(gòu)建一個內(nèi)容豐富、性能穩(wěn)定、界面友好、擴(kuò)展方便的輔助決策支持系統(tǒng)。

輔助決策系統(tǒng)對灌區(qū)的水位、雨量、水量、氣象、墑情、作物分布、水文年型、灌水方案、上游來水量(渠首閘)、規(guī)劃用水量等信息進(jìn)行整理、分析、計算、優(yōu)化，進(jìn)而通過氣象、作物、地塊用水、渠道灌溉、閘門量水這五大類計算模型的整理分析，綜合在應(yīng)用層，形成一套適合于灌區(qū)的閘門調(diào)度方案，供管理者參考決策。根據(jù)灌區(qū)現(xiàn)狀對灌區(qū)內(nèi)一干閘、二干閘、三干閘、四干閘、古寨退水閘、杰勛河地涵提供科學(xué)的調(diào)度管理計劃。

3.3.6 運(yùn)行管理子系統(tǒng)

通過了解淮漣灌區(qū)管理處的整體業(yè)務(wù)，結(jié)合地圖及灌溉制度等輔助信息，建立一套適用于灌區(qū)政務(wù)辦公系統(tǒng)，主要功能包括：水情統(tǒng)計、監(jiān)控工程實(shí)時報表、值班管理、人工巡檢管理、通訊錄、通知公告、公文資料管理等。

1)水情統(tǒng)計：以各閘為統(tǒng)計單元，以日為單位，實(shí)時統(tǒng)計每次開閘、關(guān)閘及放水量記錄，最后匯總成月(年)的水情統(tǒng)計表，支持查詢、導(dǎo)出、打印。

2)監(jiān)控工程實(shí)時報表：按照各個工程劃分統(tǒng)計閘門工程實(shí)時統(tǒng)計閘門工程的上游水位、下游水位、每孔閘門開啟狀態(tài)和灌溉的水量信息。

3)值班管理:值班管理主要包括：值班安排和記錄、內(nèi)部值班安排、日常值班記錄、突發(fā)事件核實(shí)和記錄、記錄管理、值班日歷導(dǎo)出、替班、換班、值班簽到。

4)人工巡檢管理：人工巡檢管理由主站軟件和前端機(jī)APP構(gòu)成，主要具有巡檢路線制定及管理、巡檢任務(wù)派送及管理、巡檢結(jié)果查詢、巡檢軌跡查看與查詢等功能。

5)通訊錄、通知公告、公文資料管理：支持通訊錄、通知公告、公文資料的查看、增加、刪除、修改、查詢等功能。

3.3.7 APP應(yīng)用

APP集成 PC 服務(wù)端的大部分功能，主包括地圖數(shù)據(jù)展示、實(shí)時監(jiān)視與告警、值班管理、通訊錄、通知公告、公文資料、數(shù)據(jù)上報、系統(tǒng)更新、用戶管理等。結(jié)合手機(jī)具備 GPS 定位的特點(diǎn)再為客戶開發(fā)一些基于地圖定位的使用功能，如隨手拍、人工巡檢管理等。

8 結(jié) 語

淮漣灌區(qū)GMS通過在灌區(qū)安裝監(jiān)測設(shè)備，采集相關(guān)數(shù)據(jù)并結(jié)合水利、農(nóng)業(yè)、氣象、信息化等相關(guān)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、模型和經(jīng)驗(yàn)等，在灌溉、防汛、抗旱、電子政務(wù)等四個方面對灌區(qū)進(jìn)行了整體的改造。

淮漣灌區(qū)GMS已運(yùn)行一年有余，設(shè)備方面成熟穩(wěn)定，平臺方面因地制宜。通過GMS建立，實(shí)現(xiàn)淮漣灌區(qū)各主要控制閘的視頻監(jiān)視、數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程調(diào)度、運(yùn)行實(shí)時管理等，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建、管、用相結(jié)合，確保了灌區(qū)建筑物及渠道工程安全運(yùn)行，提高了水量調(diào)度的時效性，通過輔助決策子系統(tǒng)合理分配水資源，按需灌溉，提高了水資源利用效益、提高了灌區(qū)灌溉效益，充分發(fā)揮了灌區(qū)的潛力，實(shí)現(xiàn)了效益最大化，體現(xiàn)出GMS較原始在灌區(qū)管理方面的卓越性。