太浦閘智慧管控體系建設(shè)實踐與探索

陳棨堯，李 超

（水利部太湖流域管理局蘇州管理局，215011，蘇州）

2020年年初，隨著太浦閘智能運行管控系統(tǒng)（1.0版）正式上線運行，太浦閘工程實現(xiàn)了流量自動提取、流量跟蹤監(jiān)控、閘門自動調(diào)整等智能控制功能，可以更高效、精確地執(zhí)行調(diào)度指令，提高工程控制運行質(zhì)量和效率。作為太湖流域控制性骨干工程，太浦閘近年受到社會各界越來越多的關(guān)注，加之工程本身全年運行，閘門調(diào)整頻繁，在現(xiàn)有智慧管控體系建設(shè)基礎(chǔ)上進行深化、升級是管理單位“十四五”期間的重點工作。

一、智慧管控體系建設(shè)成效

太浦閘智慧管控體系可概括為“物聯(lián)感知、互聯(lián)互通、科學決策、智能管理”，其核心就是更透徹的感知、更全面的互聯(lián)互通、更深入的智能化。具體表現(xiàn)在：轄區(qū)內(nèi)物與物、物與人、人與人之間的互聯(lián)互通和相互感知能力，更高效安全的水利信息處理和資源整合能力，更科學的水利監(jiān)測、預警、分析、預測和決策能力，更高水平的設(shè)備遠距離控制和智能化執(zhí)行能力，更協(xié)調(diào)的業(yè)務跨部門、上下級、多層次、異地點合作能力。

1.物聯(lián)感知能力建設(shè)

2014年太浦閘除險加固工程中前瞻性地在建筑物關(guān)鍵部位內(nèi)部以及上下游側(cè)等部位埋設(shè)了相應傳感器，分2個測站共75個測點，實現(xiàn)對上下游水位、閘墩頂部沉降閘底板揚壓力、地基反力、閘底板內(nèi)力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動采集，工作人員通過監(jiān)測自動化采集系統(tǒng)可在終端（手機端及電腦端）查收實時信息。該系統(tǒng)還兼具數(shù)據(jù)自動保存功能，近6年的持續(xù)自動監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集，積累了大量相關(guān)數(shù)據(jù)，是水利工程后續(xù)研究開發(fā)重要的數(shù)據(jù)資源。

2.互聯(lián)互通能力建設(shè)

太浦閘下游的太浦閘水文站建有在線測流系統(tǒng)，經(jīng)過多年運行與率定優(yōu)化后，能夠提供實時在線（次/5min）的太浦閘下泄流量數(shù)據(jù)。水利部太湖流域管理局建有太湖流域水情遙測系統(tǒng)、太湖流域水資源實時監(jiān)控和信息采集系統(tǒng)等，可實時采集太湖湖口水位、風力風向、黃浦江潮位，以及太浦河下游平望、金澤水位和流量等數(shù)據(jù)并實現(xiàn)信息共享。在2012—2015年太浦閘除險加固工程中建設(shè)了太浦閘閘門監(jiān)控系統(tǒng)，能實時采集到工程上下游水位等實時工情數(shù)據(jù)。以上這些水情、氣象、工情數(shù)據(jù)匯聚在一起，能建立起太浦閘智能運行的“感覺系統(tǒng)”，可初步實現(xiàn)實時感知工程及環(huán)境信息變化。

3.科學決策能力建設(shè)

借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立人工智能決策能力。平原河網(wǎng)地區(qū)，工程上下游的水位差較小，河流水動力弱，常見往復流，太浦閘工程初步設(shè)計中所提供的理論水位流量關(guān)系曲線難以指導工程實際操作運行。2019年起，相關(guān)管理單位采用信息化手段，利用人工智能機器學習中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，對太浦閘上下游水位、開度、風力等與過閘流量之間關(guān)系進行分析，將7個影響因素納入研究范疇，利用歷史大數(shù)據(jù)訓練，建立多維流量關(guān)系曲線模型，形成指揮閘門操作運用的大腦，結(jié)合實際變化自動提出決策意見，為閘門精準控制提供依據(jù)。

多維流量關(guān)系曲線模型具有3個特點：①輸入變量多，能夠?qū)崟r感知風力風向變化、上游湖口水位、下游平望水位等7個影響因素，通過這7個因素的實測值來預測過閘流量；②能夠自我調(diào)整，通過預測流量與實測流量自動比對、迭代訓練，可動態(tài)調(diào)整7個因素對流量的影響權(quán)重，用得越頻繁，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就越多，訓練得就越準確；③曲線是動態(tài)的，隨著現(xiàn)場風力風向、河口水位、平望水位等7個因素的變化而變化，能夠?qū)崟r感知現(xiàn)場多個因素。

在典型大水年份，閘門全開狀態(tài)下利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測的水位流量關(guān)系曲線準確地復現(xiàn)了實際情況，這對精準調(diào)度和預警、預案起到科學指導作用。

4.智能管理能力建設(shè)

借助閘門視頻監(jiān)控系統(tǒng)、BIM技術(shù)，初步實現(xiàn)調(diào)度指令智能執(zhí)行和智能化現(xiàn)場管理。在太浦閘除險加固工程建設(shè)過程中已建成閘門監(jiān)控系統(tǒng)和安全監(jiān)測系統(tǒng)，這是閘門智能運行的執(zhí)行機構(gòu)，可以實現(xiàn)計算機對于閘門操作運行的自動化控制及實時監(jiān)測工程垂直位移和底板揚壓力變化。在接收到上級調(diào)度指令或神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)出的閘門調(diào)整指令后，閘門監(jiān)控系統(tǒng)可以自主進行閘門開閉以及閘門開度的調(diào)整，完整記錄運行信息，并將調(diào)整信息反饋給工控系統(tǒng)。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的流量關(guān)系曲線已經(jīng)應用到太浦閘智能管控系統(tǒng)中，現(xiàn)場運行人員只需關(guān)注安全條件和簽收新調(diào)令，調(diào)令執(zhí)行、流量監(jiān)控、閘門調(diào)整建議、調(diào)整結(jié)果反饋等其他流程全部由計算機自動實現(xiàn)，有效減輕運行人員工作壓力。

太浦閘BIM技術(shù)通過太浦閘工程的地形及水工建筑物BIM建模，實現(xiàn)對太浦閘工程全面數(shù)字化仿真。通過接入太湖局數(shù)據(jù)中心各類專題數(shù)據(jù)庫等信息，不僅實現(xiàn)了對工程主體結(jié)構(gòu)與主要構(gòu)件的幾何信息、參數(shù)屬性及狀態(tài)信息的數(shù)字化存儲、查詢、三維全景展示，而且在工程控制運行、檢查觀測、預報預警等方面提供直觀和實時的應用，具體如下。

①工程結(jié)構(gòu)三維建模。對太浦閘工程各組成部分進行組建拆解，合理劃分工程構(gòu)件并進行三維模型建模，形成太浦閘上下游、水上水下建筑物的全景模式視圖。

②工程運行可視化監(jiān)測。基于工程三維模型，對太浦閘運行過程中相關(guān)實時水工情數(shù)據(jù)、運行控制數(shù)據(jù)、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)、實時運行狀況等進行可視化展示，通過工程三維可視化集中展示，實時掌握當前工程整體運行狀態(tài)和故障報警、主要設(shè)施設(shè)備等最新情況，提供歷史數(shù)據(jù)查詢。

③調(diào)度操控過程動態(tài)模擬?；诠こ倘S模型，結(jié)合工程現(xiàn)場視頻監(jiān)視、啟閉機運行狀態(tài)監(jiān)控等，對太浦閘水文流態(tài)、閘泵操控過程及運行狀態(tài)進行動態(tài)模擬，反饋閘門、鋼絲繩、啟閉機等設(shè)備設(shè)施運行狀態(tài)及實時數(shù)據(jù)，以及閘體的安全監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，通過動畫、數(shù)值圖表等手段對閘門操控過程、工程效益、工程安全狀況等進行全程模擬和動態(tài)展示。

④綜合調(diào)度決策支持?；诠こ踢吔鐥l件、水文氣象、運行狀態(tài)與安全狀況的全面感知，通過工程能力分析、啟用條件判斷、安全狀態(tài)評估、安全保障分析等智能分析，實現(xiàn)調(diào)度指令執(zhí)行情況反饋、工程運行能力提前預判、工程操控預設(shè)優(yōu)化、調(diào)度執(zhí)行科學精準，為流域綜合調(diào)度提供技術(shù)支撐。

⑤工程標準化管理。通過接入工程標準化管理業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分解落實組織管理、安全管理、運行管理等管理事項，細化各管理事項在工作標準、管理標準、技術(shù)標準上的各項要求，實現(xiàn)基于模塊化的管理方式，在BIM系統(tǒng)上對太浦閘各項工作的進度、質(zhì)量、效果進行分析統(tǒng)計評估，提出在工程管理方面的問題和建議，跟蹤整改過程和執(zhí)行情況，提高工程標準化管理水平。

二、太浦閘智慧管控體系“十四五”期間升級優(yōu)化展望

1.工程運行可視化監(jiān)測升級

在太浦閘上下游側(cè)增設(shè)智能識別攝像頭，并將數(shù)據(jù)接入BIM平臺。該技術(shù)旨在實現(xiàn)對上下游安全進行自動確認，即在閘門操作前，自動識別上下游有無人員、船只，有無阻礙閘門操作或泄洪的障礙物。

2.智能運行維護管理系統(tǒng)建立

通過對現(xiàn)場主要設(shè)備關(guān)鍵部位增設(shè)相應傳感器，采集設(shè)備工況數(shù)據(jù)，將現(xiàn)有采集數(shù)據(jù)一并整合到BIM平臺，工作人員手持終端對數(shù)據(jù)進行互訪，實現(xiàn)將管理權(quán)限、安全管理、基本信息、巡檢、養(yǎng)護、綜合管理等功能集于一體。

（1）智能維養(yǎng)管理系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)太浦閘現(xiàn)場維修養(yǎng)護需求進行數(shù)據(jù)采集。實現(xiàn)主要設(shè)備異常自動報警、養(yǎng)護周期提醒、維護結(jié)果自評等功能。設(shè)計難點是業(yè)務功能完善、數(shù)據(jù)庫建立、需求數(shù)據(jù)收集、運行調(diào)試等，針對太浦閘運維工作零散的特點，可適當對數(shù)據(jù)進行前期篩選，逐步實現(xiàn)業(yè)務功能。先實現(xiàn)工程運行數(shù)據(jù)和主要設(shè)備工況數(shù)據(jù)實時采集分析，增加相關(guān)業(yè)務協(xié)調(diào)能力，實現(xiàn)太浦閘管理運維系統(tǒng)自動化。

（2）巡查管理功能實現(xiàn)

根據(jù)對閘門運行和日常維護工作的統(tǒng)計，建立日常檢查和定期巡檢模塊，利用Hybrid APP、ReactMobile技術(shù)結(jié)合的形式，通過智能手機平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)更新，并對出現(xiàn)故障的太浦閘設(shè)施進行定位，方便用戶及時進行日常檢查和定期巡檢。采用遠距離視頻功能，通過拍照和視頻形式及時上傳，與PC機進行信息交換，并能有針對性地進行故障診斷。后期隨著采集數(shù)據(jù)完善，可實現(xiàn)人工智能自動給出處理或維修意見。

（3）維修養(yǎng)護管理

維護養(yǎng)護管理工作是水利運維的重點，只有設(shè)施正常使用，才能保障太浦閘的運行功能，使其發(fā)揮最大效能。運用流程化、數(shù)字化、可視化技術(shù)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)信息資源共享，提供在線監(jiān)管、維修審批、部門管理、驗收管理等相關(guān)功能，通過管理部門與設(shè)施維護部門實時對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息資源共享，更科學地制定和提前預判大修項目、維修經(jīng)費等。管理者通過對人員的合理配置來保證太浦閘的運行效率，使工程項目、任務、事件得到規(guī)范處理，更好地保障太浦閘的正常運行。

（4）基礎(chǔ)信息整合管理

將現(xiàn)有視頻監(jiān)控信息、設(shè)備傳感器信息、工勤信息等所有太浦閘信息統(tǒng)一整合進BIM平臺，使業(yè)務應用更加方便，通過巨量數(shù)據(jù)信息對人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行持續(xù)續(xù)聯(lián)，使閘門調(diào)度決策更精準，實現(xiàn)工程運行實況信息自動篩查、維修養(yǎng)護報表自動生成等智能化運行。