灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

李 莎，屠佳佳，劉 鋒，余江遠，金浪濱

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2. 浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310020；3. 浙江機電職業(yè)技術(shù)學院，浙江 杭州 310053）

1 問題的提出

我國作為農(nóng)業(yè)大國，灌溉面積廣大，灌區(qū)是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基本保障，在整個國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中都具有舉足輕重的地位[1-2]。在全面建設(shè)小康社會的背景下，灌區(qū)的現(xiàn)代化建設(shè)已經(jīng)成為我國現(xiàn)代化發(fā)展的一個重要組成部分[3]。

目前，大部分灌區(qū)在渠系建設(shè)完成后，并未進行相應(yīng)的信息化配套建設(shè)，日常仍需要值班人員定期巡檢渠道，查看水情信息和工情信息，并進行記錄以及匯總上報等，耗時較長，也會因巡檢頻次少導致基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足、管理不到位等情況發(fā)生。無法實現(xiàn)對各類基礎(chǔ)資料信息的有效管理、維護及信息共享，更談不上對這些信息進行有效應(yīng)用[4]。因此利用現(xiàn)代信息技術(shù)、無線圖像抓拍技術(shù)建設(shè)灌區(qū)智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)隨時隨地查看灌區(qū)現(xiàn)場情況，提高灌區(qū)的管理水平和灌溉資源的合理分配與有效利用已經(jīng)十分迫切[5-6]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

灌區(qū)智能監(jiān)測系統(tǒng)從灌區(qū)運行管理的現(xiàn)狀和需求出發(fā)，結(jié)合水利信息化領(lǐng)域的經(jīng)驗進行設(shè)計。系統(tǒng)運用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，對數(shù)據(jù)進行采集、傳輸、存儲、分析、告警，同時，該系統(tǒng)還具備可視化查詢、統(tǒng)計分析預測、決策支持等強大的操作功能。

圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)由遙測中心、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心3部分組成。遙測中心由測控單元和通信單元組成，測控單元包括傳感器、攝像頭、A/D、串口、單片機和執(zhí)行機構(gòu)等，主要完成數(shù)據(jù)的采集和前期處理，以及對控制命令的解碼和執(zhí)行[7-8]；通信單元采用GPRS/CDMA模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。傳輸網(wǎng)絡(luò)采用運營商網(wǎng)絡(luò)，安全穩(wěn)定費用低。監(jiān)控中心由計算機和數(shù)據(jù)庫等組成，利用固定IP網(wǎng)絡(luò)接入Internet，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與命令的發(fā)送。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控中心服務(wù)器采集到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲到SQL數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理供灌區(qū)信息化管理軟件平臺調(diào)用，軟件平臺根據(jù)灌區(qū)實際管理需求設(shè)計。管理人員可以通過平臺查看實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖片等，有效掌握灌區(qū)運行的情況，實現(xiàn)科學調(diào)度。

3 主要硬件設(shè)備

3.1 遙測終端

遙測終端采用杭州定川信息技術(shù)有限公司自主研發(fā)的DC-201設(shè)備，采用32位ARM芯片，基于Coretex-M3內(nèi)核開發(fā)，性能強大，接口豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)水位、流量數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖像的實時采集，并通過GPRS/CDMA/4G無線輸出模塊上傳至監(jiān)控中心服務(wù)器進行保存、處理和顯示。DC-201主要功能見表1。

表1 DC-201主要功能表

3.2 水位傳感器

水位傳感器采用西門子公司SITRANS Probe LU 二線制回路供電超聲波變送器，屬于一體式超聲波物位計，同時也適用于明渠、河道的水位測量，該傳感器支持4~20 mA模擬量通信和RS485串口通信2種方式，采用4~20 mA模擬量通信接口。有以下特點：1連續(xù)液位測量，測量范圍可達12 m；2易于安裝，啟動簡單快速；3高精度，最

大誤差僅為量程的±0.15%或6 mm；4分辨率≤3 mm；5極高的信噪比；6自帶液晶顯示，支持按鍵設(shè)置；7防水設(shè)計，適用野外工作。

3.3 工業(yè)攝像頭

工業(yè)攝像頭用于抓拍各站點的圖片，采用SXH485-V1串口攝像頭，具有視頻采集和圖像壓縮功能的攝像頭，配置130萬PX CMOS攝像頭，最大分辨率可達到1 280 mm×960 mm，是集拍攝控制、視頻捕捉、圖像數(shù)據(jù)采集、圖像JPEG壓縮、串口通訊等功能的工業(yè)用圖像采集設(shè)備。同時，帶有紅外照明功能，能實現(xiàn)自動照度補償、在黑暗的光線下仍能獲得較好的圖片質(zhì)量。該攝像頭的接口為標準485接口，方便與各種計算機和嵌入式控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相連，最大串口通訊速率可達115 200 bps。工業(yè)攝像頭接線見圖2。

圖2 工業(yè)攝像頭接線圖

4 軟件平臺

圖3為信息化管理平臺主界面圖，主要包含3部分：頂部導航欄、左側(cè)導航欄及右側(cè)內(nèi)容視窗。頂部導航欄包含系統(tǒng)名稱、導航按鈕、當前用戶、幫助、系統(tǒng)時間和退出按鈕。點擊系統(tǒng)名稱可進入系統(tǒng)主頁；導航按鈕共 7 個模塊，分別是系統(tǒng)首頁、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、地圖瀏覽、水位預警、測點終端和工作人員。

圖3 信息化管理平臺主界面圖

系統(tǒng)首頁包括4個板塊，左上部分為實時水位流量柱圖，右側(cè)視窗為灌區(qū)站點圖覽，左下部分為實時水位流量數(shù)據(jù)，中下部分為地圖視窗?；景鄥^(qū)所有重要信息，具體有：

（1）水位流量板塊。板塊中包含 2個縱坐標，左側(cè)為水位坐標，右側(cè)為流量坐標，鼠標移動相應(yīng)數(shù)據(jù)柱，能顯示具體數(shù)據(jù)信息。

（2） 灌區(qū)圖覽板塊。該板塊顯示灌區(qū)包含的監(jiān)測站點，顯示現(xiàn)場圖片、站點名稱和圖片張數(shù)。

（3）最新數(shù)據(jù)板塊。該板塊顯示各個站點的最新數(shù)據(jù)的接收時間、站點名稱、上游水位、下游水位和今日流量值?！啊北硎驹撜军c沒有監(jiān)測該項數(shù)據(jù)。

（4）地圖視窗板塊。該板塊標示灌區(qū)各站點的地理位置，直觀顯示其在流域中的關(guān)系。

實時數(shù)據(jù)界面見圖4。該部分包含灌區(qū)內(nèi)所有站點的實時曲線，并且該曲線能自動更新數(shù)據(jù)，不需要整體頁面刷新，具備實時自動生成的功能。鼠標移動到上面即可顯示上報時間、水位和流量等信息。

圖4 實時數(shù)據(jù)界面圖

歷史數(shù)據(jù)包括日歷視窗、水位記錄和流量記錄3部分，主要以不同形式顯示各站點水位和流量數(shù)據(jù)。

水位預警界面分為全部預警、未讀預警和已讀預警。當水位出現(xiàn)超過上限值或者低于下限值的異常情況時，系統(tǒng)實時發(fā)出預警信息，通知管理人員采取措施。

5 結(jié) 語

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，灌區(qū)管理的信息化和智能化已是必然的發(fā)展趨勢，也是浙江省水利工程標準化管理的必經(jīng)之路。本文所述的灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)功能完善，重點數(shù)據(jù)突出，使用方便靈活，系統(tǒng)軟硬件運行穩(wěn)定，水位、流量、圖像數(shù)據(jù)采集可靠，圖像抓拍準確，在紹興市上浦閘灌區(qū)得到成功應(yīng)用,使灌區(qū)基礎(chǔ)信息管理應(yīng)用水平穩(wěn)步提升，為灌區(qū)內(nèi)閘站的統(tǒng)一調(diào)度打下基礎(chǔ)。