基于物聯(lián)網(wǎng)技術的白龜山水庫綜合信息化管理系統(tǒng)

田 力

(河南省白龜山水庫管理局，河南 平頂山 467031)

1 工程概況

白龜山水庫位于淮河流域沙潁河水系沙河干流上，壩址位于河南省平頂山市西南郊，距市中心9km，水庫流域多年平均降雨量為900mm，多年平均徑流量為4.03億m3。水庫設計洪水位為106.19m，興利水位為103.00m，總庫容為9.22億m3，興利庫容為2.36億m3，是一座以防洪為主，集城市供水、農業(yè)灌溉為一體的大(2)型綜合利用水利樞紐工程。

水庫樞紐主要建筑物有攔河壩、順河壩、泄洪閘和南、北干渠渠首閘。其中，攔河壩(主壩)為均質土壩，壩長1545m，最大壩高24m，壩頂寬7m；順河壩(副壩)壩長18016m，最大壩高16.26m，壩頂寬6m；泄洪閘設7孔11m×10m弧形鋼閘門，最大泄流量為7105m3/s；北干渠渠首閘設3孔5.0m×3.5m弧形鋼閘門，設計灌溉引水流量為120m3/s，并配合泄洪閘加入泄洪流量200m3/s；南干渠渠首閘設2孔2m×3m平板鋼閘門，設計灌溉引水流量為35m3/s，加大引水流量50m3/s。

白龜山水庫自建成以來，在淮河流域防洪減災方面發(fā)揮了重要作用，確保了下游平頂山、漯河、周口等重要城市的安全，并為平頂山市提供了工業(yè)、農業(yè)、城市和生態(tài)用水，對平頂山市的國民經濟發(fā)展起到了重要作用。

2 水庫信息化建設存在問題

白龜山水庫建設年代久遠，水庫信息化程度落后，已不能滿足水庫現(xiàn)代化管理的需要，直接影響管理的效率和效果，當前主要存在以下問題：

a.基礎監(jiān)測設施不完備。水庫已建有水雨情、大壩安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控等監(jiān)測設施，但監(jiān)測設施覆蓋面不廣，數(shù)量有限，未形成一體化的自動化監(jiān)控網(wǎng)絡體系，不能適應具有較高業(yè)務需求的信息化系統(tǒng)要求，不能滿足水庫管理工作精細化需要。

b.缺乏統(tǒng)一信息管理平臺。水庫監(jiān)測內容多，日常工作繁雜、涉及信息面廣、各類信息分布零散，缺乏統(tǒng)一的集成應用平臺，迫切需要建立一個統(tǒng)一、綜合、高效的集收集、處理、查詢、發(fā)布、可視化展示于一體的服務平臺，提高水庫綜合信息的科學性、規(guī)范化管理能力。

c.缺乏信息資源共享與標準化建設。白龜山水庫現(xiàn)有的各種信息采集基礎設施分散，各基礎數(shù)據(jù)未能充分共享與利用，且缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，前期建設只著重于眼前需要，對于系統(tǒng)的標準化、規(guī)范化考慮不足，導致系統(tǒng)生命周期短，后期系統(tǒng)集成擴展不便，信息化建設的投資效益低。

d.智慧型應用基礎薄弱。水庫日常管理中所需的信息查詢、工程監(jiān)控、洪水預報、日常辦公等業(yè)務應用技術落后，且各自獨立開發(fā)，相互間數(shù)據(jù)不共享，未建立業(yè)務應用統(tǒng)一平臺，且各業(yè)務應用未與新技術充分融合，難以滿足新時期網(wǎng)絡化管理的需要。目前，移動辦公等多元化智能辦公手段已經成為水利信息化的發(fā)展趨勢，而白龜山水庫目前無法實現(xiàn)水庫管理人員的移動化辦公和文件在線交互流轉，辦公效率低下。

3 系統(tǒng)構建與預期應用效果

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)技術是指通過射頻識別等信息傳感設備，按照相關事先約定將萬物與網(wǎng)絡相連，開展數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和控制，提供實時在線監(jiān)測、定位追蹤、調度指揮、遠程控制、決策支持、預警預報等綜合管理功能，最終實現(xiàn)對“萬物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！狈矫娴摹肮堋⒖?、營”一體化[1-2]。

物聯(lián)網(wǎng)體系結構包括感知層、傳輸層以及應用層3層架構體系，感知層主要負責識別物體和采集信息，傳輸層主要負責信息傳遞和處理，應用層主要負責數(shù)據(jù)融合、分析決策和應用服務[3-4]。物聯(lián)網(wǎng)技術主要涉及傳感器技術、RFID技術、嵌入式系統(tǒng)技術、智能技術以及納米技術等五大關鍵技術，由RFID、傳感網(wǎng)、M2M和兩化融合四大支撐技術與業(yè)務群組成，已被廣泛應用于農業(yè)工程、電網(wǎng)工程、路網(wǎng)工程、建筑工程等領域[5-8]。物聯(lián)網(wǎng)體系及支撐技術架構見圖1。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系及支撐技術架構

3.2 系統(tǒng)構建

根據(jù)水庫建設現(xiàn)狀，為提高水庫整體管理效率與能力，需將水庫信息化服務于水庫日常辦公、防汛調度、供水、灌溉及建設與管理等各業(yè)務要求中，建設與水庫發(fā)展相適應的綜合業(yè)務信息化管理系統(tǒng)，用水庫信息化手段實現(xiàn)水庫管理精細化[9-11]。因此，根據(jù)以上要求，白龜山水庫綜合信息化管理系統(tǒng)主要包括以下子系統(tǒng)：水庫綜合辦公管理系統(tǒng)(電子政務管理系統(tǒng))、水庫安全運行監(jiān)測系統(tǒng)、水庫調度決策支持系統(tǒng)、供水及灌溉用水管理系統(tǒng)、精細化管理系統(tǒng)(水庫三維仿真系統(tǒng))和數(shù)據(jù)信息顯示系統(tǒng)。

水庫綜合辦公管理系統(tǒng)(電子政務管理系統(tǒng))：主要包含個人事務、知識管理、人力資源、工作流程、文檔管理以及會議管理六大工作板塊，通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)工作流程簡化、辦公透明和各部門之間的相互監(jiān)督，可極大地提升工作效率和服務能力。

水庫安全運行監(jiān)測系統(tǒng)：水庫安全監(jiān)測主要針對壩體安全開展相關工作，通過埋設在壩體不同位置處的監(jiān)測儀器并設置合理的觀測點，可以實現(xiàn)對壩體變形、滲透壓力等的實時掌握，了解和評估水庫的運行狀況。其主要工作流程為通過網(wǎng)絡將監(jiān)測儀器采集到的數(shù)據(jù)、圖像傳輸?shù)焦こ贪踩O(jiān)測數(shù)據(jù)處理中心，對數(shù)據(jù)進行存儲和處理，并評估工程安全狀況，然后將評估結果反饋給工程管理部門和防汛調度中心，及時完成水庫大壩的除險加固，保證大壩安全度汛，工作流程見圖2。

圖2 水庫安全運行監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

水庫調度決策支持系統(tǒng)：通過了解水庫流域內的降雨信息數(shù)據(jù)，并根據(jù)洪水預報模型實現(xiàn)對流域水情的實時預報，為水庫的洪水調度決策提供數(shù)據(jù)和信息支持。其工作流程為：首先將分散在水庫流域各地的雨量數(shù)據(jù)進行采集并傳輸?shù)剿昵閿?shù)據(jù)處理中心，通過數(shù)據(jù)存儲和處理，進行洪水預報模型分析，并將模型結果傳到防汛調度中心，由防汛調度中心最終決定是否需要進行水庫調度，工作流程見圖3。

圖3 水庫調度決策支持系統(tǒng)工作流程

供水及灌溉用水管理系統(tǒng)：白龜山水庫還承擔著城市供水、農業(yè)灌溉等重要任務，為了實現(xiàn)信息化、科學化、節(jié)約化、增效化的用水調度目的，需要單獨建立供水及灌溉用水管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含供水量預測、用水量模擬、灌區(qū)配水計劃以及水費征收四大功能模塊，通過不同功能模塊之間的相互協(xié)作可以實現(xiàn)水庫供水及灌溉用水的智能化管理，各模塊工作流程見圖4。

圖4 供水及灌溉用水管理系統(tǒng)工作流程

精細化管理系統(tǒng)(水庫三維仿真系統(tǒng))：白龜山水庫庫區(qū)范圍較廣，為了全面真實地再現(xiàn)庫區(qū)環(huán)境，提高水庫管理水平，因此建設水庫虛擬現(xiàn)實三維仿真系統(tǒng)。以白龜山水庫數(shù)字高程模型和高分辨率遙感影像為基礎，采用三維地理信息系統(tǒng)、多維和多種數(shù)據(jù)融合技術以及虛擬現(xiàn)實技術，對白龜山水庫地理信息、水庫工程信息、運行管理信息及監(jiān)測信息進行數(shù)字化處理。建立白龜山水庫三維可視化平臺，以三維交互方式展示水庫地形地貌、水工建筑物結構、水庫管理區(qū)及上、下游河道自然景觀等，進行高分辨率的三維可視化瀏覽、查詢、分析與模擬，實現(xiàn)三維虛擬環(huán)境下的水庫流域三維可視化仿真、河道洪水演進、水庫庫容實時計算、水庫下游河道洪水演進與淹沒分析、工程監(jiān)測信息查詢、工程運行數(shù)據(jù)管理、工程CAD圖檔管理等工程防洪及運行管理工作的數(shù)字化管理，提高工程防洪調度和運行管理的綜合自動化水平，見圖5。

圖5 水庫三維仿真系統(tǒng)

數(shù)據(jù)信息顯示系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要是對水庫流域不同監(jiān)測斷面處的流域降雨量、斷面水位、流量、水閘的開度以及預警信息等實現(xiàn)實時的在線顯示和查詢，可以為各級管理部門提供可視化服務，管理人員可通過手機、平板電腦及其他移動APP等在線查看，實現(xiàn)移動辦公和便捷辦公[12]。

3.3 系統(tǒng)預期應用效果

a.實現(xiàn)水庫各種數(shù)據(jù)資源的共建共享。綜合信息化管理系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為中心，在開發(fā)信息資源的基礎上，匯集積累數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)信息資源的集中管理、安全規(guī)范、充分共享和全面服務；該系統(tǒng)強化信息化分類標準，在完善數(shù)據(jù)交換體系基礎上，實現(xiàn)各數(shù)據(jù)節(jié)點之間的級聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的唯一性與共享性，確保基礎信息的權威性；通過建立統(tǒng)一的安全體系，保證數(shù)據(jù)及業(yè)務系統(tǒng)的訪問安全；以統(tǒng)一的信息管理模式及統(tǒng)一的技術架構為基礎，能夠迅速地實施部署各種IT系統(tǒng)，提升管理能力。

b.提高水庫整體管理效率與能力。將水庫信息化服務于水庫日常辦公、防汛調度、供水、灌溉及建設與管理等各業(yè)務要求中，建設與水庫發(fā)展相適應的綜合業(yè)務信息化管理系統(tǒng)，用水庫信息化手段實現(xiàn)水庫管理精細化，可大大節(jié)省工作流程，提高水庫管理效率和能力。

c.實現(xiàn)水庫各業(yè)務應用的集約建設。充分考慮技術平臺的共享利用，堅持平臺公用，接口開放，堅持統(tǒng)一平臺、統(tǒng)一運行環(huán)境、統(tǒng)一開發(fā)接口的原則，既有利于實現(xiàn)應用系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，又能降低建設和運行成本，為水庫防汛抗旱、水庫調度、工程運行管理提供技術支持，使水庫有限的水資源發(fā)揮更大的綜合效益。

4 結 語

本文以白龜山水庫為例，基于物聯(lián)網(wǎng)技術，建立水庫綜合信息化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含6個子系統(tǒng)，通過綜合信息化管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)水庫各種數(shù)據(jù)資源的共建共享，提高水庫整體管理效率與能力，實現(xiàn)水庫各業(yè)務應用的集約建設，相關理論和技術可為類似水庫工程信息化管理系統(tǒng)建立與應用提供參考。