寧夏漢延渠全渠道量測控一體化平臺建設(shè)與應(yīng)用

周小生，王海永，高登義，張 勃，徐 寧

漢延渠是寧夏引黃灌區(qū)最古老的干渠之一，全長88.05km，控制灌溉面積41萬畝（1畝＝1/15hm2，下同），位于唐徠、惠農(nóng)兩大干渠之間，有閘、涵、槽大型建筑物等29座，直開口245座。最大設(shè)計引水流量為80m3/s，年供水量5.3億m3，承擔(dān)著青銅峽市、永寧縣、興慶區(qū)、賀蘭縣13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、74個行政村及4個國有農(nóng)場的灌溉任務(wù)。

近年受漢延渠灌域農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、城鎮(zhèn)化建設(shè)等因素影響，實有配水面積約28萬畝，近5年干渠平均引水量約4.6億m3。目前，受灌域種植結(jié)構(gòu)多樣化、灌溉用水多元化的影響，漢延渠階段性灌溉用水矛盾突出。為提高水資源調(diào)配和管理能力，2015年以來，寧夏水利廳統(tǒng)一給各管理處安裝了部分量測水設(shè)施，但由于測控設(shè)備區(qū)域不連片、信息系統(tǒng)覆蓋度較低，沒有真正實現(xiàn)測控一體化，迫切需要通過現(xiàn)代化改造促進和帶動各項工作再上新臺階。本研究以寧夏漢延渠現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)為出發(fā)點，構(gòu)建了集信息采集、遠程監(jiān)控、業(yè)務(wù)處理、分析、決策、可視化展示為一體的全渠道量測控平臺。

寧夏漢延渠

一、信息化建設(shè)現(xiàn)狀

①灌區(qū)網(wǎng)絡(luò)情況。2016—2018年，借助“寬帶寧夏”，對管理處、所、段進行全面網(wǎng)絡(luò)覆蓋，全部接入電子政務(wù)外網(wǎng)，解決了網(wǎng)絡(luò)傳輸差、通信質(zhì)量不佳的問題。

②自動化改造情況。截至2019年6月，共建自動化監(jiān)測點165個。采用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了60處干支渠水位信息實時自動采集，利用ADCP解決了處所界、縣界測流斷面自動測量問題，92座直開口安裝了測控一體化閘門，9座控制性水閘進行了自動化改造。但仍存在測點分散、調(diào)配不均衡和預(yù)警預(yù)報不及時等問題。

③數(shù)據(jù)產(chǎn)生方式。一類是感知設(shè)備產(chǎn)生，主要有干渠測水?dāng)嗝?、直開口水位/流量監(jiān)測、天然河道和入黃排水溝縣界測水?dāng)嗝嫠?流量監(jiān)測等；另一類是人工采集數(shù)據(jù)，主要是灌區(qū)業(yè)務(wù)工作中形成的引/耗水指標(biāo)、黃河各斷面水情、各渠道引水、各市縣用水、灌溉進度等統(tǒng)計類數(shù)據(jù)。目前，數(shù)據(jù)缺乏科學(xué)管理、信息孤立不流通，無法為科學(xué)調(diào)配提供精確、完整、高效的數(shù)據(jù)支撐。

④業(yè)務(wù)應(yīng)用現(xiàn)狀。2018年在原有應(yīng)用系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，整合了工程巡檢、水賬電算化功能，基本實現(xiàn)了無紙化辦公，有效提高了工作效率。然而，核心業(yè)務(wù)仍采用人工逐級上報方式，用水者協(xié)會尚未接入系統(tǒng)，無法形成上下聯(lián)動、全流程閉環(huán)調(diào)度管理；且系統(tǒng)只對單個閘門進行測控，還沒有全面整合監(jiān)測數(shù)據(jù)和融合調(diào)度算法，未形成多閘聯(lián)合調(diào)度。

二、平臺總體架構(gòu)

基于上述問題，在《寧夏智慧水利“十三五”規(guī)劃》的總體框架下，以漢延渠管理處實際業(yè)務(wù)需求為出發(fā)點，充分利用現(xiàn)有資源，采用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)、自動化控制技術(shù)和全渠道控制模型算法等，打造集監(jiān)測、遠控、聯(lián)合調(diào)度為一體的全渠道量測控一體化平臺，實現(xiàn)全面感知干渠、測水?dāng)嗝妗⒍房?、?jié)制閘、退水閘、泄洪口等各環(huán)節(jié)流量、水位數(shù)據(jù)，實時對測控一體化閘門、節(jié)制閘、退水閘進行遠程控制。通過APP、公眾號、PC端訪問，接入用水戶（用水者協(xié)會）需求，根據(jù)用水需求結(jié)合配水指標(biāo)和渠道水位等工況信息，自動產(chǎn)生調(diào)度方案。根據(jù)調(diào)度方案和調(diào)度指令，通過閘門控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)干渠節(jié)制閘、測控一體化閘門，達到按需供水的目的。該平臺采用B/S架構(gòu)、微服務(wù)模塊化設(shè)計，統(tǒng)一部署、分級授權(quán)、多級應(yīng)用，平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺總體框架

三、平臺技術(shù)特點

①適配于不同類型、不同廠商、不同年代的自動化設(shè)備接入。避免了不同廠商、不同類型自動化設(shè)備使用多個管理后臺造成的混亂，為后續(xù)的數(shù)據(jù)整合和大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析奠定基礎(chǔ)。

②統(tǒng)一全渠道量測水設(shè)施數(shù)據(jù)，深化數(shù)據(jù)應(yīng)用。對渠道斷面測流、遙測水位、流速儀、流量計、測控一體化閘門等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一整合；從全渠道視角進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，建立全渠道視圖模型，對數(shù)據(jù)進行全方位監(jiān)控和預(yù)警。

③建立基于邊緣計算和中央控制相結(jié)合的全渠道調(diào)度控制模型。將閘門控制策略分散于各閘門控制端，通過設(shè)置各種臨界反饋策略，達到降低中央控制系統(tǒng)多維度協(xié)同控制的復(fù)雜度，從而實現(xiàn)整個渠系網(wǎng)絡(luò)的智能化調(diào)配水量和全局控制，進而提高渠系水利用系數(shù)，擺脫以人工經(jīng)驗為主的傳統(tǒng)調(diào)度管理模式。

④建立便捷的移動端應(yīng)用管理。提供APP數(shù)據(jù)監(jiān)測、告警及遠程控制功能。實現(xiàn)測控一體化閘門瞬時流量、水位、閘位、累計流量的實時查看；實現(xiàn)節(jié)制閘、退水閘水位、閘位的實時監(jiān)測；實現(xiàn)遙測水位的實時查看和預(yù)警提醒；實現(xiàn)測流斷面水位、流量、流速、面積的實時監(jiān)控。

四、平臺功能分析

①直開口測控子系統(tǒng)。該系統(tǒng)是為適應(yīng)灌區(qū)直開口測控自動化改造建立的集數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、分析、展示于一體的監(jiān)控子系統(tǒng)。通過設(shè)備接入功能，將灌區(qū)所轄范圍內(nèi)測控一體化閘門納入統(tǒng)一管理范疇，對各設(shè)備運行信息、工況信息進行實時監(jiān)控，并通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進行監(jiān)測指標(biāo)專題分析，包含水位趨勢、瞬時流量、累計流量、閘位、電池電量、閘門健康狀態(tài)、運行記錄等關(guān)鍵指標(biāo)專題分析和可視化展示，對預(yù)警信息進行及時告警。通過遠程控制功能，對所轄范圍內(nèi)的測控一體化閘門進行遠程控制，控制方式包含遠程自動控制和遠程手動控制兩種方式，自動控制可同時支持水位控制、恒定流量控制和開度控制三種控制方式，支持各直開口調(diào)度計劃的手動輸入并按計劃自動執(zhí)行預(yù)設(shè)調(diào)度計劃。閘門控制可以設(shè)置通過短信驗證碼驗證操作權(quán)限，并提供閘門操作記錄短信提醒，確保系統(tǒng)運行的安全性。

②水閘遠控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對節(jié)制閘、退水閘、分水閘的遠程控制。通過采集閘門的荷重、閘前水位、電量、健康狀態(tài)、在線狀態(tài)等數(shù)據(jù)獲取閘門運行信息；對采集信息以統(tǒng)計報表、時段分析曲線等方式進行多維度分析展示，為用戶提供直觀的運行狀況監(jiān)控界面和決策依據(jù)；支持閘門開度遠程控制，實現(xiàn)無人值守、少人值班，對閘門操作進行實時記錄；對供電異常、閘門故障、通信中斷、設(shè)備控制失效、警戒水位超限等異常進行自動報警及短信預(yù)警提示。

③斷面測流系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持采用V-ADCP多普勒流速儀進行大斷面測流，實現(xiàn)全渠道水量交接計量。系統(tǒng)實時采集管理所交界處斷面瞬時流量、過水面積、當(dāng)日水量、累計水量等指標(biāo)，具備水位采集、水深測量、分層流速采集、流量趨勢分析、多次流量對比等功能。

④遙測水位監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對全渠道水位監(jiān)測點進行集中管理，實時采集各監(jiān)測點水位數(shù)據(jù)、存儲歷史數(shù)據(jù)，對水位運行變化規(guī)律進行動態(tài)分析，生成報表和曲線，并提供自動語音報警功能，為用戶了解全渠道水位狀況和運行趨勢提供技術(shù)支撐。用戶可自行設(shè)置水位預(yù)警范圍。

⑤視頻監(jiān)視系統(tǒng)。水閘視頻監(jiān)控實現(xiàn)了對水閘上下游河道情況和啟閉機房內(nèi)部設(shè)備工況的實時視頻監(jiān)視，管理站及調(diào)度中心管理人員可以從監(jiān)控終端實時查看現(xiàn)場視頻圖像；泄洪口建設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)視山洪入渠情況；泵站內(nèi)外視頻監(jiān)控實現(xiàn)對機組運行環(huán)境的實時監(jiān)視。

⑥移動客戶端APP應(yīng)用。利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，實現(xiàn)“移動辦公，高效辦公”。主要包含數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠程控制、水量統(tǒng)計、報警記錄、渠道巡檢等功能。通過數(shù)據(jù)監(jiān)測功能可以實時在手機端查看直開口、節(jié)制閘、退水閘的指標(biāo)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)；通過遠程控制功能可以實現(xiàn)手機端對直開口閘門、節(jié)制閘、退水閘的遠程控制；通過水量統(tǒng)計、報警記錄等功能隨時查看水情、報警異常信息；通過渠道巡檢功能實時上傳現(xiàn)場巡檢情況，上報巡檢日志，提高了相關(guān)人員的工作效率，降低了工作強度。

五、平臺應(yīng)用

漢延渠管理處灌溉管理應(yīng)用系統(tǒng)自2020年4月初投運以來，取得了良好的應(yīng)用效果，并作為現(xiàn)代化灌區(qū)節(jié)水改造示范點，獲得了業(yè)界的一致好評，為寧夏引黃灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)探索可復(fù)制、可推廣的經(jīng)驗。

①整合全渠系數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享。平臺將渠道不同類型、不同年代、不同廠商的自動化監(jiān)控設(shè)備進行統(tǒng)一整合，把分散在各個監(jiān)測點、監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲和處理，并在此基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行深入挖掘，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從宏觀到局部的直觀展現(xiàn)，為水資源優(yōu)化配置提供精確、完整的數(shù)據(jù)支撐。截至目前，共接入測控一體化閘門92座，控制性水閘9座，接入4處斷面測流監(jiān)測點、24個干渠水位遙測點、2個支渠水位遙測點、120個視頻監(jiān)控點，實現(xiàn)了所段和重要建筑物視頻監(jiān)控全覆蓋。

②創(chuàng)新管理模式，助推灌區(qū)運行管理改革。平臺涵蓋了灌區(qū)用水全生命周期管理過程，涉及指標(biāo)下發(fā)、用水需求、配水計劃、調(diào)度運行、運行跟蹤反饋等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)灌區(qū)運行全方位監(jiān)視和控制，滿足了灌區(qū)從需到供全流程供水。通過遠程自動化控制升級，漢延渠實現(xiàn)了由肩扛手提人工操作向輕點鼠標(biāo)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，所段和重要建筑物視頻監(jiān)控全覆蓋；通過遠程控制和“無人值守、少人值班”，節(jié)省了人力成本和勞動強度，探索出一條全新的數(shù)字化、信息化的線上管理之路。統(tǒng)計顯示，平臺日活躍人數(shù)達170人、日業(yè)務(wù)處理數(shù)達4230條，每日自動接入10萬多條數(shù)據(jù)，每日自動生成15個報表。

③依托信息技術(shù)，提高灌區(qū)供水調(diào)度能力。量測控一體化平臺的建設(shè)，將渠系自動化監(jiān)測設(shè)備納入統(tǒng)一的管理范疇，對灌區(qū)水資源進行高效、精準(zhǔn)、全覆蓋的監(jiān)測和控制，極大地提高了灌溉安全保證率，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉精準(zhǔn)計量、支斗渠按需用水。灌區(qū)管理人員能夠?qū)討B(tài)的供水變化做出及時響應(yīng)，運用先進的調(diào)控手段，將用水量及時準(zhǔn)確地輸送并分配給用戶，從而減少不必要的灌水和棄水，提高水資源利用率和用水保障率，降低供水成本。

應(yīng)用結(jié)果表明，平臺在灌區(qū)數(shù)據(jù)資源整合、推進灌區(qū)運行管理方式改革、提高供水調(diào)度能力等方面效果明顯。下一步，將在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上，將進一步總結(jié)平臺建設(shè)經(jīng)驗，優(yōu)化全渠道控制模型，運用現(xiàn)代化控制理論和邊緣計算優(yōu)化全渠道控制核心算法，梳理、學(xué)習(xí)歷史調(diào)度數(shù)據(jù)，建立需水和配水映射關(guān)系及預(yù)測模型，將人工調(diào)度經(jīng)驗固化到信息系統(tǒng)中，并通過設(shè)置臨界反饋機制，應(yīng)急自處理模式，使其能夠模擬日常供水、配水過程，減少輸配水環(huán)節(jié)，實現(xiàn)調(diào)度無人值守，自動配水，拓展平臺的廣度和深度，為灌區(qū)現(xiàn)代化管理提供技術(shù)支撐。