海寧市智慧水利系統(tǒng)平臺(tái)研究與應(yīng)用

范小東,李芝云,史 姣,王潔瑜，楊文棟

(1.海寧市水利局，浙江 嘉興 314400；2.中國水利水電建設(shè)工程西北咨詢有限公司，西安 710100；3.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

海寧地處中國浙江北部，杭嘉湖平原南端，具有“魚米之鄉(xiāng)”的美譽(yù)[1]。隨著海寧市人口經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，為保障當(dāng)?shù)厝丝诘挠盟踩?，先后在洛塘河圩區(qū)內(nèi)修建了許多泵站、閥門等水利設(shè)施，而這些水利設(shè)施建設(shè)較為分散，尚未進(jìn)行統(tǒng)一管控[2]；同時(shí)圩區(qū)洪澇調(diào)度是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，不但要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種汛情數(shù)據(jù)信息，而且應(yīng)配置科學(xué)合理的洪澇調(diào)度方案，為管控部門提供強(qiáng)有力的決策支持從而在保證工程安全的前提下，充分發(fā)揮防洪工程效益，降低對(duì)環(huán)境的不利影響。因此，構(gòu)建圩區(qū)水利系統(tǒng)平臺(tái)迫在眉睫，是圩區(qū)水利智慧化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

智慧水利系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)一直是國家和地區(qū)水利信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，同時(shí)圩區(qū)因其獨(dú)特的地形地貌，是區(qū)域水利建設(shè)的重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)圩區(qū)智慧管控是區(qū)域水利信息化建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。近年來，有不少學(xué)者在圩區(qū)信息化建設(shè)中作了較多相關(guān)的研究工作。其中，胡正松等人依據(jù)平湖市城市防洪系統(tǒng)南市圩區(qū)工程閘泵站的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套相對(duì)較為完善的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)閘泵站設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制[3]。鄒明忠等人以江陰市月城馬甲圩圩區(qū)為研究對(duì)象，采用Delft-FEWS平臺(tái)框架，集成圩區(qū)河網(wǎng)精細(xì)化模型和水文氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開發(fā)設(shè)計(jì)了馬甲圩防洪調(diào)度預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圩區(qū)智慧化調(diào)度管理，提升了圩區(qū)調(diào)度綜合管理決策能力[4]。徐健等人以福建省沙縣為例，設(shè)計(jì)開發(fā)了水利一張圖、水資源管理系統(tǒng)、水利工程管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)的智慧水利信息平臺(tái)，并闡述了“智慧水利”的構(gòu)建思路與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有效的提升了沙縣的水利信息化建設(shè)水平[5]。

盡管已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)圩區(qū)的智慧水利平臺(tái)進(jìn)行了研究，然而尚未形成適用于圩區(qū)的統(tǒng)一管控平臺(tái)。本文以洛塘河圩區(qū)綜合整治項(xiàng)目工程為依托，通過分析海寧市洛塘河圩區(qū)泵站調(diào)度，在線監(jiān)測(cè)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)等管控需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)學(xué)模型、GIS(地理信息系統(tǒng))等技術(shù)，形成集閘泵站綜合管控、閘泵站控制、洪水預(yù)警預(yù)報(bào)等功能一體化的智慧水利系統(tǒng)平臺(tái)，為海寧市實(shí)現(xiàn)水利信息化提供支撐。

1 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

為了能夠及時(shí)反映圩區(qū)的水情狀況，本文在設(shè)計(jì)智慧水利系統(tǒng)平臺(tái)時(shí)，采用了3DGIS技術(shù)，結(jié)合優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了海寧市智慧水利系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建，促進(jìn)了海寧市的智慧水利建設(shè)。

1.1 3DGIS-Cesium技術(shù)研究

依托開源的3DGIS-Cesium技術(shù)來實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)空間可視化。該技術(shù)是基于JavaScript編寫的WebGL的地圖引擎，在B/S框架下可以支持絕大多數(shù)的瀏覽器展示3D效果，基于 Cesium并配合已有的API二次開發(fā)，來實(shí)現(xiàn)圩區(qū)三維場(chǎng)景下動(dòng)態(tài)地理空間數(shù)據(jù)可視化和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的空間可視化展示等應(yīng)用。由于Viewer作為Cesium的核心類庫，能夠快速搭建虛擬地球Web應(yīng)用，并且有高質(zhì)量的保證精度，渲染質(zhì)量等[6]。因此，本系統(tǒng)采用CesiumViewer來搭建圩區(qū)水情信息的三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)水情信息的空間可視化，更好地展示圩區(qū)水情和水環(huán)境等數(shù)據(jù)信息。同時(shí)在進(jìn)行圩區(qū)水情信息展示時(shí)，采用了多圖層服務(wù)的理念和方法，將不同的水情、水位、水質(zhì)等信息數(shù)據(jù)以不同的專題圖層進(jìn)行表達(dá)，同時(shí)將其進(jìn)行疊加處理，從而實(shí)現(xiàn)圩區(qū)水情信息的空間可視化展示。

1.2 優(yōu)化調(diào)度模型研究

根據(jù)海寧市洛塘河圩區(qū)的實(shí)際情況與現(xiàn)行調(diào)度方案基礎(chǔ)上，同時(shí)針對(duì)圩區(qū)內(nèi)部較為復(fù)雜的情況，排澇泵站優(yōu)化調(diào)度的影響因素較多，涉及面廣，按照洪澇、聯(lián)調(diào)、水環(huán)境多目標(biāo)調(diào)度要求，綜合考慮降雨、閘泵流量、泵站功率、河道匯水等因素，構(gòu)建以泵站總排水量等為目標(biāo)函數(shù)的水動(dòng)力模型，利用模型定量模擬分析不同調(diào)度方案(降雨量在20 mm以下及以上2種工況)下區(qū)域排澇的影響和效益。圩區(qū)降雨后水位高于河道水位時(shí)的排澇流程見圖1。

圖1 降雨后圩區(qū)排澇流程圖

具體模型構(gòu)建過程為：目標(biāo)函數(shù)。在根據(jù)海寧市洛塘河圩區(qū)的實(shí)際情況和相關(guān)的調(diào)研，將泵站最大總排水量作為優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)，其目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為[7]：

(1)

式中：Qmax為泵站群的總排水量;Qi為第i個(gè)泵站機(jī)組的排水量;xi為第i個(gè)泵站群的運(yùn)行狀態(tài);ti為第i個(gè)泵站群的開機(jī)運(yùn)行時(shí)間;n為泵站群的個(gè)數(shù)。

圩區(qū)內(nèi)河道水位必須要高于最低控制水位Zmin，高于最高控制水位Zmax，其中2種工況下的約束條件為：

(1) 降雨量在20 mm以下工況：

1) 若洛塘河圩區(qū)內(nèi)河道水質(zhì)滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)：視降雨強(qiáng)度逐步開啟水閘排澇，控制圩區(qū)內(nèi)河道水位Zmax為1.6 m；

2) 若洛塘河圩區(qū)內(nèi)河道水質(zhì)劣于標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)時(shí)，首先，開啟水閘，將圩內(nèi)水位降至與外圍河道水位后，關(guān)閉水閘，再開啟泵站抽水，將圩內(nèi)水位控制Zmin為1.0 m；其次，降雨后，當(dāng)圩內(nèi)水位低于外圍河道水位時(shí)，開啟長(zhǎng)山河側(cè)水閘內(nèi)水位與外圍河道水位一致時(shí)，關(guān)閉水閘，再開啟泵站，圩內(nèi)水位控制Zmax為1.6 m；當(dāng)圩內(nèi)水位低于外圍河道水位時(shí)，關(guān)閉水閘，再開啟泵站，圩內(nèi)水位控制Zmax為1.6 m。

(2) 降雨量在20 mm以上工況

1) 預(yù)降：開啟水閘，將圩內(nèi)水位降至與外圍河道水位后，關(guān)閉水閘，再開啟泵站排水，將圩內(nèi)水位控制Zmin為1.0 m；

2) 排澇：當(dāng)圩內(nèi)水位低于1.4 m時(shí)，若圩內(nèi)水位高于外圍河道水位，開啟沿線水閘排水；若圩內(nèi)水位低于外圍河道水位，則保持水閘關(guān)閉。當(dāng)圩內(nèi)水位高于1.4 m時(shí)：保持水閘關(guān)閉，開啟排澇泵站，并視降雨強(qiáng)度逐步加大泵站流量，以盡可能保持圩內(nèi)水位在1.6 m以下。當(dāng)降雨強(qiáng)度逐漸減弱，圩內(nèi)水位控制Zmin為1.3 m時(shí)，逐步關(guān)閉排水泵站。

2 智慧水利系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用

2.1 平臺(tái)架構(gòu)

海寧市智慧水利系統(tǒng)平臺(tái)采用B/S+M/S架構(gòu)，主要應(yīng)用功能包括GIS一張圖、閘泵站遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報(bào)、數(shù)據(jù)管理、綜合運(yùn)維管控等，平臺(tái)總體機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 海寧市智慧水利系統(tǒng)平臺(tái)基本構(gòu)架圖

(1) 感知層。感知層的建設(shè)是智慧水利系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)，通過利用各種感知設(shè)備、技術(shù)手段和方法，采集水利工程設(shè)施、水利管理活動(dòng)等感知對(duì)象的要素，狀態(tài)，事件信息，這些數(shù)據(jù)和信息分別采用監(jiān)測(cè)設(shè)備、物聯(lián)傳感、視頻采集及內(nèi)容解析等獲取，經(jīng)過數(shù)據(jù)信息加工處理后，為智能應(yīng)用和公共服務(wù)提供必要的數(shù)據(jù)和信息支撐。

(2) 數(shù)據(jù)層。針對(duì)防洪排澇海量多源數(shù)據(jù)來源分散、存儲(chǔ)方式不同等情況，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的多角度整合、分析、調(diào)用、共享。

(3) 支撐層。應(yīng)用支撐層為搭建業(yè)務(wù)應(yīng)用層各業(yè)務(wù)系統(tǒng)所需的各種服務(wù)組件，包括集成門戶組件、報(bào)表工具組件、統(tǒng)一信息組件、分布式微服務(wù)框架、應(yīng)用性能監(jiān)控服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)總線、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪問接口、統(tǒng)一告警服務(wù)、模型決策服務(wù)、統(tǒng)一用戶管理與認(rèn)證服務(wù)、統(tǒng)一GIS服務(wù)引擎服務(wù)等。

(4) 應(yīng)用層。是以洛塘河流域管理已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，全面覆蓋業(yè)務(wù)管理過程，通過統(tǒng)一的平臺(tái)架構(gòu)以及統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)GIS“一張圖”、閘泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)、優(yōu)化調(diào)度、綜合管控等。實(shí)現(xiàn)水利資源的綜合監(jiān)管，全面提升海寧市流域水利業(yè)務(wù)的精細(xì)管理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、分析評(píng)價(jià)與決策支持能力[8]。最終形成海寧數(shù)字信息化平臺(tái)，為領(lǐng)導(dǎo)的決策提供輔助決策的能力。

(5) 用戶層。海寧市智慧水利系統(tǒng)平臺(tái)主要是給水利部門和閘泵站管理者，以及運(yùn)維人員和決策人員提供數(shù)據(jù)支撐、分析決策依據(jù)，幫助決策人員做出最優(yōu)的決策規(guī)劃。

2.2 智慧水利系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用

海寧市智慧水利系統(tǒng)平臺(tái)主要包括GIS“一張圖”、閘泵站遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報(bào)、優(yōu)化調(diào)度、綜合運(yùn)維管控等應(yīng)用功能。

2.2.1GIS“一張圖”

對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)和管控對(duì)象，進(jìn)行綜合查詢，通過智能化的方案使多個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在同一平臺(tái)下融合，即構(gòu)成GIS“一張圖”，分別開展水位、水量、水質(zhì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集處理、工況運(yùn)行監(jiān)測(cè)和綜合分析及評(píng)價(jià)。

2.2.2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)于降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、河道水位、流量等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、閘泵站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及水生態(tài)實(shí)時(shí)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息的直觀顯示。

2.2.3閘泵站遠(yuǎn)程控制

閘泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要是通過系統(tǒng)平臺(tái)來遠(yuǎn)程訪問總控中心服務(wù)器上的控制系統(tǒng)，可以使管理者在面對(duì)突發(fā)情況時(shí)，利用優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行調(diào)度方案的模擬評(píng)估，并將模擬評(píng)估的結(jié)果作為遠(yuǎn)程調(diào)度依據(jù)，及時(shí)對(duì)閘泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，同時(shí)，通過集成SCADA系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)閘泵站的自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘泵站的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2.4視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過利用在河道沿岸、堤壩、閘泵站處建設(shè)的監(jiān)控?cái)z像，達(dá)到無人值班、少人值守的目的，在管理平臺(tái)上可以對(duì)各處閘泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)看、能方便、迅速地對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)地圖像、聲音、各種報(bào)警信號(hào)等進(jìn)行云長(zhǎng)訪問和控制。同時(shí)，還可以查看過往河道沿岸的視頻回放，為管理者提供了一種擴(kuò)大視覺和聽覺的直觀管理工具，實(shí)現(xiàn)了可視化監(jiān)控和調(diào)度，使生產(chǎn)、調(diào)控運(yùn)行更安全、更高效。

2.2.5預(yù)警預(yù)報(bào)

預(yù)警預(yù)報(bào)功能系統(tǒng)是基于3DGIS技術(shù)，結(jié)合各項(xiàng)預(yù)警預(yù)報(bào)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)洛塘河圩區(qū)河道水位、泵站設(shè)施工況運(yùn)行等預(yù)警信息的可視化展示，幫助決策者能快速、準(zhǔn)確地評(píng)估城市安全情勢(shì)，輔助降低城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.6優(yōu)化調(diào)度

優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)主要是通過基于廣域網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用水閘、泵站等監(jiān)測(cè)設(shè)備，并通過分析處理水文、水質(zhì)、氣象、設(shè)備運(yùn)行等各種信息數(shù)據(jù)，然后根據(jù)優(yōu)化調(diào)度模型來模擬分析得出最優(yōu)的閘泵站調(diào)度方案，并通過調(diào)度圩區(qū)沿線水閘、泵站的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)圩內(nèi)河道換水，同時(shí)此模塊將優(yōu)化調(diào)度方案可視化展示，為水資源的科學(xué)調(diào)度和優(yōu)化配置提供現(xiàn)代化管理手段。

2.2.7綜合運(yùn)維管控

該系統(tǒng)主要包括設(shè)施設(shè)備資產(chǎn)管理、巡檢養(yǎng)護(hù)監(jiān)管及水利工況問題管理3個(gè)子功能模塊。設(shè)施設(shè)備資產(chǎn)管理主要是通過監(jiān)理設(shè)備臺(tái)賬管理信息，實(shí)現(xiàn)閘泵站設(shè)備的全生命周期管理，對(duì)設(shè)備的出場(chǎng)、維修、配件更換等進(jìn)行全面記錄，同時(shí)也對(duì)臨近檢修期的設(shè)備進(jìn)行設(shè)備檢修的提醒；巡檢養(yǎng)護(hù)監(jiān)管主要是通過利用巡檢設(shè)備，以及給運(yùn)維人員分派巡檢任務(wù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)水利設(shè)備的養(yǎng)護(hù)監(jiān)管，確保水利設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；水利工況問題管理主要是運(yùn)維人員在進(jìn)行設(shè)備日常巡檢和維護(hù)時(shí)，將存在的工況問題通過系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行記錄，然后專業(yè)人員針對(duì)存在的工況問題進(jìn)行及時(shí)解答處理，保證水利設(shè)備的正常有效運(yùn)轉(zhuǎn)，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域的水利信息化建設(shè)提供最有力的保障。

3 結(jié) 語

建設(shè)海寧市智慧水利管理系統(tǒng)平臺(tái)是落實(shí)浙江省水里信息化的重要一步，同時(shí)也是提高海寧市工程管理能力的重要技術(shù)手段。系統(tǒng)平臺(tái)緊緊圍繞海寧市洛塘河圩區(qū)的有關(guān)工程，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域的防洪調(diào)度、預(yù)警預(yù)報(bào)、閘泵站遠(yuǎn)程控制等。