陵城區(qū)引黃灌區(qū)大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用分析

王明龍，李曉明

(1.德州市陵城區(qū)邊臨鎮(zhèn)人民政府，山東 德州 253000；2.德州市陵城區(qū)水利局，山東 德州 253500)

大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用是通過對大量的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、提煉，從中得到可被所屬行業(yè)利用的資源和信息,并對具有價值的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化預(yù)測性分析,即通過對數(shù)據(jù)的可視化分析、統(tǒng)計模型識別、數(shù)據(jù)描述等挖掘形式得到有價值的數(shù)據(jù),然后將挖掘的數(shù)據(jù)分析結(jié)果應(yīng)用在引黃灌區(qū)工程的實(shí)際運(yùn)行管理中。陵城區(qū)引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程目前已初步形成大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過物聯(lián)網(wǎng)將安裝在橋梁、水閘、河道等各種各樣的傳感器信息進(jìn)行實(shí)時采集、分析、處理。但未來還需要進(jìn)一步開展更多的技術(shù)升級工作,需要進(jìn)一步突破以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)鏈接、相似度連接為主導(dǎo)的大數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)分析

一般地，大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲、應(yīng)用、決策支持等環(huán)節(jié)，還涉及一些基礎(chǔ)設(shè)施的建立。結(jié)合陵城區(qū)水利工程管理的特點(diǎn)，不同級別的業(yè)務(wù)處理邏輯以及數(shù)據(jù)訪問邏輯等有可復(fù)制、共享的部分，可以考慮設(shè)計建設(shè)通用的業(yè)務(wù)處理服務(wù)和信息交換服務(wù)等。本工程大數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)設(shè)施、平臺框架體系、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)以及系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)體環(huán)境等幾部分組成[1-3]。

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施

主要由信息收集處理系統(tǒng)、信息傳遞處理系統(tǒng)、資料的存儲和管理等組成。信息收集處理系統(tǒng)采用先進(jìn)的信息自動采集設(shè)備和遠(yuǎn)程自動化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對陵城區(qū)內(nèi)馬頰河、德惠新河流域引水、用水信息自動化采集；信息傳輸利用成熟的有線或無線傳輸技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)管理各種信息的安全傳遞；數(shù)據(jù)存儲與管理利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和相應(yīng)的存儲設(shè)備實(shí)現(xiàn)對引黃灌區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲與管理。引黃灌區(qū)共建計量設(shè)施39處，為陵城區(qū)水利工程調(diào)度管理提供必要參考信息。

1.2 平臺框架體系

平臺框架體系為承上啟下的邏輯層,為上級應(yīng)用系統(tǒng)和下級的用戶提供不同類型的方式和工具,主要功能包括信息共享服務(wù)、空間信息服務(wù)、業(yè)務(wù)辦理服務(wù)、用戶經(jīng)驗(yàn)管理與認(rèn)證服務(wù)。

1.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)

業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的“大腦”部分，直接面向陵城區(qū)水利局工程管理科室，根據(jù)管理級別，結(jié)合所需信息和管理職能，為各層管理部門設(shè)計不同權(quán)限的用水管理與決策頁面，將管理工作流程標(biāo)準(zhǔn)化、程序化，形象地展示出不同業(yè)務(wù)的功能，為各級調(diào)度管理提供相應(yīng)的技術(shù)支持，從而達(dá)到陵城區(qū)引黃灌區(qū)管理“一張圖”的目標(biāo)。

1.4 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)體環(huán)境

運(yùn)行實(shí)體環(huán)境一方面指陵城區(qū)水管單位工程管理中心的辦公環(huán)境，另一方面指按照管理組織機(jī)構(gòu)，為各級管理機(jī)構(gòu)設(shè)計相應(yīng)監(jiān)測(控)、監(jiān)督和管理的設(shè)施設(shè)備和為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供的硬件環(huán)境。

2 調(diào)度運(yùn)行分析應(yīng)用

2.1 工程調(diào)度成果分析

德州市陵城區(qū)境內(nèi)為黃河沖積平原,屬海河流域,地勢平緩,境內(nèi)總體地勢從西南至東北方向傾斜,呈西高東低之勢。地面黃海高程最高點(diǎn)位于陵城區(qū)丁莊鄉(xiāng)的一個小村莊,黃海高程24 m,最低點(diǎn)位于陵城區(qū)宋家鎮(zhèn)的管飯?zhí)么?黃海高程13 m,地勢高低相差11 m。因?yàn)楦叱搪洳钶^大,陵城區(qū)境內(nèi)的河流一般均能采用自流輸送,主要通過節(jié)制閘和分水口來控制供給水量的分配。但是,就目前情況看來,陵城區(qū)境內(nèi)的灌溉、飲用水量綜合調(diào)度尚未能夠充分發(fā)揮其核心功能,實(shí)際運(yùn)行還多采用經(jīng)驗(yàn)性的調(diào)度方法為主。未能實(shí)現(xiàn)根據(jù)降雨量和農(nóng)作物生長周期的需水情況作出合理的調(diào)水計劃，導(dǎo)致村民灌溉用水矛盾突出。

大數(shù)據(jù)技術(shù)為合理解決這一問題提供了重要方案，首先，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)會收集到陵城區(qū)水利局各個管理段歷史相同時期以往調(diào)度水量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，例如，水閘開啟、關(guān)閉時的水位高度、放水時間、過水總量等。再綜合地分析水流演變規(guī)律、機(jī)組效率、當(dāng)下的降水、需要用水和鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地面積等眾多客觀影響因素,為分配水量的計算和模型提供必要的數(shù)據(jù)資料,最終得出了最優(yōu)調(diào)水方案和解決辦法,這不僅可以有效地提高自然水資源的綜合利用率，還能充分發(fā)揮水利工程的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 水情監(jiān)測系統(tǒng)分析

陵城區(qū)引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程水情監(jiān)測系統(tǒng)主要安裝有20處斷面流量監(jiān)測、15處閘門測量站、11處揚(yáng)水泵站流量監(jiān)測、2處超閘門全自動化監(jiān)測、273處機(jī)井計量控制站，可實(shí)現(xiàn)水位采集測量、水深淤積測量、分層流速測量、斷面流量自動計算，利用無線傳輸實(shí)時將測得信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)軟件，管理人員可遠(yuǎn)程監(jiān)控測量過程。另外，也可實(shí)現(xiàn)將上報的數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的預(yù)警條件進(jìn)行比較，針對異常情況進(jìn)行聲音和顏色報警，目前主要報警類型包括:水資源預(yù)警、水生態(tài)預(yù)警、水雨情預(yù)警、防汛預(yù)警、抗旱預(yù)警，并且不同報警類型按預(yù)設(shè)的不同顏色、圖例加以顯示和區(qū)分，形成符合現(xiàn)代化灌區(qū)要求的水情監(jiān)測系統(tǒng)，有效防范化解水災(zāi)害重大安全風(fēng)險。

2.3 視頻監(jiān)控安防分析

陵城區(qū)引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程選擇重要的渠系建筑物建設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，如重要節(jié)制閘、灌渠進(jìn)水閘等?？梢暂p松地實(shí)現(xiàn)干渠節(jié)制閘及周圍的現(xiàn)場情況監(jiān)測功能,并且該攝像機(jī)還具備了紅外夜視的功能,在光線昏暗時亦可以輕松看清被監(jiān)測的對象。通過現(xiàn)場的監(jiān)控設(shè)備,視頻監(jiān)測器系統(tǒng)能夠把現(xiàn)場的全部實(shí)時影像經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確、迅捷、清晰地傳輸?shù)奖O(jiān)測管理中心。大數(shù)據(jù)系統(tǒng)用戶可篩選和查看在管理范圍內(nèi)的所有視頻,根據(jù)管理站內(nèi)部所屬項(xiàng)目、監(jiān)測類型、狀態(tài)查詢、視頻顯示等信息進(jìn)行篩選,并利用預(yù)警聲音及時發(fā)出提示,值班人員和管理者可根據(jù)視頻影像所反映出來的現(xiàn)場狀態(tài)做出分析決策。視頻監(jiān)控系統(tǒng)還可以將各個監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)經(jīng)智能化分級后存儲在互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)中,這些信息對于后期的事故分析、責(zé)任排查、提高整個灌區(qū)的運(yùn)行和管理水平,都具有十分重要參考價值。

3 運(yùn)行維護(hù)管理分析

3.1 管理云平臺建設(shè)分析

陵城區(qū)引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程管理云平臺包含了灌區(qū)物聯(lián)網(wǎng)平臺、灌區(qū)數(shù)據(jù)能力中心、大數(shù)據(jù)分析駕駛艙、灌區(qū)信息服務(wù)平臺、GIS 一張圖、灌區(qū)指揮調(diào)度中心、應(yīng)用支撐平臺和灌區(qū)智能應(yīng)用體系。管理云平臺是灌區(qū)系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用承上啟下的關(guān)鍵部分,引黃灌區(qū)中涉及眾多的物聯(lián)網(wǎng)前端感知設(shè)備和控制設(shè)備,各種控制設(shè)備之間通信協(xié)議也有所差別,通過為灌區(qū)建立統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)管理云平臺,適配各種控制設(shè)備的異構(gòu)性，確保實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效傳輸,有效解決了數(shù)據(jù)的丟失、重傳問題,最終達(dá)到了鏈路一體化、協(xié)議解析通用化、數(shù)據(jù)調(diào)整動態(tài)化、參數(shù)監(jiān)測智能化,為上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)提供了基礎(chǔ)支撐。云平臺的建設(shè)不僅為后期工程運(yùn)行維護(hù)提供了便利，還大大節(jié)省了人力、物力、財力。

3.2 設(shè)備及人力資源配置分析

陵城區(qū)引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)記錄的日常維護(hù)管理情況，形成了海量人員巡邏班次記錄、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)記錄、易損件型號與采購廠家記錄、儲備件出入庫使用情況記錄、儲備件出入庫時間使用情況記錄等信息,通過對這些記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和綜合挖掘之后,其分析結(jié)論對于優(yōu)化配套裝備、易損件存儲儲備和運(yùn)維專業(yè)人力資源配置具有重要意義；對于編制的設(shè)備維修與保養(yǎng)方案，指導(dǎo)、監(jiān)督、檢查、考核運(yùn)維管理工作，水利設(shè)備升級改造,保障各項(xiàng)水利工程設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),都具有重要的參考價值；對指導(dǎo)陵城區(qū)水利項(xiàng)目規(guī)劃、初步設(shè)計、費(fèi)用估算、方案實(shí)施、計劃完成時間都有借鑒意義。

3.3 設(shè)備故障、質(zhì)量監(jiān)測分析

陵城區(qū)引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程總投資3.06億元，包括大量的不同行業(yè)、不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備設(shè)施，設(shè)備質(zhì)量的好壞決定著工程是否能夠發(fā)揮效益，引黃灌區(qū)設(shè)備巡查系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、可視化軟件技術(shù)，以狀態(tài)傳感、圖像處理、缺陷搜索與定位為核心技術(shù)，對工程設(shè)備進(jìn)行日常巡檢、檢修維護(hù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的在線情況、通信情況、設(shè)備故障情況智能巡查，對設(shè)備全生命周期的異常進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計，基于大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)，形成設(shè)備質(zhì)量多維度的研究分析結(jié)果，并將分析結(jié)果及時通過短信或郵件的方式通知運(yùn)維負(fù)責(zé)人員，為后期優(yōu)化運(yùn)維管理及新設(shè)備選型、采購提供重要的依據(jù)。

4 結(jié) 語

陵城區(qū)在引黃灌區(qū)采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對于推動水利工程的良性高效運(yùn)轉(zhuǎn),緩解水資源的短缺供需矛盾,推動陵城區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展,具有十分重要的戰(zhàn)略意義。雖然陵城區(qū)通過引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程，在大數(shù)據(jù)應(yīng)用方面取得了一定的成績，但目前對大數(shù)據(jù)的認(rèn)識和利用還不夠充分，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過程中對大數(shù)據(jù)的分析能力較差，完全適合引黃灌區(qū)的理論指導(dǎo)體系尚未建立。隨著大數(shù)據(jù)理念的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)據(jù)世界里的基礎(chǔ)理論和算法不斷豐富，大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)可更好地為水利行業(yè)提供更全面的技術(shù)服務(wù)支持。