大連地區(qū)小型水庫(kù)雨水情和大壩安全監(jiān)測(cè)信息化平臺(tái)研究

張雙翼

(遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

目前，大連市注冊(cè)登記的小型水庫(kù)171座，其中小Ⅰ型水庫(kù)42座，?、蛐退畮?kù)129座?？紤]到水庫(kù)降等、報(bào)廢等多重因素，經(jīng)過(guò)各地申報(bào)并報(bào)水利部核準(zhǔn)，最終確定對(duì)152座小型水庫(kù)進(jìn)行建設(shè)，其中?、裥退畮?kù)42座，小II型水庫(kù)110座[1]。大連地區(qū)的152座小型水庫(kù)多數(shù)修建于20世紀(jì)50、60年代，受當(dāng)時(shí)歷史條件的限制，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量差，配套設(shè)施簡(jiǎn)陋，經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行，工程老化、失修失管現(xiàn)象嚴(yán)重，安全隱患十分突出，嚴(yán)重地威脅著下游人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展[2]。目前僅有個(gè)別小型水庫(kù)安裝雨水情監(jiān)測(cè)設(shè)施、大壩安全設(shè)施、視頻監(jiān)控設(shè)備，但因安裝年限較久、運(yùn)維缺失、技術(shù)人員缺乏，傳輸協(xié)議停用等眾多因素最終導(dǎo)致各監(jiān)測(cè)設(shè)施均已停用。當(dāng)水庫(kù)遭遇暴雨洪水時(shí)，如準(zhǔn)備不充分、措施不到位、搶險(xiǎn)不及時(shí)，很可能會(huì)造成垮壩失事的重大事故[3]。小型水庫(kù)是大連市水利工程的重要一環(huán)，灌溉、供水效益突出，是區(qū)域防洪、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民生活的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其運(yùn)行管理關(guān)系到小型水庫(kù)功能和效益的發(fā)揮[4]。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)等信息化手段賦能大連市小型水庫(kù)管理[5- 11]，形成以水庫(kù)為主體，以市、縣、鄉(xiāng)多級(jí)行政區(qū)域水庫(kù)集約化管理為特征的水庫(kù)綜合管理模式，協(xié)助水庫(kù)主管部門與“3個(gè)責(zé)任人”對(duì)水庫(kù)進(jìn)行有效監(jiān)管，融合智能感知、監(jiān)視預(yù)警、巡查管理、軌跡跟蹤、事件上報(bào)、問(wèn)題處置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、信息管理和應(yīng)急預(yù)案于一體，構(gòu)建小型水庫(kù)整合服務(wù)體系，提供系統(tǒng)的、完整的、管家式服務(wù)，保障水庫(kù)安全運(yùn)行，為水庫(kù)防洪興利保駕護(hù)航[12- 15]。

1 信息化需求分析

1.1 監(jiān)測(cè)感知需求

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是小型水庫(kù)防汛的基礎(chǔ)，但是目前小型水庫(kù)的監(jiān)測(cè)感知設(shè)備是大連地區(qū)防汛的薄弱環(huán)節(jié)。如何獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是保障科學(xué)防汛調(diào)度管理的關(guān)鍵，需要結(jié)合小型水庫(kù)管理的實(shí)際需求。根據(jù)實(shí)際需要為小型水庫(kù)配備相應(yīng)的雨量、水位、位移、滲壓、滲流及視頻等監(jiān)測(cè)設(shè)備，借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)信息手段，依靠現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)感知體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)不同運(yùn)行狀態(tài)下的綜合管理分析，及時(shí)發(fā)布有效的預(yù)警、預(yù)報(bào)指令。監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)按照統(tǒng)一要求、因庫(kù)制宜、簡(jiǎn)便實(shí)用原則，綜合考慮工程規(guī)模、壩型特點(diǎn)、壩高壩長(zhǎng)及下游影響等因素，沒(méi)有設(shè)施的新建，已有設(shè)施的完善或整合，做好與現(xiàn)有設(shè)施銜接。

1.2 數(shù)據(jù)資源需求

數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、基本數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)?；緮?shù)據(jù)包括水庫(kù)概況、水工建筑物、管理機(jī)構(gòu)、職工以及用水單元的基本數(shù)據(jù)；空間數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)：主要為基礎(chǔ)電子地圖數(shù)據(jù)，專題空間數(shù)據(jù)：包括遙測(cè)站空間分布圖等；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括雨量數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、大壩表面變形數(shù)據(jù)、滲流數(shù)據(jù)以及視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。將已有的水庫(kù)基礎(chǔ)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息和未來(lái)小庫(kù)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，按照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范協(xié)議實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)全面共享，有效提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.3 應(yīng)用支撐需求

為了充分打破水利數(shù)據(jù)壁壘，進(jìn)一步提升小型水庫(kù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的智能化水平和能力，需要在應(yīng)用支撐手段上下功夫，包括基礎(chǔ)應(yīng)用支撐，例如數(shù)據(jù)庫(kù)管理、地圖服務(wù)、報(bào)表服務(wù)、身份認(rèn)證服務(wù)等；專業(yè)應(yīng)用支撐包括關(guān)系曲線測(cè)算、抗雨能力分析、視頻智能報(bào)警等等，充分實(shí)現(xiàn)資源的整合共享，提升綜合分析應(yīng)用的能力，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能的通用化、專業(yè)化和多樣化。

1.4 業(yè)務(wù)功能需求

小庫(kù)防洪安全是防汛治理體系環(huán)節(jié)中的重中之重，開(kāi)發(fā)建設(shè)大連市小型水庫(kù)雨水情和大壩安全綜合監(jiān)管平臺(tái)，將平臺(tái)功能進(jìn)行角色權(quán)限劃分，實(shí)現(xiàn)多部門、多用戶的廣泛應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，平臺(tái)功能應(yīng)覆蓋小型水庫(kù)雨水情及大壩安全分析、防汛預(yù)警管理、巡檢事件、視頻查看、統(tǒng)一報(bào)表管理、數(shù)據(jù)綜合分析等各個(gè)方面，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水庫(kù)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患，及時(shí)防范和化解風(fēng)險(xiǎn)、消除隱患、發(fā)布預(yù)警，提高水庫(kù)運(yùn)行管理水平。

1.5 性能安全需求

根據(jù)水利防汛等業(yè)務(wù)需求和信息化目標(biāo)，性能主要包括技術(shù)要求、運(yùn)行環(huán)境、兼容性、先進(jìn)性、適用性、安全性、擴(kuò)展性、易操作性等。安全需求包括現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)安全、主機(jī)安全、數(shù)據(jù)安全及安全管理等各方面，對(duì)于容易受到攻擊者選定為目標(biāo)的政府機(jī)構(gòu)，由于水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息的敏感性，防汛抗旱等水利信息系統(tǒng)一旦發(fā)生數(shù)據(jù)泄露、篡改、破壞、丟失等安全事件，將會(huì)嚴(yán)重影響水利行業(yè)的正常工作，進(jìn)而損害人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全等切身利益。因此水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)必須充分考慮安全性問(wèn)題。

2 總體設(shè)計(jì)框架

充分運(yùn)用“云物移大智”等信息技術(shù)賦能水庫(kù)管理全過(guò)程，完成大連市小型水庫(kù)雨水情測(cè)報(bào)和安全監(jiān)測(cè)設(shè)施的建設(shè)，加強(qiáng)水庫(kù)雨情、水情、工情以及視頻信息的采集、傳輸與處理，為小型水庫(kù)的防汛指揮和日常管理提供決策支持，并推動(dòng)大連市小型水庫(kù)管理規(guī)范化、精細(xì)化、智能化的跨越式發(fā)展，提高大連市智慧水務(wù)建設(shè)水平為建設(shè)目標(biāo)，以建設(shè)目標(biāo)為指引，構(gòu)建“六橫兩縱”的大連市小型水庫(kù)雨水情和大壩安全綜合監(jiān)管平臺(tái)的總體框架，“六橫”包括物聯(lián)感知、網(wǎng)絡(luò)通信、基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)中心、應(yīng)用支撐、業(yè)務(wù)應(yīng)用6個(gè)層面，“兩縱”分別是網(wǎng)絡(luò)安全體系和保障體系，如圖1所示。

3 建設(shè)內(nèi)容

主要包括雨水情監(jiān)測(cè)和大壩安全監(jiān)測(cè)，以及水庫(kù)大壩安全綜合監(jiān)管平臺(tái)。5座水庫(kù)有5G信號(hào)覆蓋，可采用5G技術(shù)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)中心，本身5G具有高帶寬，低時(shí)延，大連接等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此可提升用戶體驗(yàn)，從而打破原有傳統(tǒng)水利行業(yè)，推動(dòng)水利行業(yè)邁向高質(zhì)量發(fā)展。其他水庫(kù)可采用4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 平臺(tái)總體框架圖

3.1 雨水情監(jiān)測(cè)

對(duì)大連地區(qū)152座小型水庫(kù)進(jìn)行勘察。綜合大壩類型、流域面積、壩高、壩長(zhǎng)、施工條件等因素，對(duì)152座水庫(kù)布設(shè)雨水情、視頻監(jiān)控等設(shè)備，對(duì)除王家店水庫(kù)、凌水水庫(kù)、金普新區(qū)石河街道東溝水庫(kù)、山里水庫(kù)四座重力壩水庫(kù)以外的148座水庫(kù)布設(shè)滲流壓力、滲流量、表面變形等設(shè)備，實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)信息，采集的信息通過(guò)遠(yuǎn)傳終端傳輸至數(shù)據(jù)中心。

(1)雨水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

雨水情監(jiān)測(cè)站主要由遙測(cè)終端機(jī)、通訊模塊、雨量計(jì)、水位計(jì)、設(shè)備終端箱、供電系統(tǒng)等組成。根據(jù)布設(shè)原則進(jìn)行站點(diǎn)布設(shè)，設(shè)備供電采用太陽(yáng)能浮充蓄電池供電，采集數(shù)據(jù)定時(shí)通過(guò)通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，集中匯至小型水庫(kù)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(2)視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成

視頻監(jiān)控站主要由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、存儲(chǔ)卡、設(shè)備終端箱、供電系統(tǒng)等組成。視頻采集圖像和圖片通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，集中匯至小型水庫(kù)視頻接收平臺(tái)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 大壩安全情監(jiān)測(cè)

(1)滲流壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

滲流壓力監(jiān)測(cè)站主要由數(shù)據(jù)采集單元、滲壓計(jì)、設(shè)備終端箱、供電系統(tǒng)等組成。每日采集數(shù)據(jù)定時(shí)通過(guò)通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，集中匯至小型水庫(kù)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)。滲流壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 庫(kù)水位監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

(2)滲流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

滲流量監(jiān)測(cè)站主要由數(shù)據(jù)采集單元、通訊模塊、量水堰儀、設(shè)備終端箱、供電系統(tǒng)等組成。每日采集數(shù)據(jù)定時(shí)通過(guò)通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，集中匯至小型水庫(kù)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)。

(3)變形觀測(cè)系統(tǒng)組成

表面變形監(jiān)測(cè)站主要由GNSS接收機(jī)、強(qiáng)制對(duì)中器、供電系統(tǒng)等組成。每日采集數(shù)據(jù)定時(shí)通過(guò)通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，集中匯至小型水庫(kù)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)。

3.3 信息化綜合監(jiān)管平臺(tái)

為規(guī)范和加強(qiáng)小型水庫(kù)信息化建設(shè)，提高小型水庫(kù)安全管理水平，更好地發(fā)揮小型水庫(kù)效益，對(duì)全市小型水庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)雨水情和大壩安全采集規(guī)范化、自動(dòng)化，為小型水庫(kù)安全管理和水資源的合理利用提供準(zhǔn)確、及時(shí)和充分的基礎(chǔ)信息支撐。建立可持續(xù)的水庫(kù)大壩安全綜合監(jiān)管平臺(tái)。平臺(tái)主要包括綜合大屏、智能看板、一張圖、雨水情、大壩安全、視頻監(jiān)控、預(yù)警管理、報(bào)表管理、巡查管理、事件管理、考核管理、水庫(kù)檔案、設(shè)備管理、信息管理、通知管理、系統(tǒng)管理以及移動(dòng)app功能模塊，構(gòu)建的信息綜合監(jiān)管平臺(tái)如圖5所示。

3.4 移動(dòng)APP管理平臺(tái)

充分借助移動(dòng)應(yīng)用基礎(chǔ)廣泛的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)移動(dòng)應(yīng)用端，實(shí)現(xiàn)“多功能合一”，集水庫(kù)管理工作、信息監(jiān)視、水庫(kù)巡查、事件處理、消息提醒等重要功能于移動(dòng)APP，最大化豐富移動(dòng)端應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)政務(wù)人員不論何時(shí)、何地，隨時(shí)查看水庫(kù)相關(guān)基礎(chǔ)信息、實(shí)時(shí)信息，并能及時(shí)處理重要事件，為工作者提供真正的全方位的移動(dòng)指揮辦公手段。移動(dòng)APP具體功能包括首頁(yè)，綜合監(jiān)視、水庫(kù)巡查、事件管理、我的5大功能模塊如圖6所示。

圖4 滲流壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖5 信息化綜合監(jiān)管平臺(tái)

圖6 小型水庫(kù)移動(dòng)APP功能框架

4 結(jié)語(yǔ)

(1)小型水庫(kù)雨水情監(jiān)測(cè)設(shè)施供電十分重要，供電主要采用太陽(yáng)能板浮充蓄電池方式，為了接收較強(qiáng)的太陽(yáng)輻射，太陽(yáng)能板的安裝角度建議與當(dāng)?shù)氐木暥缺３忠恢?，即南偏西方向。太?yáng)能供電系統(tǒng)中太陽(yáng)能板建議選取60W單晶硅太陽(yáng)能板、蓄電池選12V 65AH的耐低溫膠體電池。

(2)水庫(kù)綜合管理系統(tǒng)也可以對(duì)外提供數(shù)據(jù)接口服務(wù)，其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以通過(guò)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享、業(yè)務(wù)應(yīng)用的交互協(xié)同。建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口可以加強(qiáng)數(shù)據(jù)流通與整合，同時(shí)還可以促進(jìn)數(shù)據(jù)資源的充分利用，也可滿足“城市大腦”的需求，從而實(shí)現(xiàn)與“城市大腦”的對(duì)接。