水庫信息化平臺建設(shè)與研究

周其春

（深圳市西部水源管理中心,廣東 深圳 518000）

0 引言

為適應(yīng)國家信息化建設(shè)和流域、區(qū)域管理的要求,采用計算機網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)實現(xiàn)對水庫的智慧化管理,是破解傳統(tǒng)水庫管理弊端的有效方式。近年來,移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)的迅速發(fā)展,為解決水庫的安全運行提供了新的思路[1]。水庫信息化建設(shè)應(yīng)傾向建設(shè)綜合應(yīng)用系統(tǒng),以實現(xiàn)對海量監(jiān)控數(shù)據(jù)的有效管理,挖掘各類檢測信息,通過信息化手段提升水庫運行管理水平。

1 平臺建設(shè)

水庫智慧化管理平臺系統(tǒng)是專門針對水庫綜合信息管理而開發(fā)的開放式信息檢測管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫管理、閘門監(jiān)控監(jiān)視、水情測報、洪水預(yù)報、大壩安全監(jiān)視等子系統(tǒng)構(gòu)成。

1.1 總體架構(gòu)

通過梳理水庫管理體系,基于B/S架構(gòu)構(gòu)建統(tǒng)一的大中型水庫智慧化管理平臺,滿足水庫日常管理、業(yè)務(wù)分析和對外展示的需要。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)感知層包括水文氣象、終端傳感器、遙感采集數(shù)據(jù)等。運行環(huán)境層主要是以統(tǒng)一的應(yīng)用支撐平臺,對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,將子系統(tǒng)互相獨立的數(shù)據(jù)庫整合為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫,以提高系統(tǒng)運行效率。平臺業(yè)務(wù)功能通過應(yīng)用層和展示層實現(xiàn),主要由大壩安全監(jiān)測、水雨情采集、閘門自動控制、水質(zhì)在線監(jiān)測、數(shù)字視頻監(jiān)控、洪水預(yù)預(yù)報警、供水計量監(jiān)控、三維WebGIS系統(tǒng)等部分組成。

1.2 數(shù)據(jù)庫管理

1.2.1 數(shù)據(jù)整編

管理人員篩選和整編觀測數(shù)據(jù),不定期生成數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)整編功能主要是批量提取觀測數(shù)據(jù)以形成整編數(shù)據(jù)庫,同時提供數(shù)據(jù)瀏覽和刪除等簡單操作。

1.2.2 數(shù)據(jù)批量錄入

能讀取保存在Excel文件中的監(jiān)測數(shù)據(jù),并批量轉(zhuǎn)入到服務(wù)器上的整編數(shù)據(jù)庫中。既要有較大的靈活性,又要有一定的便捷性,自動掃描新增測值,并批量轉(zhuǎn)入到整編數(shù)據(jù)庫。

1.3 水情測報

1.3.1 降雨量信息查詢

該功能主要是通過柱狀圖和表格形式顯示流域各雨量站的時段降雨,用戶可選擇不同查詢條件查詢各站的降雨情況。用戶可選擇不同數(shù)據(jù)時間類型（小時、日、月、年）,單站或者多站,分別選擇開始時間和結(jié)束時間,查詢選擇時段內(nèi)的各站不同時間類型的雨量柱狀圖和表格數(shù)據(jù)。

1.3.2 降雨量信息統(tǒng)計分析

（1）降雨對比分析

降雨對比分析能夠按照選定的時間范圍,對雨量站進(jìn)行環(huán)比、同比和任意時間對降雨量的對比。

（2）降雨距平分析

降雨距平分析為用戶提供任意時段累計降雨量與多年平均降雨量的對比分析功能。降水量距平分析主要按照分析時間長度分為：日、旬、月、年4種類型的距平分析。

1.3.3 水位信息查詢

該功能主要是通過過程線和表格形式顯示庫區(qū)各水位站的時段水位和流量過程線或庫容過程線,用戶可選擇不同查詢條件查詢各站的水位流量情況。用戶可選擇單站或者多站,分別選擇開始時間和結(jié)束時間,查詢選擇時段內(nèi)的各站的水位、流量或庫容過程線和表格數(shù)據(jù)。

1.3.4 水位信息統(tǒng)計分析

（1）水位變幅分析

水位變幅分析是指根據(jù)已有數(shù)據(jù)分析水位的漲落變幅情況,有利于用戶掌握水庫的水情變化。水位變幅分析主要結(jié)果包括：最高水位及出現(xiàn)時間、最低水位及出現(xiàn)時間、水位變幅值、每個變幅范圍內(nèi)分布的站點數(shù)。

（2）洪（枯）水排位分析

洪水（枯水）位排位分析主要為用戶提供各類最高水位之間對比分析的功能。對比分析分為兩類：與歷年最高（最低）水位比較、與歷史同期最高（最低）水位比較。通過比較得到當(dāng)前水位的排位情況。

（3）水庫水情分析

蓄水量對比分析功能主要為用戶提供快捷的蓄水量同期對比、與多年均值對比、與自定義時間的蓄水量對比的功能。

（4）蓄水量總量統(tǒng)計

蓄水總量統(tǒng)計為用戶直觀地掌握某地區(qū)水庫蓄水狀態(tài)提供方便。蓄水總量統(tǒng)計按照行政區(qū)劃、和水庫的類型分類統(tǒng)計匯總,得到某個固定時刻水庫的蓄水總量情況。為用戶進(jìn)行水庫調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐。

1.4 閘門監(jiān)視

該子系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議接入監(jiān)控中心網(wǎng)路系統(tǒng),主要功能是采集閘門開關(guān)狀態(tài)、庫水位、閘門流量、閘門安全狀況等主要信息。

閘門監(jiān)測實現(xiàn)了閘門的實時監(jiān)測,保證數(shù)據(jù)及閘門狀態(tài)與現(xiàn)地保持一致。閘門實時監(jiān)測包括閘門狀態(tài)、控制方式、閘門開度、電氣量、報警信息、水位等實時信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 閘門運行實時監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實時運行監(jiān)視包括對設(shè)備監(jiān)視、狀態(tài)監(jiān)視、過程監(jiān)視、趨勢分析及越線檢查。即管理人員通過顯示屏對系統(tǒng)各主要設(shè)備運行參數(shù)和狀態(tài)實時監(jiān)測,完成控制和參數(shù)修改優(yōu)化。自動狀變、受控狀變及設(shè)備異常均可反饋并記錄。對閘門上升或下降過程,可實現(xiàn)流程框圖型式顯示全部工況執(zhí)行過程,同時完成開環(huán)運行指導(dǎo)和閉環(huán)自動操控。趨勢分析功能能完成運行參數(shù)的趨勢分析,預(yù)測故障和越限報警。

1.5 水工安全

水工安全監(jiān)測點查詢主要包括撓度監(jiān)測點查詢,裂縫、水平位移監(jiān)測點查詢、垂直位移監(jiān)測點查詢、滲壓監(jiān)測點查詢、揚壓力監(jiān)測點查詢、量水堰（滲流）監(jiān)測點查詢。

1.6 預(yù)報和調(diào)度

1.6.1 洪水預(yù)報

預(yù)報類型分為三種方式：實時滾動預(yù)報、用戶自主選擇時段進(jìn)行預(yù)報和用戶預(yù)測未來降雨進(jìn)行洪水預(yù)報計算。用戶可查看用雨量柱狀圖、水位和流量過程線表示的洪水預(yù)報結(jié)果。還可將開始計算時間至當(dāng)前時刻的實測水位和流量與計算水位和流量進(jìn)行對比,見圖3。

圖3 實時洪水預(yù)報

模擬降雨預(yù)報通過用戶選取時段和假設(shè)的雨型雨量模型,預(yù)報水庫未來入庫流量,其具有結(jié)合降雨綜合信息,模擬不同降雨等級條件下的水文情勢的功能。詳見圖4。

圖4 模擬降雨洪水預(yù)報

1.6.2 水庫調(diào)度

（1）水庫實時調(diào)度

提供豐富的專業(yè)圖表顯示。可顯示中間和最終計算結(jié)果,能夠關(guān)聯(lián)顯示入庫、水位、出庫、出力、棄水等相關(guān)信息表格、圖形,統(tǒng)計分析相關(guān)特征信息指標(biāo)。圖表顯示內(nèi)容可以自由選擇,能夠自動提示各種特征信息,發(fā)布告警信息。水庫洪水調(diào)度運行見圖5。

圖5 水庫洪水預(yù)報

（2）調(diào)度方案優(yōu)選

調(diào)度方案評價與優(yōu)選主要是已經(jīng)生成的調(diào)度方案,在專家參與會商時,對各調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)選,確定最優(yōu)的調(diào)度方案進(jìn)行水庫調(diào)度或進(jìn)行參考。如果調(diào)度方案不理想,可人工交互修改調(diào)整方案,確定最終要實施的調(diào)度方案,發(fā)布調(diào)度方案。并提供打印、導(dǎo)出上傳調(diào)度方案的功能。

（3）調(diào)度成果管理

將最終實施的調(diào)度方案保存到調(diào)度方案成果表中,用戶可查詢最終的調(diào)度結(jié)果,生成過程線圖和表格數(shù)據(jù),并進(jìn)行特征值的統(tǒng)計。用戶可將方案調(diào)度結(jié)果與實際的調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2 系統(tǒng)應(yīng)用實例

（1）實時水雨情監(jiān)測功能

水情自動測報系統(tǒng)將采集到的水雨情信息實時地傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中,在監(jiān)控系統(tǒng)中可以很方便的瀏覽水雨情信息。

（2）洪水預(yù)報功能

洪水預(yù)報模塊作為水情自動測報系統(tǒng)的展示平臺,直接調(diào)用水情測報系統(tǒng)的洪水預(yù)報結(jié)果,用戶以瀏覽器（Web）的形式對洪水預(yù)報個項信息進(jìn)行查詢,統(tǒng)計分析,通過表格和圖形的方式在Web上,讓用戶對當(dāng)前的防洪形勢有個直觀全面地了解。

（3）大壩安全監(jiān)測功能

水庫所涉及的各大壩斷面均設(shè)置水工安全監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)檢測設(shè)備通過MCU采集數(shù)據(jù)并傳入對應(yīng)的監(jiān)控中心。經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議,并以以太網(wǎng)口接入監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。大壩安全監(jiān)測主要實現(xiàn)監(jiān)測信息查詢、監(jiān)測點設(shè)置、相關(guān)分析及數(shù)據(jù)整編等功能,形成完整的大壩監(jiān)測體系。

（4）閘門監(jiān)測功能

水閘監(jiān)測系統(tǒng)是由監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件利用各種通訊接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接收測點的實時數(shù)據(jù),并顯示在監(jiān)控工作站上,然后將數(shù)據(jù)自動定時地傳輸?shù)秸蠑?shù)據(jù)庫中,由整合系統(tǒng)軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

本系統(tǒng)平臺應(yīng)用于深圳市西部水源管理中心數(shù)字化項目,這是一個系統(tǒng)、完整的信息化工程,建設(shè)內(nèi)容涵蓋了大中型水庫管理的所有信息化內(nèi)容,包括完備的自動化控制系統(tǒng)、監(jiān)測采集系統(tǒng)、大屏?xí)滔到y(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、智慧水庫平臺等。系統(tǒng)綜合利用了移動互聯(lián)、模型計算、三維仿真、協(xié)同辦公等先進(jìn)技術(shù),是深圳市水利信息化建設(shè)的標(biāo)桿工程,代表了水庫信息化建設(shè)的高水準(zhǔn)。

3 結(jié)語

國內(nèi)同類型技術(shù)在大中型水庫的應(yīng)用大多為相對獨立的單一功能系統(tǒng),呈現(xiàn)“信息孤島”的特質(zhì)。本平臺旨在于為水庫構(gòu)建一套綜合性、一體化的智慧管理系統(tǒng),不是多個功能的簡單集成,而是將一次工作流程、一項管理業(yè)務(wù)所涉及的全部環(huán)節(jié)進(jìn)行有機結(jié)合,以實現(xiàn)無人值班（少人值守）的標(biāo)準(zhǔn)化、智慧化管理。