輸電工程建設(shè)過程中水土保持管理信息系統(tǒng)研究

鄭樹海，雷 磊，夏燁瑞，霍春平，劉 濤，萬 昊，樊 創(chuàng)

(1.國家電網(wǎng)有限公司直流建設(shè)分公司，北京 100032； 2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100； 3.國網(wǎng)(西安)環(huán)保技術(shù)中心有限公司，陜西 西安 710100； 4.西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710048； 5.西安市水利水土保持工作總站，陜西 西安 710018； 6.陜西省東莊水利樞紐工程建設(shè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713208)

0 引言

為了調(diào)節(jié)我國能源分布不均勻，適應(yīng)需求逆向的分布，特高壓輸電工程的建設(shè)現(xiàn)在被國網(wǎng)公司高度重視[1]，但在工程施工建設(shè)過程中往往會對原地貌進行改造，容易導(dǎo)致水土流失，并且由于特高壓輸電工程往往具有跨度較大、傳輸距離長等特點，橫跨省份較多，并且往往都會經(jīng)過黃土高原的風(fēng)蝕地區(qū)和南方的水蝕地區(qū)，會進一步加劇其水土流失情況。隨著人們環(huán)境保護意識和國家對水土保持監(jiān)測工作要求的提高，國網(wǎng)正在大力推進水土保持監(jiān)測信息化，積極利用現(xiàn)代技術(shù)和儀器設(shè)備，以及衛(wèi)星遙感和無人機等先進手段，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取、傳輸和處理的自動化，提高水土保持監(jiān)測能力和水平。 因此，加強特高壓輸電工程建設(shè)項目的管理和監(jiān)控，可以有效解決建設(shè)后期生態(tài)破壞的問題[2-6]。

近年來，水土保持管理信息系統(tǒng)的發(fā)展十分迅速[7-12]，而在輸電工程建設(shè)過程中，水土保持管理信息系統(tǒng)卻沒有得到足夠的重視，導(dǎo)致水土流失數(shù)據(jù)來源不穩(wěn)定，管理混亂。因此，本文開發(fā)了一套應(yīng)用于特高壓輸電工程建設(shè)中的水土保持管理信息系統(tǒng)，以陜北—湖北特高壓直流輸電工程為例來研究輸電工程建設(shè)沿路的水土流失情況。該系統(tǒng)以傳感器作為基礎(chǔ)設(shè)備，集成全自動化監(jiān)測設(shè)備和光敏測釬傳感器，針對輸電工程水土保持業(yè)務(wù)的需求，構(gòu)建了用戶管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，對輸電線工程沿路的水土流失情況進行高效、全面的監(jiān)測。該信息管理系統(tǒng)可以很好地對輸電工程建設(shè)中水土流失數(shù)據(jù)和現(xiàn)場信息量進行管理和搜集，提高了水土流失量計算和處理的效率，在工程中已經(jīng)得到較好的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)水土保持工作要求，輸電工程水土保持管理信息系統(tǒng)劃分為5大模塊，分別是系統(tǒng)設(shè)置模塊、實時數(shù)據(jù)模塊、信息分析模塊、現(xiàn)場監(jiān)控模塊、新聞?wù)故灸K。各個模塊內(nèi)部信息互相聯(lián)系，功能相互獨立，共同協(xié)調(diào)構(gòu)成整個系統(tǒng)。輸變電工程水土保持管理信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸變電工程水土保持管理信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of water and soil conservation management information system for power transmission and transformation project

1.2 系統(tǒng)構(gòu)架

水土保持信息管理系統(tǒng)全面考慮輸電工程建設(shè)過程中水土保持各項業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、應(yīng)用，按需求的不同構(gòu)建不同子系統(tǒng)，搭建高效、統(tǒng)一的整體系統(tǒng)。系統(tǒng)總體構(gòu)架分為3層，最底層用來存放最基本的數(shù)據(jù)庫信息；中間層用來傳遞數(shù)據(jù)庫信息，并進行轉(zhuǎn)化處理；最上層用來接受處理過的信息，并且向用戶或需求方進行展示。

1.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來進行確定的，根據(jù)上文確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以得到的系統(tǒng)功能主要有：系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)測、新聞管理等，如圖2所示。

圖2 輸變電工程水土保持管理信息系統(tǒng)功能Fig.2 Functiuns of an on-line monitoring system for soil and water conservation in power transmission and transformation projects

1)系統(tǒng)設(shè)置模塊：分為用戶設(shè)置和主板設(shè)置。用戶可以對系統(tǒng)賬戶進行設(shè)置，如新建賬戶、修改密碼、刪除賬戶等。用戶可以通過主板管理對主板電壓進行校正，對主板存儲進行格式化，對測釬零點進行更正等。

2)實時數(shù)據(jù)模塊：系統(tǒng)可以實現(xiàn)對溫度等氣象數(shù)據(jù)和土壤流失高度等數(shù)據(jù)的實時在線監(jiān)測，同時可將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳到本地，以供存儲。

3)信息分析模塊：系統(tǒng)可以通過存儲在本地的數(shù)據(jù)對過去的某一年、月、日的氣象進行折線圖顯示，為用戶提供監(jiān)測點最近的氣象變化情況。系統(tǒng)還可通過光敏傳感器收集的數(shù)據(jù)，運用先進的算法針對工程中的各個站點進行土壤流失量的計算，為用戶提供現(xiàn)場精確的水土流失情況。

4)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)：系統(tǒng)可以通過高清攝像頭遠程對施工現(xiàn)場進行實時監(jiān)控，用戶可通過操作系統(tǒng)實現(xiàn)攝像頭的云臺移動，全方位地對監(jiān)測點進行監(jiān)控，攝像頭還可以將監(jiān)控的內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖镜卮鎯Α?/p>

5)新聞管理子系統(tǒng)：用戶可以對監(jiān)測線路的工程和水土流失的相關(guān)新聞、報道進行查看，追蹤國內(nèi)最新的水土流失消息，提高對水土流失的關(guān)注度。

2 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)建

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是信息系統(tǒng)構(gòu)建過程中最基礎(chǔ)和關(guān)鍵的模塊，是要達到一個確定的目標(biāo)，以一定的組織形式存儲相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)集合，將現(xiàn)實世界中具體實物和與之相關(guān)的抽象信息轉(zhuǎn)換成計算機存儲里面的信息[14]。因此構(gòu)建一個邏輯清晰、效率高的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，才能讓信息系統(tǒng)被用戶高效、可靠地利用。

2.1 建設(shè)原則

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是信息管理系統(tǒng)最基本的構(gòu)成，它的主要功能是對信息管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行存儲、更新、處理等。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、效率對搭建一個完備、先進、合適的信息系統(tǒng)十分重要。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設(shè)方法如下。

1)多層級數(shù)據(jù)信息傳遞。輸電工程建設(shè)過程中的水土保持管理是一個從點到線、由現(xiàn)場環(huán)境到水土保持手段逐漸過渡的過程，因此決定了從監(jiān)測站點到監(jiān)測整個線路工程，業(yè)務(wù)圖冊精度會逐漸降低，而圖層范圍會逐漸擴大。因此，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以通過移動網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)上位機和下位機的信息傳遞和交流，不僅站點本地可以獲取信息，監(jiān)管總部也可以直接獲取信息，減少數(shù)據(jù)在傳遞過程中的丟包，提高準(zhǔn)確性，并減少了駐站員工的工作量。

2)有效地存儲、管理不同監(jiān)測點的數(shù)據(jù)、圖片、視頻等數(shù)據(jù)。通過采用屬性數(shù)據(jù)庫的方法對系統(tǒng)采集的多種類型的數(shù)據(jù)進行分類存儲，視頻和圖片與數(shù)據(jù)分別處理。

3)實現(xiàn)管理信息系統(tǒng)(MIS)、辦公自動化(OA)等的接入。由于系統(tǒng)將在以后進一步推廣和修正，加上水土保持行業(yè)自動化程度會不斷提高，系統(tǒng)留有接口，支持與MIS和OA的集成。

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理

2.2.1 數(shù)據(jù)獲取方式

1)氣象數(shù)據(jù)：系統(tǒng)包含的氣象數(shù)據(jù)有降水量、氣溫、大氣濕度、當(dāng)前風(fēng)速和風(fēng)向。通過安裝在監(jiān)測點的傳感器，每半個小時采集一次現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，并發(fā)送到下位機中。

2)土壤流失量：對于土壤流失量的數(shù)據(jù)采集主要是土壤流失的高度，通過光敏測釬傳感器，采集土壤流失的高度，每30 min采集一次現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并發(fā)送到下位機中。

3)現(xiàn)場視頻，圖像：現(xiàn)場視頻采用定時開關(guān)機模式，每天有固定的4個時間點，攝像頭自動打開，工作30 min，記錄現(xiàn)場的狀況。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理方式

為了更直觀地表征區(qū)域的水土流失情況，本文利用土壤侵蝕量來描述水土流失的嚴重程度，以下是本文給出的幾種土壤侵蝕量計算模型。

1)考慮到特高壓輸電工程的輸電桿塔大部分布設(shè)在山坡中，因此給出坡面土壤流失量計算公式：

(1)

通過在監(jiān)測區(qū)域布設(shè)測釬，并記錄每個測釬的原始坡面刻度，以此為基準(zhǔn)判斷后續(xù)獲得的數(shù)據(jù)是否合理。

2)土壤多年平均侵蝕量計算公式，即土壤流失方程為：

A=R×K×L×S×C×P

其中，A為土壤流失量(單位：m3)；R為降雨侵蝕力指標(biāo)；K、L、S、C、P分別表示土壤可侵蝕因子、坡長因子、坡度因子、作物經(jīng)營因子及土壤保持因子。土壤流失方程僅適用于當(dāng)?shù)囟嗄晖寥榔骄治g量。

3)進一步細化，按照時間長度，土壤侵蝕模數(shù)可分為日土壤侵蝕模數(shù)、月土壤侵蝕模數(shù)以及年土壤侵蝕模數(shù)，土壤侵蝕模數(shù)可以表征土壤侵蝕強度，模數(shù)越大代表土壤侵蝕越嚴重。

日土壤侵蝕模數(shù)Di(單位：t/km2)：

(2)

式中，ρ為每個測點土壤容重(單位：kg/m3)；hi為第i個測釬的日侵蝕深度(單位：mm)。每個測點9個測釬。

月土壤侵蝕模數(shù)Mk(單位：t/km2)：

(3)

式中，Mk為每個月中日土壤侵蝕強度Di的和。

年土壤侵蝕模數(shù)T(單位：t/(km2·a))：

(4)

式中，T為每個月土壤侵蝕強度Mk的和。

3 應(yīng)用實例

本文以陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程為例，構(gòu)建了一個管理信息系統(tǒng)，命名為陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)軟件。

3.1 用戶界面

運行陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)軟件V1.0，顯示登錄界面(見圖3)，輸入用戶名以及密碼后登錄，便可跳轉(zhuǎn)至陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)軟件V1.0界面，如圖4所示。

圖3 陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)軟件登錄界面Fig.3 Software login interface of soil and water conservation monitoring system for ±800 kV UHVDC project in Northern Shaanxi Hubei

圖4 陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)運行界面截圖Fig.4 Software operation interface of soil and water conservation monitoring system for ±800 kV UHVDC project from northern Shaanxi to Hubei

3.2 新聞界面

新聞管理界面可以閱讀近期發(fā)生在水土保持方面以及與本行業(yè)相關(guān)的新聞，在界面的底部還增設(shè)了“國家電網(wǎng)有限公司”“中國水土保持監(jiān)測網(wǎng)”“水利部”“國網(wǎng)陜西省電力公司”“北極星電力網(wǎng)“國家能源局” “黃河網(wǎng)” “電力設(shè)計規(guī)劃總院” “中國電力招標(biāo)網(wǎng)” “中國水土保持學(xué)會”等官網(wǎng)的鏈接，以便及時查閱與輸變電以及水土保持相關(guān)的新聞資訊。

圖5是位于首頁的新聞資訊滾動窗口，可以點擊滾動窗口中的文字鏈接，并且跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的新聞網(wǎng)頁，以便管理員及時閱讀相關(guān)的新聞資訊。例如點擊滾動窗口中深色實線標(biāo)出的“陜北至湖北特高壓直流工程“鏈接后，即可跳轉(zhuǎn)至如圖6所示的相應(yīng)新聞資訊，以便管理人員閱讀。

在后期的軟件使用過程中，管理員可以以此方式實現(xiàn)新聞資訊模塊的管理，并且獲得與該工程緊密相關(guān)的新聞資訊，以便更高效地服務(wù)于該水土保持工程的管理和維護運營工作。提高了工作效率，節(jié)約了時間成本。

陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)總圖以地圖樣貌展示，可以精確展示水土保持工程監(jiān)測站點的所在位置。

工程總圖的全貌圖可以更好地讓系統(tǒng)操作人員以及數(shù)據(jù)管理人員對整個特高壓交流工程有直觀的掌控，極大地方便了系統(tǒng)管理人員統(tǒng)籌兼顧整條特高壓交流輸電線路工程，并監(jiān)測站點的水土流失量以及環(huán)境因子變動情況。

圖5 新聞資訊滾動窗口截圖

圖6 新聞資訊跳轉(zhuǎn)

監(jiān)測點顯示為紅色，以便系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理員管理該監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)(水土流失量、溫度、濕度、風(fēng)速等)，并且也可以進行數(shù)據(jù)下載以及數(shù)據(jù)報表的制作，提高數(shù)據(jù)管理員數(shù)據(jù)報表的匯總效率。站點選擇之后，就會自動在首頁顯示該站點的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并且在數(shù)據(jù)模塊一欄中以圖表的形式形象直觀地展示出來，如圖7所示。在數(shù)據(jù)欄表頭可以點擊“按天顯示”“按月顯示”按鍵，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)分別以小時為單位和以天為單位，進行一天24 h的數(shù)據(jù)變化情況展示，或者進行一個月的數(shù)據(jù)變化情況展示。點擊“按天顯示”之后可以點擊“前一天”或者“后一天”來選擇需要查看的日期；或者點擊中間的日期，會跳轉(zhuǎn)出日歷，就可以選擇需要查看的日期，如圖8所示。

由于一天的土壤流失量的變化波動很小，繪制曲線來進行展示的意義不大，所以直接以數(shù)據(jù)的方式顯示出來，如圖9所示。

圖7 數(shù)據(jù)顯示模塊

圖8 日期選擇

圖9 土壤流失量日數(shù)據(jù)顯示

在選擇了“按月顯示”數(shù)據(jù)之后，就會展示所選月份的水土流失量數(shù)據(jù)展示，例如選擇2020年7月之后，就會顯示2020年7月的水土流失量的數(shù)據(jù)變化情況。

圖10 土壤流失量日數(shù)據(jù)顯示

圖10形象直觀地反映了2020年7月的土壤流失量數(shù)據(jù)變化情況，點擊右上角的數(shù)據(jù)保存按鍵，可以將該月土壤流失量數(shù)據(jù)以Excel文件形式保存。在主界面點擊“數(shù)據(jù)下載”按鍵之后，數(shù)據(jù)下載子系統(tǒng)將會彈出，界面如圖11所示。

圖11 月水土流失量 Excel表

在測站列表一欄選擇站點1(見圖12)，之后點擊“打開”按鍵，則數(shù)據(jù)下載子系統(tǒng)與有人虛擬串口會建立鏈接。在下方下載一欄處(見圖13)，可以選擇下載整天或者整月，選擇完時間之后，點擊“刷新”按鈕，所選擇日期即被選定，點擊下載即可將所選擇數(shù)據(jù)下載到本地。在當(dāng)前已下載一欄處(見圖12)，點擊“刷新”，即可查看已經(jīng)下載到本地的數(shù)據(jù)。

在主界面點擊“視頻”按鍵之后(圖14黑框所示處)，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)將會彈出，界面如圖15所示。

點擊“設(shè)備列表”按鍵，該賬號上所有的螢石攝像頭將會出現(xiàn)在界面右側(cè)的設(shè)備列表一欄中。點擊“分享設(shè)備列表”按鍵，其他賬號分享給已登錄賬號的螢石攝像頭會出現(xiàn)在界面右側(cè)的分享設(shè)備列表一欄中。點擊“更新設(shè)備詳情”按鍵，會顯示增加最近添加的設(shè)備。點擊“單設(shè)備獲取”按鍵，可手工添加不屬于該賬號的其他螢石設(shè)備。在預(yù)覽一欄，點擊“預(yù)覽”按鈕，在播放一欄將會顯示站點的實時視頻，在“預(yù)覽”按鈕左側(cè)選項框處可選擇視頻的清晰度(見圖16)。點擊“結(jié)束”按鈕，將會停止觀看實時視頻；點擊“截圖”按鈕，設(shè)備會將當(dāng)前畫面拍下，然后傳輸?shù)缴衔粰C中。

圖12 監(jiān)測點測站選擇截圖

圖13 監(jiān)測點數(shù)據(jù)下載截圖

圖14 主頁面中的視頻監(jiān)控模塊截圖

圖15 視頻監(jiān)控顯示界面截圖

圖16 現(xiàn)場檢測視頻圖像

在回放一欄，選擇搜索時間，點擊“設(shè)備錄像搜索”，將會搜索選擇日期的錄像；點擊“云錄像”搜索，將會搜索上傳到螢石云的錄像；點擊“開始回放”將會展示所選擇的錄像；點擊“暫停”，界面將會暫停播放；點擊“停止”，界面將會結(jié)束播放；點擊“恢復(fù)”，界面將會恢復(fù)當(dāng)前實時視頻。在“回放倍速”一欄可以選擇查看錄像的速度；在云臺控制一欄，可以選擇控制攝像頭的方位的移動和焦距的變化。

4 結(jié)語

本文針對輸變電工程中水土保持信息數(shù)據(jù)混亂、管理不穩(wěn)定的問題構(gòu)建了水土保持管理信息系統(tǒng)來管控輸電線路建設(shè)過程中的水土保持的信息和數(shù)據(jù)。并以陜北—湖北±800 kV特高壓直流輸電工程為例，搭建了一個管理信息系統(tǒng)，可以看出，該系統(tǒng)的架構(gòu)和功能能夠很好地滿足輸變電工程建設(shè)中的水土保持數(shù)據(jù)管理的需求。