智慧水利建設及其在泵站工程中的應用

黃 蕊

(惠州市惠州大堤東堤管理中心，廣東 惠州 516000)

1 惠州市水利信息化現(xiàn)狀

經(jīng)過十多年的建設和發(fā)展，惠州市已建水利信息系統(tǒng)包括惠州市融合通信指揮調(diào)度平臺、惠州市水利監(jiān)測預警和決策平臺、惠州市水利視頻監(jiān)控平臺、惠州市河長制綜合信息管理平臺和智能運維保障管理平臺共5個平臺，其中智能運維保障管理平臺為市局內(nèi)部設施運維管理，其余4個系統(tǒng)為業(yè)務相關系統(tǒng)，初步形成了省、市、縣、鎮(zhèn)四級水利三防通信專網(wǎng)，見表1。然而在水利監(jiān)管工作開展過程中，卻仍然存在“舊、缺、壞、少”四個方面的情況，具體表現(xiàn)在：

表1 惠州市水利局已建系統(tǒng)情況

(1)支撐全市洪澇災害防災減災體系的能力嚴重不足。目前全市仍有42個鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)防洪不達標，鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪達標率僅有45.45%；江海堤防達標率僅19.3%，仍有約995 km堤防需進行達標建設，全市大部分河流不具備短時洪水預報能力，且監(jiān)測系統(tǒng)誤報率高。

(2)無法滿足水利行業(yè)強監(jiān)管改革發(fā)展要求。人工巡檢難度大，而當前信息技術、網(wǎng)絡發(fā)展還無法達到“水利人工智能技術及產(chǎn)品”能夠基本替代“人工操作”的水平。

(3)水利監(jiān)測感知設備缺乏，技術老舊。大部分水庫大壩缺乏變形、滲流、應力、應變、溫度等日常監(jiān)管所需數(shù)據(jù)的自動化監(jiān)測，只能靠工程管理單位定期人工觀測填報；同時沒有建立一個統(tǒng)一的水利感知接入網(wǎng)絡，人工智能技術沒有應用，目前建設監(jiān)測感知設備缺少統(tǒng)一規(guī)劃，標準不一。

(4)水利數(shù)據(jù)不準、不全，質量差。由于感知設備的缺乏，水閘、泵站、灌渠等各類工程的工作運行數(shù)據(jù)缺失，難以做到有效監(jiān)管；現(xiàn)有數(shù)據(jù)也存在不準、未電子化、需要進行數(shù)據(jù)治理等問題。

(5)水利系統(tǒng)治理能力水平未能適應時代發(fā)展。各水利信息系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換困難，形成信息孤島，大量數(shù)據(jù)重復填報，浪費了大量的人力物力，制約水利治理體系和治理能力水平提升。

2 總體設計

2.1 建設目標與建設內(nèi)容

智慧水利建設是實現(xiàn)惠州市政府治理體系和治理能力現(xiàn)代化的需要，可提升水旱災害防御調(diào)度能力水平，保障全市水利工程安全運行。通過惠州市智慧水利項目建設，實現(xiàn)惠州市水利智慧感知信息健全、智慧分析能力提升、智慧應用業(yè)務協(xié)同，實現(xiàn)水利粗放式管理向水利網(wǎng)格化、精細化、標準化管理轉變，促進水利服務向社會化發(fā)展，打破傳統(tǒng)水利模式，做到真正的水利智慧化。最終達到“看水一張網(wǎng)、治水一張圖、管水一平臺、興水一盤棋”的水利現(xiàn)代管理體系。

2.2 智慧水利系統(tǒng)架構

惠州市智慧水利工程系統(tǒng)架構上由總體架構、業(yè)務架構、應用架構、數(shù)據(jù)架構、管理架構、網(wǎng)絡架構、安全架構6部分組成，遵循系統(tǒng)工程的要求，采用分層設計[1]，分別是全域感知層、水利“智腦”支撐層、和水利智能應用層，貫穿三層架構是統(tǒng)一遵循安全、標準規(guī)范、運行管理三大體系[2]。

全域感知層在蜂窩物聯(lián)網(wǎng)、專用射頻聯(lián)網(wǎng)、高速光纖等數(shù)據(jù)傳輸技術基礎上，通過部署、水文水質監(jiān)測、土壤墑情監(jiān)測、水資源使用監(jiān)測、水利工程安全監(jiān)測、生產(chǎn)工況監(jiān)測等新一代智能傳感設備，接入高分辨率多源遙感衛(wèi)星、高清視頻、無人機/無人船等空天地影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)江河湖泊、水利工程和水利管理活動等水管理對象的全域感知。

水利“智腦”支撐層通過感知層提供的江河湖泊、水利工程和水利管理活動等水管理對象的全域感知數(shù)據(jù)，結合現(xiàn)有水利基礎數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)的治理、整編，融合相關行業(yè)數(shù)據(jù)和社會數(shù)據(jù)，通過多元化采集、主體化匯聚構建全域化數(shù)據(jù)，以水利應用為導向，按照統(tǒng)籌規(guī)劃、資源整合的原則，打破系統(tǒng)間的界限，做到“數(shù)據(jù)接入無門檻、數(shù)據(jù)獲取無壁壘、數(shù)據(jù)分析無障礙”，形成權威、標準、一致的水利大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)水利數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)建模管理和數(shù)據(jù)質量統(tǒng)一管理。采用微服務架構，依托“數(shù)字政府”應用支撐層能力體系，按照大中臺、小應用的思路，將水利智能應用共性資產(chǎn)下沉，重點聚焦于水利業(yè)務共性剝離和微服務構建，通過為上層數(shù)字水利智能應用統(tǒng)一提供公共基礎服務支撐，避免不同水利業(yè)務應用之間的重復建設，支持前臺快速開展業(yè)務創(chuàng)新。

水利智能應用層構建水安全、水工程、水資源、水生態(tài)環(huán)境、水監(jiān)管、水服務六大類應用，含括水資源管理、節(jié)約用水監(jiān)管、風險監(jiān)測預報預警、水旱災害防御、水利綜合指揮、水工程建設管理、水工程運行管理、農(nóng)村水利管理、河湖長制、萬里碧道、水利行業(yè)監(jiān)管、水土保持監(jiān)管、水政執(zhí)法監(jiān)督、水庫移民管理和水利政務服務等應用功能模塊，全面提升水利業(yè)務的精細管理、預測預報、分析評價與決策支持能力。同時構建綜合管理平臺，實現(xiàn)業(yè)務應用集約化管理，面向市委市政府、市水利局、各縣區(qū)級水利主管部門、水利行業(yè)用戶和社會公眾，利用智能終端技術提供現(xiàn)代水利應用服務[3-4]。

2.3 智慧水利系統(tǒng)關鍵技術

(1)組件式開發(fā)技術。在本智慧水利系統(tǒng)構建中，采用面向服務的組件式軟件工程開發(fā)技術，以有利于系統(tǒng)升級、功能擴展與延伸。通過組件式的軟件工程開發(fā)技術，有效提升應用開發(fā)的便捷性和應用開發(fā)管理的規(guī)范性，有效解決應用重復建設、技術架構參差不齊、應用建設能力不足和應用開發(fā)管理混亂等問題，實現(xiàn)水利應用管理的統(tǒng)一性及運營的規(guī)范性。

(2)國產(chǎn)自主可控技術。本項目通過使用基于國產(chǎn)ARM處理器的服務器硬件、底層固件、國產(chǎn)化平臺軟件的適配以及應用軟件的遷移和優(yōu)化，打造全自主可控的信息化管理系統(tǒng)，做到全域網(wǎng)絡通信基于IPv6，全系統(tǒng)100%基于信創(chuàng)環(huán)境。

(3)分區(qū)分域保護技術。通過劃分安全域的方法，將網(wǎng)絡系統(tǒng)按照業(yè)務流程的不同層面劃分為不同的安全域，各個安全域內(nèi)部又可以根據(jù)業(yè)務元素對象劃分為不同的安全子域，針對每個安全域或安全子域來標識其中的關鍵資產(chǎn)，分析所存在的安全隱患和面臨的安全風險，然后給出相應的保護措施[5-6]。

(4)全面縱深防御技術。以可信計算為基礎，訪問控制為核心，構建“一個中心支撐下的三重防護體系”的縱深防御體系來保障網(wǎng)站系統(tǒng)的安全。

(5)動態(tài)綜合防護技術。對系統(tǒng)進行動態(tài)的、綜合的防護，在攻擊者成功地破壞了某個保護措施的情況下，其他保護措施仍然能夠有效地對系統(tǒng)進行保護，以抵御不斷出現(xiàn)的安全威脅與風險，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠的運行。

3 智慧泵站應用場景

3.1 泵站工程背景

惠州市某水利樞紐工程由4座立式低揚程軸流泵站組成，由于該水利樞紐工程臨海，因而泵站工程受海水潮位的影響較大，泵站系統(tǒng)運行效率變化頻繁。在4座泵站中，1#、2#泵站泵機型號為1.75ZLQ-7，總裝機設計流量為160 m3/s，總裝機率為16 000 kW，設計揚程為6.8 m；3#泵站泵機型號為2000ZLQ13.5-7.8，裝機設計流量為135 m3/s，總裝機率為16 000 kW，設計揚程為7.8 m；4#泵站泵機型號為2900ZLQ30-7.8，裝機設計流量為210 m3/s，總裝機率為16 000 kW，設計揚程為7.8 m。當前，該水利樞紐工程已建立自動控制系統(tǒng)，但由于系統(tǒng)對于采集的運行數(shù)據(jù)沒有足夠的自主分析能力，導致優(yōu)化調(diào)度決策能力沒有通過智能化來體現(xiàn)，通過建立智能泵站系統(tǒng)，將智慧水利思想運用到工程中，可顯著提升泵站工程的運行效率。

3.2 智能泵站架構

智能泵站由智能感知、智能研判、智能控制管理以及智能展示四大體系構成，見圖1。智能感知體系主要作用是通過相關儀器儀表設備對主機組、電氣設備、輔助設備、清污機閘門以及水工建筑物的運行參數(shù)(如溫度、效率、葉片角度、擺動、變壓器參數(shù)、油氣系統(tǒng)參數(shù)、閘門開度、水位、流量等)進行采集和匯總；智能研判體系是通過對感知數(shù)據(jù)研判、感知系統(tǒng)研判和智能業(yè)務研判，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和智能決策；智能控制管理體系的主要作用是根據(jù)智能研判體系提供的智能決策，實現(xiàn)對主機、變配電、輔機、通用設備的智能控制，同時實現(xiàn)對設備、運行、安全和通用業(yè)務的智能管理；智能展示體系主要作用是通過三維可視化、全景漫游、一體化平臺、手機APP等對泵站運行全過程進行全方位的公布和展示。

圖1 智能泵站系統(tǒng)架構

3.3 泵站智能調(diào)度方案

泵站系統(tǒng)能耗包括主機泵系統(tǒng)能耗和輔助設備能耗，而輔助系統(tǒng)能耗主要包括勵磁變壓器、通風設備、照明設備、冷卻設備、站用變壓器等多個結構設備的能耗。在泵站運行過程中，通過智能感知體系對主機組、電氣設備、輔助設備、清污機閘門以及水工建筑物等結構進行了多達數(shù)十項參數(shù)的實時在線監(jiān)測，如何通過這些監(jiān)測數(shù)據(jù)對泵站系統(tǒng)實行優(yōu)化調(diào)度成為智能泵站系統(tǒng)的重要任務。

由于監(jiān)測參數(shù)較多，因此應從中選擇合適的參數(shù)作為參考來對泵站的開機組合運行方案進行優(yōu)化調(diào)度。本文從葉片設計角度、恒定時葉片變角以及加大流量時葉片變角三種調(diào)度方案，對3.5 m、4.5 m、5.5 m、6.5 m和7.5 m 5種不同揚程下三種調(diào)度方案在50 m3/s、100 m3/s、150 m3/s、200 m3/s、250 m3/s、300 m3/s、350 m3/s、400 m3/s、450 m3/s 9種不同流量下的泵站系統(tǒng)運行效率進行對比，具體調(diào)度方案見表2。

表2 泵站智能調(diào)度方案

3.4 應用效果

通過智能泵站系統(tǒng)監(jiān)測得到的不同調(diào)度方案下系統(tǒng)效率隨流變變化曲線見圖2。從圖2中可知：隨著揚程的增大，同種調(diào)度方案下的泵站系統(tǒng)效率逐漸增大；當揚程在3.5 m、4.5 m時，隨著流量的增大，方案一的效率呈逐漸減小的變化特征，方案二、三的系統(tǒng)效率明顯高于方案一，而且有隨流量增大而逐漸減小的變化趨勢，特別是在大流量時表現(xiàn)較為明顯，這是因為在流量由小變大的過程中，泵站運行效率較高的機組優(yōu)先加入，當流量超出250 m3/s后，運行效率較高的1#、2#和4#機組已經(jīng)加入運行，如果流量繼續(xù)增大，那么效率較差的3#機組就會加入運行，從而拉低了整個泵站系統(tǒng)的平均效率；當揚程為5.5 m、6.5 m時，仍然是方案一的效率低于方案二、三，但方案一隨著流量增大呈先減小后增大再減小變化特征，當流量在150～200 m3/s時，效率值最低，而方案二、三的效率值相差不大，特別是在大流量時基本相等；當揚程達到7.5 m后，三種運行調(diào)度方案的效率相差很小，但總體上來講仍是隨著流量增大而逐漸減小，且方案三的效率>方案二的效率>方案一的效率。

圖2 三種調(diào)度方案泵站系統(tǒng)效率對比

綜上分析可知：當泵站揚程一定時，采用方案三(加大流量時葉片變角、開機組合優(yōu)化運行方案)可以顯著提升整個泵站機組的運行效率，因而在后期智能泵站運行控制管理決策中，應采取方案三的方式進行調(diào)度控制。

4 結 語

針對惠州市當前水利信息化存在的問題，基于組件式開發(fā)、國產(chǎn)自主可控、分區(qū)分域保護、全面縱深防御、動態(tài)綜合防護技術，構建惠州市智慧水利系統(tǒng)，得出如下結論：

(1)智慧水利系統(tǒng)采用分層設計，劃分為全域感知層、水利“智腦”支撐層、和水利智能應用層，本系統(tǒng)可實現(xiàn)水利業(yè)務的精細管理、預測預報、分析評價與決策支持。

(2)基于智慧水利系統(tǒng)構建思路，將其應用到惠州市某泵站工程中，構建智能泵站系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能感知、智能研判、智能控制管理以及智能展示四大體系構成。

(3)通過智能泵站系統(tǒng)監(jiān)測得到的運行參數(shù)，提出三種泵站調(diào)度運行優(yōu)化方案，分析表明采用加大流量時葉片變角、開機組合優(yōu)化運行方案，能使泵站的運行效率得到最大化。

(4)本文僅針對智慧水利在泵站工程中的應用進行了分析，關于水庫、水閘、水電站、灌區(qū)、湖泊、河道、農(nóng)村引水等方面的應用案例將在今后做進一步補充研究。