信息化技術在云鳳水利灌溉工程中的應用

王欣垚

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

水利工程對我國國民經(jīng)濟的增長起著關鍵的作用[1]。其中，灌溉工程是實現(xiàn)農(nóng)田灌溉的基礎工程，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要保障，其工程內容復雜，包含蓄水、引水、提水、輸水、配水、退泄水等各個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)灌區(qū)工程設計理念落后，運行管理效率低下，不能滿足當前的發(fā)展需求。隨著信息化技術的飛速發(fā)展和日漸成熟，水利灌溉工程信息化逐漸成為了近期大中型灌區(qū)建設的發(fā)展方向。水利灌溉工程信息化建設，是對傳統(tǒng)水利灌溉工程的徹底革新，極大地提高了管理質量和運行效率，實現(xiàn)了節(jié)約水資源的目標，降低了灌區(qū)的運行成本，促進了灌區(qū)經(jīng)濟效益的提升[2]。

1 水利灌溉工程信息化建設意義

水利灌溉工程信息化的建設，一方面可以實現(xiàn)灌溉工程中各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息的采集、分析、管理和顯示，另一方面可以實現(xiàn)灌溉工程的宏觀監(jiān)控管理和指揮調度，確保了信息和決策的準確性和及時性[3]。

1.1 數(shù)據(jù)采集精度高，傳輸及時準確

傳統(tǒng)的灌區(qū)數(shù)據(jù)采集、設備監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鞔蠖嗍怯扇斯ね瓿桑粌H效率低下，勞動強度高，還無法保證數(shù)據(jù)的采集和傳輸?shù)臏蚀_性和及時性。而水利灌溉工程的信息化建設會采用先進的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)了多層次、多維度的高精度數(shù)據(jù)采集及時準確傳輸，為灌區(qū)的精細化指揮調控提供了數(shù)據(jù)支撐[4]。

1.2 提高管理水平，增強節(jié)水意識

信息化的實現(xiàn)，使得各種設備和灌溉環(huán)節(jié)的監(jiān)控更加全面實時，調度指令的制定更加科學合理，保證了配水方案的合理性，避免了廢水棄水等水資源浪費狀況，從而提高用水效率。另外，灌區(qū)信息化使灌區(qū)管理流程更加科學、高效，使計量工作和核算工作精細化、智能化，提高了管理水平，增強了用水戶對水量計算的信任度和群眾的節(jié)水意識，提高了水費征收效率。

1.3 改進工作方法，提高工作效率

水利灌溉信息化系統(tǒng)的建設與應用，與傳統(tǒng)的水利灌溉工程相比較，在取水、供水、收費等各方面都有翻天覆地的變化，徹底改變了灌區(qū)的工作運行模式，可實現(xiàn)灌區(qū)的精細化調度與管理。調度人員可以及時了解水情、雨情等數(shù)據(jù)，依靠自動化技術實現(xiàn)遠程操控閘門，提高工作效率的同時可大大降低工作強度。

2 總體方案

本文以云鳳大型灌區(qū)工程為例，介紹工程信息化技術在水利灌溉工程中應用。云鳳灌區(qū)位于云南省臨滄市北部，瀾滄江一級支流羅閘河流域內，設計灌溉面積69.23萬畝，為大(2)型工程，涉及云縣4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和鳳慶縣6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，灌區(qū)范圍內總人口現(xiàn)狀約32.38萬人。通過建設云鳳灌區(qū)，可提高居民飲水保證率和農(nóng)業(yè)灌溉保證率。

云鳳灌區(qū)工程信息化建設可概括為“2個體系支撐+7個基礎層面”，2個體系分別為標準規(guī)范體系和網(wǎng)絡信息安全體系，7個基礎層面分別為立體感知層、網(wǎng)絡通信層、基礎資源層、數(shù)據(jù)資源層、應用支撐層、應用業(yè)務層、用戶層。信息化的水利灌溉系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

標準規(guī)范體系是為水利灌溉系統(tǒng)的信息化建設提供體系規(guī)范，保證信息化的水利灌溉系統(tǒng)在符合國家及行業(yè)標準規(guī)范的基礎上，最大限度地提升自動化和智能化程度；網(wǎng)絡信息安全體系是因其采用先進的網(wǎng)絡信息技術，需保證整個智能化系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)安全。7個基礎層面則是面向整個水利灌溉系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，從最底層的數(shù)據(jù)感知采集，再到中間的數(shù)據(jù)傳輸，最后到數(shù)據(jù)的處理、分析、存儲、顯示，所有環(huán)節(jié)的系統(tǒng)搭建是信息化水利灌溉系統(tǒng)正常運行的基本保證，也是實現(xiàn)智慧化水利灌溉工程最基本的建設內容。

3 基礎建設層面

3.1 立體感知層

立體感知層是灌區(qū)智慧管理系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)來源，通過配備先進的水位、流速、流量和環(huán)境傳感器，實現(xiàn)對灌區(qū)的水文水質、雨情、氣象、土壤墑情、工程安全等各類數(shù)據(jù)的監(jiān)測和采集，為灌區(qū)管理局指揮調度中心做出的水文水質報告、配水調度方案、防汛防旱預警等決策報告提供準確的數(shù)據(jù)支撐[5]。

3.1.1水情流量監(jiān)測

針對灌區(qū)內規(guī)劃的水庫及各重點工程樞紐位置設置流量監(jiān)測系統(tǒng)，利用由太陽能設備供電的RTU終端采集單元采集水情信息，將監(jiān)測到的水情流量數(shù)據(jù)通過GPRS/3G/4G通信模塊自動發(fā)送到管理所匯聚，并傳送至管理局存入數(shù)據(jù)庫。灌區(qū)設有水情自動測報系統(tǒng)，其采集的水、雨量信息和水情預報結果也送入系統(tǒng)管理平臺，并存入數(shù)據(jù)庫中[6]。監(jiān)測數(shù)據(jù)包含灌區(qū)水庫、水庫閘門、管道閥門、泵站、各主要渠道的水位和流量數(shù)據(jù)。

3.1.2土壤墑情監(jiān)測

通過在主要灌區(qū)設置土壤墑情采集站點，使用檢測精度不超過實際值±3%范圍的WX-TZSQ30墑情檢測站采集不同地下深度處的土壤信息(以土壤水分和溫度為主)。內置軟件采用CS架構，平臺數(shù)據(jù)支持JavaScript語言接口，可將墑情數(shù)據(jù)反饋到基礎數(shù)據(jù)層，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，同時還對所采集的土壤墑情信息進行處理、分析、統(tǒng)計、存儲和顯示。

3.1.3設備狀態(tài)監(jiān)控

灌區(qū)水庫、總干管渠、泵站等建筑物設置的閘門、閥門、水泵等相關電氣設備是灌區(qū)的主要控制設施，這些控制設備動作比較頻繁，通過以太網(wǎng)交換機連接樞紐各主要設備的PLC現(xiàn)地控制單元，實現(xiàn)設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采集包含各類設備運行狀態(tài)、運行參數(shù)、操作事件、報警事件記錄、趨勢記錄、動作記錄及閘門開度、流量計算、水位等數(shù)據(jù)，對重要工程的調度管理實現(xiàn)遠程監(jiān)測和控制。

3.1.4視頻監(jiān)控

通過在水庫、閘門、重點干渠、管道、土壤墑情采集點等水利灌溉系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)布置室內外視頻監(jiān)控攝像機，采用光纖通信傳輸網(wǎng)絡將數(shù)字視頻圖像傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺的存儲轉發(fā)服務器，利用調度中心內的核心交換機及前端交換機可將各區(qū)域監(jiān)測影像反饋至系統(tǒng)平臺主屏幕，實現(xiàn)實時監(jiān)控灌溉系統(tǒng)各設備的運行狀況、水資源和土壤資源的質量、整體灌溉質量等信息，實現(xiàn)水利灌溉全生命周期內的無人遠程視頻監(jiān)控。

3.2 網(wǎng)絡通信層

該層主要為信息通信網(wǎng)絡物理平臺的建設，基礎架構為由各子系統(tǒng)業(yè)務內網(wǎng)采集基礎數(shù)據(jù)后，通過光纖、GPRS、4G或5G傳輸連接至調度中心各數(shù)據(jù)服務器后，上傳至信息平臺中心網(wǎng)絡，并將最終各應用業(yè)務處理后的信息上傳至對外共享的門戶網(wǎng)絡。

3.3 基礎資源層

基礎資源層為灌區(qū)信息化平臺的物理基礎，包括灌區(qū)調度指揮中心、應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、磁盤陣列、存儲交換機、核心交換機、網(wǎng)絡交換機、網(wǎng)絡路由器、P1.25 2.5m×4m間距LED系統(tǒng)大屏等硬件設備及相關的保障及管理制度。最主要的組成部分是灌區(qū)的調度指揮中心。

灌區(qū)調度中心在充分利用高性能顯示設備、圖像和信號處理技術、網(wǎng)絡技術的基礎上，實現(xiàn)了將水利灌溉各個層面的高度集成，為水利管理部門和基層用戶提供了直觀的交互顯示系統(tǒng)。通過引入先進的智能控制技術，為整個灌溉工程的宏觀監(jiān)控、指揮調度、預測預警等基礎業(yè)務提供了直觀靈活的數(shù)據(jù)顯示界面[7]。

3.4 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層主要包括業(yè)務數(shù)據(jù)庫、中心數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫維護管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要可以實現(xiàn)對各子系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)進行備份，保證數(shù)據(jù)安全性、完整性、一致性；整合系統(tǒng)資源，避免或減少數(shù)據(jù)重復建設，降低數(shù)據(jù)管理成本；對各個監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集中管理，為其他應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)共享條件。

通過數(shù)據(jù)資源層的建設，滿足應用支撐層各功能以及數(shù)據(jù)交換和共享服務的需求，對各業(yè)務應用系統(tǒng)功能提供全面數(shù)據(jù)支撐，對設備監(jiān)控網(wǎng)絡中的相關運行、操作數(shù)據(jù)也以接入數(shù)據(jù)庫的方式進行數(shù)據(jù)處理及保存，最終形成完整的數(shù)據(jù)服務體系[8]。

3.5 應用支撐層

應用支撐層主要由數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)和軟件支撐系統(tǒng)組成，是連接基礎設施和應用系統(tǒng)的橋梁，即是在統(tǒng)一的系統(tǒng)級支撐(如ESB總線)支持下，按照SOA的方式將各應用系統(tǒng)的共性功能進行提煉，形成一組應用級支撐服務組件。通過應用支撐層可以實現(xiàn)基礎設施所采集的數(shù)據(jù)資源在其他應用系統(tǒng)的共享和聯(lián)通，同時還提供了應用系統(tǒng)的運行環(huán)境，保證了整個系統(tǒng)的各層面的信息傳輸共享。

3.5.1數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)

數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)主要是應用支撐平臺、可視化三維引擎、數(shù)據(jù)訪問接口等數(shù)據(jù)層面的基礎架構，是連接基礎設施和各個應用系統(tǒng)的橋梁。數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)的建設可以實現(xiàn)整個水利灌溉系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的傳輸和共享，保證數(shù)據(jù)信息傳輸和共享的及時性和有效性。

數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)的建設還保證了從數(shù)據(jù)采集，到數(shù)據(jù)處理和傳輸，最后到數(shù)據(jù)資源的歸檔整個生命周期的穩(wěn)定性和完整性，是灌溉系統(tǒng)質量評估、決策制定、運行報告等所有運行環(huán)節(jié)的基本支撐，更是保證整個水利灌溉系統(tǒng)信息化建設的基本支撐。

3.5.2軟件支撐系統(tǒng)

軟件支撐系統(tǒng)主要包含信息門戶環(huán)境、BIM+GIS基礎系統(tǒng)、灌區(qū)“一張圖基礎系統(tǒng)”，是承載本工程信息化各項功能的軟件基礎，界面內集成了平臺各類監(jiān)測、監(jiān)控、功能應用、輔助決策及綜合管理服務[9]。

信息門戶環(huán)境基礎以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，利用云計算技術對各類信息進行感知和融合，實現(xiàn)對灌區(qū)基礎信息的采集與處理，工程樞紐測控與仿真，調水及防汛抗旱的決策支持、優(yōu)化調度，以及灌區(qū)管理局的辦公自動化，人事、財務、資料、檔案、權限等基礎管理功能。信息服務平臺可從數(shù)據(jù)庫中調取整合閘門、水泵等水利設施的基礎屬性信息，以及灌渠流量、水位、雨情、墑情、水質、氣象等信息，按系統(tǒng)功能需求對收集整理的數(shù)據(jù)進行篩分組合。并在BIM+GIS技術構建的灌區(qū)“一張圖”模型空間內對各系統(tǒng)分析計算生成的決策服務信息結果在對應工程模型區(qū)域上進行發(fā)布。

以BIM+GIS技術為基礎進行灌區(qū)可視化管理，自動快速定位到指定工程區(qū)域建構筑物等地物設施，查看所有關聯(lián)建筑物的位置、結構、設備的信息和特性，為運行管理部門提供決策數(shù)據(jù)支持。同時，基于BIM+GIS技術集成的三維可視化信息管理系統(tǒng)，即灌區(qū)“一張圖”系統(tǒng)管理界面。用戶可在BIM+GIS模型空間內直觀的進行各類實時監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢，及智能調度功能、防汛抗旱預報功能、輔助決策信息反饋、設備遠程控制功能的操作及控制，提升灌區(qū)調度管理水平。

3.6 應用業(yè)務層

應用業(yè)務層建立在立體感知層、應用支撐層之上，是指在采集了灌區(qū)各類數(shù)據(jù)的基礎上針對灌區(qū)提供各類方便實際工程運維的應用功能。規(guī)劃的智能應用功能將利用采集數(shù)據(jù)并結合平臺及調度中心計算能力對灌區(qū)水資源調度管理、安全監(jiān)測管理、信息化巡檢、防汛抗旱、應急響應、設備遠程控制、水費計收等方面數(shù)據(jù)進行計算分析，提供相關應用功能。同時，各應用功能將整合分析各模塊運算結果；記錄歷史數(shù)據(jù)及同等情況下的處理操作，并結合立體感知實施數(shù)據(jù)，對工程及灌區(qū)狀態(tài)及隱患等級進行預測；主動提示管理人員應進行的操作及采取的措施，以實現(xiàn)輔助決策的應用效果[10]。

3.6.1水資源調度管理

智能調度應用功能可依據(jù)水情流量監(jiān)測、土壤墑情監(jiān)測等獲取的基礎信息進行分析，總結各灌區(qū)的需水用水規(guī)律，實現(xiàn)節(jié)水灌溉的同時，最大限度地提升灌區(qū)經(jīng)濟效益。通過灌區(qū)供水的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，以缺水量最小為目標反饋灌區(qū)需水情況，在對應地理模型位置彈出需水信息；以輸水配水用時最短為目標對當前的輸水配水調度方案進行評估校驗。

調度模擬應用功能，即在BIM+GIS技術構建的三維空間內設定調度方案中包含灌溉時間、閘門開啟孔數(shù)、開啟高度等參數(shù)進行模擬，模擬過程中可對聯(lián)合配水調度方案中某一個或某幾個參數(shù)進行修正，生成新的調度方案，使這些方案更加切合實際，并能存入方案庫。調度方案形成后，可以與系統(tǒng)平臺的閘門自動控制系統(tǒng)結合，將調度方案輸入到水庫、干管渠閘門遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程自動化和智能化調度。

3.6.2安全監(jiān)測管理

通過基礎資源層獲取水利灌溉各環(huán)節(jié)所采集的基礎數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)，做好水情、墑情、泥沙淤積等各方面的匯總和預報工作，針對必要情況及時采用處理措施進行整改，避免安全事故的發(fā)生。由于水利灌溉工程的復雜性，要根據(jù)具體不同的灌溉類型，有針對性地建立針對不同灌區(qū)工程的安全監(jiān)測管理制度。通過分析安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于需要重點監(jiān)測和管理的灌區(qū)，在原有定期監(jiān)管的基礎上，還要進行重點檢查，最大限度的避免安全事故的發(fā)生。

3.6.3灌區(qū)信息化巡檢

根據(jù)灌區(qū)各環(huán)節(jié)的不同特點和需求，灌區(qū)的信息化巡檢包括底層的巡檢系統(tǒng)終端、中間的數(shù)據(jù)通信模塊和后臺管理系統(tǒng)，總體結構如圖2所示。

巡檢系統(tǒng)終端主要面向水利灌溉系統(tǒng)的采集設備、閘門、泵站等系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的具體采集設備；利用移動網(wǎng)絡、GPRS、Wifi、互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸模式實現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)的傳輸，并且通過配備高性能的工作站和服務器，實現(xiàn)對巡檢數(shù)據(jù)的存儲、管理、分析、發(fā)布等處理過程，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性和有效性。

3.6.4防汛抗旱預警

防汛抗旱預警功能主要是在地理信息、雨情、水情、工情、墑情等數(shù)據(jù)的基礎上，運用經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析和智能預測相結合的方式，對汛情和旱情進行模擬預測和風險分析，并針對所出現(xiàn)的汛情或旱情狀況及時提出應急解決方案，為指揮調度部門的精準調度決策制定提供合理的參考依據(jù)。同時汛情或旱情的預報信息還會通過相應的運行管理部門以短信方式下發(fā)至用戶，提前做好應急準備，避免造成用戶的不必要恐慌。

3.6.5應急響應模擬

應急響應模擬系統(tǒng)是針對實際供水灌溉過程中可能出現(xiàn)的突發(fā)事故以及受自然天氣條件影響所造成的汛情和旱情等自然災害事故，根據(jù)實際灌區(qū)的具體數(shù)據(jù)和旱情(或汛情)的歷史數(shù)據(jù)，通過設計系統(tǒng)的模擬功能模塊，對于突發(fā)事故進行模擬預測，分析旱情或汛情的發(fā)展形勢，并根據(jù)具體事故生成有針對性的解決措施和意見，保證整個水利灌溉系統(tǒng)可以順利地面對和解決突發(fā)事故。針對具體的防汛和防旱狀況，及時地制定排水和補水調度方案，保證了調度方案的匹配性、可行性和及時性。該系統(tǒng)功能的建設保證了整個水利灌溉系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定有效的工作。

3.6.6設備遠程控制

設備遠程控制，可在移動終端和電腦終端控制灌區(qū)內的管路和閥門、閘門、水泵等設備。通過對傳感器數(shù)據(jù)的分析和預測，制定不同的控制信號，在云端下發(fā)的任務指令下，實現(xiàn)對智能設備如閥門、水泵、閘門等的遠程控制，避免了工作人員的現(xiàn)場作業(yè)，提高了工作效率，避免了現(xiàn)場操作時安全事故所造成的人員損傷等現(xiàn)象。

圖2 灌區(qū)信息化巡檢系統(tǒng)

3.6.7水費計收管理

水費計收管理應用指利用分布于灌區(qū)現(xiàn)地的智能水表、流量和壓力傳感器、智能閥門等設備實現(xiàn)自動水費計收功能。其中，智能水表是數(shù)據(jù)立體感知層的關鍵設備，主要實現(xiàn)用水量信息的準確采集。

水費計收管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)①遠程計費、繳費；②用水量的實時監(jiān)測；③用水量的智能分析，主要針對用水時間、用水量、用水規(guī)律等內容；④針對供水過程中的供水量、計費、繳費等異常信息，及時報警；⑤綜合信息管理，針對各個供水點的運行信息和數(shù)據(jù)檔案資料進行統(tǒng)一管理。

3.7 用戶層

用戶層主要用于對系統(tǒng)平臺業(yè)務管理、應用管理及移動端應用提供的與用戶交互的個性化的訪問界面以及相應的權限和人員管理，各個運營和管理單位可通過網(wǎng)絡門戶登錄系統(tǒng)，進入相應的工作界面，查看所需信息。

用戶層實現(xiàn)了水利管理單位、運營單位和普通用戶的統(tǒng)一用戶登錄、流程集合、數(shù)據(jù)整合等功能，為各用戶建立了信息監(jiān)測、信息匯集、信息處理的可視化方案，為各環(huán)節(jié)提供簡便的海量數(shù)據(jù)接入連接、云端存儲、大數(shù)據(jù)智慧分析等優(yōu)質服務，實現(xiàn)了水利灌溉系統(tǒng)的多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一、動態(tài)監(jiān)測、遠程計費狀態(tài)顯示、三維分析、預警管理、科學調度、快速應急響應等功能。不僅打破了傳統(tǒng)管理模式下信息的孤島效應，有助于提高調度決策的科學性、準確性、快速性。同時，各部門之間的業(yè)務往來通過線上開展，極大地提高了工作效率，保證了協(xié)同作業(yè)的及時性、有效性和規(guī)范性[11]。

4 結語

(1)云鳳水利灌溉工程的信息化設計，利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡通信、光纖等先進信息技術，打造了一個從基礎到頂層全面智能迅速聯(lián)動的灌區(qū)。但是目前我國水利灌溉工程的信息化建設仍處在起步階段，因為資金、管理因素和對信息化認識不足，灌區(qū)信息化建設基本都停留在紙面上，真正能夠全部實施的較少，距離系統(tǒng)完整的水利灌溉工程信息化目標還有很長的路要走。

(2)本工程進行信息化設計時對當?shù)氐膶嶋H情況和需求的了解還不夠充分，有局限性，建設時還應因地制宜，制定出符合灌區(qū)實際的信息化方案，使云鳳灌區(qū)真正達到智慧化灌溉工程的水平。