水利工程智慧化管理系統(tǒng)設(shè)計探究

葉紀(jì)剛

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，成都，610072)

1 水利工程實行智慧化管理的必要性

1.1 水利工程現(xiàn)狀

我國水利工程多建于20世紀(jì)五六十年代，沒有配置自動化采集控制系統(tǒng)。大型引水工程、水庫目前還普遍存在管理能力與水平相對落后的問題，工程管理和行業(yè)管理仍以開放式管理和手工作業(yè)為主，導(dǎo)致水利工程管理信息雜亂，無法統(tǒng)一管理。各級行業(yè)主管部門難以及時、準(zhǔn)確、全面地了解水利工程運行管理狀況，更無法對現(xiàn)有水資源進(jìn)行科學(xué)調(diào)配。隨著水利工程各級管理單位和用水單位對水利信息要求的日趨提高，建設(shè)水利工程智慧化就顯得非常迫切和必要。水利信息化工程的建設(shè)可以有效提高水利工程管理水平，做到管理水資源科學(xué)化、合理化、實時化、精細(xì)化，做到合理調(diào)配水資源，提高供水安全性，實現(xiàn)供水效益最大化。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，國家對水利信息化提出了更加具體的建設(shè)目標(biāo)和措施。包括水利信息化“十三五”規(guī)劃提出，基本建成國家水利監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對灌溉排水的宏觀管理。同時，2016-2017年度全國冬春農(nóng)田水利基本建設(shè)實施方案提出，因地制宜普及推廣管道輸水等高效節(jié)水灌溉技術(shù)。水利信息化正處于開展水利信息化、現(xiàn)代化、智慧化建設(shè)期，要求基本建成國家水利監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對灌溉排水的宏觀管理；灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.55以上，推廣噴灌、管道輸水等高效節(jié)水灌溉技術(shù)；采用新興信息技術(shù)結(jié)合水利工程精細(xì)化管理需求，打造綠色、生態(tài)、人文、環(huán)保型的智慧水利工程。

1.2 水利工程智慧化建設(shè)的必要性

水利工程智慧化建設(shè)還停留在第一階段和第二階段之間，離“十三五”建設(shè)規(guī)劃中要求的信息化、現(xiàn)代化、智慧化還有比較大的差距，存在的主要問題如下：

(1)缺乏整體規(guī)劃：信息化規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)沒有完整的建設(shè)目標(biāo)和思路，雖然有一些信息化系統(tǒng)，但缺乏統(tǒng)一的管理平臺。

(2)信息化程度低：主要表現(xiàn)在配套建設(shè)不完善，自動化程度低、傳輸手段落后，網(wǎng)絡(luò)承載能力低、量測水手段落后，尚未實現(xiàn)精細(xì)化管理等。

(3)系統(tǒng)運維困難：主要表現(xiàn)在運維資金落實困難，沒有專業(yè)的運維人員，運維水平偏低，設(shè)備正常運行無法保證等。

(4)業(yè)務(wù)管理水平有待提高：主要表現(xiàn)在水利工程還停留在手工控制，眾多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)未數(shù)字化、可視化，管理工作未流程化等。

根據(jù)水利部《全國水利信息化“十三五”規(guī)劃》，以及《2017年水利信息化工作要點》關(guān)于推動“數(shù)字水利”向“智慧水利”轉(zhuǎn)變的總體工作要求，迫切需要進(jìn)行水利工程數(shù)字化、智慧化建設(shè)。

2 智慧化管理系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)與任務(wù)

2.1 建設(shè)目標(biāo)

智慧水利建設(shè)圍繞“物聯(lián)感知、互聯(lián)互通、科學(xué)決策、智能管理”開展，主要目標(biāo)為：

(1)基于現(xiàn)代通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立水位、雨量、水量、水質(zhì)、閘門集中調(diào)控、工程安全監(jiān)測等在內(nèi)的全方位、全過程水利工程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

(2)采用智慧水利平臺架構(gòu)整合各類信息，并以水資源調(diào)配、數(shù)據(jù)挖掘以及移動互聯(lián)等為支撐，完成物理工程與數(shù)字工程的無縫集成。

(3)采用科學(xué)合理的方式組建通信系統(tǒng)構(gòu)架。

(4)整合包括氣象信息、國土信息、農(nóng)業(yè)信息、水文信息等在內(nèi)的多領(lǐng)域數(shù)據(jù)，建設(shè)水利工程調(diào)度管理中心。

(5)建立調(diào)度中心、分中心、現(xiàn)地站的三級管理模式。建設(shè)會商系統(tǒng)和視頻監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建先進(jìn)、快捷、準(zhǔn)確的會商和調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)。

(6)建設(shè)/集成專業(yè)水利工程管理平臺，實現(xiàn)自動化控制、工程建設(shè)管理、防汛預(yù)警等多業(yè)務(wù)智能管理功能。

2.2 建設(shè)任務(wù)

2.2.1 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是水利工程智慧化數(shù)據(jù)的傳輸通道。結(jié)合各區(qū)域通信現(xiàn)狀，可構(gòu)建專網(wǎng)和公網(wǎng)、有線和無線相結(jié)合的方式。充分利用運營商現(xiàn)有資源，在保障通信安全可靠的基礎(chǔ)上，最大程度提高通信效率。

2.2.2 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及控制系統(tǒng)

根據(jù)水利工程實際特點，建設(shè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)覆蓋調(diào)度中心、分中心和各現(xiàn)地站的計算機(jī)廣域網(wǎng)以及局域網(wǎng)；建立計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理體系；建立訪問控制、網(wǎng)段隔離、認(rèn)證授權(quán)、入侵檢測、漏洞掃描和安全評估、病毒防范、安全管理平臺等安全防護(hù)體系；實現(xiàn)工程范圍內(nèi)泵站、閘門和閥門等設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。利用計算機(jī)、通信、自動控制技術(shù)，實現(xiàn)整個工程智能化調(diào)度。

2.2.3 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)包括水文監(jiān)測系統(tǒng)和工程安全監(jiān)測系統(tǒng)。其中水文監(jiān)測系統(tǒng)包括水位、流量、雨量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。水文監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)量測點水位、流量、雨量及水質(zhì)等水文數(shù)據(jù)自動采集和分析，并為泵站、閘門、閥門等設(shè)備聯(lián)合控制提供基本數(shù)據(jù)。工程安全監(jiān)測系統(tǒng)包括水工建筑物安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、分析、處理、預(yù)警等功能。工程安全監(jiān)測系統(tǒng)通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理，能對水工建筑物安全狀態(tài)進(jìn)行整體監(jiān)測，及時對有安全隱患的建筑物進(jìn)行預(yù)警。

2.2.4 視頻系統(tǒng)

(1)圖像監(jiān)視系統(tǒng)主要任務(wù)是實時監(jiān)視泵站、閘門、引水渠道管線以及庫區(qū)環(huán)境等工程關(guān)鍵部位的工作狀況，實現(xiàn)關(guān)鍵部位可視化管理，提高水利工程安全運行水平。

(2)視頻會議系統(tǒng)能實現(xiàn)建設(shè)管理局、直屬管理單位以及相關(guān)部門的視頻會議功能，便于快速會商決策。系統(tǒng)包括中心會場設(shè)備和各分會場的視頻會議終端，利用視頻會議系統(tǒng)，能對應(yīng)急事件進(jìn)行快速了解，通過遠(yuǎn)程會商，大大提高工作效率，有效調(diào)度各方資源，及時處理應(yīng)急事件。

2.2.5 UPS系統(tǒng)

調(diào)度管理中心、分中心(災(zāi)備中心)、管理站、閘站等處，分別設(shè)置UPS系統(tǒng)，為用電設(shè)備供電，保障用電設(shè)備不間斷供電。

2.2.6 應(yīng)用平臺軟件

構(gòu)建統(tǒng)一的智慧水利數(shù)字集成平臺，實現(xiàn)信息采集、傳輸、處理、存儲、交換、挖掘、再利用和信息共享。根據(jù)項目不同的需求及應(yīng)用進(jìn)行模擬、分析和研究，充分完善“一張圖”功能，構(gòu)建符合水利業(yè)務(wù)需求的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，完成水利工程的智慧運行與管理。

3 智慧化管理系統(tǒng)設(shè)計探究

3.1 設(shè)計思路

根據(jù)水利工程運行管理特點，分析研究系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題，以工程業(yè)務(wù)為核心，以全線自動控制為重點，統(tǒng)籌考慮工程運行管理、辦公業(yè)務(wù)要求，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、控制、存儲，做到采集數(shù)據(jù)全面、傳輸及時、控制精準(zhǔn)、信息共享，為調(diào)度決策提供功能強(qiáng)大的支持。充分考慮系統(tǒng)的開放性、可靠性和可維護(hù)性，設(shè)計方案要體現(xiàn)：實用、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)，具有前瞻性和擴(kuò)展性。

3.1.1 分區(qū)分層設(shè)計

根據(jù)水利工程管理的組織機(jī)構(gòu)和調(diào)度控制特點，采用分區(qū)分層設(shè)計。智慧水利系統(tǒng)從業(yè)務(wù)上可分為控制區(qū)、管理區(qū)和外網(wǎng)區(qū)?？刂茀^(qū)主要用于支撐信息采集和自動控制；管理區(qū)主要用于支撐各項業(yè)務(wù)應(yīng)用和工程管理；外網(wǎng)區(qū)主要用于支撐管理部門信息發(fā)布?？刂茀^(qū)、管理區(qū)、外網(wǎng)區(qū)均通過網(wǎng)閘聯(lián)通，既能滿足信息傳輸，又能實現(xiàn)有效隔離。分層從縱向上劃分為：第一層調(diào)度中心、第二層管理站、第三層現(xiàn)地站。其中，第一層調(diào)度中心：對項目范圍內(nèi)的工程設(shè)施集中統(tǒng)一管理、調(diào)度和監(jiān)視；第二層管理站：對管轄范圍內(nèi)的設(shè)施進(jìn)行管理、調(diào)度和監(jiān)視；第三層現(xiàn)地站：水工建筑物安全監(jiān)測、閘站、泵站、放水閥、水雨情、圖像等信息的采集、處理、控制和傳輸。

3.1.2 統(tǒng)一平臺設(shè)計

隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲、硬件平臺、操作系統(tǒng)、不同時期不同來源的數(shù)據(jù)資源共享的問題越來越突出，為了使系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性、擴(kuò)展性、高度的資源共享，避免出現(xiàn)信息孤島，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)采用統(tǒng)一的平臺化設(shè)計思路。計算機(jī)平臺技術(shù)對解決上述問題是行之有效的，面對業(yè)務(wù)需求變化表現(xiàn)出的適應(yīng)性、新應(yīng)用表現(xiàn)出的擴(kuò)展性和資源方面表現(xiàn)出的高度共享，展現(xiàn)出了平臺的強(qiáng)大生命力，同時也驗證了平臺技術(shù)的有效性。

3.1.3 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范是設(shè)計的基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)資源共享、開發(fā)集成、安全運行、更新完善的重要保證。智慧水利系統(tǒng)的建設(shè)、業(yè)務(wù)處理和技術(shù)方案應(yīng)符合國家、地方和行業(yè)有關(guān)信息化標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，數(shù)據(jù)指標(biāo)體系及代碼體系統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化，符合國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.4 開放性設(shè)計

智慧水利系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、硬件平臺、軟件平臺的確定、設(shè)備選型、設(shè)計、開發(fā)都要充分考慮“標(biāo)準(zhǔn)和開放”的原則。參照通用標(biāo)準(zhǔn)，建成開放信息系統(tǒng)，所開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)能與異種數(shù)據(jù)庫交換信息，并保證多種應(yīng)用軟件能在同一操作平臺上兼容。這樣才能保證今后系統(tǒng)升級或者數(shù)據(jù)庫更換時能夠使系統(tǒng)平滑移植到新的環(huán)境。在應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)方面，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的設(shè)計思想，采用面向?qū)ο笤O(shè)計技術(shù)、組件開發(fā)技術(shù)等，保證系統(tǒng)的靈活組裝和擴(kuò)展。在此基礎(chǔ)上建立具有一定靈活性和可擴(kuò)展性的應(yīng)用平臺，使系統(tǒng)不僅在體系結(jié)構(gòu)上保持很大的開放性，同時提供各種靈活可變的接口，系統(tǒng)內(nèi)部也保持相當(dāng)程度的可擴(kuò)充性。

3.2 總體框架

根據(jù)總體方案的基本思路，借鑒目前國內(nèi)外同類系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)采用先進(jìn)的、科學(xué)的信息技術(shù)。設(shè)計系統(tǒng)總體框架，盡可能地避免重復(fù)建設(shè)，為系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)和運行維護(hù)打下堅實基礎(chǔ)?？傮w框架包括五大部分：應(yīng)用平臺軟件、調(diào)度中心、傳輸網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)感知、保障體系。

3.3 系統(tǒng)劃分

3.3.1 應(yīng)用平臺軟件

應(yīng)用系統(tǒng)是管理者直接使用的與業(yè)務(wù)有關(guān)的各子系統(tǒng)集合，主要業(yè)務(wù)應(yīng)用包括：閘門監(jiān)控、水量調(diào)度管理、工程建設(shè)管理、防汛預(yù)警、運行維護(hù)和信息發(fā)布等。上述應(yīng)用系統(tǒng)為不同的應(yīng)用模塊。應(yīng)用模塊的添加、卸載不影響整個軟件系統(tǒng)的運行，為以后的系統(tǒng)維護(hù)和系統(tǒng)擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。

3.3.2 調(diào)度中心

智慧水庫調(diào)度中心建設(shè)主要包括了機(jī)房建設(shè)、支撐平臺建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備和數(shù)據(jù)平臺建設(shè)等內(nèi)容。調(diào)度中心的建設(shè)作為調(diào)度中心的基礎(chǔ)保障，需遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系，結(jié)合水利業(yè)務(wù)的實際需要進(jìn)行建設(shè)。制定一套符合水利業(yè)務(wù)管理需求的標(biāo)準(zhǔn)，包括硬件環(huán)境、軟件平臺環(huán)境、數(shù)據(jù)庫等，方便系統(tǒng)運行和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

3.3.3 傳輸網(wǎng)絡(luò)

傳輸網(wǎng)絡(luò)是在充分估算智慧水利系統(tǒng)各類信息量，分析節(jié)點信息流量的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和公網(wǎng)資源，建立智慧水利通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，將在線監(jiān)測、自動化監(jiān)控、視頻及其他相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用。

3.3.4 物聯(lián)感知

物聯(lián)感知是完成各類信息采集、傳輸、處理等過程中的軟硬件設(shè)備以及運行所需要的實體環(huán)境的有機(jī)結(jié)合，是智慧水利系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。主要包括水文監(jiān)測、閘門控制、工程安全監(jiān)測、圖像監(jiān)視。

3.3.5 保障體系

智慧水庫的保障體系主要包括三個輔助服務(wù)：

(1)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系：為整個系統(tǒng)提供統(tǒng)一的業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理標(biāo)準(zhǔn)。主要體現(xiàn)在智慧水庫系統(tǒng)的建設(shè)、業(yè)務(wù)處理和技術(shù)方案要符合國家、地方和行業(yè)有關(guān)信息化標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，實現(xiàn)數(shù)據(jù)指標(biāo)體系及代碼體系統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化。

(2)信息安全體系：負(fù)責(zé)系統(tǒng)的安全保證。為基礎(chǔ)設(shè)施層、應(yīng)用支撐平臺和應(yīng)用系統(tǒng)平臺提供統(tǒng)一的信息安全服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)信任服務(wù)系統(tǒng)、基本安全防護(hù)系統(tǒng)和故障恢復(fù)等。

(3)運維管理體系：為系統(tǒng)提供性能、日志、監(jiān)控等運行保障。同時，建立科學(xué)有效的融合組織、制度、流程、技術(shù)的IT運維管理體系，將原來對網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、系統(tǒng)、管理者的粗放和分散式管理，過渡到科學(xué)、規(guī)范和專業(yè)化管理，使IT運維管理體系成為系統(tǒng)日常工作的重要組成部分。

3.4 信息安全設(shè)計

對于智慧水利數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全等保的要求，建立主動、開放、有效的信息安全體系，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全狀況可知、可控和可管理，形成集防護(hù)、檢測、響應(yīng)、恢復(fù)于一體的安全防護(hù)體系。

4 結(jié)語

水利是農(nóng)業(yè)的命脈，更是國家的命脈。由于全球氣候變化，可用淡水資源越來越緊缺，未來世界爭奪最激烈的資源，將是淡水資源。我國幅員遼闊，水資源分布極不均勻。科學(xué)管理和調(diào)控現(xiàn)有水資源，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有極其重要的作用。建設(shè)一套科學(xué)、可靠、完善、實用的水利信息化系統(tǒng)，能從根本上解決目前水資源粗放式管理的現(xiàn)狀，做到精細(xì)化、合理化調(diào)配水資源，最大限度提高供水效率，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。目前，水利工程智慧化系統(tǒng)建設(shè)，還沒有相對完善的標(biāo)準(zhǔn)和范本，本文通過武都引水二期工程“智慧武引”信息化工程的實施，對水利工程智慧化系統(tǒng)建設(shè)方案設(shè)計提出了基本框架和構(gòu)想，希望對國內(nèi)同行提供些許借鑒，為我國水利工程智慧化建設(shè)提供參考。