基于信息化技術的智慧水利應用及其發(fā)展研究

馮海軍

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

在水利科技水平日益提升的背景下，智慧水利的應用范圍不斷拓展。智慧水利的有效應用，不僅可以優(yōu)化水利調度模式，降低水治理成本支出，而且可以提高險情應急管理效率。信息化技術是智慧水利應用主要支撐技術，關乎智慧水利的應用效果。因此，探究基于信息化技術的智慧水利應用發(fā)展具有非常重要的意義。

1 基于信息化技術的智慧水利應用架構

以信息化技術為基礎建立的智慧水利應用架構包括智能數(shù)據(jù)感知、智能研讀判斷、智能控制管理、智能展示體系等模塊，總體架構如圖1 所示。

由圖可知，在智能感知錄入數(shù)據(jù)的基礎上，智能研讀判斷模塊可以進行數(shù)據(jù)分析并下達智能決策，進而從智能控制、智能管理2 個方面優(yōu)化控制，確保運行安全，最終三維綜合展示智能成果[1]。

2 基于信息化技術的智慧水利應用功能

2.1 智能數(shù)據(jù)感知

基于信息化技術的智慧水利感知需要借助生產(chǎn)設備、智能儀表、智能儀器、智能攝像機或其他感知設備，智能采集電氣設備（變壓器參數(shù)、直流系統(tǒng)參數(shù)、用電設備參數(shù)）、閘門（開度、開關量、水草密度）、主機組（開關量、溫度、振動、噪聲、電量、葉片角度）、清污機（水位、拉力、開關量、閥門開度）、水工建筑物（水位、流量、消防、安全）、輔機設備（氣系統(tǒng)參數(shù)、排水系統(tǒng)參數(shù)）信息。

2.2 智能研讀判斷

智能研讀判斷主要是在智能數(shù)據(jù)感知的基礎上，預先估測泵站狀態(tài)，并根據(jù)估測結果發(fā)出預警。同時從調度運行、安全運行、節(jié)能環(huán)保、高效運行等視角，推測主機、配套設備、變電站、通用設備運行情況，為設備運行管理提供依據(jù)。比如，研讀判斷主機組電量、擺動、效率、葉片角度、溫度、開關量等數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)趨勢，預先估測主機組故障概率并發(fā)出警報。

2.3 智能控制

智能控制主要是根據(jù)預先研讀判斷結果，進行主機組、變配電、通用設備、輔機設備的控制管理。其中主機組智能控制主要是智能調節(jié)主機組葉片角度，實現(xiàn)主機組一鍵開停機，同時基于嵌入式芯片與智能高科技控制器智能控制勵磁變壓器；變配電智能控制主要是基于智能控制硬件實現(xiàn)變壓器智能投切；通用設備智能控制主要是根據(jù)采暖通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)相關智能研讀判斷結果實現(xiàn)照明、采暖通風與濕度的遠距離監(jiān)控、實時調節(jié)；輔機設備智能控制主要是根據(jù)供排水泵、閘門與清污機研讀判斷參數(shù)，實現(xiàn)泵站排水泵、供水泵、閘門、清污機自適應運行。

以閘門智能控制為例，基于信息化技術的智慧水利可根據(jù)實時感知的潮水位置進行定流量、定水位或定開度模式下的精準調度。在判斷為漲潮狀態(tài)且上游水位上穿下游水位線10 min 后發(fā)出具備自動開閘提示，確認開閘條件1 min 后播放開閘提示語音，并依據(jù)最大引水流量500 m3/s 的標準自動計算閘門開閘高度。進而發(fā)出自動開閘提示，經(jīng)操作者確認自動開閘提示無誤后，完成自動開展。

2.4 智能展示

智能展示包括全景漫游、一體化平臺、三維可視化、手機軟件等，可以對整個泵站進行全過程展示。其中全景漫游主要是在3D Max 軟件系統(tǒng)內根據(jù)機組差異設置若干模塊，并經(jīng)Premiere、osg 軟件進行泵房系統(tǒng)技術具象化顯示；一體化平臺主要是在統(tǒng)一的平臺中集成輔機、變配電、主機組、通用設備與運行管理、通用業(yè)務，向管理者提供統(tǒng)一接口，推動水利管理閉環(huán)；三維可視化主要是構建智能泵站主機組、輔機設備、電氣設備、通用設備的虛擬三維模型，以多場景疊加的形式，顯示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)管理提供支持；手機軟件是以移動智能設備為載體，全天候、全時段監(jiān)測泵站重要水情、工情與組織管理信息，在水位超出限定值時將信息發(fā)送至管理者移動智能終端，便于及時解除險情。

3 基于信息化技術的智慧水利發(fā)展前景

3.1 數(shù)據(jù)資源整合

在數(shù)字水利實施進程中，水利工程數(shù)據(jù)日益增長，但因當前并未形成適用于水利工程各子系統(tǒng)的異構數(shù)據(jù)格式規(guī)范，導致孤島效應持續(xù)存在，阻礙了智慧水利進程?；诖耍磥淼闹腔鬯梢越柚畔⒒夹g消除數(shù)據(jù)資源整合壁壘，構建高效率、便捷化海量數(shù)據(jù)共享框架，為水利工程建設時期、運行維護時期與重新建設時期的智慧化發(fā)展提供充足數(shù)據(jù)支持。作為數(shù)據(jù)支持層的重要組件，異構數(shù)據(jù)庫是在同種、異種類型數(shù)據(jù)庫內均可實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合共享的數(shù)據(jù)庫，智慧水利異構數(shù)據(jù)庫設計數(shù)據(jù)類型為水庫、閘壩、水情、雨情、墑情、河流等。

在未來異構數(shù)據(jù)庫構建時，首先，可以面向對象數(shù)據(jù)模型，組建非冗余有序管理框架，以對象為劃分屬性，收集已有水利分散數(shù)據(jù)，并在初步分類過程中進行數(shù)據(jù)補充。其次，進行數(shù)據(jù)解耦，抽取對象，統(tǒng)一編碼，形成新舊數(shù)據(jù)資源整合編碼，并建立標準化對象標識。再次，根據(jù)已建立標識，逐類擴展業(yè)務屬性，并經(jīng)空間要素表達對象空間信息。最后，掛接對象與對象之間的空間關系（依賴或相關），經(jīng)關鍵詞表示，并將已掛接關鍵詞的對象遷移到數(shù)據(jù)庫?；谛畔⒒夹g的智慧水利異構數(shù)據(jù)庫屬性表如表1所示。

表1 基于信息化技術的智慧水利異構數(shù)據(jù)庫屬性表（局部）

在后續(xù)基于信息化技術的智慧水利數(shù)據(jù)資源共享過程中，可以進行平臺數(shù)據(jù)庫、業(yè)務數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫的關聯(lián)建設，為平臺數(shù)據(jù)庫內角色、組織、日志信息與業(yè)務數(shù)據(jù)庫內水資源配置、日常巡檢信息以及基礎數(shù)據(jù)庫內水系基本信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫內水情雨情監(jiān)測信息、空間數(shù)據(jù)庫內基礎地理空間信息共享提供依據(jù)[2]。

3.2 實現(xiàn)最優(yōu)調水

最優(yōu)調水是基于智慧水利水文信息化監(jiān)測的調水模式，也是智慧水利應用發(fā)展的主要趨勢。針對平原河網(wǎng)匯水區(qū)因污染物質蒸發(fā)而形成的斷面水質急劇下降問題，可以智慧水利的水文信息化監(jiān)測為抓手，實時收集水位信息、水環(huán)境、潮位與水質、閘門信息，經(jīng)云數(shù)據(jù)分析策劃最優(yōu)調水方案。調水方案實施前，關閉閘門，經(jīng)河道水質監(jiān)測系統(tǒng)研讀判斷水質，確定污染物與閾值偏差，在污染物與閾值偏差較小時，關閉節(jié)制閘，開啟擋潮閘，排空河道內水源；反之則進行相鄰河道水質的研讀判斷，確保全部河道水質均達到標準要求。

在正式調水過程中，經(jīng)智慧水利河道水質監(jiān)測系統(tǒng)選定需執(zhí)行調水程序的河道，在下午17：00 到次日早08：00 之間進行自動調水。即在下午17：00 由智慧水利河道水質監(jiān)測系統(tǒng)遠程開啟閘門，調水過程與前期預先排水過程相對應，實時借助水質監(jiān)測系統(tǒng)研讀預判，在發(fā)現(xiàn)水質不達標問題的第一時間關閉閘門，反之則在次日早08：00 關閉閘門，結束調水。通過基于信息化技術的智慧水利應用，可以改善河道水質，為河道生態(tài)系統(tǒng)恢復提供充足支持。

3.3 水旱災害防御

在信息化多元化的時代，多元信息融合、集合預報、數(shù)據(jù)同化等技術得到了長足發(fā)展，數(shù)據(jù)驅動逐漸代替經(jīng)驗驅動，為智慧水利在水旱災害防御中的應用提供了充足支撐。

首先，智慧水利可以依托已有天空地一體感知網(wǎng)，落實駐巡結合新模式[3]。即在智慧平臺內集成若干巡測片區(qū)自動雨情水情監(jiān)測站點，借助側掃雷達、三維激光掃描儀、測雨雷達、無人機搭載水質監(jiān)測設備等現(xiàn)代化設備，感知水文、大氣、地形信息。

其次，以遙測數(shù)據(jù)庫、水利專線網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、實時水情庫為支撐，實時接入標準化墑情、水文、水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)。并借助Digital Twin（數(shù)字孿生）技術，構建一個與現(xiàn)實水利物理實體完全一致的虛擬映射，反映對應水利實體（渠道、水電站、水庫、河湖、閘門、泵站、水廠等）整個生命周期，挖掘相關水利要素之間聯(lián)系，為水旱災害防御決策提供支持。

最后，在智慧水利終端整合水利多維業(yè)務模型（洪水業(yè)務、干旱業(yè)務、水利工程安全運行業(yè)務），一站式監(jiān)測水情雨情、業(yè)務處理進度、設備工況、站點運行狀態(tài)等信息，自動形成電子記錄，規(guī)避錯誤、延遲、遺漏問題。并以GIS（地理信息系統(tǒng)）一張圖為核心，覆蓋全國省市縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)，配合圖表展示，精準分析防汛形勢與洪災風險，同時展示水庫特征值，為水庫調度決策提供依據(jù)。同時針對險情下庫容曲線計算結果、壩前水位趨勢分析、出入庫流量與洪水演進情況，短時間內編制應急方案，降低險情危害。

3.4 數(shù)據(jù)超級運行計算

當前智慧水利建設中涉及的空間位置數(shù)據(jù)具有復雜、來源多樣的特征，傳統(tǒng)實物ID 管理（河湖影像數(shù)據(jù)集合表達水面遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)）手段存在應用效率低、管理不清晰、查詢困難等問題?；诖耍磥淼闹腔鬯梢越柚倍肪W(wǎng)格位置編碼與北斗時間剖分編碼手段，形成空間唯一標識后將空間剖分理念延伸到時間領域，完成空間維度、時間維度的同時離散數(shù)字化，滿足智慧水利下水利業(yè)務精準管理、高效查詢、可視操作需求。

北斗網(wǎng)格位置編碼與北斗時間剖分編碼手段是GeoSOT 網(wǎng)格理論體系的具象表現(xiàn)，具有多尺度、離散化特點，可以實現(xiàn)全球多尺度區(qū)域位置標識，促使一個整型數(shù)格式代替度分秒表達一個域位置，如某地區(qū)經(jīng)度為29°57′21.75″，緯度為9°4′23.24″，北斗碼為N32GJNB7F3523，便于智慧水利在短時間內聚焦重點區(qū)域。在智慧水利資源數(shù)據(jù)北斗網(wǎng)格編碼時，首先需要貫徹唯一性、簡潔性、可實施性、規(guī)范性、完備性原則，以地球立體網(wǎng)格技術為支撐，進行32 級立體網(wǎng)格設置。其中基于經(jīng)緯度坐標的地球立體空間內與原點重合的512°方格可定義為0 級網(wǎng)格，代表全部地球立體空間；在0 級網(wǎng)格的基礎上八等分，大小為256°的網(wǎng)格可定義為1 級網(wǎng)格；在1 級網(wǎng)格的基礎上八等分，大小為128°的網(wǎng)格可定義為2 級網(wǎng)格。隨后依據(jù)同等八叉樹規(guī)律進行網(wǎng)格擴展。

其次，借助二維網(wǎng)格碼、標識符、高程編碼形式，完成智慧水利資源數(shù)據(jù)通用網(wǎng)格標識碼編制。編碼總長為96 bit，標識符為0～1 之間的數(shù)值。在標識符為0 時，高程編碼總長為15 bit，應用高程信息為真實信息，需要以北斗網(wǎng)格碼第5 層網(wǎng)格為劃分節(jié)點，以北斗網(wǎng)格碼第8 層網(wǎng)格為截止節(jié)點；在標識符為1 時，高程編碼應用高程信息為樓層數(shù)值。

再次，利用一列數(shù)據(jù)標識碼，關聯(lián)水利資源數(shù)據(jù)與空間區(qū)域位置。同一個空間尺度下，空間區(qū)位相鄰的數(shù)據(jù)記錄也處于關聯(lián)狀態(tài)。如空間直六面體大邊尺寸大于2 000 m 時，北斗網(wǎng)格碼層為4，網(wǎng)格大小為1′，對應赤道周邊尺度為2 000 m；空間直六面體大邊尺寸大于128 m 但小于2 000 m 時，北斗網(wǎng)格碼層為5，網(wǎng)格大小為4″，對應赤道周邊尺度為128 m。

最后，生成二維GIS 數(shù)據(jù)網(wǎng)格圖與影像數(shù)據(jù)網(wǎng)格圖，影像數(shù)據(jù)網(wǎng)格圖內編碼唯一，是水利數(shù)據(jù)一本賬（水文水資源數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測站點數(shù)據(jù)、水利工程數(shù)據(jù)）的基礎。后續(xù)可利用關聯(lián)數(shù)據(jù)帶有的GeoSOT 區(qū)位編碼標識文件以列表形式快速查詢編碼數(shù)據(jù)，為智慧水利資源數(shù)據(jù)高效率處理、分發(fā)、查詢、交換提供充足支持。進而以北斗網(wǎng)格的數(shù)據(jù)底座、長時序監(jiān)測管理為核心，實現(xiàn)水利數(shù)據(jù)的超級運行計算，如根據(jù)汛情發(fā)生規(guī)律提前預警，真正發(fā)揮智慧水利在提升水利行業(yè)公共服務能力方面的作用。

4 結束語

綜上所述，基于信息化技術的智慧水利是提高水利管理水平的有效手段，可以滿足水利工程高效率管理需求。因此，應以智能數(shù)據(jù)感知、智能研讀判斷、智能控制管理、智能展示組成的架構為基礎，全面規(guī)劃智慧水利應用功能。同時根據(jù)信息化技術在智慧水利中的應用現(xiàn)狀，逐步推進最優(yōu)調水、數(shù)據(jù)資源共享功能優(yōu)化，為智慧水利應用范圍進一步拓展提供充足支撐。