新疆金溝河流域的水利水情自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓 露

(新疆金溝河流域管理局水利管理中心,新疆 沙灣 832100)

信息化技術(shù)的應(yīng)用是提高大型灌區(qū)水資源利用管理效率的必經(jīng)途徑,而要想實(shí)現(xiàn)新疆農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化必須先實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的信息化建設(shè)。位于新疆塔城地區(qū)沙灣縣境內(nèi)的金溝河流域占據(jù)著天然的地緣優(yōu)勢(shì),金溝河流域較為連片集中,但是對(duì)其水資源的管理利用效率卻較為低下,因此,建設(shè)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)就顯得尤為重要[1]。

1 項(xiàng)目背景

金溝河灌區(qū)是新疆棉花和糧食的主要產(chǎn)區(qū),控制灌溉面積達(dá)3.53萬(wàn)hm2,灌區(qū)總面積為7.73萬(wàn)hm2。金溝河引水樞紐位于沙灣縣金溝河上西南方向28 km處,該樞紐雖配有專(zhuān)用電氣設(shè)備,但閘門(mén)啟動(dòng)設(shè)備老化、啟動(dòng)方式老舊,需要人為輔助操作,操作很是不便,存在嚴(yán)重安全隱患,尤其是在惡劣的天氣環(huán)境下,操作極為危險(xiǎn)?；谠O(shè)備更新、安全便捷、信息化建設(shè)等各種因素考慮,該樞紐急需配備安裝一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)金溝河灌區(qū)樞紐的現(xiàn)狀和現(xiàn)實(shí)需求,將建設(shè)一套既集實(shí)時(shí)獲取水情、閘門(mén)運(yùn)行、現(xiàn)場(chǎng)工作視頻等情況,又能快速準(zhǔn)確對(duì)各監(jiān)控閘門(mén)信息進(jìn)行傳輸、發(fā)布和處理的綜合性監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)是建立在自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及量水技術(shù)等基礎(chǔ)上的,最終可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控灌區(qū)的自動(dòng)化操作和管理調(diào)度[2]。

為了日后與上級(jí)部門(mén)和業(yè)務(wù)相關(guān)單位實(shí)現(xiàn)互連互通,該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可擴(kuò)展項(xiàng)目,提前預(yù)留了各類(lèi)互連互通接口,便于日后業(yè)務(wù)拓展或完成更新替代[3]。該系統(tǒng)是由5大部分組成的科學(xué)可靠的實(shí)體環(huán)境運(yùn)行系統(tǒng),組成部分包括:閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、通信及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)和保障系統(tǒng)[4]。

3 平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境

該系統(tǒng)要采用開(kāi)放式、多平臺(tái)系統(tǒng),必須能融合支持64位的多種操作系統(tǒng)平臺(tái),例如Windows、Linux、Unix等,同時(shí)要支持各大主流廠商的硬件,例如HP、IBM、Dell、SUN等。采用B/S架構(gòu)的服務(wù)器類(lèi)型,它的運(yùn)行環(huán)境要支持Linux、Unix或Windows跨平臺(tái)部署,客戶端要求是Linux、Unix或Windows操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)要具有單一代碼庫(kù),要能在不同操作系統(tǒng)下進(jìn)行無(wú)障礙移植能力,同時(shí)要確保在不同操作系統(tǒng)下具有相同的運(yùn)行功能[5]。

4 灌區(qū)綜合信息服務(wù)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

綜合預(yù)警監(jiān)視、綜合查詢分析、灌區(qū)基礎(chǔ)信息管理等內(nèi)容共同組成了金溝河灌區(qū)管理局的綜合業(yè)務(wù)平臺(tái),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)整體情況的自動(dòng)化綜合監(jiān)管,大大提高對(duì)灌區(qū)綜合信息服務(wù)管理的效能和水平[6]。

4.1 綜合預(yù)警監(jiān)視

綜合預(yù)警監(jiān)視可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)雨情、水情、災(zāi)情、水質(zhì)、設(shè)備工作情況的實(shí)時(shí)監(jiān)視,它可以通過(guò)將監(jiān)視到的信息進(jìn)行圖形或圖表GIS技術(shù)處理,進(jìn)而清晰地顯示出預(yù)警區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象的空間分布情況,監(jiān)控人員通過(guò)對(duì)GIS圖的分析研判,可以準(zhǔn)確查詢監(jiān)測(cè)對(duì)象的詳細(xì)信息。同時(shí)綜合信息預(yù)警監(jiān)視體系將應(yīng)用平臺(tái)的報(bào)警服務(wù)組件融入其中,當(dāng)監(jiān)測(cè)對(duì)象有異常時(shí),它將以警報(bào)、亮燈、圖形或手機(jī)短信等形式進(jìn)行報(bào)警警告,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了將預(yù)警信息查詢、預(yù)警監(jiān)視服務(wù)、預(yù)警處理分析、信息發(fā)布和服務(wù)等多層次需求融為一體的便捷高效服務(wù)體系。

4.2 綜合查詢分析

監(jiān)測(cè)控制人員實(shí)現(xiàn)快速、全面、準(zhǔn)確地對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析,是建立在以數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的綜合信息查詢分析模塊基礎(chǔ)上的。它是將電子地圖和遙感影像圖作為背景,通過(guò)對(duì)不同條件下需要查詢和分析數(shù)據(jù)的組合進(jìn)行直觀形象、全面準(zhǔn)確地展示,進(jìn)而將信息查詢和分析進(jìn)行科學(xué)整合的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)成果。

查詢方式和輸出服務(wù)分析方式可謂是多種多樣,它可以根據(jù)不同用戶的不同需求進(jìn)行針對(duì)性地點(diǎn)選。查詢方式方面,可以是單一限定條件的查詢,也可以多個(gè)限定條件的組合來(lái)精準(zhǔn)查詢,例如對(duì)某一行政區(qū)域的查詢,可以在GIS圖形上進(jìn)行點(diǎn)選定位,也可以直接搜索行政區(qū)域名稱(chēng)。

服務(wù)手段輸出方式方面主要有3種方式:①以曲線、示意圖、柱狀圖等比較圖方式進(jìn)行輸出,同時(shí)支持提交超文本類(lèi)型;②以圖像、視頻、動(dòng)態(tài)影像、文字的方式進(jìn)行輸出;③以GIS矢量圖的形式進(jìn)行輸出,可使用戶詳細(xì)了解監(jiān)測(cè)地的水資源信息。上述列表查詢內(nèi)容均可以導(dǎo)出Excel格式的文件,便于用戶編輯使用。

灌區(qū)的綜合信息平臺(tái)是由工情信息、灌區(qū)水情、地下水信息,系統(tǒng)功能菜單,值班與巡檢,實(shí)時(shí)監(jiān)視,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)首頁(yè),灌區(qū)一張圖,業(yè)務(wù)報(bào)表,三維展示,量測(cè)水管理,灌區(qū)信息,水費(fèi)計(jì)收等11個(gè)模塊組合而成,它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)輸排水、配水等數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集,同時(shí)可以統(tǒng)計(jì)匯總閘門(mén)位置、水流量、流速及設(shè)備運(yùn)行情況。

4.3 首頁(yè)

灌區(qū)綜合信息平臺(tái)的首頁(yè)主要用來(lái)展示工作計(jì)劃、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)、數(shù)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置,通過(guò)對(duì)列表數(shù)據(jù)的點(diǎn)擊,可以查看該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位及水流量過(guò)程線,以及查看監(jiān)測(cè)站點(diǎn)詳細(xì)數(shù)據(jù)信息。

4.4 灌區(qū)一張圖

灌區(qū)一張圖是將航拍的數(shù)字地形、正射影像圖和高程模型在GIS商業(yè)軟件上進(jìn)行合成后形成灌區(qū)底圖,在底圖基礎(chǔ)上疊加灌區(qū)監(jiān)測(cè)站、河流分布、水利基礎(chǔ)設(shè)施等要素。一張圖的首頁(yè)左側(cè)主要顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊、工程檢索模塊及視頻監(jiān)控模塊,右側(cè)設(shè)有各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的詳細(xì)信息。一張圖底部三角按鈕,可顯示查看報(bào)警待處理信息,點(diǎn)擊該按鈕可消除、確認(rèn)和定位報(bào)警具體位置,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況發(fā)出報(bào)警警報(bào),并實(shí)時(shí)推送報(bào)警信息。

4.5 灌區(qū)水情

灌區(qū)水情系統(tǒng)主要功能有:顯示流量水位過(guò)程線、對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行管理、顯示多站點(diǎn)的水位過(guò)程線及對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)送。在測(cè)點(diǎn)信息管理模塊上面的查詢處,可以根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的名稱(chēng)和種類(lèi)進(jìn)行查詢,從而顯示出監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的列表信息,可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息進(jìn)行修改,還可以詳細(xì)查詢監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息。而實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊的作用是監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)、超越界限情況,同時(shí)對(duì)預(yù)警信息的次數(shù)、發(fā)生異常的數(shù)量、在線離線數(shù)量進(jìn)行顯示。

4.6 業(yè)務(wù)報(bào)表

業(yè)務(wù)報(bào)表主要包括灌區(qū)報(bào)表和水雨情報(bào)表,其中灌區(qū)報(bào)表是用來(lái)顯示金河溝灌區(qū)各方位、各時(shí)間段的流量、水位和雨量狀況的模塊,其主要是由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、渠道月流量報(bào)表、水情月報(bào)表、逐日流量登記表、渠道水情年報(bào)表、城鄉(xiāng)供水用水表等組成;水雨情報(bào)表則是由水位日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、流量數(shù)據(jù)檢索、逐日時(shí)段水情匯總、逐日水情匯總表、水情報(bào)表上傳、庫(kù)容流量日?qǐng)?bào)表、逐日平均流量表等組成,其主要作用是展示灌區(qū)的各方位、各時(shí)間段的流量、雨量、水位狀況信息。

4.7 量測(cè)水管理

灌區(qū)量測(cè)水管理主要包括對(duì)資料的整理編輯、流量的測(cè)算、數(shù)據(jù)錄入、關(guān)系曲線的擬合、停水的處理等功能。其中關(guān)系曲線擬合主要是利用采集的真實(shí)水位流量數(shù)據(jù)套入計(jì)算公式后生成的關(guān)系曲線。按照每1 cm分布一個(gè)水位值的密度對(duì)曲線進(jìn)行擬合,并采用公式推導(dǎo)和檢驗(yàn)偏差的方式,對(duì)一些計(jì)算出異常偏離的點(diǎn)進(jìn)行剔除。由于在不同渠道、不同時(shí)間段的灌區(qū)內(nèi),水位、泥沙量、流量都不盡相同,因此用戶會(huì)有多種渠道曲線的選項(xiàng)來(lái)選擇合適的曲線。

4.8 灌區(qū)大數(shù)據(jù)可視化

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)就是目前的數(shù)據(jù)組成,關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)還可以擴(kuò)展成為地理空間數(shù)據(jù)的組織管理,也可以加上文件存儲(chǔ)方式的組織管理成為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或者半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。但是現(xiàn)有架構(gòu)下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和處理存在很多短板,所以在對(duì)水利大數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和應(yīng)用時(shí),一定要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)匯集及應(yīng)用四個(gè)方面包含在水利大數(shù)據(jù)建設(shè)中(見(jiàn)圖1)。

圖1 大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與服務(wù)建設(shè)架構(gòu)

4.8.1 數(shù)據(jù)匯集

數(shù)據(jù)匯集主要是針對(duì)來(lái)源不同的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集匯總,其中主要包括其他系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、上報(bào)采集數(shù)據(jù)及與其他領(lǐng)域交換得到的數(shù)據(jù)。其他系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)主要包含定時(shí)不定時(shí)接入的其他水利業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù);上報(bào)采集數(shù)據(jù)主要包括實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),設(shè)備直接接入數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器定時(shí)不定時(shí)發(fā)回的數(shù)據(jù);其他領(lǐng)域交換數(shù)據(jù)主要包括氣象、國(guó)土、林草等其他行業(yè)領(lǐng)域的與水利業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)。

4.8.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

關(guān)系型數(shù)據(jù)與分布式文件系統(tǒng)的有機(jī)融合支撐起了水利大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能,組成了水利大數(shù)據(jù)架構(gòu)。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)是用來(lái)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)的、結(jié)構(gòu)化檢測(cè)及元數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)處置數(shù)據(jù)的;分布式文件系統(tǒng)則用來(lái)存儲(chǔ)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)等半結(jié)構(gòu)和非機(jī)構(gòu)化數(shù)據(jù)的。當(dāng)然,兩種存儲(chǔ)方式并非獨(dú)立無(wú)聯(lián)系的,而是可以通過(guò)裝載工具或抽取數(shù)據(jù)來(lái)相互轉(zhuǎn)換的。而在水利大數(shù)據(jù)架構(gòu)中,元數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)具有更高的實(shí)用性和更廣的適用度,它可以對(duì)所有的結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)界限定義和描述。

4.8.3 數(shù)據(jù)處理分析

對(duì)水利大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,需要同時(shí)將數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析在云計(jì)算技術(shù)下進(jìn)行計(jì)算分析。一般情況下,存儲(chǔ)在元數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量水利數(shù)據(jù),可以利用spark、hive、Phoenix等體系進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算。對(duì)于需要實(shí)時(shí)顯示的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可以利用sparkstrea ming計(jì)算工具快速處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)處理監(jiān)控視頻、實(shí)時(shí)生成預(yù)警調(diào)度方案等。

4.8.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用

水利大數(shù)據(jù)的應(yīng)用十分廣泛,可以通過(guò)對(duì)用戶和相關(guān)數(shù)據(jù)的分析研判,智能敏銳地獲取用戶最關(guān)心、最感興趣的指標(biāo)數(shù)據(jù);也可以利用水利一張圖,簡(jiǎn)潔而直觀地向用戶展示各類(lèi)實(shí)時(shí)的和歷史的數(shù)據(jù)、信息、預(yù)報(bào)等信息結(jié)果,從而幫助用戶作出科學(xué)合理的決策;還可以開(kāi)發(fā)出運(yùn)維監(jiān)控、評(píng)估測(cè)報(bào)等水利方面的應(yīng)用管理,以及為防汛抗旱、航行航運(yùn)、水資源管理優(yōu)化、農(nóng)業(yè)灌溉等多方面提供高效的通用性服務(wù)或者是開(kāi)發(fā)針對(duì)性的定制型服務(wù)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,水利行業(yè)的智能化已成為當(dāng)前發(fā)展的必然趨勢(shì),并正在逐步實(shí)施。本文以新疆金溝河流域引水樞紐工程為實(shí)例,詳細(xì)探討了水利水情自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用要點(diǎn),為水利部門(mén)及時(shí)了解水情信息,提早做好防洪措施提供了數(shù)據(jù)支撐;同時(shí),隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的投入使用,大大節(jié)省了人力資源,充分發(fā)揮了其科技優(yōu)勢(shì)。