南水北調(diào)東線工程防汛及運(yùn)行管理新技術(shù)應(yīng)用的探索研究

于 茜

（中國南水北調(diào)集團(tuán)東線有限公司，北京 100053）

1 東線工程應(yīng)用新技術(shù)的必要性

南水北調(diào)東線工程作為復(fù)雜的跨流域跨區(qū)域多功能綜合輸水系統(tǒng)，點(diǎn)多線長、涉及的行政區(qū)域廣，跨越長江、淮河、黃河、海河四大流域，除山東境內(nèi)渠道工程外，大部分利用開放式河道輸水，防汛管理工作復(fù)雜。近些年由于全球氣候變化加劇，東線工程沿線洪水災(zāi)害防御形勢異常嚴(yán)峻，汛期不僅突發(fā)性洪水總量大，而且極易遭受臺(tái)風(fēng)侵襲，安全度汛和運(yùn)行管理工作面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的新技術(shù)被應(yīng)用到防汛搶險(xiǎn)和運(yùn)行管理工作中，不僅可以增強(qiáng)防汛保障能力，確保工程安全運(yùn)行，更有利于在搶險(xiǎn)過程中確保人員的生命安全[1，2]。

2 新技術(shù)的研究思路和目標(biāo)

2.1 東線工程防汛及運(yùn)行管理需求分析

東線工程防汛管理對新技術(shù)的主要需求是做好“事前”洪水災(zāi)害監(jiān)測防范工作，和“事中”的突發(fā)事件應(yīng)急處置工作，包括水情、氣象監(jiān)測，人員、物資輸送，通信及應(yīng)急指揮等，通過借助信息化手段，力求洪水災(zāi)害處于可控狀態(tài)，確保工程安全度汛。運(yùn)行管理對新技術(shù)的主要需求包括護(hù)坎及壩體、渠道及保護(hù)區(qū)、水下工程結(jié)構(gòu)、水質(zhì)的巡查需求，重要工程節(jié)點(diǎn)泵站和穿黃工程等的檢修需求，以及運(yùn)行管理信息化系統(tǒng)建設(shè)需求等。

2.2 研究思路

在確保“穩(wěn)”的工作基礎(chǔ)上，嘗試擺脫水利專業(yè)的固有思維，結(jié)合航空、航天、測繪、遙感等其他領(lǐng)域新技術(shù)，借鑒電力巡線、石油管道巡檢等其他行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，形成能落地、能推廣的東線工程防汛及運(yùn)行管理新方法。

2.3 研究目標(biāo)

通過探究新技術(shù)、新手段、新裝備在東線工程中的應(yīng)用，借鑒其他行業(yè)先進(jìn)運(yùn)行管理方法和經(jīng)驗(yàn)，提供防汛及工程運(yùn)行管理建議，力求以更為可靠、高效的方式確保工程安全、供水安全和水質(zhì)安全。

3 主要新技術(shù)應(yīng)用分析

對于南水北調(diào)東線工程防汛工作來說，衛(wèi)星云圖是監(jiān)視預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)和暴雨發(fā)生、發(fā)展的強(qiáng)有力工具，尤其是監(jiān)視臺(tái)風(fēng)的發(fā)生、發(fā)展，追蹤其移動(dòng)的路徑軌跡；分析形成暴雨的天氣尺度、云系特征及形成暴雨的各種條件，估計(jì)降雨強(qiáng)度；以及對局地生成的降雨云團(tuán)進(jìn)行跟蹤、分析，判斷其形成暴雨的可能性及其降雨范圍。在南水北調(diào)東線工程中，主要應(yīng)用氣象衛(wèi)星對汛期的氣象態(tài)勢整體監(jiān)測，地球資源衛(wèi)星對水體、水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。

對于南水北調(diào)東線工程運(yùn)行管理工作來說，引入無人機(jī)平臺(tái)搭載視頻監(jiān)視等新技術(shù)能夠幫助確定排水不暢區(qū)域，搭載地質(zhì)雷達(dá)對淤積情況進(jìn)行監(jiān)測；南水北調(diào)工程中應(yīng)用巡檢機(jī)器人可以幫助實(shí)現(xiàn)泵站機(jī)房運(yùn)維的智慧化管理，減輕目前工作方式的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高泵站機(jī)房運(yùn)維工作的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，為機(jī)房安全運(yùn)行及泵站安全提供更強(qiáng)有利的保障；同時(shí)采用巡檢機(jī)器人與無人機(jī)配合對渠道及保護(hù)區(qū)的日常巡查，巡檢機(jī)器人主要排查近距離的重點(diǎn)區(qū)域，可以提高巡查效率和準(zhǔn)確性。

經(jīng)分析研究，針對東線工程防汛及應(yīng)急管理需求，可應(yīng)用的新技術(shù)主要包括：3 個(gè)智能平臺(tái)，分別為無人機(jī)、機(jī)器人、無人船；1 個(gè)專業(yè)體系，為航空應(yīng)急救援體系；11 項(xiàng)新技術(shù)或新設(shè)備，分別為：遙感衛(wèi)星、激光流量監(jiān)測、氣象觀測站、地質(zhì)雷達(dá)、激光雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)、視頻監(jiān)控、無線圖像傳輸、電子圍欄、可見光相機(jī)裝置、側(cè)掃聲吶和多波束探測等。

4 東線工程的新技術(shù)研究方案

經(jīng)調(diào)研東線工程防汛和工程運(yùn)行管理現(xiàn)狀，重點(diǎn)針對工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵部位的安全運(yùn)行、日常維護(hù)、檢修、大修及應(yīng)急處置等防汛及運(yùn)行安全問題提出新技術(shù)應(yīng)用建議，進(jìn)一步提高防汛及工程運(yùn)行管理水平、加強(qiáng)安全監(jiān)管能力、提高日常管理和應(yīng)急處置效率。研究方案充分考慮跨行業(yè)跨學(xué)科領(lǐng)域交叉，結(jié)合水利和航空先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)了“天空地立體協(xié)同監(jiān)測”系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、通用航空應(yīng)急救援系統(tǒng)以及綜合數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)。

4.1 天空地立體協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)

綜合考慮南水北調(diào)東線工程防汛及運(yùn)行管理技術(shù)需求和新技術(shù)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了“天空地立體協(xié)同監(jiān)測”系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)監(jiān)測手段，天空地互為補(bǔ)充，極大提高了監(jiān)測的精確性和時(shí)效性。系統(tǒng)包括天基監(jiān)測、空基監(jiān)測、地基監(jiān)測3 個(gè)部分，最后所有監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集到綜合數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)的融合處理分析，進(jìn)行態(tài)勢分析、預(yù)警，為主管部門提供指揮決策輔助。

天基監(jiān)測：主要利用氣象衛(wèi)星和資源衛(wèi)星，對東線工程全線整體氣象、水情和水質(zhì)進(jìn)行宏觀監(jiān)測；如采用使用氣象衛(wèi)星，對工程全域氣象進(jìn)行預(yù)測，利用高光譜遙感衛(wèi)星對河道流域進(jìn)行態(tài)勢感知分析等。

空基監(jiān)測：基于無人機(jī)的應(yīng)用，采用無人機(jī)和人工相結(jié)合的方式開展工程巡檢工作，搭載激光雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)、可見光相機(jī)裝置、無線圖像傳輸?shù)刃略O(shè)備，以提高日常養(yǎng)護(hù)運(yùn)維工作效率，彌補(bǔ)人巡作業(yè)盲區(qū)，解決人工巡檢強(qiáng)度大、效率低等問題。

地基監(jiān)測：在地面工程重要關(guān)注點(diǎn)處布設(shè)激光流量監(jiān)測、氣象觀測站、視頻監(jiān)控、電子圍欄、地質(zhì)雷達(dá)等設(shè)備，對渠道既定區(qū)域進(jìn)行更加精細(xì)、精準(zhǔn)的監(jiān)測。

4.2 機(jī)器人系統(tǒng)

東線工程的運(yùn)行管理工作是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，靠單一功能機(jī)器人無法滿足，結(jié)合對東線工程技術(shù)需求分析，提出多種機(jī)器人結(jié)合的方式輔助人工檢修工作，機(jī)器人負(fù)責(zé)前端感知與處置，包括巡檢機(jī)器人、安防機(jī)器人、管道機(jī)器人、無人船水域機(jī)器人等，獲取的數(shù)據(jù)信息直接或間接回傳到綜合數(shù)據(jù)中心，或者傳到監(jiān)測管理人員的應(yīng)用終端。

巡檢機(jī)器人針對泵站日常巡檢需求設(shè)計(jì)，通過對各類泵站設(shè)備狀態(tài)的巡查和檢視，能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障或故障隱患，并及時(shí)加以維修和防范，確保調(diào)水的安全和穩(wěn)定。安防機(jī)器人針對保護(hù)區(qū)日常巡檢需求設(shè)計(jì)，能識(shí)別人員入侵、設(shè)施設(shè)備損壞，并能實(shí)時(shí)告警，通知管理人員及時(shí)處置。管道機(jī)器人針對泵站和穿黃工程涵洞不斷水檢修設(shè)計(jì)，利用視頻監(jiān)測、聲納系統(tǒng)、圖傳軟件等新技術(shù)，對涵管裂縫、滲漏進(jìn)行監(jiān)測，并能進(jìn)行簡單的修理。無人船水域機(jī)器人針對水下工程結(jié)構(gòu)檢測設(shè)計(jì)，利用側(cè)掃聲吶、多波束探測等新技術(shù)，對渠道的水下淤積、渠道破壞、襯砌板裂縫及脫落、滲漏等情況進(jìn)行監(jiān)測。

4.3 通用航空應(yīng)急救援系統(tǒng)

制定針對性的南水北調(diào)東線工程的通用航空應(yīng)急管理制度，構(gòu)建南水北調(diào)東線應(yīng)急管理信息化平臺(tái)，搭建通用航空運(yùn)行能力。在應(yīng)急救援及應(yīng)急處置情況下，理論結(jié)合實(shí)際、輔以信息化系統(tǒng)支持，由專業(yè)的通用航空運(yùn)行團(tuán)隊(duì)實(shí)施人員、物資運(yùn)輸和通信應(yīng)用，提高應(yīng)急救援效率。

南水北調(diào)東線通用航空應(yīng)急管理制度，以應(yīng)急管理流程為主線，由預(yù)防階段、準(zhǔn)備階段、響應(yīng)階段和恢復(fù)階段組成閉環(huán)、動(dòng)態(tài)、有機(jī)的管理模式。預(yù)防階段，包括安全評估、應(yīng)急規(guī)劃、危險(xiǎn)源管理、脆弱性管理、檢測監(jiān)控、應(yīng)急培訓(xùn)、數(shù)據(jù)管理；準(zhǔn)備階段，包括應(yīng)急資源和預(yù)案管理、應(yīng)急演練、應(yīng)急能力評估、預(yù)測預(yù)警、災(zāi)害危害模擬；響應(yīng)階段，包括接警出警、輔助決策、指揮調(diào)度、應(yīng)急資源調(diào)度及應(yīng)急信息發(fā)布、聯(lián)動(dòng)協(xié)同處置；恢復(fù)階段，包括災(zāi)害損失統(tǒng)計(jì)與分析、事故調(diào)查、事故分析、案例管理、中介評估等。

南水北調(diào)東線應(yīng)急管理信息化平臺(tái)，以安全科技和信息技術(shù)為支撐，構(gòu)建信息系統(tǒng)、決策輔助系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)、預(yù)案演練系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)通用航空應(yīng)急體系的信息化、模塊化、智能化、可視化。

4.4 綜合數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)

綜合數(shù)據(jù)中心深度融合處理天空地立體協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、通用航空應(yīng)急救援系統(tǒng)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，利用可視化監(jiān)測、氣象水利、地理信息等先進(jìn)技術(shù)，清晰準(zhǔn)確的可視化數(shù)據(jù)展示平臺(tái)，實(shí)時(shí)顯示分析工程沿線氣象數(shù)據(jù)及河渠道水情變化、科學(xué)預(yù)警災(zāi)情險(xiǎn)情危機(jī)；通過專家知識(shí)庫和對大量實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘、評測與關(guān)聯(lián)性分析，提供氣象、水情、地質(zhì)、水質(zhì)的綜合態(tài)勢分析，為管理者決策提供充分的科學(xué)依據(jù)和輔助手段[3]。

5 結(jié)語

研究方案通過引進(jìn)智能系統(tǒng)新技術(shù)，建立數(shù)據(jù)格式一致、數(shù)據(jù)處理高效、數(shù)據(jù)發(fā)布及時(shí)的數(shù)據(jù)管理體系，以此促使東線工作流程和制度進(jìn)一步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，推進(jìn)防汛及運(yùn)行管理水平進(jìn)一步提高。同時(shí)，利用智能化技術(shù)逐步替代人工，能有效增強(qiáng)工程的現(xiàn)代化管理水平。

方案提出結(jié)合航空、航天、遙感測繪、機(jī)器人等學(xué)科技術(shù)應(yīng)用，既能促進(jìn)交叉學(xué)科技術(shù)應(yīng)用，又能滿足南水北調(diào)工程切實(shí)需求，可助力南水北調(diào)東線工程形成“水利+”格局，是綜合性、跨學(xué)科技術(shù)推進(jìn)，探索高質(zhì)量發(fā)展的新路徑。