大沽河數(shù)字化樞紐系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案初探

宋曉冉，徐洪慶，趙凌云

（1.青島市水文中心，山東 青島 266000；2.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心青島分中心，山東 青島 266100）

智慧水利是水利進(jìn)入新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局的需要，數(shù)字賦能是推動(dòng)調(diào)水事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。要實(shí)現(xiàn)水利事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，需要不斷提高水利工程數(shù)字化、信息化程度。

1 方案背景

膠東調(diào)水工程是山東省遠(yuǎn)距離、跨流域、跨區(qū)域大型水資源調(diào)配工程，是優(yōu)化水資源配置、緩解水資源區(qū)域性不平衡的重大戰(zhàn)略舉措，是國(guó)家水網(wǎng)的重要組成部分。大沽河樞紐工程是膠東調(diào)水工程的重要節(jié)點(diǎn)工程，工程等別為Ⅲ等，包含泄洪閘、沖沙閘、引水閘、穿堤涵閘等永久性水工建筑物，沖沙閘同時(shí)作為交通橋連接大沽河兩岸。本文以膠東調(diào)水大沽河樞紐工程為例構(gòu)建了基于功用性需求的數(shù)字化大沽河樞紐設(shè)計(jì)方案，旨在探索調(diào)水事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展路徑，為系統(tǒng)性開發(fā)、利用、保護(hù)水資源提供借鑒。

2 功能性設(shè)計(jì)與業(yè)務(wù)應(yīng)用

數(shù)字化大沽河樞紐平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)包括感知層、通訊層、決策層、控制層，業(yè)務(wù)應(yīng)用功能分為調(diào)度運(yùn)行、水質(zhì)檢測(cè)、視頻監(jiān)控、變形監(jiān)測(cè)4 個(gè)部分。

2.1 數(shù)字化樞紐平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

1）感知層。感知層包括一切現(xiàn)地感應(yīng)及數(shù)據(jù)采集裝置，如水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采水檢測(cè)單元、水情監(jiān)測(cè)單元、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地感應(yīng)單元、變形監(jiān)測(cè)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，其主要作用是采集工程運(yùn)行實(shí)施數(shù)據(jù)并監(jiān)控工程運(yùn)行情況，其監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括水質(zhì)（COD、NH4+-N、TN、TP、常規(guī)5 參數(shù)等）、工程變形（水平位移、沉降位移、滲透壓等）、調(diào)度運(yùn)行情況（水位、流量、流速、閘門開度、過(guò)閘流速、倒虹流速、倒虹管壓力等）、運(yùn)行環(huán)境（視頻監(jiān)控）。感知層是數(shù)字化樞紐平臺(tái)的數(shù)據(jù)來(lái)源和基礎(chǔ)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性及設(shè)備穩(wěn)定性有較高要求。

2）通訊層。通訊層是實(shí)現(xiàn)感知層向決策層、決策層向控制層雙向信息傳輸?shù)耐ǖ溃杈邆鋷捀?、穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。感知層采集的現(xiàn)地運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)通訊層傳輸至決策層進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、運(yùn)算、決策，同時(shí)，將決策結(jié)果傳遞至控制層實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制。通訊層在這一流程中起到紐帶作用。

3）決策層。決策層是數(shù)字化樞紐平臺(tái)系統(tǒng)的“大腦”，擔(dān)任數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、運(yùn)算、決策的角色。決策層接收通訊層傳遞的現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的閾值進(jìn)行智能分析處理，根據(jù)水質(zhì)、工程變形、調(diào)度運(yùn)行情況、運(yùn)行環(huán)境等現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)，分析汛情、水質(zhì)污染情況、設(shè)備運(yùn)行情況、是否存在危險(xiǎn)因素等，決策棄水、閘門啟閉、無(wú)人機(jī)或喊話音柱啟動(dòng)等相應(yīng)的調(diào)度措施。

4）控制層?？刂茖邮菙?shù)字化樞紐平臺(tái)自動(dòng)化控制的執(zhí)行者，接受決策層的指令并直接作用于啟閉機(jī)、無(wú)人機(jī)、喊話音柱等工程設(shè)施，實(shí)現(xiàn)大沽河樞紐的無(wú)人值守、少人值守。

2.2 數(shù)字化樞紐平臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用

1）調(diào)度運(yùn)行。調(diào)度運(yùn)行模塊通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控流域和輸水渠道的水情，控制水閘開度等參數(shù)，是數(shù)字化平臺(tái)的核心。監(jiān)控區(qū)域包括大沽河上下游和輸水干線2 部分，監(jiān)控內(nèi)容包括流域水情和調(diào)度運(yùn)行兩部分。流域水情部分主要監(jiān)控降雨情況，河流渠道水位、流量、流速等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，調(diào)度運(yùn)行部分實(shí)時(shí)傳輸啟閉機(jī)房?jī)?nèi)啟閉機(jī)設(shè)備情況（有無(wú)卡頓、振動(dòng)、過(guò)載等），大沽河沖沙閘、引水閘、穿堤涵閘、倒虹閘閘門開度、過(guò)閘流速，大沽河倒虹內(nèi)流速、壓力，并通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)閘門的控制。

閘門的控制除已有的現(xiàn)地手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制外，還可進(jìn)行智能化自動(dòng)控制。操作人員根據(jù)調(diào)度計(jì)劃輸入調(diào)水運(yùn)行流量，閘門可根據(jù)渠道內(nèi)水位等數(shù)據(jù)自動(dòng)判斷并調(diào)節(jié)閘門開度，使渠道內(nèi)水位、流量滿足調(diào)度要求，特別是在冬季結(jié)冰期，自動(dòng)控制水位保持穩(wěn)定，達(dá)到無(wú)人值守的目的。同時(shí)，在需要向大沽河棄水或從大沽河引水時(shí)，平臺(tái)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給出合理調(diào)度建議，由操作人員在平臺(tái)遠(yuǎn)程確認(rèn)、下達(dá)指令，以實(shí)現(xiàn)大沽河天然河道和輸水干線的綜合調(diào)度。

2）水質(zhì)監(jiān)測(cè)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊對(duì)樞紐內(nèi)水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是數(shù)字化平臺(tái)重要的數(shù)據(jù)收集模塊。目前，膠東調(diào)水工程大沽河渠道已設(shè)置水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，并計(jì)劃在大沽河自然河道內(nèi)增設(shè)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，在固定點(diǎn)位，固定時(shí)間進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括TN、TP、COD 等11 項(xiàng)指標(biāo)。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面在輸水渠道和自然河道雙管齊下，存在兩方面的意義：一是能夠連續(xù)、及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)輸水渠道水環(huán)境狀況以及發(fā)展趨勢(shì)；二是通過(guò)對(duì)大沽河天然河道進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)掌握大沽河水質(zhì)變化情況，并在此基礎(chǔ)上確定引水、棄水方案，為大沽河天然河道和輸水干線的綜合調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。數(shù)字化樞紐平臺(tái)在儲(chǔ)存水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，深度挖掘水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將分析處理結(jié)果可視化，降低數(shù)據(jù)的可讀難度。

3）視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控模塊是數(shù)字化平臺(tái)重要的圖像收集模塊。數(shù)字化大沽河平臺(tái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)配備無(wú)人機(jī)和數(shù)據(jù)分析軟件。平臺(tái)通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和視頻圖像分析技術(shù)，自行分析處理幀圖像，對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景中的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、發(fā)現(xiàn)與跟蹤，并進(jìn)一步對(duì)目標(biāo)行為進(jìn)行分析和理解。

識(shí)別內(nèi)容包括區(qū)域入侵、穿越圍欄、下河游泳、水面漂浮物等，針對(duì)監(jiān)視目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并按照設(shè)置觸發(fā)報(bào)警。游客或行人行走范圍超過(guò)安全區(qū)域、翻越圍欄時(shí)，系統(tǒng)對(duì)非法目標(biāo)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)跟蹤，并將信號(hào)傳輸至監(jiān)控室，同時(shí)，喊話音柱自動(dòng)喊話提醒。如發(fā)現(xiàn)諸如破壞公共設(shè)施、傾倒垃圾、偷水等違法事件時(shí)，數(shù)據(jù)分析軟件平臺(tái)會(huì)將事發(fā)地點(diǎn)的違法照片或視頻第一時(shí)間發(fā)送至平臺(tái)，并啟動(dòng)無(wú)人機(jī)飛往事發(fā)地進(jìn)行取證，喊話音柱發(fā)出喊話警告。

除接收平臺(tái)指令外，無(wú)人機(jī)可定時(shí)按設(shè)定路線巡邏，擴(kuò)大監(jiān)控范圍，避免監(jiān)控盲區(qū)。視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)作為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，根據(jù)圖像幀是否存在活動(dòng)對(duì)象，制定不同的存儲(chǔ)策略：普通幀的短時(shí)存儲(chǔ)和關(guān)鍵幀的長(zhǎng)時(shí)存儲(chǔ)并行。例如，針對(duì)區(qū)域入侵、穿越圍欄和下河游泳等有活動(dòng)軌跡的關(guān)鍵幀，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，可以做到有跡可循，堅(jiān)決有效打擊違法活動(dòng)，為還原現(xiàn)場(chǎng)提供精準(zhǔn)有效的證據(jù)。對(duì)于經(jīng)常出現(xiàn)入侵、穿越圍欄等活動(dòng)的區(qū)域做數(shù)據(jù)分析，可以采取積極有效的防護(hù)措施，將不法活動(dòng)頻率由高變低，由低變無(wú)。值得注意的是，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要較大的服務(wù)器資源，采用合理的存儲(chǔ)策略可以有效降低開銷，在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能化的同時(shí)維持長(zhǎng)久運(yùn)營(yíng)。

4）變形監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)模塊是數(shù)字化大沽河平臺(tái)另一數(shù)據(jù)信息采集模塊。數(shù)字化大沽河平臺(tái)接入變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用不同的監(jiān)測(cè)方法檢測(cè)大沽河樞紐各閘水平、垂直位移以及滲透壓，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)樞紐上大壩及閘門的變形幅度超過(guò)系統(tǒng)中設(shè)置的閾值時(shí)，第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警信息，提醒水利設(shè)備綁定的相關(guān)責(zé)任人進(jìn)行核查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常變化，對(duì)其穩(wěn)定性、安全性做出科學(xué)判斷，以便采取有效措施，防止事故的發(fā)生。

此外，系統(tǒng)積累監(jiān)測(cè)資料，分析變形原因，解釋變形機(jī)理，檢驗(yàn)工程質(zhì)量，驗(yàn)證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，為制定設(shè)計(jì)規(guī)范、完善設(shè)計(jì)流程提供了科學(xué)依據(jù)。對(duì)于變形監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)，需進(jìn)行有效地統(tǒng)計(jì)、分析。對(duì)于滲壓數(shù)據(jù)超閾值頻率較高的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，需針對(duì)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)及其周邊的水利設(shè)備作出補(bǔ)救方案，防患于未然。對(duì)于滲壓數(shù)據(jù)超閾值頻率較低的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，需要對(duì)變形監(jiān)測(cè)設(shè)備本身進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，以排除由于監(jiān)測(cè)設(shè)備本身?yè)p壞引起的誤報(bào)錯(cuò)報(bào)，從而減少監(jiān)測(cè)設(shè)備損壞帶來(lái)的人工成本。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化大沽河樞紐的建設(shè)順應(yīng)了水利工程數(shù)字化、信息化的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了水利工程多領(lǐng)域協(xié)同發(fā)展，通過(guò)搭建數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大沽河水利樞紐的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，為水利事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展賦能，為更好地發(fā)揮膠東調(diào)水工程的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益打下了基礎(chǔ)。