中順大圍水利工程信息化技術(shù)的管理與應(yīng)用研究

梁志謀

（中山市堤圍管理中心，廣東 中山 528400）

由于信息化技術(shù)具有智能化、先進(jìn)化、快速化的特征，所以被應(yīng)用在了各行各業(yè)。而水利工程作為利國利民的重要基礎(chǔ)設(shè)施，對于防災(zāi)與水資源調(diào)度起著非常重要的作用，在管理過程中會產(chǎn)生諸多數(shù)據(jù)。所以要合理利用信息化技術(shù)，構(gòu)建龐大的信息化平臺，加強對數(shù)據(jù)的收集和應(yīng)用。從而對供水、防洪、發(fā)電和灌溉進(jìn)行控制，簡化工作的流程，強化工程的質(zhì)量和安全性。

1 工程概況

中順大圍水利工程位于珠三角南部，西江出?？?，干堤長度為120km，圍上總共有49座水閘，9宗外排泵站，集雨面積779km2，捍衛(wèi)面積達(dá)到了3.33萬hm2。圍內(nèi)包括了各類產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟來往密切，人口數(shù)量多達(dá)60多萬，同時也有岐江、廣珠等公路從其中穿過。中順大圍水利工程的作用，在于阻攔西江大水對四周的大涌、橫欄、沙溪所造成的危害，而且該地區(qū)經(jīng)常發(fā)生極端惡劣天氣，比如洪澇災(zāi)害、臺風(fēng)、暴潮等。所以需要充分利用先進(jìn)的信息技術(shù)，建成集網(wǎng)絡(luò)通信、群閘集控、防洪調(diào)度系統(tǒng)等，形成一個先進(jìn)而智能的中順大圍工程調(diào)度系統(tǒng)。從而保證中順大圍工程調(diào)度系統(tǒng)更好地運行，起到防洪防潮的作用，保障人們的生命財產(chǎn)安全。

2 水利工程中信息化技術(shù)應(yīng)用的意義

2.1 節(jié)約水利工程管理的資源

水利工程建設(shè)的規(guī)模非常大，建設(shè)周期很長，所消耗的資源更是非常多。通過在水利工程項目中用到信息技術(shù)，可發(fā)揮出高效的優(yōu)勢。比如借助信息技術(shù)來對工程每一個部分進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，在設(shè)計過程中利用信息技術(shù)來收集各種信息、數(shù)據(jù)，可為規(guī)劃工作提供所需要的參考資料，節(jié)約前期階段的資源消耗。而且也能充分利用信息化技術(shù)的計算分析功能，選出最佳的方案，提前預(yù)知可能產(chǎn)生的一些突發(fā)情況，采取針對性的方案和對策。所以也減少了財力、物力、人力等資源的消耗，節(jié)約了時間，降低了工作人員的工作負(fù)擔(dān)[1]。

2.2 實現(xiàn)統(tǒng)一的管理目標(biāo)

因為各水利工程由不同的施工單位所建立，難免在兼容性、銜接性方面存在差異，所以要采用統(tǒng)一的信息化平臺來進(jìn)行管理。該系統(tǒng)能減少繁瑣的維護(hù)，提高管理的效率，促使中順大圍工程的調(diào)度效果更佳。并且防止因軟件漏洞及硬件故障等問題，而影響業(yè)務(wù)系統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)境的安全運行，通過統(tǒng)一化的管理技術(shù)和平臺，從而實現(xiàn)共同的管理目標(biāo)。

2.3 提高管理的效率

通過在水利工程中采用信息化技術(shù)，也能提高管理的效率。中順大圍水利工程位于珠三角南部，西江出海口，而且整個工程的面積較大，全長119km。如果僅僅依靠人工管理，會耗費較多的時間和資源。借助先進(jìn)的信息化技術(shù)，可對水利工程進(jìn)行全面監(jiān)測，對水利工程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，傳遞到計算機系統(tǒng)中。從而及時發(fā)現(xiàn)其中存在的問題。同時也方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用，避免產(chǎn)生危險事故。工作人員通過計算機系統(tǒng)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，促使管理更加科學(xué)有效。

2.4 提高決策的水平

水利工程的決策會受到諸多因素的影響，這些決策必須收集海量信息，比如水文信息、地理信息、工程信息、其他信息等。通過先進(jìn)的信息化技術(shù)，能自動收集數(shù)據(jù)和信息，提高水利信息分析的準(zhǔn)確度。比如通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和遙感設(shè)備，可清楚掌握水利情況，根據(jù)對天氣和其他信息的分析，預(yù)測是否會產(chǎn)生洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)。為各項決策提供有用的參考依據(jù)，并提高水利工程決策的水平，推進(jìn)各項工作的順利開展。

3 水利工程信息化技術(shù)的應(yīng)用原則

中順大圍水利工程的信息化技術(shù)應(yīng)用，要遵循 5 個原則：①可操作性的原則，在進(jìn)行設(shè)計的過程中，必須促使界面更加簡單易操作，避免太過于復(fù)雜和繁瑣。方便管理人員進(jìn)行使用，提高系統(tǒng)的使用效率，發(fā)揮出強大的功效。②開放性的原則，整個信息化系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用，需要不斷完善，在長時間的使用過程中進(jìn)行改進(jìn)，從而保證其具有可行性，因此要遵循開放性原則，滿足使用的需要。③方便性的原則，其要具備多次開發(fā)的工具，可進(jìn)行拓展。而且在傳遞數(shù)據(jù)時能進(jìn)行兼容，方便各種資料和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化，有利于對數(shù)據(jù)資料進(jìn)行應(yīng)用。④智能化的原則，信息化技術(shù)必須能進(jìn)行智能化感知、預(yù)測，貫穿于防洪防災(zāi)、水資源配置、環(huán)境保護(hù)中。并實時展現(xiàn)出水利工程的情況，為管理工作提供可視化的影像資料、數(shù)據(jù)信息[2]。⑤安全性的原則，必須保障信息和數(shù)據(jù)傳遞的安全性，避免泄漏。所以信息化技術(shù)要具有一定的穩(wěn)定性，一旦發(fā)生問題要能技術(shù)進(jìn)行維護(hù)。而且能根據(jù)水利工程的情況，設(shè)置不同的登錄權(quán)限，起到保護(hù)信息安全的作用。

4 水利工程信息化技術(shù)的應(yīng)用策略

為了提高中順大圍水利工程的管理效率，并強化水資源調(diào)度，減少洪澇災(zāi)害，優(yōu)化水質(zhì)，中山市投入了兩千多萬，構(gòu)建了集網(wǎng)絡(luò)通信、群閘集控、防洪調(diào)度決策支持系統(tǒng)為一體的信息技術(shù)管理工程體系。整個體系不但先進(jìn)、智能，而且覆蓋面廣，可涵蓋四周每個鎮(zhèn)區(qū)的直屬閘站工程。

4.1 計算機通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

在本計算機通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計中，主要包括了光纖網(wǎng)絡(luò)、交換機、物理隔離網(wǎng)閘、防火墻等。而且增加了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在設(shè)計的過程中，根據(jù)中順大圍水利工程的實際情況，對系統(tǒng)架構(gòu)的布置進(jìn)行優(yōu)化。精確到不同的網(wǎng)絡(luò)層，比如中間層、網(wǎng)絡(luò)層、通信層，快速收集和傳遞各種數(shù)據(jù)信息。

在中順大圍水利工程的大堤中，對計算機通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。鋪設(shè)通信光纖網(wǎng)絡(luò)為120km的環(huán)形網(wǎng)，連接四周的水閘、船閘、泵站、圍內(nèi)小型水利工程。并促使中順大圍水利工程和圍堤中的水閘、船閘、泵站、水利，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接。全面監(jiān)控水利工程的每一個點，遙測站點的信息數(shù)據(jù)、語音、影像。將其傳遞到不同的監(jiān)控分中心、中順大圍調(diào)度中心，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，為中順大圍工程調(diào)度提供暢通、穩(wěn)定的通信通道[3]。最后還要設(shè)立安全保障的防火墻，拒絕外部訪問，避免信息和數(shù)據(jù)泄露。

4.2 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)能自動采集大圍內(nèi)外江水文、水位以及流量等數(shù)據(jù)，并自動生成表格儲存相關(guān)數(shù)據(jù)，為調(diào)度提供所需要的決策依據(jù)。并建立自動水位測站、雨量自動測站、水閘自動流量觀測站、中順大圍內(nèi)河流量站。采用水平聲學(xué)多普勒流法，建立了幾個在線流量遙測點，其中包括東河、西河、太平、岐江河等，方便監(jiān)測中順大圍河道斷面流量，為水利工程調(diào)度提供依據(jù)。通過接入、增加自動遙測設(shè)備，應(yīng)用傳感器、無線通訊、計算機及遙測遙控等技術(shù)，在附近的鎮(zhèn)內(nèi)接入一些水位、雨量自動遙測站點，對水情數(shù)據(jù)、閘門運行信息等進(jìn)行收集和應(yīng)用。

將信息采集系統(tǒng)應(yīng)用在本水利工程項目中，需要進(jìn)行全局統(tǒng)籌、多方面考慮，比如充分考慮水利工程和地區(qū)發(fā)展的特點，在交通條件不佳的區(qū)域建立信息網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置觀測點，收集完善的數(shù)據(jù)和信息。而且充分發(fā)揮出一定的協(xié)同效應(yīng)，注重信息收集的完善性，其體系結(jié)構(gòu)建設(shè)項目如表1所示。

表1 信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.3 群閘控制系統(tǒng)

群閘控制系統(tǒng)的作用，在于對中順?biāo)こ痰乃l、泵站進(jìn)行監(jiān)控，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。整個系統(tǒng)包括了管理處調(diào)度控制中心群閘控制系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)、服務(wù)器、分控中心等等。

4.4 調(diào)度決策支持系統(tǒng)

4.4.1 決策支持系統(tǒng)

整個調(diào)度決策支持系統(tǒng)采用了現(xiàn)代信息技術(shù)，在防汛抗旱指揮、水源監(jiān)控、綜合管理信息資源整合的基礎(chǔ)上，進(jìn)行完善和升級，構(gòu)建基于統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)的平臺。其以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)作為支撐，具有信息收集與分享、全流域模擬和預(yù)報調(diào)度、監(jiān)控等功能[4]。而且調(diào)度決策支持系統(tǒng)包括了多數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)存儲與交換、基礎(chǔ)支撐服務(wù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)、終端等部分。

調(diào)度決策支持系統(tǒng)的作用，在于獲取所需要的信息或數(shù)據(jù)，再進(jìn)行計算和分析，從而得出最準(zhǔn)確的結(jié)論，方便管理人員進(jìn)行決策。不但可以綜合收集每一個遙測站的水文、工況等信息，也可以對感潮河段歷年潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行利用，從而獲得海量歷史水文數(shù)據(jù)，自動生成內(nèi)外江的水位漲落規(guī)律和趨勢。同時也可以分析利用各調(diào)度工程的內(nèi)外江水位信息，全面把控河道匯流歷時和水位、水量、水流關(guān)系，根據(jù)圍內(nèi)河涌自然情況，通過水動力模型演算，生成水閘、泵站的綜合調(diào)度方案。按照中順大圍防洪（潮）、排澇、水環(huán)境調(diào)度的調(diào)度目標(biāo)，找出水閘、泵站的調(diào)度問題，制定出各種各樣的調(diào)度方案，解決其中的不足，從而達(dá)到防洪排澇、水資源調(diào)度的作用，滿足轄區(qū)內(nèi)對水資源的使用需要。

4.4.2 調(diào)度中心

基于計算機信息技術(shù)的調(diào)度中心，具有自動化、智能化的功能。通過在中順大圍水利工程中建設(shè)和應(yīng)用調(diào)度中心，可對中順大圍內(nèi)各閘、站工程進(jìn)行動態(tài)化監(jiān)控。工作人員可遠(yuǎn)程調(diào)取所有的數(shù)據(jù)與資料，對其進(jìn)行應(yīng)用，從而快速掌控水利工程的實際運行狀態(tài)。整個調(diào)度中心包括了計算機中心控制室、監(jiān)控值班室、調(diào)度會議室等等。

4.5 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在水利工程中非常重要，其包括了工程建設(shè)規(guī)劃管理模塊、工程進(jìn)度仿真分析模塊、工程質(zhì)量控制模塊、合同管理模塊、概預(yù)算管理模塊、材料設(shè)備管理模塊、檔案信息管理模塊、工程信息發(fā)布模塊等等。通過這些模塊之間的互相協(xié)作，能為水利工程提供所需要的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行建設(shè)的過程中，要嚴(yán)格遵循“數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理”“信息資源共享”等原則，對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，再開發(fā)出不同的專業(yè)信息系統(tǒng)。

通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析、查詢，自動生成各種數(shù)據(jù)報表。實現(xiàn)對水泵、水源、水質(zhì)、管網(wǎng)的監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)和水位的異常，便會自動進(jìn)行報警。在中順大圍水利工程的建設(shè)階段，充分利用了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來進(jìn)行規(guī)劃。而且設(shè)計出了基于Hadoop的大數(shù)據(jù)融合挖掘系統(tǒng)，綜合HDFS存儲技術(shù)，通過MapReduce對大數(shù)據(jù)算法進(jìn)行優(yōu)化，從而可快速查詢結(jié)果，也借助三維可視化技術(shù)來展示出本水利工程的各種數(shù)據(jù)[5]。

在對中順大圍水利工程進(jìn)行運營管理時，也充分利用了大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來對區(qū)域水土流失的情況進(jìn)行評價、監(jiān)測，對灌區(qū)閘門、水質(zhì)、渠道、水雨等數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，預(yù)測洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)等，并隨時調(diào)整水庫的分配量，實現(xiàn)對當(dāng)?shù)厮Y源的合理分配。

4.6 計算機仿真系統(tǒng)

整個計算機仿真系統(tǒng)包括了兩部分，一部分是功能性仿真，即地形地質(zhì)三維模型、水工建筑物三維模型、三維模型材料特性、地形地質(zhì)水工建筑物三維仿真模型、靜動力與水力學(xué)仿真、工程評估、校驗。另一部分是視景仿真，即地質(zhì)地形視景模型、水工建筑物視景模型、貼材質(zhì)配套模型、建筑屬性、工程虛擬體驗。

通過在中順大圍水利工程中采用計算機仿真系統(tǒng)，可實現(xiàn)對整個過程的準(zhǔn)確預(yù)測，對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得出最佳的項目管理方案，提高水利工程的管理效率。比如在水利工程開工之前，借助仿真系統(tǒng)對中順大圍四周的環(huán)境、自然天氣進(jìn)行仿真和模擬，結(jié)合水利工程減少的參數(shù)來進(jìn)行掃描，分析仿真結(jié)果，預(yù)測出了可能產(chǎn)生的問題——超強臺風(fēng)即將登陸，西河水閘最高水位可能超過2.72m。這會導(dǎo)致西河水閘停電、液壓啟閉機無法運作。針對仿真系統(tǒng)所模擬預(yù)測的情況，提前采取針對性的措施，根據(jù)安全生產(chǎn)規(guī)范來進(jìn)行操作，而且啟動了備用電源，降低了自然災(zāi)害所帶來的損失。而且計算機仿真系統(tǒng)還能提高計算的進(jìn)度，不需要人工勘測，效率更是非常高。

4.7 GPS定位系統(tǒng)

在水利工程的信息化技術(shù)中，還包括了GPS定位系統(tǒng)，其也被稱為全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）。GPS對于滑坡和變形、洪澇災(zāi)害的預(yù)測，起著非常重要的作用。比如在中順大圍水利工程中，通過GPS技術(shù)來對壩體變形進(jìn)行了監(jiān)控，具有一定的精度，自動化程度較強，能降低勞動強度，可隨時進(jìn)行動態(tài)性監(jiān)控。根據(jù)GPS技術(shù)的監(jiān)測結(jié)果，最后提出了攔蓄錯峰的決策，降低了大堤的防汛壓力，發(fā)揮出了防洪的作用。而且也將GPS技術(shù)應(yīng)用在滑坡監(jiān)測中，通過可視化的方式展現(xiàn)出水利工程的滑坡情況[6]。比如在開展中順大圍水利工程的滑坡監(jiān)測時，借助GPS的高程監(jiān)測，提高了精度和自動化程度。監(jiān)測點平面位置精度達(dá)到了1.6mm，而高程精度甚至達(dá)到了1mm。

5 總結(jié)與體會

水利工程作為對民生有利的重要工程，不但可以提高水資源的利用率，而且能防災(zāi)害，減少成本的消耗，為管理決策提供所需要的依據(jù)。所以相關(guān)企業(yè)要建立信息基礎(chǔ)平臺，收集更多信息和數(shù)據(jù)，為水利工程的建設(shè)和管理提供信息支持，從而實現(xiàn)安全、質(zhì)量和效益方面的目標(biāo)。同時還要不斷加強信息建設(shè)工作，發(fā)揮出水利工程的強大功效，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益、社會效益。