陜西省寶雞峽現代化灌區信息化發展與展望

張平輝，章新川

(1.陜西省寶雞峽引渭灌溉中心，陜西 咸陽 712000；2.陜西省水利信息宣傳教育中心，陜西 西安 710004)

1 寶雞峽灌區概況

寶雞峽灌區位于關中平原西部，西起寶雞峽口，東止涇河右岸，東西長181 km，南北平均寬14 km，由1937年建成的渭惠渠、1958年建成的渭高抽灌區和1971年建成的寶雞峽工程于1975年合并而成。灌區分為塬下(原渭惠渠)與塬上(原寶雞峽)兩大灌溉系統，設施灌溉面積296.56萬畝，有效灌溉面積283.87萬畝，設計引水95 m3/s，校核115 m3/s，承擔著寶雞、楊凌、咸陽、西安四市(區)14個縣(市、區)的農業灌溉任務，目前是陜西省最大的灌區，也是全國十大灌區之一。灌區以占陜西省1/18的耕地面積，出產了占陜西省總產量1/7的糧食和1/4的商品糧，為保障陜西省糧食安全、推動經濟社會發展做出了重要貢獻。

2 寶雞峽灌區信息化建設情況

近年來在中省續建配套項目建設下，為解決寶雞峽灌區輸水渠線長、灌排工程分散、配水過程復雜、工程安全檢測難度大、用戶多、管理手段落后、服務能力弱、管理效率低等問題，圍繞通信網絡、信息采集、閘門監控、視頻監視、基礎設施及應用系統相繼開展了逐年度、分階段信息化建設項目。

(1)通信網絡：寶雞峽灌區結合自身地理環境特點，采用專公網相結合方式，依托渭河干流整治工程2.5 G光纖環網，自建光纖、微波、租用線路相結合等方式，在帝王抽水站、大北溝水庫和信邑溝水庫建立60 m通信鐵塔各一座，在扶風總站建立40 m通信鐵塔一座，通過無線擴頻和無線網橋通信系統連接禮泉總站、大北溝水庫、信邑溝水庫、扶風總站、泔河水庫、泔河二庫，租用電信鏈路匯接寶雞總站、寶工局、楊凌水電總站、興平總站，初步形成灌區通信網絡，實現了管理局與管理總站之間的視頻會議、多媒體信息發布和局域網業務應用。寶雞峽灌區通信網絡架構見圖1。

圖1 寶雞峽灌區通信網絡架構圖

(2)信息采集：以GPRS傳輸、太陽能供電、巴歇爾量水槽、雷達水位計或電子水尺、氣象傳感器等，建設了渠道水位水量監測站51處、墑情監測站2處；配置基于北斗導航衛星智能巡護終端60臺，用于寶雞峽灌區98 km塬邊總干渠工程巡護。

(3)閘門監控：以PLC自動監控技術建設了魏家堡渠首閘門16孔、孝母分水閘4孔、福林堡退水閘5孔、金陵河進水閘3孔、王家崖進水閘、王家崖東壩防水閘共計68孔閘門監控站，實現閘門現地、遠程監控和實時信息采集傳輸處理。

(4)視頻監視：基于視聯網技術，集成視頻會議、視頻監控于一體，建設視頻點150處、視頻終端7處，視頻會議和視頻監視同平臺管理和各種視頻源接入、調用，實現了對寶雞峽渠首、六個水庫主要水利工程和各大交界斷面與主要閘門泵站、六大總站和寶工局實時視頻監視需求，實時掌握干渠各節制閘運行水位、機泵設備運行，科學合理調配水量，確保工程安全運行。

(5)灌區數據庫

建成灌區水源、渠系、機電、灌溉、氣象、行政數據庫及基礎數據庫管理系統，初步構成了灌區的基礎數據資源中心，為水情、工程、灌區管理提供基礎數據支撐。

(6)灌區應用系統

針對寶雞峽灌區需求，以一張圖為基礎建立了灌區業務支撐平臺和灌區業務應用平臺，開發了灌區門戶、水情實時數據監視、閘門控制、移動巡護、作物需水預報、用水計劃管理、渠道水流模擬與灌溉進度仿真、寶雞峽微信平臺和灌區辦公等業務應用系統。灌區門戶將管理局內部現有業務應用系統和管理信息集成為統一的瀏覽平臺，通過單點登錄和身份認證，按照權限范圍查詢灌區業務管理信息；水情實時數據監視基于一張圖的模式下動態實時監視水情、雨情、水質、墑情、工情；閘門控制結合視頻監視，實時監控泵站、閘門開啟狀態、運行狀態，現地與遠程監控結合，實時進行水量調度；移動巡護基于北斗導航巡護終端，將巡護的主要險工段、水庫、閘門、斗門、斷面、易毀渠道等信息匯集到巡護監督平臺，實時查看巡護終端的位置、工作狀態和上報信息，加強渠道、水庫工程巡護安全管理，建立渠庫巡護長效機制；作物需水預報以灌區種植結構信息為基礎，采用Penman-Monteith方法采用單作物系數法計算作物各生育階段的作物系數，通過作物系數和參考作物需水量，計算實際作物需水量，為灌區水資源調度提供決策依據；用水計劃管理開展用水調度計劃、水情日志、水量結算、數據報表，制定灌區年度配水計劃、灌季配水計劃、管理站配水計劃、應變配水計劃、水庫優化調度和實際用水總結，為灌區管理單位制訂科學的配水計劃；渠道水流模擬與灌溉進度仿真根據實時上報的測點水情信息動態生成渠道測點水位流量模擬，根據各管理單位的灌季任務量和累計灌溉水量，動態模擬仿真灌區各管理單位灌溉進度；寶雞峽微信平臺將寶雞峽發生的一些常規和重要的業務動態，快速推送到各級用戶的微信，及時了解水調、工程、灌溉、機電等業務最新信息，為灌區三級管理體系在線互動溝通提供橋梁；灌區辦公系統完成寶雞峽灌區公文收發、工作管理、信息交流、短信、郵件發送、會議提醒與查詢等。

3 寶雞峽灌區信息化建設存在的問題

(1)感知范圍小、要素不全面、感知自動化智能化程度低

目前寶雞峽灌區信息采集技術較為傳統，仍以單點為主，自動化程度不高，缺乏點、線、面協同感知，新型傳感設備、智能視頻監視、定位、衛星、無人機、遙感等物聯網新技術應用不足。寶雞峽灌區點線面廣，現有感知通信網絡覆蓋不全、帶寬不足，信息基礎設施薄弱。

(2)信息資源共享程度不高

目前灌區信息化缺乏統一標準、規范，灌區業務流程不規范，配置兼容性差，造成灌區信息資源整合共享不到位，無法實現信息資源的有效共享、基礎設施的共用、業務應用的交互協同，嚴重制約信息資源整體效益的發揮。

(3)應用支撐能力不足

現有的灌區業務應用系統僅僅是對現有管理模式和流程的簡單復制，低水準重復，未做到流程優化再造，不能更好地支撐管理模式創新，失去了以信息化支撐業務管理模式創新的關鍵作用。大部分業務應用系統還停留在瀏覽查詢、統計分析、信息服務的基礎功能，不能滿足應用需要，在面向灌區決策、面向業務應用、面向公眾服務方面存在著缺失和缺陷。

(4)網絡安全防護能力不足

仍以被動防御為主，發電廠及大型閘門泵站關鍵控制設施缺乏網絡安全設施，缺乏完備的安全管理制度體系，無法高效完成安全評估、加固、監控等運行管理。

(5)灌區信息化保障機制不完善

對灌區信息化建設系統性、長期性和關鍵性認識不足，存在重建設輕管理，灌區信息化所需的資金、機構、人員等保障措施不足，給灌區信息化建設的運行和維護帶來諸多問題。

4 寶雞峽現代化灌區信息化展望

新時期賦予了灌區水利改革發展的新思維、新理念、新內涵，現代化灌區包含工程現代化、技術現代化、管理現代化，其中技術現代化主要體現在融合物聯網、視聯網、信息網、大數據、云計算、可視化、泛在移動互聯網絡、人工智能等新一代信息技術。在現代化灌區建設中，必須以灌區信息化體系為支撐，實現從傳統思維→現代思維、單一模式→流程再造、被動響應→主動應對、傳統人工→智能自動轉變，緊扣政府決策支持、服務經濟社會發展、貼近民生用水需求重要靶向，充分發揮泛在移動互聯網等公共服務手段，擴展服務領域、匹配服務性需求、優化服務方式、增強服務能力。

按照智能感知(物聯感知、安全監測、視頻監視)、智能監控(工程監控、電站調控、泵站監控、閘門監控)、全面互聯(廣域網絡、互聯網絡、業務網絡、工控專網)、數據中心(大數據庫、數據倉庫、數據資源、數據挖掘、數據服務)、智慧大腦(大數據中臺、智慧使能中臺、業務應用中臺)、智能應用(工程運行、安全監控、科學調度、高效管理、快速應急)、泛在服務(服務門戶、運行環境)、保障體系(規范標準、管理制度、操作規程)等功能定位，寶雞峽灌區擬以融合政務云、公有云等云服務設施為基礎，建設寶雞峽灌區“兩網”(灌區立體透徹感知網、灌區通信網)，一個灌溉云大數據中心，三個中臺(數據中臺、智慧賦能中臺、業務中臺)，構建現代化灌溉服務體系，融合衛星遙感、地理信息、視頻監控、工業控制、數據可視化等驅動引擎，統攬灌區全方位、多視角、全要素決策支持服務的需求，豐富大數據中心資源、擴展智慧賦能中臺決策模型、增強業務中臺支撐功能，提升智能化信息樞紐的支撐保障能力，實現智能感知、智能仿真、智能診斷、智能預測、智能調度、智能控制、智能處置、智能管理的灌區智慧化應用。寶雞峽現代化灌區信息化發展框架見圖2。

圖2 寶雞峽現代化灌區信息化發展框架

立體透徹感知網：是提升寶雞峽灌區資源管控調度能力、管好水資源、解決水安全的關鍵。以數據智能感知、視頻智能監控、遙感數據解譯為獲取涉水對象及其環境數據的基礎，以寬帶/窄帶物聯網通信鏈路為數據實時交互的通道，以感知數據匯集、視頻級聯集控、遙感接收處理為數據基礎加工和預處理平臺，構建灌區立體感知體系。從灌區渠道工程、管理活動的傳統信息采集模式向衛星遙感、地面監測、空中遙測等天地空一體化智能感知模式轉變，對灌區水源、地下水、土壤墑情、氣象指數、作物生長、渠系配水、灌溉用水、渠道閘門狀態、泵站機電運行參數實施自動監測，提高信息采集精度。利用各種感知設備、技術手段和方法，動態監測和實時采集灌區工程設施、灌區管理活動感知對象的業務特征和事件信息，提升點、線、面全面感知能力，以實現灌區智慧大腦對涉水對象及其環境信息的監測與感知。

灌區通信網：繼續采用專公網相結合方式，依托渭河干流整治工程2.5G光纖環網，以自建專用的光纖、微波工程集控網、租賃公共網絡(互聯網、5G/寬帶窄帶)相結合等方式完善灌區通信網，搭建網絡安全體系。充分利用現有資源，優化網絡架構，以現有的灌區信息網為核心，以視頻監控網、工程集控網為輔，結合泛在互聯網，形成高速高效、安全可靠、互聯互通的寶雞峽網絡結構體系。

灌區云數據中心：基于公共云和專有云相結合的混合彈性架構，在整合利用現有資源前提下，建立灌區云數據中心，進一步擴展計算、存儲和網絡服務能力，實現計算存儲資源的集中共享，為寶雞峽灌區智慧大腦提供大規模存儲和計算能力。同時加強灌區云災備中心建設，形成完備可靠的互備架構，保障數據和應用安全。通過匯集和治理灌區數據、其他行業數據和社會經濟數據，滿足多元化采集、主體化匯集、全域數據、“一數一源、一源多用”、數據資源存量和增量匯聚、治理、共享、服務的應用需要，經過數據融合、數據資產治理和數據標準服務，打通業務間數據壁壘，深度萃取數據價值，構建灌區云上的海量數據存儲和管理體系的異構多元數據資源中心。通過分布式資源調度、分布式存儲管理和分布式數據服務技術，完成結構化、半結構化和非結構化數據的統一管理和服務，從而降低計算存儲成本、增長業務效率、大幅提升創新能力，為寶雞峽灌區智慧大腦提供思考與決策的數據基礎。

構建基礎數據體系：按照統一的灌區數據模型和灌區對象分類編碼體系，通過整合、轉換、抽取源數據。形成灌區基礎數據庫、灌區專題空間數據、灌區對象基本屬性數據；形成灌溉工程、水利管理活動實時監測數據庫；形成管理數據庫，重點補充水資源管理、水工程監控、水安全保障等各類業務管理數據。

構建主題數據體系：按照灌區業務應用需求，通過統計匯總分析維度設計、數據集市和倉庫設計、業務分析專題設計，構建覆蓋灌區業務主題的即席查詢、統計匯總、預測預報、決策分析的主題數據體系，為灌區業務應用提供便捷化的數據主題分析服務。

數據中臺：完成灌區數據資源的匯聚整合、清洗處理、存儲入庫和交換共享的管理，構建與業務應用主題相適應的數據倉庫，實現數據資源與業務應用功能模塊之間數據交換的調度管理與運行監控。重點需要以數據資源匯聚、大數據集群、大數據存儲、多態數據庫、大數據倉庫、大數據安全、大數據管理為主要內容的數據中臺，全面支撐灌區數據資源的廣泛應用。由一系列中間件、服務、接口以及中心數據庫組成，其核心組件包括數據交換引擎、數據交換過程管控、服務管理以及數據接口管理。

智慧賦能中臺：利用模型、工具，圍繞數據挖掘、知識運用、業務建模、融合分析、規則應用等進行視覺智能、數據智能與決策智能的開發與能力輸出，形成業務支撐、服務支持、輔助決策、綜合運維方面的公共服務，從而支撐上層的灌區智能應用。涉及到智慧賦能模型的原型創建、參數率定、實例存儲、注冊發布、應用調配的管理功能。重點需要結合灌區業務應用，在建立通用數學模型(相關、差異、方差、殘差、回歸、成分、因子、對應、聚類、判別、距離、邏輯、最優分析，快速聚類、回歸預測)的同時，開發通用灌區水利模型(水文模型、水力學模型、水動力模型、水質模型、地下水模型、水利工程模型等)、專用水利模型(水資源配置、需水預測、旱情預測、農業灌溉、工程安全運行評估等)、人工智能算法模型(決策樹、神經網絡、數據挖掘、深度學習、圖像識別、視頻識別、語音識別等)，全面提升灌區綜合決策服務的智能化水平。

業務應用中臺是灌區應用的綜合集成，實現大量應用基礎組件和公共服務能力，涉及業務應用組件的開發、注冊、發布，業務應用服務的裝配、管理、運行監控、智能化服務、可視化展現、自動化監控等功能實現，如統一日志、統一用戶、工作流管理、數據交換、信息集成等。融合三維可視化、地信一張圖、大數據處理、賦能智慧化、監控智能化、工控自動化等專業驅動引擎，開發身份認證、數據交換、報表定制、電子印章、電子標簽、安全認證等基礎應用服務，全面支撐綜合業務應用的開發與服務。以“灌區一張圖”為現代化灌區應用提供地理信息平臺和空間展示框架，構建一套標準的網格化規范支撐體系，支撐多元化、精細化、個性化的管理功能，基于大數據云平臺服務總線的基礎服務、核心服務、接口協議服務，融合GIS、SCADA、BIM、視頻GPU、虛擬現實VR、人工智能AI、數據可視化等技術，開展灌區水源預測、土壤墑情監測、作物灌溉預報、用水計劃編制、渠系優化配水與調度管理、閘門自動監控、泵站自動監控、工程安全視頻監視應用，全面支撐灌區業務應用開發、部署、運行、管理。對工程運行管理、工程安全管控、在建工程監管、應急事件處置、監督考核、運行管理等方面，匯聚水雨情監測、工程運行監控、工程安全監測、視頻智能監視等信息，推進工程基礎數據與灌區一張圖聯動更新，實時掌握寶雞峽灌區水利工程監測監控信息，提高工程運行調度管理能力。以視聯網技術重構灌區視聯網架構體系，全方位、多元化、智能化為動態監控、決策分析、調度指揮、應急處置提供高清視頻服務，保障工程安全運行。通過視頻智能監視、邊緣計算、集中管控，對海量的圖片、視頻、音頻、文字等信息進行處理與識別，對污染物、涉水非法活動等進行采集、分析、識別、搜索，并及時反饋識別結果、形成結論，實現圖像識別、分析處理、監視預警，為決策者提供更加精準的決策依據。將以大數據平臺監控得到的數據結果以視覺智能、數據智能的形式輸出，驅動智慧“決策”，推動現代化灌區智慧化水平整體提升。

寶雞峽現代化灌區信息化的目標應以“供水為農民服務”作為其核心價值，同時保障生活、生產、生態供水安全是現代化灌區建設的重要內容，基于透徹感知、匯聚整合行業內外信息資源、形成灌區大數據的基礎上，通過建立機器學習算法模型和數據挖掘，深度解決生活、生產、生態用水的供需矛盾，提高灌區水資源利用效率和節約用水效能。因而灌溉信息化意味著科學高效地為用水戶提供優質的供水服務，包括從水源取水，從干渠到支渠，支渠到斗渠，逐級向下供水，最后到用水戶，農民是灌區提供供水服務的終端用戶。

現代化灌區是新一代信息技術在灌區業務的高度集成應用，具備透徹感知、全面互聯、深度挖掘、智能應用、泛在服務等特征，以現代化灌區為抓手，實施“灌區信息技術標準化、信息采集自動化、信息傳輸網絡化、信息管理集約化、業務處理智能化、協同服務智慧化”，提升灌區現代化能力和社會化服務水平，加快推進新型信息技術與現代化灌區融合發展步伐，實現“工程設施配套全面、資源調配科學合理、節水管控智能高效、生態空間循環良好、城鄉供水配給協調、公眾服務智慧高效、機制體制創新發展”，以現代化灌區引領灌區發展新業態、增強發展新動力、釋放發展新潛能。