灌區智慧管控平臺研究與應用

陳玉芳,楊婉寧,王潔瑜,胡 坤

(1.內蒙古民族大學工學院,內蒙古 通遼 028000;2.陜西省咸陽市禮泉縣水利管理站，陜西 咸陽 713200;3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 引 言

灌區水利工程是中國重要的民生工程，為促進灌區農業可持續發展，合理優化水資源配置，中國各地相繼開展灌區水利信息化建設，從而提升灌區管控水平，降低運行成本[1]。為此，面向灌區水利信息化技術，吳旭春等人以GSM和VPDN作為信息傳輸載體，利用其靈活、直接的數據傳輸方式及高可靠性和高速率，傳輸距離長等優點，構建出灌區信息化平臺，解決了數據的漏報、誤報、延時、丟失等難題[2]；宋萬琦等人以地理基礎數據和灌區水資源專題數據為基礎，初步建立水資源信息化管理平臺，實現灌區內水資源的分布、管理、分析和應用，為灌區水資源的優化配置和高效利用及輔助決策信息化提供地理信息手段與數字化管理模式，最終實現灌區灌溉管理、工程管理、決策管理的信息化和智能化[3]；許建平等人為了高質量推進灌區信息化建設，解決智慧灌區信息資源共享水平低，重復投資建設等問題，提出基于江蘇省水利云構建全省灌區管理信息平臺，該平臺能有效整合利用水利信息資源，減少項目重復建設、減輕基層信息化維護壓力[4]。

盡管上述的建設成果均能較好地、具有針對性地應用于各個灌區水利信息化工程的實際管理中，然而尚未形成全方位、統一的綜合性灌區水利信息化運維管控平臺。本文依托阿克陶縣灌區信息化項目建設的實際情況與地域特征開展相關研究，針對目前阿克陶縣灌區水利信息化工程所涉及到的水廠水庫、山洪預警、農村供水等垂直信息化管理系統之間不兼容，存在信息孤島現象；灌區信息化建設僅實現信息基礎采集、傳輸及管理的層面，無法達到精準灌溉、配水等管控目的；此外，由于部分水工建筑物年久失修、部分渠道和建筑物損毀、淤積嚴重、閘門變形嚴重等問題，無法保障灌溉用水的合理分配，導致輸水、配水等灌溉工程功能降低，制約了地方水利信息化發展。因此，提出以灌區基礎數據為核心、信息化配套基礎設施、設備及水利設施、設備為依托，基于大數據平臺、遠程控制技術、物聯網、智能模型等技術構建灌區智慧管控平臺，實時準確的獲取灌區的水雨情、氣象信息渠道水位、渠道流量、機電井運行狀態、閘門運行狀態、現場視頻等信息，并對采集到的數據進行加工處理及分析，實現灌區信息資源的實時共享、智慧化水資源配置，提高灌區的監管運行效率，為灌區管理部門提供科學的決策依據，最終實現灌區管理信息化提供技術保障。

1 關鍵技術

1.1 物聯體系

(1) 物聯感知體系

物聯感知體系實現縣水利管理站及下屬單位直接管轄閘門的自動化改造，包括閘門自動化控制、閘門運行狀態視頻監控、水量自動采集設備設施，對全縣現眼機電井安裝“井電雙控”智能計量設施。物聯網體系架構見圖1。

圖1 物聯網體系架構圖

(2) 構建灌區水利信息化大數據平臺。

作為灌區水利信息化平臺的基礎支撐，搭建Hadoop分布式集群，集成飲水工程結構化和非結構化數據，其中包括工程業務數據、工程基礎數據、工程感知數據、空間地理數據、區域水源數據等；此外，數據存儲前應對數據進行ETL(清洗加工處理)，其中對于處理后的結構化數據，以文本文件形式存儲于HBase；對于非結構化數據存儲于HDFS；同時在Mapduce和Spark并行計算環境下融合水資源配置、供水管網水質模型，從而為灌區智慧管控提供強有力的決策依據。

(3) 灌區網絡構建

采用Spine+Leaf(葉脊)兩層的扁平化網絡架構，并且結合underlay和overlay兩個層面網絡技術來構建灌區網絡。

1.2 智能模型關鍵技術

新疆阿克陶縣屬于半干旱地區，通過建立以水庫(闊滾其水庫、加馬鐵熱可書庫)、渠系河道為水源系統,在灌區信息化改造升級的基礎上進一步提升輸配水等灌溉工程功能能力，構建以農業灌溉、農村供/配飲水、環境用水、經濟效益等為目標的水利系統動力學模型,，對阿克陶縣灌區水資源量及其供配量進行計算分析，合理利用有效水資源，將有限的灌溉水量在作物不同生育期進行優化配置為各用水部門的發展方向、目標及農業節水提供依據支撐[5]，灌區概化見圖2。

圖2 灌區概化圖

具體建模主要函數及步驟如下[7]：

(1) 建模基礎

因為作物在生育期不同階段的水分虧缺對產量的影響程度不同，因此，采用基于Jensen作物全生育期的水分生產函數為建模基礎。

(2) 決策變量

在灌區某次灌水時,往往同時灌溉多種作物。設灌區管理局有N個配水口(用水單位),第j個配水口有M(j=1,2,3,…,N)種作物,則決策變量為分配給第j配水口第主種作物的充分灌、非充分灌的面積(X1ij，X1ij,j=1,2,3,…，N,i=1,2,3,…,Mj)。

(3) 目標函數

則充分灌、非充分灌條件下的農業效益可表示為：

(1)

充分灌、非充分灌條件下的灌溉管理部門效益：

式中：F1為農業效益；F2為灌溉管理部門效益。

設作物在t階段非充分灌水,以后階段均充分灌水,則可得到作物本階段非充分灌水條件下的預計產量：

(3)

2 灌區智慧管控平臺構建

2.1 總體框架及數據存儲測算

(1) 平臺總體架構

灌區智慧管控平臺總體框架見圖3。

圖3 總體框架圖

1) 物聯感知層

物聯感知層主要依靠水位、流量采集設施、機電井智能計量等各類感知設施設備，形成集約化、多功能監測體系，滿足全方位的監測需求，為智慧灌區生產提供長期在線監測數據和計算依據，為灌區運行情況的供配調度決策提供依據支撐；

2) 數據匯集支撐層

匯集空間地理信息、基礎監測信息、水利工程業務數據、視頻數據、灌區專題等數據資源，并依照統一的數據標準進行存儲、整合、調用、分析、管理和共享；同時結合灌區不同業務、不同場景及不同應用終端網絡需求，將綜合應用運營商4G/5G通訊網絡、主干光纖環網、監測自動化組網、物聯網通信鏈路和Wi-Fi網絡形成多網融合的統一網絡平臺，以滿足不用的數據融合匯集及應用服務需求；

3) 應用支撐層

提供一個支持信息訪問、傳遞、以及協作的集成化環境，實現結構化/非結構化數據資源、輕量化BIM+GIS應用系統跨數據庫、跨系統平臺、數學模型(供配調度模型)的集成，一方面實現對數據的多角度整合、分析、調用、共享；另一方面為應用服務層提供統一的用戶認證服務；

4) 應用服務層

是智慧管控平臺所需的信息化應用層，包括展綜合監管子系統、在線監測子系統、運維管理子系統、項目管理子系統、決策支持子系統、水量調度子系統、遠程控制子系統、預警預報子系統及視頻監控子系統，用戶通過統一服務門戶訪問上述系統，實現權限的統一管理和單點登錄。

(2) 重點數據存儲測算

1) 視頻數據

單個攝像頭視頻數據存儲數據量估算：視頻流按1080 p分辨率、存儲30 d配置。1080 p的碼流為4 Mbps，每路視頻30 d所需的存儲空間為：4bps/8×3600×24×30=1.23 TB，226視頻監控信息共存儲空間要求為278 TB。

2) 實時監測數據

本系統設計閘控設備313套，渠道量水點2 204個，共計2 517個。每天所產生的數據均按照5 KB計算，數據記錄時間按10 a計算：5 KB×365(天)×10(年)×2517(點)=841(GB)。

3) 業務數據

縣水利局、水管站、基層管理站三級17個節點(水利局、水管站、6個分水站、7個鄉鎮站、2個水庫)業務數據包括水量調度管理、水費計收管理、工程管理、水情監測、閘門監控、機井監控等各類業務的基礎數據、統計數據等，按6 類數據，每類每年200 M計算，每年的數據量為200 M×6(類)×17(節點)×10(年)=200(GB)。

2.2 平臺業務需求

明確阿克陶縣灌區管理功能業務需求，圍繞從水管總站到分水管理站所負責的管理工作開展業務分析，業務需求分析見圖4?？擅鞔_水管站負責供水到村的閘門管控、優化配水調度、用水計量、工程運維等工作，同時由水利局定期對水管站進行考核、巡查及監督工作。

圖4 業務需求分析圖

2.3 平臺功能

圍繞上述業務功能需求開展信息化平臺功能設計，包括綜合監管門戶、灌區水量分配及調度、運行監控系統、運維管理系統及遠程收費系統，如圖5所示。

圖5 平臺功能圖

2.3.1綜合監管門戶

綜合監管門戶系統集成多個業務子系統，要求基于“GIS一張圖”的方式，結合GIS地圖，將各種實時監測信息、空間信息、屬性信息有機結合在一起，以圖形圖標形式精確表達各類灌區水利信息、分析發展形勢。實現配水調水、灌區灌溉、水費征收、工程運維、預警預告等所有業務數據的綜合展示查詢；實現水位站、閘門站、機井站、灌溉管理站、流量站、視頻站等的不同類型測站及管理站的信息、各項工程巡檢維護信息查詢。

2.3.2灌區水量分配及調度系統

該主要包括水資源供配平衡分析及配置、水資源調配會商決策、實時水量調度監控、水資源利用考核評估等4個子功能：

(1) 水資源供配平衡分析及配置

根據灌區水資源供配分區情況，在所獲取的水利基礎信息的基礎上，對灌區供、需水量進行統計，確定不同水資源分區的可供及可調配水量，進行水資源供需平衡分析。

(2) 水資源調配會商決策

借助三維空間技術及智能模型手段輔助計算分析年/旬/月/日內水量供需、水量調配、調度模擬等，同時按照不同的調配需求，輸出多套調度計劃方案，實現對調配計劃的滾動修正，為灌區水資源調度提供科學化的會商決策。

(3) 實時水量調度監控

對閘門起閉/水位流量、渠系斷面的水位/流量的實時監控，根據渠道內水位波動、流量變化、閘門開度情況，系統率定控制參數，從而自動調整各節制閘、分水閘的流量，并實施閉環控制系統運行，用于指導實際的現場閘門控制。

(4) 水資源利用考核評估

基于灌區現狀用水與高效用水不同模式，構建灌區水資源考核指標體系，包括定額類指標和效率類指標，主要有用水總量、灌溉水利用系數、工業回水利用系數、人均用水等。

2.3.3運行監控系統

運行監控系統具備對水庫、渠系、閘門等運行工況的監測能力，同時布設視頻監控點輔助運行監控；能夠根據所監測到數據信息提前設置閾值，實現聯動報警預警，并且具備可下達遠程控制遠端設備命令的能力，比如對全部閘門進行實時視頻監控及遠程控制；同時能夠查看閘門運行情況，并且實現數據的遠程自動化采集和傳輸，實時管控各生產環節設施設備的運行狀態，利用網絡技術實時傳輸視頻監控數據至監控中心服務平臺，滿足遠程監控需求。

2.3.4運維管理系統

構建灌區工程運維管理系統，實現覆蓋項目管理、日常運維管理及預警預報業務的信息化綜合運維管理，為工程項目建設過程提供穩定的質量保障。

(1) 項目管理

基于WBS規范和籌劃方法，涵蓋項目進度、時間管理、風險管理、成本管理等項目管理的核心要素。

(2) 日常運維管理

主要包括對灌區水利設施設備的運維管理(檢修管理、信息查詢、巡檢管理、采購管理、驗收登記、備品備件管理)；工程質量管理(包括質量評定、質量消缺、質量整改。通過制訂質量評定、消缺和整改的標準處理流程，為各級水管站提供規范的質量控制協同管理平臺)。

(3) 灌區預警預報

實現水災害預警預報：通過灌區地形地貌、人口分布和暴雨洪水特征的綜合分析，集成山洪災害預警系統，接入山洪災害監測點的實時監測信息，以此加強汛期監測預警；工況預警預報：為有效管理灌區水管站所監管的基礎設施、裝備，提高預警預報水平，包括設施設備過期預警、檢修或維修時間過期預警以及配置未達標預警等，同時對監測指標進行預警預報。

2.3.5遠程收費系統

遠程收費系統主要是根據主要水源覆蓋，不同類型水源應典型監測的原則進行水源取水口水量計量，同時進對各輸配水量、水量損失、水費按照分時段、區段進行計算；并且對供配水的基礎數據進行統一存儲和管理。

3 結 論

阿克陶縣灌區信息化項目采用先進的“云、物、移、大、智”技術，在已建的灌區水利工程就信息化基礎上，采用利舊與補充完善相結合的方式，根據現場實際情況將已有的系統集成化，一方面設計明晰各基層管理站所負責的運維管控業務；另一方面建立了水管總站監控管理中心，掌握了整個灌區水利信息化運行情況并提供了決策支持；從而完成灌區農業水利工程的基礎信息數字化，實現管理智能化、服務科學化。