基于物聯網技術的白龜山水庫綜合信息化管理系統

田 力

(河南省白龜山水庫管理局，河南 平頂山 467031)

1 工程概況

白龜山水庫位于淮河流域沙潁河水系沙河干流上，壩址位于河南省平頂山市西南郊，距市中心9km，水庫流域多年平均降雨量為900mm，多年平均徑流量為4.03億m3。水庫設計洪水位為106.19m，興利水位為103.00m，總庫容為9.22億m3，興利庫容為2.36億m3，是一座以防洪為主，集城市供水、農業灌溉為一體的大(2)型綜合利用水利樞紐工程。

水庫樞紐主要建筑物有攔河壩、順河壩、泄洪閘和南、北干渠渠首閘。其中，攔河壩(主壩)為均質土壩，壩長1545m，最大壩高24m，壩頂寬7m；順河壩(副壩)壩長18016m，最大壩高16.26m，壩頂寬6m；泄洪閘設7孔11m×10m弧形鋼閘門，最大泄流量為7105m3/s；北干渠渠首閘設3孔5.0m×3.5m弧形鋼閘門，設計灌溉引水流量為120m3/s，并配合泄洪閘加入泄洪流量200m3/s；南干渠渠首閘設2孔2m×3m平板鋼閘門，設計灌溉引水流量為35m3/s，加大引水流量50m3/s。

白龜山水庫自建成以來，在淮河流域防洪減災方面發揮了重要作用，確保了下游平頂山、漯河、周口等重要城市的安全，并為平頂山市提供了工業、農業、城市和生態用水，對平頂山市的國民經濟發展起到了重要作用。

2 水庫信息化建設存在問題

白龜山水庫建設年代久遠，水庫信息化程度落后，已不能滿足水庫現代化管理的需要，直接影響管理的效率和效果，當前主要存在以下問題：

a.基礎監測設施不完備。水庫已建有水雨情、大壩安全監測、視頻監控等監測設施，但監測設施覆蓋面不廣，數量有限，未形成一體化的自動化監控網絡體系，不能適應具有較高業務需求的信息化系統要求，不能滿足水庫管理工作精細化需要。

b.缺乏統一信息管理平臺。水庫監測內容多，日常工作繁雜、涉及信息面廣、各類信息分布零散，缺乏統一的集成應用平臺，迫切需要建立一個統一、綜合、高效的集收集、處理、查詢、發布、可視化展示于一體的服務平臺，提高水庫綜合信息的科學性、規范化管理能力。

c.缺乏信息資源共享與標準化建設。白龜山水庫現有的各種信息采集基礎設施分散，各基礎數據未能充分共享與利用，且缺乏統一的規劃，前期建設只著重于眼前需要，對于系統的標準化、規范化考慮不足，導致系統生命周期短，后期系統集成擴展不便，信息化建設的投資效益低。

d.智慧型應用基礎薄弱。水庫日常管理中所需的信息查詢、工程監控、洪水預報、日常辦公等業務應用技術落后，且各自獨立開發，相互間數據不共享，未建立業務應用統一平臺，且各業務應用未與新技術充分融合，難以滿足新時期網絡化管理的需要。目前，移動辦公等多元化智能辦公手段已經成為水利信息化的發展趨勢，而白龜山水庫目前無法實現水庫管理人員的移動化辦公和文件在線交互流轉，辦公效率低下。

3 系統構建與預期應用效果

3.1 物聯網技術

物聯網技術是指通過射頻識別等信息傳感設備，按照相關事先約定將萬物與網絡相連，開展數據的采集、傳輸、處理和控制，提供實時在線監測、定位追蹤、調度指揮、遠程控制、決策支持、預警預報等綜合管理功能，最終實現對“萬物”的“高效、節能、安全、環保”方面的“管、控、營”一體化[1-2]。

物聯網體系結構包括感知層、傳輸層以及應用層3層架構體系，感知層主要負責識別物體和采集信息，傳輸層主要負責信息傳遞和處理，應用層主要負責數據融合、分析決策和應用服務[3-4]。物聯網技術主要涉及傳感器技術、RFID技術、嵌入式系統技術、智能技術以及納米技術等五大關鍵技術，由RFID、傳感網、M2M和兩化融合四大支撐技術與業務群組成，已被廣泛應用于農業工程、電網工程、路網工程、建筑工程等領域[5-8]。物聯網體系及支撐技術架構見圖1。

圖1 物聯網體系及支撐技術架構

3.2 系統構建

根據水庫建設現狀，為提高水庫整體管理效率與能力，需將水庫信息化服務于水庫日常辦公、防汛調度、供水、灌溉及建設與管理等各業務要求中，建設與水庫發展相適應的綜合業務信息化管理系統，用水庫信息化手段實現水庫管理精細化[9-11]。因此，根據以上要求，白龜山水庫綜合信息化管理系統主要包括以下子系統：水庫綜合辦公管理系統(電子政務管理系統)、水庫安全運行監測系統、水庫調度決策支持系統、供水及灌溉用水管理系統、精細化管理系統(水庫三維仿真系統)和數據信息顯示系統。

水庫綜合辦公管理系統(電子政務管理系統)：主要包含個人事務、知識管理、人力資源、工作流程、文檔管理以及會議管理六大工作板塊，通過該系統可以實現工作流程簡化、辦公透明和各部門之間的相互監督，可極大地提升工作效率和服務能力。

水庫安全運行監測系統：水庫安全監測主要針對壩體安全開展相關工作，通過埋設在壩體不同位置處的監測儀器并設置合理的觀測點，可以實現對壩體變形、滲透壓力等的實時掌握，了解和評估水庫的運行狀況。其主要工作流程為通過網絡將監測儀器采集到的數據、圖像傳輸到工程安全監測數據處理中心，對數據進行存儲和處理，并評估工程安全狀況，然后將評估結果反饋給工程管理部門和防汛調度中心，及時完成水庫大壩的除險加固，保證大壩安全度汛，工作流程見圖2。

圖2 水庫安全運行監測系統工作流程

水庫調度決策支持系統：通過了解水庫流域內的降雨信息數據，并根據洪水預報模型實現對流域水情的實時預報，為水庫的洪水調度決策提供數據和信息支持。其工作流程為：首先將分散在水庫流域各地的雨量數據進行采集并傳輸到水雨情數據處理中心，通過數據存儲和處理，進行洪水預報模型分析，并將模型結果傳到防汛調度中心，由防汛調度中心最終決定是否需要進行水庫調度，工作流程見圖3。

圖3 水庫調度決策支持系統工作流程

供水及灌溉用水管理系統：白龜山水庫還承擔著城市供水、農業灌溉等重要任務，為了實現信息化、科學化、節約化、增效化的用水調度目的，需要單獨建立供水及灌溉用水管理系統，該系統包含供水量預測、用水量模擬、灌區配水計劃以及水費征收四大功能模塊，通過不同功能模塊之間的相互協作可以實現水庫供水及灌溉用水的智能化管理，各模塊工作流程見圖4。

圖4 供水及灌溉用水管理系統工作流程

精細化管理系統(水庫三維仿真系統)：白龜山水庫庫區范圍較廣，為了全面真實地再現庫區環境，提高水庫管理水平，因此建設水庫虛擬現實三維仿真系統。以白龜山水庫數字高程模型和高分辨率遙感影像為基礎，采用三維地理信息系統、多維和多種數據融合技術以及虛擬現實技術，對白龜山水庫地理信息、水庫工程信息、運行管理信息及監測信息進行數字化處理。建立白龜山水庫三維可視化平臺，以三維交互方式展示水庫地形地貌、水工建筑物結構、水庫管理區及上、下游河道自然景觀等，進行高分辨率的三維可視化瀏覽、查詢、分析與模擬，實現三維虛擬環境下的水庫流域三維可視化仿真、河道洪水演進、水庫庫容實時計算、水庫下游河道洪水演進與淹沒分析、工程監測信息查詢、工程運行數據管理、工程CAD圖檔管理等工程防洪及運行管理工作的數字化管理，提高工程防洪調度和運行管理的綜合自動化水平，見圖5。

圖5 水庫三維仿真系統

數據信息顯示系統：該系統主要是對水庫流域不同監測斷面處的流域降雨量、斷面水位、流量、水閘的開度以及預警信息等實現實時的在線顯示和查詢，可以為各級管理部門提供可視化服務，管理人員可通過手機、平板電腦及其他移動APP等在線查看，實現移動辦公和便捷辦公[12]。

3.3 系統預期應用效果

a.實現水庫各種數據資源的共建共享。綜合信息化管理系統以數據為中心，在開發信息資源的基礎上，匯集積累數據資源，實現信息資源的集中管理、安全規范、充分共享和全面服務；該系統強化信息化分類標準，在完善數據交換體系基礎上，實現各數據節點之間的級聯，實現數據的唯一性與共享性，確保基礎信息的權威性；通過建立統一的安全體系，保證數據及業務系統的訪問安全；以統一的信息管理模式及統一的技術架構為基礎，能夠迅速地實施部署各種IT系統，提升管理能力。

b.提高水庫整體管理效率與能力。將水庫信息化服務于水庫日常辦公、防汛調度、供水、灌溉及建設與管理等各業務要求中，建設與水庫發展相適應的綜合業務信息化管理系統，用水庫信息化手段實現水庫管理精細化，可大大節省工作流程，提高水庫管理效率和能力。

c.實現水庫各業務應用的集約建設。充分考慮技術平臺的共享利用，堅持平臺公用，接口開放，堅持統一平臺、統一運行環境、統一開發接口的原則，既有利于實現應用系統之間的互聯互通，又能降低建設和運行成本，為水庫防汛抗旱、水庫調度、工程運行管理提供技術支持，使水庫有限的水資源發揮更大的綜合效益。

4 結 語

本文以白龜山水庫為例，基于物聯網技術，建立水庫綜合信息化管理系統，該系統包含6個子系統，通過綜合信息化管理系統，可實現水庫各種數據資源的共建共享，提高水庫整體管理效率與能力，實現水庫各業務應用的集約建設，相關理論和技術可為類似水庫工程信息化管理系統建立與應用提供參考。