海寧市智慧水利系統平臺研究與應用

范小東,李芝云,史 姣,王潔瑜，楊文棟

(1.海寧市水利局，浙江 嘉興 314400；2.中國水利水電建設工程西北咨詢有限公司，西安 710100；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

海寧地處中國浙江北部，杭嘉湖平原南端，具有“魚米之鄉”的美譽[1]。隨著海寧市人口經濟的不斷增長，為保障當地人口的用水安全，先后在洛塘河圩區內修建了許多泵站、閥門等水利設施，而這些水利設施建設較為分散，尚未進行統一管控[2]；同時圩區洪澇調度是一個非常復雜的過程，不但要實時監測各種汛情數據信息，而且應配置科學合理的洪澇調度方案，為管控部門提供強有力的決策支持從而在保證工程安全的前提下，充分發揮防洪工程效益，降低對環境的不利影響。因此，構建圩區水利系統平臺迫在眉睫，是圩區水利智慧化發展的必然趨勢。

智慧水利系統平臺建設一直是國家和地區水利信息化建設的重要內容，同時圩區因其獨特的地形地貌，是區域水利建設的重點，實現圩區智慧管控是區域水利信息化建設的重要環節。近年來，有不少學者在圩區信息化建設中作了較多相關的研究工作。其中，胡正松等人依據平湖市城市防洪系統南市圩區工程閘泵站的特點，設計了一套相對較為完善的自動化控制系統，實現了對閘泵站設備的實時監測和遠程控制[3]。鄒明忠等人以江陰市月城馬甲圩圩區為研究對象，采用Delft-FEWS平臺框架，集成圩區河網精細化模型和水文氣象監測數據，開發設計了馬甲圩防洪調度預警預報系統，實現了圩區智慧化調度管理，提升了圩區調度綜合管理決策能力[4]。徐健等人以福建省沙縣為例，設計開發了水利一張圖、水資源管理系統、水利工程管理系統等子系統的智慧水利信息平臺，并闡述了“智慧水利”的構建思路與實踐經驗，有效的提升了沙縣的水利信息化建設水平[5]。

盡管已經有許多學者對圩區的智慧水利平臺進行了研究，然而尚未形成適用于圩區的統一管控平臺。本文以洛塘河圩區綜合整治項目工程為依托，通過分析海寧市洛塘河圩區泵站調度，在線監測洪水預警預報等管控需求，結合物聯網、數學模型、GIS(地理信息系統)等技術，形成集閘泵站綜合管控、閘泵站控制、洪水預警預報等功能一體化的智慧水利系統平臺，為海寧市實現水利信息化提供支撐。

1 關鍵技術應用

為了能夠及時反映圩區的水情狀況，本文在設計智慧水利系統平臺時，采用了3DGIS技術，結合優化調度模型，實現了海寧市智慧水利系統平臺的構建，促進了海寧市的智慧水利建設。

1.1 3DGIS-Cesium技術研究

依托開源的3DGIS-Cesium技術來實現基礎數據空間可視化。該技術是基于JavaScript編寫的WebGL的地圖引擎，在B/S框架下可以支持絕大多數的瀏覽器展示3D效果，基于 Cesium并配合已有的API二次開發，來實現圩區三維場景下動態地理空間數據可視化和關鍵數據的空間可視化展示等應用。由于Viewer作為Cesium的核心類庫，能夠快速搭建虛擬地球Web應用，并且有高質量的保證精度，渲染質量等[6]。因此，本系統采用CesiumViewer來搭建圩區水情信息的三維場景，實現水情信息的空間可視化，更好地展示圩區水情和水環境等數據信息。同時在進行圩區水情信息展示時，采用了多圖層服務的理念和方法，將不同的水情、水位、水質等信息數據以不同的專題圖層進行表達，同時將其進行疊加處理，從而實現圩區水情信息的空間可視化展示。

1.2 優化調度模型研究

根據海寧市洛塘河圩區的實際情況與現行調度方案基礎上，同時針對圩區內部較為復雜的情況，排澇泵站優化調度的影響因素較多，涉及面廣，按照洪澇、聯調、水環境多目標調度要求，綜合考慮降雨、閘泵流量、泵站功率、河道匯水等因素，構建以泵站總排水量等為目標函數的水動力模型，利用模型定量模擬分析不同調度方案(降雨量在20 mm以下及以上2種工況)下區域排澇的影響和效益。圩區降雨后水位高于河道水位時的排澇流程見圖1。

圖1 降雨后圩區排澇流程圖

具體模型構建過程為：目標函數。在根據海寧市洛塘河圩區的實際情況和相關的調研，將泵站最大總排水量作為優化調度的目標函數，其目標函數表達式為[7]：

(1)

式中：Qmax為泵站群的總排水量;Qi為第i個泵站機組的排水量;xi為第i個泵站群的運行狀態;ti為第i個泵站群的開機運行時間;n為泵站群的個數。

圩區內河道水位必須要高于最低控制水位Zmin，高于最高控制水位Zmax，其中2種工況下的約束條件為：

(1) 降雨量在20 mm以下工況：

1) 若洛塘河圩區內河道水質滿足水質標準時：視降雨強度逐步開啟水閘排澇，控制圩區內河道水位Zmax為1.6 m；

2) 若洛塘河圩區內河道水質劣于標準水質時，首先，開啟水閘，將圩內水位降至與外圍河道水位后，關閉水閘，再開啟泵站抽水，將圩內水位控制Zmin為1.0 m；其次，降雨后，當圩內水位低于外圍河道水位時，開啟長山河側水閘內水位與外圍河道水位一致時，關閉水閘，再開啟泵站，圩內水位控制Zmax為1.6 m；當圩內水位低于外圍河道水位時，關閉水閘，再開啟泵站，圩內水位控制Zmax為1.6 m。

(2) 降雨量在20 mm以上工況

1) 預降：開啟水閘，將圩內水位降至與外圍河道水位后，關閉水閘，再開啟泵站排水，將圩內水位控制Zmin為1.0 m；

2) 排澇：當圩內水位低于1.4 m時，若圩內水位高于外圍河道水位，開啟沿線水閘排水；若圩內水位低于外圍河道水位，則保持水閘關閉。當圩內水位高于1.4 m時：保持水閘關閉，開啟排澇泵站，并視降雨強度逐步加大泵站流量，以盡可能保持圩內水位在1.6 m以下。當降雨強度逐漸減弱，圩內水位控制Zmin為1.3 m時，逐步關閉排水泵站。

2 智慧水利系統平臺應用

2.1 平臺架構

海寧市智慧水利系統平臺采用B/S+M/S架構，主要應用功能包括GIS一張圖、閘泵站遠程控制、實時數據監測、視頻監控、預警預報、數據管理、綜合運維管控等，平臺總體機構如圖2所示。

圖2 海寧市智慧水利系統平臺基本構架圖

(1) 感知層。感知層的建設是智慧水利系統平臺建設的基礎，通過利用各種感知設備、技術手段和方法，采集水利工程設施、水利管理活動等感知對象的要素，狀態，事件信息，這些數據和信息分別采用監測設備、物聯傳感、視頻采集及內容解析等獲取，經過數據信息加工處理后，為智能應用和公共服務提供必要的數據和信息支撐。

(2) 數據層。針對防洪排澇海量多源數據來源分散、存儲方式不同等情況，制定統一的數據標準，實現對數據的多角度整合、分析、調用、共享。

(3) 支撐層。應用支撐層為搭建業務應用層各業務系統所需的各種服務組件，包括集成門戶組件、報表工具組件、統一信息組件、分布式微服務框架、應用性能監控服務、應用服務總線、統一標準數據訪問接口、統一告警服務、模型決策服務、統一用戶管理與認證服務、統一GIS服務引擎服務等。

(4) 應用層。是以洛塘河流域管理已有業務系統為基礎，全面覆蓋業務管理過程，通過統一的平臺架構以及統一的技術標準，建設GIS“一張圖”、閘泵站遠程控制系統、實時數據監測系統、視頻監視系統、預警預報系統、優化調度、綜合管控等。實現水利資源的綜合監管，全面提升海寧市流域水利業務的精細管理、預測預報、分析評價與決策支持能力[8]。最終形成海寧數字信息化平臺，為領導的決策提供輔助決策的能力。

(5) 用戶層。海寧市智慧水利系統平臺主要是給水利部門和閘泵站管理者，以及運維人員和決策人員提供數據支撐、分析決策依據，幫助決策人員做出最優的決策規劃。

2.2 智慧水利系統平臺應用

海寧市智慧水利系統平臺主要包括GIS“一張圖”、閘泵站遠程控制、實時數據監測、視頻監控、預警預報、優化調度、綜合運維管控等應用功能。

2.2.1GIS“一張圖”

對各個監測和管控對象，進行綜合查詢，通過智能化的方案使多個系統的實時數據在同一平臺下融合，即構成GIS“一張圖”，分別開展水位、水量、水質等基礎數據的采集處理、工況運行監測和綜合分析及評價。

2.2.2實時數據監測

實時數據監測功能模塊主要實現對于降雨監測數據、水質監測數據、河道水位、流量等實時監測數據、閘泵站運行狀態監測數據及水生態實時基礎監測數據等信息的直觀顯示。

2.2.3閘泵站遠程控制

閘泵站遠程控制系統主要是通過系統平臺來遠程訪問總控中心服務器上的控制系統，可以使管理者在面對突發情況時，利用優化調度模型進行調度方案的模擬評估，并將模擬評估的結果作為遠程調度依據，及時對閘泵站進行遠程操作，同時，通過集成SCADA系統，來實現對閘泵站的自動化遠程控制，實現對閘泵站的實時監控。

2.2.4視頻監控

視頻監控系統通過利用在河道沿岸、堤壩、閘泵站處建設的監控攝像，達到無人值班、少人值守的目的，在管理平臺上可以對各處閘泵站進行遠程監看、能方便、迅速地對遠程監控點地圖像、聲音、各種報警信號等進行云長訪問和控制。同時，還可以查看過往河道沿岸的視頻回放，為管理者提供了一種擴大視覺和聽覺的直觀管理工具，實現了可視化監控和調度，使生產、調控運行更安全、更高效。

2.2.5預警預報

預警預報功能系統是基于3DGIS技術，結合各項預警預報指標，實現了對洛塘河圩區河道水位、泵站設施工況運行等預警信息的可視化展示，幫助決策者能快速、準確地評估城市安全情勢，輔助降低城市洪澇風險。

2.2.6優化調度

優化調度系統主要是通過基于廣域網的實時監測系統，利用水閘、泵站等監測設備，并通過分析處理水文、水質、氣象、設備運行等各種信息數據，然后根據優化調度模型來模擬分析得出最優的閘泵站調度方案，并通過調度圩區沿線水閘、泵站的運行，實現圩內河道換水，同時此模塊將優化調度方案可視化展示，為水資源的科學調度和優化配置提供現代化管理手段。

2.2.7綜合運維管控

該系統主要包括設施設備資產管理、巡檢養護監管及水利工況問題管理3個子功能模塊。設施設備資產管理主要是通過監理設備臺賬管理信息，實現閘泵站設備的全生命周期管理，對設備的出場、維修、配件更換等進行全面記錄，同時也對臨近檢修期的設備進行設備檢修的提醒；巡檢養護監管主要是通過利用巡檢設備，以及給運維人員分派巡檢任務等實現對水利設備的養護監管，確保水利設施的正常運轉；水利工況問題管理主要是運維人員在進行設備日常巡檢和維護時，將存在的工況問題通過系統平臺進行記錄，然后專業人員針對存在的工況問題進行及時解答處理，保證水利設備的正常有效運轉，為實現區域的水利信息化建設提供最有力的保障。

3 結 語

建設海寧市智慧水利管理系統平臺是落實浙江省水里信息化的重要一步，同時也是提高海寧市工程管理能力的重要技術手段。系統平臺緊緊圍繞海寧市洛塘河圩區的有關工程，實現了區域的防洪調度、預警預報、閘泵站遠程控制等。