新疆智慧水利綜合管理平臺①

林雨萌,陳炳才,馬致明,寧 芊,肖延亭,羅朝傳,楊嵐斐

1（新疆師范大學 計算機科學技術學院,烏魯木齊 830054）

2（四川大學 水利信息化聯合實驗室,成都 610065）

近年來,國家先后出臺多項水相關的管理制度,比如《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》（國發〔2012〕3號）、《關于全面推行河長制的意見》（2016年12月）,強調對水資源、水環境的保護.《水利信息化資源整合共享頂層設計》中提出以新時期“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”治水興水戰略思想為指導,實現水利信息化資源共享,促進業務應用協調.2012年我國成立首個“水利部物聯網技術應用示范基地”[1-6].2013年王忠靜等在文獻[7]中提出智慧水利的核心特征為實時感知、水信互聯、過程跟蹤、智能處理,是以“準確預報、精準配送和高效管理”為核心目標的基于云技術的監測、計算,提出水利是一個大系統,在專業上涉及防汛抗旱、工程建設與運行、水資源管理、河湖保護、農田水利、水土保持等方方面面,因此,智慧水利建設要做好頂層設計,統一規劃、統一標準、統一要求[8].

1 引言

在新疆,水的問題是首要而迫切需解決的問題.目前,新疆的智慧水利建設中存在用水智能化程度不高,因此加強水利資源的智能分配調度、水質智能分析、多水源聯動控制建設尤為重要[9,10].阿勒泰地區吉木乃縣的地表水年徑流量為0.74億m3,占全地區地表水資源的1/166; 地表水資源人均占有量1977 m3,為全地區平均水平19 341 m3的1/10; 木斯島冰山是全縣唯一的水源地,隨著全球氣候變暖,冰川雪線已從70年代末的海拔2600 m退縮至目前的3100 m[11-13],逐步惡化的趨勢十分明顯,持續下去,全縣將失去其境內唯一水源地,這不僅給吉木乃縣的經濟帶來了極大危害,而且嚴重影響了可持續發展能力,因此需要繼續加強吉木乃縣水利的建設力度,促進全縣水利管理能力和服務能力的不斷提高.吉木乃縣行政區域的遙感影像圖如圖1所示.

圖1 吉木乃縣行政區域的遙感影像圖

本文通過智能仿真技術及人工智能算法,借助信息化手段,通過建立多模態數據傳輸平臺、分布式大數據處理系統,以水利局業務工作為中心的應用服務,加強對水資源的檢測、分配和管理,促進“互聯網+水利”的應用進步和管理創新.通過數據可視化的形式仿真水文規律演變,使原本較為復雜的監控參量變得直觀且易于處理,快而及時地對生活飲用水水質進行在線分析,鑒定水中溶解氧、重金屬等化學成分含量,保證居民飲水安全.通過建立調洪演算模型對水庫水位及出庫流量數據進行預測,對吉木乃縣內部分水庫及下游灌區閘門實現遠程集中控制; 實時監測大壩安全滲流數據和主要河流流量數據,對高于防洪限制水位的監測數據和超過安全閾值的監測項在線預警,并推送至大壩安全相關責任人,方便工作人員在春季冰雪融化期和汛期掌握水情.

2 建設目標

1）構建區域水利信息化管理平臺.以吉木乃縣水利局的水利業務工作為中心,利用機器學習算法以日期為時間序列對區域內每日來水量、需水量進行預測,實現用水水量精細化.為設置階梯水價提供合理有效依據,促進水權市場化.

2）建立灌區水資源分配智能調度模型.利用大系統區域分解協調技術及自適應動態規劃算法建立區域用水調度任務模型,將作物水分生產函數及最大增產效益指標引入水資源分配調度策略,采用自適應動態規劃算法農業對灌區及居民用水進行分配調度.

3）建立閘門遠程控制系統.通過遠程控制閘門的開度進行蓄水與泄水,系統通過計算實時輸出各時段末之水位.過去調洪演算工作量大,智慧水利綜合管理系統將這部分工作都用具體的參數如尺寸、流量系數等取代.只要改動其中的任何參數,都會形成不同的調洪方案,其計算速度快,準確性高,可實現閘門實時控制.

4）提升地表水水質的管控力度.利用水質在線檢測系統實時分析,采取多項水質參數綜合評價方法對水質進行檢測并在線預測水質變化,保證農村飲水安全.

5）構建涉及大壩安全和工程巡檢的工程運行管理體系.通過非工程的信息化監測手段建設,采用電子化工程巡檢,大壩安全自動化監測,及時掌握工程運行狀態,從而為制定維修和治理方案提供有效依據.有效避免或減少因工程隱患而導致工程安全事件發生.

3 平臺設計

3.1 總體架構

吉木乃縣智慧水利綜合管理平臺總體架構圖如圖2所示,總體采用3層架構.物聯網監控層主要包括閘門遠程自動化控制模塊、水情監測模塊、墑情監測模塊和泵站監測模塊等,實現對水利信息采集、監測和傳輸.計算資源層主要包括地區水利局虛擬服務器資源池、中心工控機、大數據分布式處理中心和GIS云中心等,對數據進行統一化、規范化處理,加速海量數據的分析和業務優化過程.業務應用層主要包括中心應用軟件平臺、工程運行管理模塊和移動終端平臺等,以不同形式實現平臺的具體應用.平臺的整體運行流程是各監控、監測系統通過光纖專網/RTU/北斗通訊等網絡傳輸模式將數據傳遞到包括吉木乃縣水利局信息中心的計算資源層,然后計算資源層對數據進行高效處理并做出決策,最后部署的中心應用平臺軟件用于實現各類應用.

圖2 吉木乃縣智慧水利綜合管理平臺總體架構圖

3.2 功能架構

平臺功能架構以實現水安全智能保障,提高水資源調控能力為目的,實現支撐日常和應急狀態下的防洪、水資源、水環境和水生態等管理業務工作[14],包括智能感知、智能預警、智能控制等6個模塊.具體功能架構如圖3所示.

圖3 吉木乃縣智慧水利綜合管理平臺功能架構圖

如圖4所示,智能感知模塊通過部署無線傳感器、視頻監控設備等設備采集多模態數據,建立水生態環境動態評估業務庫、水務決策支持預案業務庫等數據庫,安全有序地實現數據的實時傳遞及安全存儲.將處理后的數據傳輸至智能處理模塊,根據當前時段過水情況和下一時段的輸水要求,利用輸入時間序列的循環神經網絡對監測數據進行未來時段的水位、流量預測,實現水資源智能分析與動態監測.

圖4 智能感知模塊功能架構圖

智能仿真模塊以風險分析與估計為出發點,實現過程為通過構造和系統調度模型性能及概率分布相似的仿真模型,采取蒙特卡洛法在計算機上隨機試驗,以此將輸水管道超壓、閥門水損等風險控制在可接受的范圍內.同時將預估結果保存至工程基礎數據庫,在智能控制模塊中構建含有機會約束的水資源調度動態管控仿真模型,通過導入管道摩阻系數、漏水系數、管壁水體反應系數、閥門水損系數等基礎參數,貼切化地進行調度模擬計算,并利用模擬計算結果對資源層和服務層建立多級聯動控制,實現控水精準化,為吉木乃縣水利工作人員提供涵蓋動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境.智能仿真模塊功能架構圖如圖5所示.

圖5 智能仿真模塊功能架構圖

智能診斷模塊利用數字圖像處理技術、信號處理技術將采集到的圖像進行濾波復原、PCA降維及去噪處理,采用YOLOv4目標檢測方法訓練卷積神經網絡,將監控獲取的水域圖像進行人工標注,用不同的類別區分得到標簽圖進行網絡訓練,將訓練得到的卷積神經網絡對待測圖像的水域情況、水面漂浮物等進行高精度檢測與識別.吉木乃是典型的干旱和半干旱地區,由于灌溉不當引起的次生鹽堿化是該地區典型的生態現象,智能診斷模塊利用采集的遙感影像信息,分析該地區鹽堿化區域明顯的解譯特征,從而及時針對有鹽漬化趨勢的區域加大水利灌溉管理措施.

智能調度模塊采用啟發式動態規劃算法建立灌區水資源智能調度模型.將研究地區劃分為若干子區,并將作物水分生產函數及最大增產效益引入區域水資源分配調度策略.凈灌溉增產效益函數采用Jenson模型,λi為作物的產量在供水不足情況下的敏感系數,表達式如式（1）所示.

灌區水資源分配調度以全灌區各用水單位均衡收益平均增產為原則,在灌溉水量不足時考慮用水單位之間的灌溉效益差別[15,16].在保證整個系統水量平衡的前提下,及時準確地引水配水,實現水資源精細化控制.灌區水量調度模型的目標函數可表示為:

智能預警模塊通過設置泄流條件、調洪方式、泄水建筑物等參數進行調洪演算.設置調洪起始水位、庫容、水庫防洪下限水位、下游安全限制泄量以動態監測來水流量、下泄水量等數據.由起始水位依次計算直至過程結束,系統實時輸出各時段末之水位、溢洪道流量、水庫出庫總流量等,并用繪制水庫水位變化線和洪水過程線、泄洪過程線.水庫設計情況下計算間隔時段為2.5 h的水庫下泄流量調洪結果見圖6.

圖6 水庫下泄流量調洪結果

智能控制模塊通過建立水情實時動態監管模型,實現多水源聯動控制.通過信息采集監控系統所獲得的多模態數據如測控點視頻、往年測量值,設備狀態參數等,準確、及時、直觀的掌握灌區水域情況,實現水域圖像實時監控、水庫水量實時測量、渠道水情實時測報,水位信息自動采集,為管理者和用水戶提供快捷方便的服務.

3.3 大數據處理系統

吉木乃縣智慧水利綜合管理平臺總體架構中計算資源層的關鍵是大數據分布式處理中心.考慮到管網節點、視頻監控點、待測壓力點及用水戶數量龐大,綜合管理平臺采用具有數據遠程控制和并行處理功能分布式并行系統.大數據處理系統遵循SOA體系結構,通過在硬件設備上部署能高效儲存和管理海量數據的Hadoop分布式計算系統,實現數據離線計算和數據存儲的高度耦合; 借助內部封裝的MapReduce與HDFS的有機結合,解決分布式并行數據計算產生的容錯性和伸縮性問題[17]基礎分布式云平臺將采集的水情、水質、遙感及圖像數據清洗轉儲,分布式計算支撐技術實現多粒度多層次資源支撐,通過數據匯聚將高可靠的多模態數據時深化應用至水雨情分析、防洪風險預測、水源水質分析、水體漂浮物監控、水資源動態調度等核心服務.利用分布式面向列的數據庫HBase及其內集成的Zookeeper分布式鎖服務,完成系統管理環境中多個進程的同步控制、水利工程數據的實時交互,提升數據訪問的并發性和穩定性和有序性; 通過向用戶提供校驗和及運行后臺進程兩種方式校驗數據保證數據的完整性.系統支撐、數據匯聚與系統應用模塊協同控制,實現高通用性好、高并行性、運行穩定、負載均衡的大數據處理系統,其系統架構見圖7.

圖7 大數據處理系統整體架構圖

4 平臺應用

如圖8所示,吉木乃縣智慧水利綜合管理平臺具有水資源管理、防汛抗旱、揚水工程、農村飲水安全、水庫大壩安全、閘門遠控和灌溉管理7大方面的智慧化應用支持.

圖8 吉木乃縣智慧水利綜合管理平臺應用模塊圖

防汛抗旱管理,建立洪水演進模型實現樞紐工程洪峰到達時間及流量預測; 電子化防汛預案調度,實時追蹤預案執行結果,確保樞紐防汛安全; 實現對現有水庫庫容分析,預測水庫庫容變化; 通過移動巡查實現洪峰信息及時上報,以達到及時、迅速地應對汛情; 通過不斷地從各個人員物資調動點得到汛情信息,全方位的追蹤以確保響應及時; 從水情站、氣象站等各個觀測點或測站,得到天氣、雨水、地下取水等數據,實時的根據經驗建立數據模型,預測出汛情方位、流量信息,標記出淹沒范圍,預測損失等.

灌區用水管理,包括灌溉管理,渠道計量,田間計量.通過對全縣主要糧食及經濟作物的種類、灌溉面積、輪灌周期、土壤滲透量、田間降雨量、作物的缺水敏感系數等進行實時計算,在保證全區水量平衡的情況下,以農作物的生長周期劃分不同階段制定節水灌溉配水計劃,并通過對灌溉用水量、實際用水量的有效統計和仿真計算及時預測,實時調整配水方案,做到用水量合理化、精準化.

農村飲水安全管理,通過多項水質參數綜合評價的方法對飲用水水質進行在線分析.采用多次監測的平均值獲得水質參數,對溶解氧、氨氮含量、重金屬離子含量等指標進行測定和統計[18],各階段擬預測的水質參數應根據具體工程分析和環境現狀、評價等級及當地的環保要求篩選和確定.

水庫大壩安全管理,對大壩安全滲壓滲流數據、庫水位及出庫流量數據進行實時監測并記錄,并對其中超過閾值的監測項在線預警,并通過手機APP進行預警推送,讓大壩安全相關責任人能在第一時間掌控險情,做出應對措施.如圖9所示,是水庫大壩管理界面的展示.

圖9 水庫大壩安全管理模塊展示

閘門遠程控制管理,對吉木乃縣紅山水庫及下游灌區的6座一體化閘門進行集中控制.實時顯示閘門過閘流量,閘門開度,并以動畫的形式顯示渠道的過水情況.提供了5種模式的閘門控制方式,適應不同的用水需求下的閘控需求.圖10為閘門遠程控制管理的界面展示.

圖10 閘門遠程控制管理模塊展示

5 結語

本文介紹的智慧化信息綜合管理平臺是阿勒泰地區吉木乃縣水利局信息化建設的一個重要組成部分,有效提高了吉木乃縣水利局的管理水平和優化水資源調配能力,促進生態平衡,促進區域水利工程設施管理、灌區用水管理和防汛抗旱管理的智慧化.智慧水利建設的作用和效益主要表現為以下5個方面:

（1）對于提高吉木乃縣水利工程的社會環境效益有著積極的影響.水資源優化配置、優化調度、優化利用的結果,不但提高了水利工程的社會效益,水管單位的內部經濟效益也獲得了一定程度的提高.

（2）對于提高吉木乃縣水資源的管理水平有著極大的意義,即實現了對灌區用水量的全面掌握,又從宏觀上對全區域的分水情況進行把控,可以進行更有效的水資源最優分配及調度.

（3）能實時掌握水情、墑情、工情信息,建立覆蓋整個吉木乃縣的防洪抗旱預測管理體系,掌握區域洪水動態,提升管理部門應對汛期洪水、旱期缺水管理能力.

（4）通過對水庫入庫水量,庫容,出庫水量的長期精準監測,結合大量各地需水情況的同期歷史數據,可以有效預判水資源需求狀況,提前做好水資源調度計劃.

（5）用水戶可以通過信息查詢了解吉木乃縣的工程建設、供水政策、水資源管理等情況,實現互動,提升管理部門的公眾影響力和用水戶的參與積極性,促進吉木乃縣水利局更好地為農業生產和群眾生活供水服務.