陵城區引黃灌區大數據技術應用分析

王明龍，李曉明

(1.德州市陵城區邊臨鎮人民政府，山東 德州 253000；2.德州市陵城區水利局，山東 德州 253500)

大數據分析應用是通過對大量的復雜數據進行分類、提煉，從中得到可被所屬行業利用的資源和信息,并對具有價值的數據進行專業化預測性分析,即通過對數據的可視化分析、統計模型識別、數據描述等挖掘形式得到有價值的數據,然后將挖掘的數據分析結果應用在引黃灌區工程的實際運行管理中。陵城區引黃灌區農業節水工程目前已初步形成大數據分析系統，實現了通過物聯網將安裝在橋梁、水閘、河道等各種各樣的傳感器信息進行實時采集、分析、處理。但未來還需要進一步開展更多的技術升級工作,需要進一步突破以互聯網為基礎的數據鏈接、相似度連接為主導的大數據融合技術。

1 系統總體架構分析

一般地，大數據分析應用系統包括數據采集、傳輸、處理、存儲、應用、決策支持等環節，還涉及一些基礎設施的建立。結合陵城區水利工程管理的特點，不同級別的業務處理邏輯以及數據訪問邏輯等有可復制、共享的部分，可以考慮設計建設通用的業務處理服務和信息交換服務等。本工程大數據系統主要由基礎設施、平臺框架體系、業務應用系統以及系統運行實體環境等幾部分組成[1-3]。

1.1 基礎設施

主要由信息收集處理系統、信息傳遞處理系統、資料的存儲和管理等組成。信息收集處理系統采用先進的信息自動采集設備和遠程自動化控制技術，實現對陵城區內馬頰河、德惠新河流域引水、用水信息自動化采集；信息傳輸利用成熟的有線或無線傳輸技術和計算機網絡技術實現管理各種信息的安全傳遞；數據存儲與管理利用數據庫技術和相應的存儲設備實現對引黃灌區基礎數據的存儲與管理。引黃灌區共建計量設施39處，為陵城區水利工程調度管理提供必要參考信息。

1.2 平臺框架體系

平臺框架體系為承上啟下的邏輯層,為上級應用系統和下級的用戶提供不同類型的方式和工具,主要功能包括信息共享服務、空間信息服務、業務辦理服務、用戶經驗管理與認證服務。

1.3 業務應用系統

業務應用系統是整個系統的“大腦”部分，直接面向陵城區水利局工程管理科室，根據管理級別，結合所需信息和管理職能，為各層管理部門設計不同權限的用水管理與決策頁面，將管理工作流程標準化、程序化，形象地展示出不同業務的功能，為各級調度管理提供相應的技術支持，從而達到陵城區引黃灌區管理“一張圖”的目標。

1.4 系統運行實體環境

運行實體環境一方面指陵城區水管單位工程管理中心的辦公環境，另一方面指按照管理組織機構，為各級管理機構設計相應監測(控)、監督和管理的設施設備和為系統的正常運行提供的硬件環境。

2 調度運行分析應用

2.1 工程調度成果分析

德州市陵城區境內為黃河沖積平原,屬海河流域,地勢平緩,境內總體地勢從西南至東北方向傾斜,呈西高東低之勢。地面黃海高程最高點位于陵城區丁莊鄉的一個小村莊,黃海高程24 m,最低點位于陵城區宋家鎮的管飯堂村,黃海高程13 m,地勢高低相差11 m。因為高程落差較大,陵城區境內的河流一般均能采用自流輸送,主要通過節制閘和分水口來控制供給水量的分配。但是,就目前情況看來,陵城區境內的灌溉、飲用水量綜合調度尚未能夠充分發揮其核心功能,實際運行還多采用經驗性的調度方法為主。未能實現根據降雨量和農作物生長周期的需水情況作出合理的調水計劃，導致村民灌溉用水矛盾突出。

大數據技術為合理解決這一問題提供了重要方案，首先，大數據系統會收集到陵城區水利局各個管理段歷史相同時期以往調度水量的關鍵數據，例如，水閘開啟、關閉時的水位高度、放水時間、過水總量等。再綜合地分析水流演變規律、機組效率、當下的降水、需要用水和鄉鎮土地面積等眾多客觀影響因素,為分配水量的計算和模型提供必要的數據資料,最終得出了最優調水方案和解決辦法,這不僅可以有效地提高自然水資源的綜合利用率，還能充分發揮水利工程的經濟效益。

2.2 水情監測系統分析

陵城區引黃灌區農業節水工程水情監測系統主要安裝有20處斷面流量監測、15處閘門測量站、11處揚水泵站流量監測、2處超閘門全自動化監測、273處機井計量控制站，可實現水位采集測量、水深淤積測量、分層流速測量、斷面流量自動計算，利用無線傳輸實時將測得信息和狀態數據發送到上位機軟件，管理人員可遠程監控測量過程。另外，也可實現將上報的數據和預先設定的預警條件進行比較，針對異常情況進行聲音和顏色報警，目前主要報警類型包括:水資源預警、水生態預警、水雨情預警、防汛預警、抗旱預警，并且不同報警類型按預設的不同顏色、圖例加以顯示和區分，形成符合現代化灌區要求的水情監測系統，有效防范化解水災害重大安全風險。

2.3 視頻監控安防分析

陵城區引黃灌區農業節水工程選擇重要的渠系建筑物建設視頻監控系統，如重要節制閘、灌渠進水閘等。可以輕松地實現干渠節制閘及周圍的現場情況監測功能,并且該攝像機還具備了紅外夜視的功能,在光線昏暗時亦可以輕松看清被監測的對象。通過現場的監控設備,視頻監測器系統能夠把現場的全部實時影像經由無線網絡準確、迅捷、清晰地傳輸到監測管理中心。大數據系統用戶可篩選和查看在管理范圍內的所有視頻,根據管理站內部所屬項目、監測類型、狀態查詢、視頻顯示等信息進行篩選,并利用預警聲音及時發出提示,值班人員和管理者可根據視頻影像所反映出來的現場狀態做出分析決策。視頻監控系統還可以將各個監控視頻數據經智能化分級后存儲在互聯網主機中,這些信息對于后期的事故分析、責任排查、提高整個灌區的運行和管理水平,都具有十分重要參考價值。

3 運行維護管理分析

3.1 管理云平臺建設分析

陵城區引黃灌區農業節水工程管理云平臺包含了灌區物聯網平臺、灌區數據能力中心、大數據分析駕駛艙、灌區信息服務平臺、GIS 一張圖、灌區指揮調度中心、應用支撐平臺和灌區智能應用體系。管理云平臺是灌區系統數據利用承上啟下的關鍵部分,引黃灌區中涉及眾多的物聯網前端感知設備和控制設備,各種控制設備之間通信協議也有所差別,通過為灌區建立統一的物聯網管理云平臺,適配各種控制設備的異構性，確保實現了數據的高效傳輸,有效解決了數據的丟失、重傳問題,最終達到了鏈路一體化、協議解析通用化、數據調整動態化、參數監測智能化,為上層業務系統開發提供了基礎支撐。云平臺的建設不僅為后期工程運行維護提供了便利，還大大節省了人力、物力、財力。

3.2 設備及人力資源配置分析

陵城區引黃灌區農業節水工程通過大數據系統記錄的日常維護管理情況，形成了海量人員巡邏班次記錄、設備維護保養記錄、易損件型號與采購廠家記錄、儲備件出入庫使用情況記錄、儲備件出入庫時間使用情況記錄等信息,通過對這些記錄數據進行數據分析和綜合挖掘之后,其分析結論對于優化配套裝備、易損件存儲儲備和運維專業人力資源配置具有重要意義；對于編制的設備維修與保養方案，指導、監督、檢查、考核運維管理工作，水利設備升級改造,保障各項水利工程設備的正常運轉,都具有重要的參考價值；對指導陵城區水利項目規劃、初步設計、費用估算、方案實施、計劃完成時間都有借鑒意義。

3.3 設備故障、質量監測分析

陵城區引黃灌區農業節水工程總投資3.06億元，包括大量的不同行業、不同生產廠家的設備設施，設備質量的好壞決定著工程是否能夠發揮效益，引黃灌區設備巡查系統利用物聯網技術、可視化軟件技術，以狀態傳感、圖像處理、缺陷搜索與定位為核心技術，對工程設備進行日常巡檢、檢修維護，實現設備的在線情況、通信情況、設備故障情況智能巡查，對設備全生命周期的異常進行跟蹤統計，基于大數據分析與挖掘技術，形成設備質量多維度的研究分析結果，并將分析結果及時通過短信或郵件的方式通知運維負責人員，為后期優化運維管理及新設備選型、采購提供重要的依據。

4 結 語

陵城區在引黃灌區采用大數據技術對于推動水利工程的良性高效運轉,緩解水資源的短缺供需矛盾,推動陵城區現代農業的健康可持續發展,具有十分重要的戰略意義。雖然陵城區通過引黃灌區農業節水工程，在大數據應用方面取得了一定的成績，但目前對大數據的認識和利用還不夠充分，現實應用過程中對大數據的分析能力較差，完全適合引黃灌區的理論指導體系尚未建立。隨著大數據理念的進一步發展，數據世界里的基礎理論和算法不斷豐富，大數據應用技術可更好地為水利行業提供更全面的技術服務支持。