深圳河流域防洪潮調(diào)度管理平臺開發(fā)與應(yīng)用

汪振松

(深圳市深圳河灣流域管理中心，廣東 深圳 518020)

對流域水文要素包括相關(guān)工程、下游影響區(qū)的氣象、水情、工情以及自然環(huán)境因素等信息進(jìn)行自動(dòng)化采集，構(gòu)建一體化信息管理平臺，并嵌入優(yōu)化調(diào)度模型和算法，實(shí)現(xiàn)防洪調(diào)度信息采集、數(shù)據(jù)處理、調(diào)度方案的自動(dòng)化、科學(xué)化、實(shí)時(shí)化是實(shí)現(xiàn)流域防洪優(yōu)化調(diào)度的重要手段，專家學(xué)者已開展了一些有益的探索，取得了一定的成果[1-3]。但隨著人工智能和信息技術(shù)的進(jìn)一步成熟與發(fā)展，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等的智能化，實(shí)現(xiàn)智慧調(diào)度已成為河流及流域工程管理的必然需求[4-5]。如流域洪水存在潮位頂托影響時(shí)，需考慮洪潮相互作用，通過潮位監(jiān)測和預(yù)報(bào)，合理調(diào)度以減小洪潮疊加影響，實(shí)現(xiàn)防洪最優(yōu)調(diào)度和智慧調(diào)度[6]。因此，本文以深圳河流域防洪、防潮聯(lián)合調(diào)度為研究對象，結(jié)合智慧水務(wù)建設(shè)需求，從宏觀層面研究分析防洪潮調(diào)度信息化目標(biāo)，提出并建立管理平臺框架，實(shí)現(xiàn)平臺建設(shè)及應(yīng)用，對未來沿海地區(qū)重點(diǎn)區(qū)域防洪潮調(diào)度與管理起到了一定的探索作用。

1 研究背景

為適應(yīng)深圳水務(wù)智慧化管理要求，實(shí)現(xiàn)深圳河流域的科學(xué)調(diào)度管理，針對深圳河流域內(nèi)重要防洪設(shè)施，包括筍崗滯洪區(qū)和深圳水庫等，構(gòu)建一體化調(diào)度管理平臺。

深圳市智慧水務(wù)方案中提出要建設(shè)深圳河流域智慧管理系統(tǒng)，本平臺研究可為其提供前期基礎(chǔ)性成果，作為深圳市智慧水務(wù)中的一部分接入智慧水務(wù)系統(tǒng)。深圳河流域防洪潮調(diào)度管理平臺利用智能感知和數(shù)據(jù)融合兩大體系，對深圳河雨情、水情、視頻監(jiān)控等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理，結(jié)合氣象預(yù)報(bào)和水文預(yù)報(bào)模型，整合城市分布式水文、城市水動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)模型，納入工程安全、水質(zhì)模擬、防洪調(diào)度等專業(yè)模型，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)估預(yù)判、科學(xué)合理調(diào)度。

2 平臺總體框架

深圳河流域防洪潮調(diào)度管理平臺包括采集層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層、優(yōu)化層5個(gè)層次，平臺總體框架見圖1。

圖1 深圳河流域防洪潮調(diào)度管理平臺總體框架

a.采集層：通過測站(包括在線或遙測等)配置的傳感設(shè)備、遙測終端機(jī)、通信模塊、供電系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)采集各重要河段干流及支流水位、雨量、流量及視頻等信息并進(jìn)行存儲、加密。通過有線或無線的方式，實(shí)時(shí)或定時(shí)地發(fā)送到服務(wù)器。

b.數(shù)據(jù)層：實(shí)時(shí)接收遙測終端機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并入庫。要求能快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地處理、解析實(shí)時(shí)水雨情、圖像等數(shù)據(jù)，且在宏量終端(大于3000個(gè))并發(fā)傳輸時(shí)仍能保證性能不明顯下降。數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)核心，除圖像外的所有數(shù)據(jù)，包括水利工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)、歷史水雨情數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、歷史調(diào)度數(shù)據(jù)等均存儲在數(shù)據(jù)層。

c.支撐層：提供系統(tǒng)運(yùn)行必需的應(yīng)用服務(wù)，包括Web服務(wù)器、模型服務(wù)(產(chǎn)匯流模型和水動(dòng)力模型等)、數(shù)據(jù)訪問等。其中，Web應(yīng)用系統(tǒng)(業(yè)務(wù)管理系統(tǒng))可以監(jiān)測、查詢、分析、統(tǒng)計(jì)水利工程運(yùn)行狀況。

d.應(yīng)用層：主要包括信息共享系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)(洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)和洪水演進(jìn)預(yù)報(bào)系統(tǒng))和洪水調(diào)度系統(tǒng)(防洪潮調(diào)度、泥沙沖淤調(diào)度和應(yīng)急指揮調(diào)度)。

e.用戶層：為三防辦、河灣中心和粵港供水公司提供深圳水庫、深圳河實(shí)時(shí)水雨情信息，供其進(jìn)行實(shí)時(shí)查看或調(diào)度決策。

平臺監(jiān)測內(nèi)容包括水雨情、潮流量、視頻圖像等。該平臺聯(lián)合深圳市三防辦的三防決策支持平臺、河灣中心的筍崗滯洪區(qū)水閘監(jiān)控平臺以及粵港供水公司的深圳水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各平臺之間數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)合作，實(shí)現(xiàn)水情調(diào)度、搶險(xiǎn)調(diào)度、命令發(fā)布等自動(dòng)化，從而為深圳河流域防洪潮調(diào)度提供科學(xué)、準(zhǔn)確的決策依據(jù)。平臺共享機(jī)制見圖2。

圖2 平臺共享機(jī)制

3 平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，我國防洪潮調(diào)度體系中，廣泛采用客戶端/服務(wù)器(C/S)模式，該模式具有較優(yōu)的數(shù)據(jù)處理能力和操作能力、數(shù)據(jù)安全性和完整性，能夠較好地進(jìn)行防洪調(diào)度集成，很大程度上提高了防洪調(diào)度的科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)范圍內(nèi)的多用戶操作。但隨著系統(tǒng)升級和應(yīng)用程序復(fù)雜程度提高，C/S模式出現(xiàn)了如可移植性差、后臺維護(hù)工作難等弊端，而通過以Web技術(shù)為支撐的B/S模式則可以較好地解決這些問題。B/S模式防洪調(diào)度系統(tǒng)基于瀏覽器通過客戶端顯示W(wǎng)eb頁面，進(jìn)行降雨預(yù)報(bào)和洪水調(diào)度，以及水域數(shù)據(jù)庫的管理，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的完整性、唯一性和準(zhǔn)確性，保證系統(tǒng)實(shí)用性和一致性，具有系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)共享等優(yōu)勢。因此，本管理平臺擬采用B/S模式，建立深圳河流域防洪潮調(diào)度體系，為該流域調(diào)度提供有力的技術(shù)支持。該防洪潮調(diào)度系統(tǒng)以水資源優(yōu)化配置、洪水預(yù)報(bào)、洪水調(diào)度、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析研究為核心，利用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)值計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)，進(jìn)行洪水預(yù)測預(yù)報(bào)與風(fēng)險(xiǎn)評估，為深圳河流域洪水調(diào)度提供及時(shí)、準(zhǔn)確的決策依據(jù)，提升深圳河流域的防洪能力。

深圳河流域防洪潮調(diào)度管理平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)層次：上層是位于河灣中心的監(jiān)測中心站，下層是信息采集的遙測采集站，見圖3。在深圳河各個(gè)匯流入口、典型河段等汛情易發(fā)處建設(shè)遙測采集站，通過有線通信將水雨情、流量、視頻圖像等信息傳送到監(jiān)測中心站。監(jiān)測中心站通過建立局域網(wǎng)絡(luò)，將各信息采集站得到的水雨情、流量、視頻圖像等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存并提供給相關(guān)應(yīng)用單位。平臺可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、整合、分析、預(yù)警預(yù)報(bào)等功能，通過強(qiáng)大的人機(jī)交互支持，實(shí)現(xiàn)多部門異地多媒體會商，為深圳市三防辦、河灣中心、粵港供水等單位提供實(shí)時(shí)信息查詢、統(tǒng)計(jì)和分析，為深圳河防洪潮調(diào)度提供科學(xué)、準(zhǔn)確的決策依據(jù)。

圖3 平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 平臺建設(shè)

4.1 監(jiān)測中心站

監(jiān)測中心站配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、視頻服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件設(shè)備，建立計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，將各遙測采集站得到的水雨情、流量、視頻圖像等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(劃分為視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水雨情及流量監(jiān)測系統(tǒng))及保存，并提供相關(guān)應(yīng)用。

4.1.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能

a.遠(yuǎn)程圖像監(jiān)視：三防辦、河灣中心和粵港供水公司可實(shí)時(shí)查看深圳河流域的監(jiān)控畫面及圖像。

b.多點(diǎn)監(jiān)視一點(diǎn)：多個(gè)監(jiān)控終端可同時(shí)監(jiān)視同一前端。采用組播方式，該路視頻碼流在網(wǎng)絡(luò)中只占用1路視頻帶寬。

c.一點(diǎn)監(jiān)控多點(diǎn)：一個(gè)監(jiān)控終端可同時(shí)監(jiān)控多個(gè)前端，即在監(jiān)測站監(jiān)視器屏幕上進(jìn)行多畫面分割顯示，且每個(gè)畫面實(shí)時(shí)活動(dòng)。

d.攝像機(jī)預(yù)置：可采用帶預(yù)置功能的攝像機(jī)，預(yù)先將監(jiān)視目標(biāo)的方位、聚焦、變焦等參數(shù)存入，從而方便監(jiān)視，也可利用這些預(yù)置點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)掃描巡視。

e.圖像抓拍：對活動(dòng)圖像進(jìn)行自動(dòng)抓拍。

f.自動(dòng)巡視：在監(jiān)控終端上，可選擇加入自動(dòng)巡視的前端、前端攝像機(jī)、攝像機(jī)預(yù)置點(diǎn)，設(shè)定間隔時(shí)間，進(jìn)行自動(dòng)巡視。可選擇單畫面、四畫面、九畫面等進(jìn)行遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控或安防監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)上下翻頁，可針對每個(gè)畫面選擇不同端站或同一端站的不同攝像機(jī)進(jìn)行查看。

g.滿屏和正常顯示兩種方式切換，實(shí)現(xiàn)一用戶同時(shí)多點(diǎn)遙視、多用戶同時(shí)一點(diǎn)遙視、多用戶同時(shí)多點(diǎn)遙視。用戶可進(jìn)行滿足自己工作需要的多攝像機(jī)輪巡(可為多個(gè)端站)，也可設(shè)定切換時(shí)間。

h.可對攝像機(jī)進(jìn)行通道鎖定。自動(dòng)輪巡中，若需關(guān)注某個(gè)畫面，可對指定攝像機(jī)進(jìn)行鎖定不參與輪巡，便于用戶監(jiān)視和控制，也可以進(jìn)行畫面鎖定，實(shí)現(xiàn)圖像定格。

4.1.2 水雨情及流量監(jiān)測系統(tǒng)功能

監(jiān)測中心站通過軟硬件平臺提供水情預(yù)報(bào)和信息服務(wù)，負(fù)責(zé)信息接收處理和數(shù)據(jù)庫管理。主要由水情信息接收處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)3部分組成，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

a.數(shù)據(jù)接收處理：實(shí)時(shí)接收遙測站的水位、雨量、流量等信息。

b.應(yīng)答、查詢：定時(shí)或人工查詢下屬站點(diǎn)水位、雨量數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)。可按指定時(shí)段指定通信方式批量傳送遙測站記錄信息，可對遙測站進(jìn)行時(shí)鐘校正、開關(guān)機(jī)等。

c.數(shù)據(jù)庫管理：包括對原始、歷史、預(yù)報(bào)或成果數(shù)據(jù)庫的形成、檢索、查詢等。

d.聯(lián)網(wǎng)通信：可接入局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

e.接收、分析、處理、存儲有關(guān)氣象部門、水文部門、應(yīng)急管理部門發(fā)布的信息。

f.狀態(tài)警告：在雨量或水位、流量等超過規(guī)定限值時(shí)進(jìn)行報(bào)警；當(dāng)設(shè)備供電不足、電壓下降，遙測站電源能力低于設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。除屏幕顯示外，還可采用聲、光等方式報(bào)警。

g.數(shù)據(jù)維護(hù)功能：提供安全、保密的數(shù)據(jù)備份，確保數(shù)據(jù)安全。

4.2 遙測采集站

4.2.1 視頻監(jiān)控站

結(jié)合工程實(shí)際需要，在深圳河沿線關(guān)鍵斷面、已建測站斷面和典型河段布設(shè)視頻監(jiān)控點(diǎn)，為深圳河防洪潮調(diào)度提供實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，作為工程運(yùn)行管理的輔助手段。深圳河沿河共設(shè)置9個(gè)視頻監(jiān)控站點(diǎn)，分別為深圳河口、皇崗河口、福田河口、上步碼頭、鹿丹村、梧桐河口、羅湖、三叉河口、平原河口，具體布置情況見圖4。視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括攝像機(jī)、供電系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)。

圖4 深圳河流域視頻監(jiān)控點(diǎn)布置

4.2.2 水雨情遙測站

深圳河現(xiàn)有5個(gè)水雨情遙測站點(diǎn)，擬在深圳河干流新建4個(gè)水雨情遙測站，分別為皇崗河口站、福田河口站、上步碼頭站和平原河口站。皇崗河口、福田河口、平原河口均位于支流與干流的匯入口處。上步碼頭段是深圳河堤防(深圳側(cè))防洪能力較低段，故在此處增設(shè)水雨情遙測站點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)布置情況見圖5。

圖5 深圳河水雨情監(jiān)測點(diǎn)布置

水雨情遙測站由水位、雨量傳感設(shè)備，遙測采集終端，供電系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，防雷系統(tǒng)等組成。通過傳感設(shè)備將現(xiàn)場采集的水位、雨量數(shù)據(jù)信息接入數(shù)據(jù)采集遙測終端(RTU)進(jìn)行接收并保存，終端按系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的發(fā)送時(shí)間，通過有線網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到監(jiān)測中心站，并保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。

4.2.3 潮流量遙測站

深圳河現(xiàn)有5個(gè)潮流量遙測站點(diǎn)(平原河口站于2015年撤站)，擬在深圳河干流新建3個(gè)潮流量遙測站，分別為皇崗河口站、福田河口站、平原河口站，站址均位于支流與干流的匯入口處，有利于監(jiān)測匯流后潮流量，各站點(diǎn)布置情況見圖6。

圖6 深圳河潮流量監(jiān)測點(diǎn)布置

潮流量遙測站由流量傳感設(shè)備、遙測采集終端設(shè)備、供電系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)等組成。與水雨情遙測站類似，潮流量遙測站通過遙測終端(RTU)接收并保存現(xiàn)場采集的流量數(shù)據(jù)信息，按照設(shè)置時(shí)間將監(jiān)測的信息數(shù)據(jù)通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心站，同時(shí)保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。

5 平臺應(yīng)用

以深圳河流域防洪潮調(diào)度管理平臺為抓手，可實(shí)現(xiàn)以下5個(gè)重要場景的應(yīng)用：

a.信息共享：該平臺通過定制接口，實(shí)現(xiàn)了與市三防決策支持平臺、筍崗滯洪區(qū)水閘監(jiān)控平臺和深圳水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的信息共享。可結(jié)合水情、雨情及流域內(nèi)其他控制性工程邊界參數(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)合作下的智慧化調(diào)度，大大提升了深圳河防洪潮調(diào)度的科學(xué)性和合理性。

b.實(shí)時(shí)監(jiān)控：通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及傳輸，較好地實(shí)現(xiàn)了流域內(nèi)重點(diǎn)河段、重要節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測和自動(dòng)化管理。降雨、水位、流量等環(huán)境量的采集與處理，為防洪潮提供了及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。現(xiàn)場狀態(tài)如圖像、視頻等可實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控大屏和分析模型中，為更直觀地進(jìn)行河道管理及執(zhí)法行動(dòng)、發(fā)布預(yù)警等提供了最準(zhǔn)確、最直接的參考依據(jù)。

c.洪水預(yù)報(bào)：內(nèi)置的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)可結(jié)合降雨、潮汐、臺風(fēng)等預(yù)報(bào)信息，及時(shí)準(zhǔn)確地開展洪水分析和計(jì)算，模擬預(yù)報(bào)洪水災(zāi)害范圍，大大減輕了技術(shù)管理人員的工作強(qiáng)度。

d.洪水調(diào)度：結(jié)合上述洪水預(yù)報(bào)，根據(jù)深圳河流域水動(dòng)力模型、產(chǎn)匯流模型，可計(jì)算分析不同泄流條件下的河道水位、河道沖淤條件，提供合理、安全的調(diào)度方案，削減其對于河道及周邊居民生產(chǎn)生活的不利影響。

e.應(yīng)急指揮調(diào)度：可模擬極端氣象條件下(如極端暴雨或超強(qiáng)臺風(fēng)等)深圳河流域產(chǎn)匯流情況，計(jì)算分析對于深圳水庫的影響，并模擬各種泄洪方案對流域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的影響，以便采取相應(yīng)的管理措施。

6 結(jié) 語

隨著城市化進(jìn)程，深圳市已基本建成一個(gè)生態(tài)型、現(xiàn)代化、園林化的“巨型”城市，但城市發(fā)展與地域狹小的矛盾仍比較突出，而深圳河流域位于深圳市城區(qū)中心，進(jìn)一步通過大型防洪工程建設(shè)提升防洪潮標(biāo)準(zhǔn)的難度較大，必須通過合理的工程調(diào)度，挖掘流域內(nèi)現(xiàn)有水利工程的潛力，實(shí)現(xiàn)削峰錯(cuò)峰錯(cuò)潮，削減洪澇的不利影響。而實(shí)施深圳河流域防洪工程的統(tǒng)一合理優(yōu)化調(diào)度是現(xiàn)有條件下降低洪、澇、潮風(fēng)險(xiǎn)的有效手段，通過建立深圳河流域防洪潮調(diào)度管理平臺，實(shí)現(xiàn)調(diào)度的信息化、智慧化，可提升調(diào)度決策的科學(xué)性和合理性。

本文充分考慮深圳河與周邊條件及各方關(guān)系，從總體框架、平臺結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)共享與互聯(lián)機(jī)制、測站設(shè)置、功能體系等方面對防洪潮調(diào)度管理平臺進(jìn)行了較為全面的總結(jié)和分析。該平臺在深圳河防洪潮調(diào)度管理工作中得到了有效實(shí)施，工程運(yùn)行效果良好，極大地提升了深圳河流域調(diào)度管理水平，有利于后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化工程調(diào)度，為深圳市建設(shè)社會主義先行示范區(qū)奠定基礎(chǔ)。