海河防潮閘工程信息化業(yè)務應用研究與探討

任海康，許 健

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222）

海河防潮閘（以下簡稱海河閘）位于天津市塘沽區(qū)海河入海口處，承擔著海河流域泄洪、天津市區(qū)澇水入海和濱海新區(qū)防潮安全的任務，同時具有調(diào)節(jié)上游河道水位、滿足通航水深的作用，是海河干流重要的水利工程。

海河閘除險加固工程信息化部分依據(jù)《智慧海河總體方案》的指導思想，緊密圍繞網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略實施和水利現(xiàn)代化發(fā)展要求，充分運用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)，構(gòu)建以“2+N”為架構(gòu)的水利智能業(yè)務應用體系，包括物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、閘門運行調(diào)度系統(tǒng)、運行維護管理系統(tǒng)、防汛應急指揮系統(tǒng)、綜合門戶和綜合展示系統(tǒng)等，以提升海河閘工程信息管理與運用水平。本文另結(jié)合數(shù)字孿生工程建設(shè)思路，對海河閘信息化工程的提升建設(shè)進行技術(shù)探討。

1 信息化系統(tǒng)總體設(shè)計

海河閘工程信息化建設(shè)依據(jù)智慧水利總體框架[1]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從下到上分為5 層，依次為數(shù)據(jù)采集層、通信網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)資源層、應用支撐層、業(yè)務應用層，同時設(shè)置標準規(guī)范體系、安全保障體系、運行實體環(huán)境為系統(tǒng)提供標準支撐、安全保障和物理環(huán)境保障。本文主要對業(yè)務應用系統(tǒng)設(shè)計進行研究分析。

2 業(yè)務應用系統(tǒng)研究

2.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

2.1.1 綜合監(jiān)視系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)采集層建設(shè)內(nèi)容，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口對工程閘門監(jiān)控、視頻站、工程安全監(jiān)測等數(shù)據(jù)進行接收、計算、存儲、預警預報、人工校正和統(tǒng)計分析處理，主要實現(xiàn)工程遠程監(jiān)視、歷史信息查詢、趨勢分析、報表生成等功能。

2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)管護系統(tǒng)

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中建設(shè)水利物聯(lián)網(wǎng)管護系統(tǒng)，設(shè)計目的是確保各物聯(lián)終端、通信設(shè)備等的正常、可靠運行以及采集數(shù)據(jù)的合理、正確。物聯(lián)網(wǎng)管護系統(tǒng)主要功能包括通信連接狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備數(shù)據(jù)異常預警、遠程設(shè)備運維管理和故障分析等。

2.2 閘門運行調(diào)度系統(tǒng)

為了提升閘門運行調(diào)度管理水平，建設(shè)開發(fā)閘門運行調(diào)度系統(tǒng)，提供調(diào)度信息管理和調(diào)度預測預警等功能。

2.2.1 調(diào)度管理

系統(tǒng)將《閘門運用申請單》《水利工程運行調(diào)度單》《防汛調(diào)度提閘運行單》以及《閘門運用情況報告單》等在系統(tǒng)內(nèi)做成標準電子格式，為調(diào)度指令和工單等的無紙化起草、流轉(zhuǎn)、簽發(fā)提供支撐。系統(tǒng)根據(jù)閘門調(diào)度運行規(guī)則[2]進行調(diào)度，在出現(xiàn)需要提起閘門情況時，由管理處向海河下游局提交提閘申請單，經(jīng)分管領(lǐng)導批準后交到局防御辦，局防御辦再將調(diào)令下達到管理處，管理處再將指令下達到工管科，工管科提閘后向管理處提交反饋，再由管理處向海河下游局提交閘門運行報告，局防御辦進行歸檔。閘門運行調(diào)度管理流程，如圖1所示。

圖1 閘門運行調(diào)度管理流程

2.2.2 調(diào)度預測預警

（1）啟閉預警。根據(jù)系統(tǒng)獲取的閘門上下游水位、潮位等信息及閘門運行規(guī)則，系統(tǒng)提供平潮啟閉預警服務。在上下游水位差為10 cm 時發(fā)出第一次預警，在水位差為5 cm 時發(fā)出第二次預警，在水位差為0 時發(fā)出第三次預警，預警信息在系統(tǒng)中進行高亮顯示，同時通過短消息等方式通知提示操作人員進行閘門啟閉的操作。

（2）智能預測分析。借助人工智能技術(shù)，建立數(shù)據(jù)學習機制，對潮汐、水位之間的關(guān)系進行分析并找出規(guī)律，預測出閘門上下游水位相平時間，并根據(jù)年度調(diào)度運用計劃提前制定月度調(diào)度計劃。

2.3 運行維護管理系統(tǒng)

運行維護管理系統(tǒng)主要用于工程和運維人員管理，主要內(nèi)容包括工程巡檢、工程維護信息管理、維修養(yǎng)護管理、值班管理、工單管理、綜合辦公等，為運維階段的各項業(yè)務提供便利，保障工程運行管理的正常運行。

2.3.1 工程巡檢

工程巡檢提供基礎(chǔ)信息管理、巡檢計劃管理、巡檢記錄管理和巡檢統(tǒng)計分析等功能，實現(xiàn)工程巡檢工作的流程化、透明化，實現(xiàn)管理人員對巡檢情況的全面掌握。

2.3.2 工程維護信息管理

系統(tǒng)建立設(shè)備臺賬及資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，與設(shè)備BIM模型綁定，并結(jié)合可視化界面目錄樹，實現(xiàn)設(shè)備臺賬的可視化及模型和屬性數(shù)據(jù)的互查、雙向檢索定位，從而實現(xiàn)三維可視化的資產(chǎn)管理。對工區(qū)內(nèi)的所有設(shè)備等進行入庫、出庫、分類、統(tǒng)計等，使用戶能夠快速找到相應的設(shè)備以及查看設(shè)備對應的現(xiàn)場位置、所處環(huán)境、關(guān)聯(lián)設(shè)備、設(shè)備參數(shù)等真實情況。

2.3.3 維修養(yǎng)護管理

維修養(yǎng)護管理主要實現(xiàn)對工程設(shè)備、設(shè)施的計劃性維護的管理，主要包括維修養(yǎng)護方案制定、養(yǎng)護記錄、維修申請、維修記錄、統(tǒng)計分析、維修養(yǎng)護預警等，并實現(xiàn)與設(shè)備臺賬信息的掛接。

2.3.4 值班管理

值班管理可以按照預先設(shè)立的模板進行排班，自動生成排班表，支持打印輸出。針對突發(fā)事件需調(diào)班時，能夠通過該功能對排班安排進行更改，實現(xiàn)調(diào)班事件的管理。值班人員在值班完成后可通過系統(tǒng)填寫帶班領(lǐng)導、值班人員、值班情況、已辦事項、待辦事項等信息，形成值班記錄。值班人員可在指定時間向下一班值班人員發(fā)送值班消息提醒，消息可通過短信、郵件等多種形式發(fā)送。

2.3.5 工單管理

工單管理包括水政工單、養(yǎng)護工單和維修工單的自動化流轉(zhuǎn)，其中水政工單按照《水政執(zhí)法巡查記錄表》的格式進行填報、審核和自動生成，提供電子化存檔功能；養(yǎng)護工單根據(jù)養(yǎng)護計劃，自動產(chǎn)生工單，方便管理人員、操作人員進行定期保養(yǎng)工作，并提交相關(guān)領(lǐng)導審批；維修工單根據(jù)維修計劃，自動產(chǎn)生工單，由維修人員對設(shè)備的故障進行維修，并提交相關(guān)領(lǐng)導審批。

2.3.6 綜合辦公

作為海河下游局直屬單位，海河閘管理處需建設(shè)滿足自身辦公需要的信息化系統(tǒng)。系統(tǒng)總體設(shè)計包括5 個主要模塊，分別是領(lǐng)導辦公、公文處理、綜合事務、會議管理和系統(tǒng)管理。

2.4 防汛應急指揮系統(tǒng)

防汛應急指揮系統(tǒng)實現(xiàn)功能包括基礎(chǔ)信息錄入與查詢、應急預警、應急調(diào)度和搶險指揮。防汛應急指揮流程，如圖2所示。

圖2 防汛應急指揮流程

2.4.1 基礎(chǔ)信息錄入與查詢

（1）基礎(chǔ)信息管理。水雨情、潮情信息查詢主要對水位、流量、雨量、潮位等信息進行查詢，并設(shè)置閾值提供預警功能；氣象查詢主要對接入的外部氣象數(shù)據(jù)進行查詢，包括衛(wèi)星云圖、雷達圖、天氣預報等；工情險情查詢主要對工情、險情、災情等信息進行查詢。

（2）防汛信息管理。主要包括防汛預案制定、防汛物資管理、防汛組織、防汛通信、值班信息等信息，通過錄入方式、調(diào)取相關(guān)模塊進行匯總查詢。

2.4.2 應急預警管理

應急預警主要對洪水事件發(fā)生時應急狀態(tài)下的相關(guān)業(yè)務提供服務，包括歷史洪水信息錄入、災情上報、會商研判、預警信息發(fā)布等。

2.4.3 應急調(diào)度管理

系統(tǒng)依據(jù)當前防洪任務和閘門等水工建筑物運行狀況，對擬定調(diào)度規(guī)則進行管理，并調(diào)用閘門調(diào)度系統(tǒng)功能下達指令，啟動工單流轉(zhuǎn)等任務。主要包括調(diào)度規(guī)則管理、應急響應發(fā)布等功能。

2.4.4 搶險指揮

為解決搶險過程中指揮中心與現(xiàn)場實時溝通不暢的問題、加強指揮中心在搶險過程中的決策效能，建設(shè)搶險指揮系統(tǒng)。搶險人員通過佩戴智能安全帽，可以將現(xiàn)場情況實時回傳至系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡(luò)可以采用現(xiàn)場搭建的局域網(wǎng)或4G網(wǎng)絡(luò)，指揮中心人員可以通過麥克風和搶險人員進行實時溝通。

2.5 綜合門戶

綜合門戶提供海河閘管理處業(yè)務與管理人員訪問系統(tǒng)的統(tǒng)一入口，是海河閘管理系統(tǒng)內(nèi)所有業(yè)務人員日常工作和交流的窗口，也是信息發(fā)布的平臺。門戶將系統(tǒng)內(nèi)所有業(yè)務和信息服務集中到一個應用平臺上，通過單點登錄，實現(xiàn)所有應用的入口統(tǒng)一，并提供個性化的業(yè)務界面和結(jié)構(gòu)清晰、內(nèi)容可定制的信息服務，實現(xiàn)各信息資源、各業(yè)務應用的集成與整合，達到信息資源的全方位共享。門戶功能設(shè)計內(nèi)容主要包括已有功能整合與完善，基于海河閘信息化系統(tǒng)提供的服務及組件，定制開發(fā)信息服務、統(tǒng)一接入、統(tǒng)一授權(quán)和門戶管理4項功能。

2.6 綜合展示系統(tǒng)

按照“數(shù)字化場景，智慧化模擬，精準化決策”的實施路徑，充分發(fā)揮數(shù)字化場景在防汛減災的作用，建設(shè)綜合展示系統(tǒng)，以集成展示的方式呈現(xiàn)管理的重要要素，支撐管理處防汛指揮調(diào)度決策和日常監(jiān)管的需求。展示系統(tǒng)包括可視化一張圖展示、監(jiān)測預警信息展示和防汛應急指揮信息展示。

2.6.1 可視化一張圖展示

可視化一張圖以地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，搭建工程三維實景模型，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，從宏觀層面上實現(xiàn)對海河閘各業(yè)務場景的綜合展示。

2.6.2 監(jiān)測預警信息展示

監(jiān)測信息包括外部接入的水文、潮位、氣象等數(shù)據(jù)，以及工程新建閘門監(jiān)控、安全監(jiān)測、視頻監(jiān)視、工程運維信息等數(shù)據(jù)。預警信息包括物聯(lián)網(wǎng)管護系統(tǒng)預警、外部數(shù)據(jù)異常預警、管理維護預警信息等。

2.6.3 防汛應急指揮信息展示

系統(tǒng)提供防汛信息、應急預警信息、應急調(diào)度信息、搶險指揮信息等的展示，實現(xiàn)防汛應急的統(tǒng)一管理、現(xiàn)場跟蹤和輔助決策。

3 數(shù)字孿生工程建設(shè)提升

工程后期應以《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導則（試行）》為依據(jù)，構(gòu)建數(shù)字孿生海河閘，需通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬仿真等技術(shù)，以海河閘水利樞紐為單元、時空數(shù)據(jù)為底座、水利模型為核心、水利知識為驅(qū)動，對水利工程全要素和工程運行全過程進行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預演，與物理海河閘同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化。數(shù)字孿生海河閘建設(shè)需要在數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識庫、業(yè)務應用[3]等方面進行補充建設(shè)。

3.1 數(shù)據(jù)底板

3.1.1 BIM模型補充建設(shè)

為滿足數(shù)字孿生建設(shè)場景化展示要求，需補充建設(shè)水工結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備、電氣設(shè)備、監(jiān)測設(shè)施的BIM模型，精確構(gòu)建建筑物、設(shè)施設(shè)備的相對位置關(guān)系、幾何尺寸、體型結(jié)構(gòu)及屬性信息等。

3.1.2 空間數(shù)據(jù)補充采集

為實現(xiàn)工程調(diào)度預演，需補充海河閘上游至下游入海口河道區(qū)域水上水下地形測量、航飛影像數(shù)據(jù)以及大場景衛(wèi)星影像，以提高預演過程水面線變化和演進范圍的準確性。

3.1.3 BIM+GIS三維場景建設(shè)[4]

需基于L3級工程數(shù)據(jù)底板和L2級河道數(shù)據(jù)底板，搭建基于BIM+GIS 的三維可視化場景，滿足數(shù)字孿生工程場景映射的建設(shè)需要。

3.2 模型庫

包含工程安全監(jiān)測分析評價模型、來水/潮汐預報模型、防洪調(diào)度模型和洪水演進模型建設(shè)。

3.2.1 工程安全監(jiān)測分析評價模型

對工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡視檢查結(jié)果、隱患記錄、風險記錄進行融合，實現(xiàn)工程健康度趨勢分析。

3.2.2 來水/潮汐預報模型

分析工程上游產(chǎn)匯流情況，建立工程短期來水預報模型，并結(jié)合上游水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)來水預報。結(jié)合潮汐資料建立潮汐預報模型，并結(jié)合氣象預報實現(xiàn)潮汐預報。

3.2.3 防洪調(diào)度模型

根據(jù)海河閘自主防洪調(diào)度預案，建立防洪調(diào)度模型，通過改變模型輸入?yún)?shù)可生成不同調(diào)度方案。

3.2.4 洪水演進模型

建立工程二維洪水演進數(shù)學模型，實現(xiàn)調(diào)度預案在三維場景中的預演。

3.3 知識庫

包含調(diào)度運行方案庫、歷史場景庫、專家經(jīng)驗庫、水利知識圖譜建設(shè)。

3.3.1 調(diào)度運行方案庫

構(gòu)建包括工程防汛預案、工程調(diào)度預案、安全生產(chǎn)事故綜合應急預案、突發(fā)環(huán)境事件應急預案及現(xiàn)場處置方案等在內(nèi)的預報調(diào)度方案庫。

3.3.2 歷史場景庫

構(gòu)建海河閘降雨-洪水-調(diào)度方案歷史場景，實現(xiàn)在三維場景下的動態(tài)模擬。

3.3.3 專家經(jīng)驗庫

記錄暴雨、洪水等特定工況下，根據(jù)專家經(jīng)驗提出合理有效的防洪和調(diào)度措施，并進行統(tǒng)一格式的存儲。

3.3.4 水利知識圖譜

框架包含管理范圍內(nèi)水利對象、社會經(jīng)濟重要對象及其空間關(guān)系、水流關(guān)系、管理關(guān)系、法律法規(guī)、技術(shù)標準、專業(yè)術(shù)語等，實現(xiàn)水利知識的智能檢索。

3.4 孿生引擎

海河閘孿生引擎建設(shè)主要是補充數(shù)據(jù)引擎的建設(shè)，提供多維多時空尺度數(shù)據(jù)的匯聚、清洗、轉(zhuǎn)換、展示、計算等服務能力，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集治理和標準化管理。

3.5 業(yè)務應用

3.5.1 工程安全智能評估系統(tǒng)

為提升數(shù)據(jù)運用水平，滿足工程安全“四預”[5]的管理需要、需根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計趨勢，通過人工智能手段，增加工程安全智能評估功能，實現(xiàn)工程安全運行狀態(tài)的預報和預警、工程出現(xiàn)安全問題的預演模擬以及處理預案的制定等。

3.5.2 移動巡檢系統(tǒng)

根據(jù)數(shù)字孿生工程智慧巡查監(jiān)管功能要求，補充移動巡檢功能，可以記錄巡檢軌跡、上傳隱患問題，并和工程巡查養(yǎng)護信息互聯(lián)互通，滿足工程運維管理和水政執(zhí)法巡查的管理需求。

3.5.3 閘門實時運行展示

為滿足數(shù)字孿生建設(shè)要求，需將工程運行場景和三維展示場景進行同步映射，實現(xiàn)工程現(xiàn)場水閘和三維場景中水閘模型的聯(lián)動，并通過現(xiàn)場安裝的視頻攝像機進行確認，使管理人員通過展示系統(tǒng)即可明確當前工況。

3.5.4 工程調(diào)度預演

管理人員可根據(jù)來水和潮位預報，通過輸入不同的預測變量，形成各個工況下的預演，每套預演方案可以利用時間軸，在場景中展現(xiàn)各個時間點閘門運行情況、水位變化、淹沒范圍等，輔助進行調(diào)度決策。

3.5.5 工程調(diào)度預案

預案是基于調(diào)度方案對比，推薦最優(yōu)調(diào)度方案，針對應急響應啟動、工程調(diào)度、物資調(diào)配、人員疏散等方面智能生成指揮調(diào)度方案，并實時動態(tài)監(jiān)控預案執(zhí)行情況，為指揮中心提供更加精細化的智慧決策支撐。預案模塊包含應急響應、調(diào)令下達、物資調(diào)配、人員疏散、執(zhí)行監(jiān)控、效果評估等功能。

4 結(jié)論

水利工程管理業(yè)務龐雜，亟需通過建設(shè)功能集成的信息化業(yè)務應用系統(tǒng)，提升工程各項數(shù)據(jù)的運用水平，為管理水平提升提供軟件支撐；還需考慮進行系統(tǒng)標準化建設(shè)，為工程續(xù)建配套打下基礎(chǔ)；另外要考慮信息共享，既要接入與系統(tǒng)建設(shè)相關(guān)的外部數(shù)據(jù)，還要向上級管理單位和相關(guān)單位提供數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效合理利用；最后要按照《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導則（試行）》要求進行補充建設(shè)，滿足數(shù)字孿生流域建設(shè)的整體要求。