三洲田水庫(kù)信息化智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)及實(shí)施方案研究

曹彬彬

(深圳市龍崗河坪山河流域管理中心，廣東 深圳 518000)

1 水庫(kù)信息化現(xiàn)狀及問(wèn)題

1.1 監(jiān)控點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限

三洲田水庫(kù)現(xiàn)有模擬監(jiān)控點(diǎn)共60多個(gè)，主要分布在山下老管理處、電站、山上辦公區(qū)及大壩周圍，遠(yuǎn)未達(dá)到對(duì)整個(gè)水資源保護(hù)區(qū)無(wú)死角監(jiān)控的要求；且建設(shè)前期僅對(duì)1#～5#壩敷設(shè)了12芯光纖，未能對(duì)其他重點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

1.2 應(yīng)用系統(tǒng)無(wú)法有效集成

水庫(kù)已建立三洲田地理信息化平臺(tái)，主要匯集內(nèi)容有大壩安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)、水雨情信息系統(tǒng)、視頻監(jiān)控信息系統(tǒng)、OA日常辦公系統(tǒng)、水庫(kù)供水信息采集系統(tǒng)、水庫(kù)電站信息系統(tǒng)、閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)、地圖監(jiān)控系統(tǒng)等，但以上系統(tǒng)相互獨(dú)立，未能有效集成且功能單一，僅限于信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及簡(jiǎn)單整編，無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘、分析和處理。

1.3 水政執(zhí)法巡檢效率偏低

水庫(kù)目前沒(méi)有三防值班系統(tǒng)，仍采用傳統(tǒng)人工方式進(jìn)行值班，工作效率和管理水平偏低。庫(kù)區(qū)的巡查主要通過(guò)人工巡檢方式進(jìn)行，巡查人員數(shù)量有限，其巡查工作無(wú)法得到有效監(jiān)管。

1.4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)及水資源保護(hù)能力待提升

三洲田水庫(kù)尚無(wú)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，水庫(kù)水質(zhì)主要依靠人工每月取樣監(jiān)測(cè)，且入庫(kù)支流上游受東部華僑城開(kāi)發(fā)建設(shè)影響，水質(zhì)污染日益嚴(yán)重。因此需對(duì)入庫(kù)水質(zhì)、水量開(kāi)展實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，為防控污水入庫(kù)提供決策依據(jù)。

2 智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)

2.1 建設(shè)思路

三洲田水庫(kù)信息化智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)主要依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、視頻圖像多媒體技術(shù)、信息自動(dòng)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)、信息集成技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等[1]，按照國(guó)家水文數(shù)據(jù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、防汛抗旱指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，整合水庫(kù)及附近周邊區(qū)域所有水利信息化資源，有效實(shí)現(xiàn)三洲田水庫(kù)的水務(wù)信息和三防信息的日常管理、科學(xué)分析、綜合評(píng)價(jià)和統(tǒng)一調(diào)度。

智慧水務(wù)建設(shè)體系主要包括視頻監(jiān)控、資料管理、大壩實(shí)時(shí)安全分析評(píng)價(jià)、三防值班、日常辦公、閘閥自動(dòng)化控制、水源水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、移動(dòng)巡檢、移動(dòng)終端管理等應(yīng)用及水庫(kù)綜合信息化平臺(tái)的搭建和開(kāi)發(fā)；同時(shí)包括基礎(chǔ)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境兩項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。通過(guò)實(shí)施上述建設(shè)，可提高三洲田水庫(kù)信息化、規(guī)范化管理及服務(wù)水平。

2.2 建設(shè)架構(gòu)

三洲田水庫(kù)智慧水務(wù)系統(tǒng)將遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并在安全體系的保護(hù)下，以數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境的相關(guān)建設(shè)內(nèi)容為支撐，通過(guò)自動(dòng)采集、人工錄入、數(shù)據(jù)交換所得到的數(shù)據(jù)存入水務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)層；利用GIS軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件等作為基礎(chǔ)平臺(tái)，通過(guò)開(kāi)發(fā)水庫(kù)綜合信息管理平臺(tái)、決策支持系統(tǒng)、移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)等，對(duì)管理人員和其他相關(guān)人員提供數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)服務(wù)等[2]。建設(shè)總體架構(gòu)如圖1，系統(tǒng)劃分情況如圖2。

圖1 智慧水務(wù)系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 項(xiàng)目系統(tǒng)劃分情況

3 智慧水務(wù)系統(tǒng)實(shí)施方案

基于上述建設(shè)任務(wù)和架構(gòu)，三洲田水庫(kù)智慧水務(wù)系統(tǒng)實(shí)施方案主要內(nèi)容如下。

3.1 建設(shè)覆蓋全庫(kù)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)

由于三洲田水庫(kù)僅在辦公區(qū)和大壩周邊接入了光纖，環(huán)庫(kù)周邊及庫(kù)尾、入水口處等均無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)庫(kù)區(qū)的安全監(jiān)控，必須建設(shè)覆蓋全庫(kù)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)和電源供應(yīng)，從而保證數(shù)據(jù)的有效傳輸。光纖通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)包括光纖網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備電源供應(yīng)。根據(jù)三洲田水庫(kù)地形特點(diǎn)，擬建光纖沿庫(kù)區(qū)敷設(shè)，并采用24芯單模室外埋地鎧裝電纜，外加保護(hù)管的直埋方式，全長(zhǎng)共11 km。光纖每隔300 m設(shè)置一個(gè)檢修井，以便日常維護(hù)。電源則考慮在三洲田水庫(kù)5個(gè)壩的閘室取電。

3.2 建設(shè)水質(zhì)水量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

三洲田水庫(kù)在入水口(共6處)分別建立一套水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(分布如圖3)，通過(guò)監(jiān)測(cè)常規(guī)水質(zhì)參數(shù)和氨氮、總磷等代表性參數(shù)，將采集、分析后的數(shù)據(jù)傳輸至水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行輔助決策，以保證庫(kù)區(qū)水質(zhì)安全。同時(shí)，可在有條件的地方建設(shè)量水堰，并加裝流量監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)與水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，得知受污染水體的入庫(kù)水量，根據(jù)水量大小來(lái)判斷水體受污染程度[3]。

圖3 擬建在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)站分布位置

3.3 建設(shè)覆蓋全庫(kù)的安防監(jiān)控系統(tǒng)

光纖網(wǎng)絡(luò)通信建成后，可在庫(kù)區(qū)重要節(jié)點(diǎn)安裝視頻監(jiān)控?cái)z像頭，采用室外防水帶紅外可旋轉(zhuǎn)云臺(tái)高清攝像機(jī)和紅外熱成像監(jiān)控?cái)z像機(jī)，實(shí)現(xiàn)全庫(kù)區(qū)無(wú)死角監(jiān)控。全庫(kù)共計(jì)安裝攝像機(jī)39個(gè)(分布點(diǎn)位如圖4)。在布置環(huán)庫(kù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，同步對(duì)三洲田電站、三洲田管理處、三洲田一期、宿舍等子系統(tǒng)(共21臺(tái)球機(jī)、3臺(tái)槍機(jī)、16臺(tái)云臺(tái)和9個(gè)半球等)全部升級(jí)為紅外高清攝像機(jī)。同時(shí)，在庫(kù)區(qū)外圍網(wǎng)安裝一套周界報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以24 h不間斷防范外界非法入侵，避免水庫(kù)圍網(wǎng)遭到暴力破壞。

圖4 擬建水庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)分布

3.4 建設(shè)三洲田水庫(kù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)氣象站

自動(dòng)監(jiān)測(cè)氣象站的建設(shè)可為水庫(kù)防洪調(diào)度、水資源優(yōu)化配置等模型提供實(shí)時(shí)水文氣象參數(shù)。根據(jù)水庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)的建模要求，水庫(kù)氣象站的測(cè)定參數(shù)包括大氣溫度、大氣濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降雨量、蒸發(fā)量、地表溫度、土壤淺層濕度(5 m)、土壤中層濕度(10 m)、太陽(yáng)輻射(日照)、大氣壓強(qiáng)、露點(diǎn)等。觀測(cè)場(chǎng)擬選定在3#壩～2#壩方向的方形空地上，其東西方向長(zhǎng)16 m，南北方向長(zhǎng)20 m。

3.5 建設(shè)大壩位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

三洲田水庫(kù)大壩的位移觀測(cè)頻次及人工錄入方式無(wú)法達(dá)到信息化建設(shè)要求。通過(guò)對(duì)大壩位移實(shí)施自動(dòng)化觀測(cè)，可實(shí)現(xiàn)位移觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、動(dòng)態(tài)性，從而為大壩安全評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐[4]。根據(jù)現(xiàn)狀水庫(kù)大壩位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，1#～4#壩設(shè)置了6個(gè)壩體表面變形觀測(cè)點(diǎn)，以及24個(gè)壩體變形觀測(cè)墩。本次建設(shè)擬將上述壩體變形觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)大壩位移的自動(dòng)觀測(cè)和數(shù)據(jù)的快速傳輸、存儲(chǔ)、整編等。

3.6 建設(shè)開(kāi)發(fā)三防值班系統(tǒng)

為了加強(qiáng)三洲田水庫(kù)的日常值班管理及水庫(kù)的應(yīng)急反應(yīng)能力，解決當(dāng)前三洲田水庫(kù)日常監(jiān)測(cè)管理和人員管理方面的弊端，亟須建立一套高效的三防值班管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是對(duì)水庫(kù)的日常工作及值班情況進(jìn)行現(xiàn)代化管理，其主要功能為預(yù)警信息接收、值班考勤、值班通知、信息反饋、領(lǐng)導(dǎo)管控、流程監(jiān)督、值班電子化日志、預(yù)警、信息發(fā)布、值班人員通訊錄及預(yù)案管理等。

3.7 建設(shè)大壩安全分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)

目前三洲田水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息相互獨(dú)立，沒(méi)有利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行大壩的安全分析評(píng)價(jià)。因此，實(shí)時(shí)掌握大壩的安全狀況，及時(shí)采取有效應(yīng)對(duì)措施顯得尤為重要。大壩安全分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)是基于自動(dòng)采集及人工觀測(cè)的原始數(shù)據(jù)，以及歷次地質(zhì)勘探資料，通過(guò)構(gòu)建分析評(píng)價(jià)方法及完整的數(shù)學(xué)、力學(xué)模型，依據(jù)工程等級(jí)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)技術(shù)規(guī)范，對(duì)大壩進(jìn)行實(shí)時(shí)安全性分析評(píng)價(jià)，以得出可信度高的大壩安全等級(jí)，從而全面反映大壩的運(yùn)行實(shí)況。

3.8 建立庫(kù)區(qū)移動(dòng)巡檢系統(tǒng)

通過(guò)建立移動(dòng)巡檢系統(tǒng)，可保證巡檢流程規(guī)范化和資料完備。巡檢點(diǎn)布設(shè)于庫(kù)區(qū)周邊，并在該位置安裝可聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線定位標(biāo)簽。巡檢人員手持移動(dòng)終端開(kāi)展巡檢工作，并通過(guò)GPS進(jìn)行路線定位。當(dāng)人員到達(dá)某一巡檢點(diǎn)后，移動(dòng)終端自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并搜索到附近的無(wú)線巡檢定位點(diǎn)，通過(guò)算法計(jì)算得到終端所在的位置坐標(biāo)并實(shí)時(shí)定位。此時(shí)移動(dòng)終端自動(dòng)從服務(wù)器讀取該巡檢點(diǎn)所需的各類報(bào)表，并自動(dòng)顯示于終端，以供巡檢人員操作填寫(xiě)。填寫(xiě)好的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)巡檢過(guò)程的自動(dòng)化和智能化。

3.9 開(kāi)發(fā)水庫(kù)信息化平臺(tái)和決策支持系統(tǒng)軟件

將三洲田水庫(kù)目前已建成的各系統(tǒng)全部集成，共享數(shù)據(jù)，統(tǒng)一發(fā)布。管理人員可通過(guò)一站式服務(wù)，訪問(wèn)所有的信息化系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)所有系統(tǒng)無(wú)縫連接。水庫(kù)綜合信息平臺(tái)包括實(shí)時(shí)信息的采集、接收與處理，數(shù)據(jù)的整編、入庫(kù)和存儲(chǔ)，以及信息的分析、應(yīng)用與決策。

3.10 建設(shè)指揮調(diào)度中心

通過(guò)建立水庫(kù)統(tǒng)一的三防和水務(wù)指揮調(diào)度中心，使指揮人員在一個(gè)界面了解所有信息，不僅可與上級(jí)進(jìn)行防汛會(huì)商，還能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)提出預(yù)案和決策方案，從而保證整個(gè)指揮系統(tǒng)具有聯(lián)動(dòng)性、高效性、完整性。指揮調(diào)度中心由監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)中心兩大部分組成。結(jié)合水庫(kù)現(xiàn)狀，將三洲田水庫(kù)中控室作為整個(gè)信息平臺(tái)的監(jiān)控中心，三樓機(jī)房作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，并在中控室增加一套DLP大屏幕發(fā)布系統(tǒng)，將建成的所有系統(tǒng)信息統(tǒng)一發(fā)布在大屏上，供視頻防汛會(huì)商和綜合調(diào)度指揮使用。

4 結(jié) 語(yǔ)

三洲田水庫(kù)信息化發(fā)展緩慢，無(wú)法滿足新時(shí)期“數(shù)字水務(wù)”的建設(shè)要求。為打造更加智能高效的水庫(kù)管理系統(tǒng)，亟須開(kāi)展智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)。本文在分析水庫(kù)信息化現(xiàn)狀問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了智慧水務(wù)系統(tǒng)的總體建設(shè)架構(gòu)，并基于建設(shè)任務(wù)，詳細(xì)闡述了智慧水務(wù)系統(tǒng)的實(shí)施方案。實(shí)踐表明，通過(guò)采用現(xiàn)代化的科技手段，可打造出先進(jìn)的水庫(kù)數(shù)字化信息平臺(tái)，切實(shí)保障水庫(kù)安全防汛和科學(xué)運(yùn)行。