鄭樹(shù)海,雷 磊,夏燁瑞,霍春平,劉 濤,萬(wàn) 昊,樊 創(chuàng)
(1.國(guó)家電網(wǎng)有限公司直流建設(shè)分公司,北京 100032; 2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院,陜西 西安 710100; 3.國(guó)網(wǎng)(西安)環(huán)保技術(shù)中心有限公司,陜西 西安 710100; 4.西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西 西安 710048; 5.西安市水利水土保持工作總站,陜西 西安 710018; 6.陜西省東莊水利樞紐工程建設(shè)有限責(zé)任公司,陜西 咸陽(yáng) 713208)
為了調(diào)節(jié)我國(guó)能源分布不均勻,適應(yīng)需求逆向的分布,特高壓輸電工程的建設(shè)現(xiàn)在被國(guó)網(wǎng)公司高度重視[1],但在工程施工建設(shè)過(guò)程中往往會(huì)對(duì)原地貌進(jìn)行改造,容易導(dǎo)致水土流失,并且由于特高壓輸電工程往往具有跨度較大、傳輸距離長(zhǎng)等特點(diǎn),橫跨省份較多,并且往往都會(huì)經(jīng)過(guò)黃土高原的風(fēng)蝕地區(qū)和南方的水蝕地區(qū),會(huì)進(jìn)一步加劇其水土流失情況。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)和國(guó)家對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)工作要求的提高,國(guó)網(wǎng)正在大力推進(jìn)水土保持監(jiān)測(cè)信息化,積極利用現(xiàn)代技術(shù)和儀器設(shè)備,以及衛(wèi)星遙感和無(wú)人機(jī)等先進(jìn)手段,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取、傳輸和處理的自動(dòng)化,提高水土保持監(jiān)測(cè)能力和水平。 因此,加強(qiáng)特高壓輸電工程建設(shè)項(xiàng)目的管理和監(jiān)控,可以有效解決建設(shè)后期生態(tài)破壞的問(wèn)題[2-6]。
近年來(lái),水土保持管理信息系統(tǒng)的發(fā)展十分迅速[7-12],而在輸電工程建設(shè)過(guò)程中,水土保持管理信息系統(tǒng)卻沒(méi)有得到足夠的重視,導(dǎo)致水土流失數(shù)據(jù)來(lái)源不穩(wěn)定,管理混亂。因此,本文開(kāi)發(fā)了一套應(yīng)用于特高壓輸電工程建設(shè)中的水土保持管理信息系統(tǒng),以陜北—湖北特高壓直流輸電工程為例來(lái)研究輸電工程建設(shè)沿路的水土流失情況。該系統(tǒng)以傳感器作為基礎(chǔ)設(shè)備,集成全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備和光敏測(cè)釬傳感器,針對(duì)輸電工程水土保持業(yè)務(wù)的需求,構(gòu)建了用戶管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng),對(duì)輸電線工程沿路的水土流失情況進(jìn)行高效、全面的監(jiān)測(cè)。該信息管理系統(tǒng)可以很好地對(duì)輸電工程建設(shè)中水土流失數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)信息量進(jìn)行管理和搜集,提高了水土流失量計(jì)算和處理的效率,在工程中已經(jīng)得到較好的應(yīng)用。
根據(jù)水土保持工作要求,輸電工程水土保持管理信息系統(tǒng)劃分為5大模塊,分別是系統(tǒng)設(shè)置模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊、信息分析模塊、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控模塊、新聞?wù)故灸K。各個(gè)模塊內(nèi)部信息互相聯(lián)系,功能相互獨(dú)立,共同協(xié)調(diào)構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。輸變電工程水土保持管理信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸變電工程水土保持管理信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of water and soil conservation management information system for power transmission and transformation project
水土保持信息管理系統(tǒng)全面考慮輸電工程建設(shè)過(guò)程中水土保持各項(xiàng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸、應(yīng)用,按需求的不同構(gòu)建不同子系統(tǒng),搭建高效、統(tǒng)一的整體系統(tǒng)。系統(tǒng)總體構(gòu)架分為3層,最底層用來(lái)存放最基本的數(shù)據(jù)庫(kù)信息;中間層用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)庫(kù)信息,并進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理;最上層用來(lái)接受處理過(guò)的信息,并且向用戶或需求方進(jìn)行展示。
系統(tǒng)功能是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行確定的,根據(jù)上文確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),可以得到的系統(tǒng)功能主要有:系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)測(cè)、新聞管理等,如圖2所示。

圖2 輸變電工程水土保持管理信息系統(tǒng)功能Fig.2 Functiuns of an on-line monitoring system for soil and water conservation in power transmission and transformation projects
1)系統(tǒng)設(shè)置模塊:分為用戶設(shè)置和主板設(shè)置。用戶可以對(duì)系統(tǒng)賬戶進(jìn)行設(shè)置,如新建賬戶、修改密碼、刪除賬戶等。用戶可以通過(guò)主板管理對(duì)主板電壓進(jìn)行校正,對(duì)主板存儲(chǔ)進(jìn)行格式化,對(duì)測(cè)釬零點(diǎn)進(jìn)行更正等。
2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊:系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度等氣象數(shù)據(jù)和土壤流失高度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),同時(shí)可將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳到本地,以供存儲(chǔ)。
3)信息分析模塊:系統(tǒng)可以通過(guò)存儲(chǔ)在本地的數(shù)據(jù)對(duì)過(guò)去的某一年、月、日的氣象進(jìn)行折線圖顯示,為用戶提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)最近的氣象變化情況。系統(tǒng)還可通過(guò)光敏傳感器收集的數(shù)據(jù),運(yùn)用先進(jìn)的算法針對(duì)工程中的各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行土壤流失量的計(jì)算,為用戶提供現(xiàn)場(chǎng)精確的水土流失情況。
4)視頻監(jiān)控子系統(tǒng):系統(tǒng)可以通過(guò)高清攝像頭遠(yuǎn)程對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,用戶可通過(guò)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)攝像頭的云臺(tái)移動(dòng),全方位地對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控,攝像頭還可以將監(jiān)控的內(nèi)容通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖镜卮鎯?chǔ)。
5)新聞管理子系統(tǒng):用戶可以對(duì)監(jiān)測(cè)線路的工程和水土流失的相關(guān)新聞、報(bào)道進(jìn)行查看,追蹤國(guó)內(nèi)最新的水土流失消息,提高對(duì)水土流失的關(guān)注度。
數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是信息系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中最基礎(chǔ)和關(guān)鍵的模塊,是要達(dá)到一個(gè)確定的目標(biāo),以一定的組織形式存儲(chǔ)相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)集合,將現(xiàn)實(shí)世界中具體實(shí)物和與之相關(guān)的抽象信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)里面的信息[14]。因此構(gòu)建一個(gè)邏輯清晰、效率高的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),才能讓信息系統(tǒng)被用戶高效、可靠地利用。
數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是信息管理系統(tǒng)最基本的構(gòu)成,它的主要功能是對(duì)信息管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、更新、處理等。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、效率對(duì)搭建一個(gè)完備、先進(jìn)、合適的信息系統(tǒng)十分重要。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設(shè)方法如下。
1)多層級(jí)數(shù)據(jù)信息傳遞。輸電工程建設(shè)過(guò)程中的水土保持管理是一個(gè)從點(diǎn)到線、由現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境到水土保持手段逐漸過(guò)渡的過(guò)程,因此決定了從監(jiān)測(cè)站點(diǎn)到監(jiān)測(cè)整個(gè)線路工程,業(yè)務(wù)圖冊(cè)精度會(huì)逐漸降低,而圖層范圍會(huì)逐漸擴(kuò)大。因此,數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的信息傳遞和交流,不僅站點(diǎn)本地可以獲取信息,監(jiān)管總部也可以直接獲取信息,減少數(shù)據(jù)在傳遞過(guò)程中的丟包,提高準(zhǔn)確性,并減少了駐站員工的工作量。
2)有效地存儲(chǔ)、管理不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、圖片、視頻等數(shù)據(jù)。通過(guò)采用屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的方法對(duì)系統(tǒng)采集的多種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ),視頻和圖片與數(shù)據(jù)分別處理。
3)實(shí)現(xiàn)管理信息系統(tǒng)(MIS)、辦公自動(dòng)化(OA)等的接入。由于系統(tǒng)將在以后進(jìn)一步推廣和修正,加上水土保持行業(yè)自動(dòng)化程度會(huì)不斷提高,系統(tǒng)留有接口,支持與MIS和OA的集成。
2.2.1 數(shù)據(jù)獲取方式
1)氣象數(shù)據(jù):系統(tǒng)包含的氣象數(shù)據(jù)有降水量、氣溫、大氣濕度、當(dāng)前風(fēng)速和風(fēng)向。通過(guò)安裝在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器,每半個(gè)小時(shí)采集一次現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù),并發(fā)送到下位機(jī)中。
2)土壤流失量:對(duì)于土壤流失量的數(shù)據(jù)采集主要是土壤流失的高度,通過(guò)光敏測(cè)釬傳感器,采集土壤流失的高度,每30 min采集一次現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),并發(fā)送到下位機(jī)中。
3)現(xiàn)場(chǎng)視頻,圖像:現(xiàn)場(chǎng)視頻采用定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)模式,每天有固定的4個(gè)時(shí)間點(diǎn),攝像頭自動(dòng)打開(kāi),工作30 min,記錄現(xiàn)場(chǎng)的狀況。
2.2.2 數(shù)據(jù)處理方式
為了更直觀地表征區(qū)域的水土流失情況,本文利用土壤侵蝕量來(lái)描述水土流失的嚴(yán)重程度,以下是本文給出的幾種土壤侵蝕量計(jì)算模型。
1)考慮到特高壓輸電工程的輸電桿塔大部分布設(shè)在山坡中,因此給出坡面土壤流失量計(jì)算公式:
(1)

通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域布設(shè)測(cè)釬,并記錄每個(gè)測(cè)釬的原始坡面刻度,以此為基準(zhǔn)判斷后續(xù)獲得的數(shù)據(jù)是否合理。
2)土壤多年平均侵蝕量計(jì)算公式,即土壤流失方程為:
A=R×K×L×S×C×P
其中,A為土壤流失量(單位:m3);R為降雨侵蝕力指標(biāo);K、L、S、C、P分別表示土壤可侵蝕因子、坡長(zhǎng)因子、坡度因子、作物經(jīng)營(yíng)因子及土壤保持因子。土壤流失方程僅適用于當(dāng)?shù)囟嗄晖寥榔骄治g量。
3)進(jìn)一步細(xì)化,按照時(shí)間長(zhǎng)度,土壤侵蝕模數(shù)可分為日土壤侵蝕模數(shù)、月土壤侵蝕模數(shù)以及年土壤侵蝕模數(shù),土壤侵蝕模數(shù)可以表征土壤侵蝕強(qiáng)度,模數(shù)越大代表土壤侵蝕越嚴(yán)重。
日土壤侵蝕模數(shù)Di(單位:t/km2):
(2)
式中,ρ為每個(gè)測(cè)點(diǎn)土壤容重(單位:kg/m3);hi為第i個(gè)測(cè)釬的日侵蝕深度(單位:mm)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)9個(gè)測(cè)釬。
月土壤侵蝕模數(shù)Mk(單位:t/km2):
(3)
式中,Mk為每個(gè)月中日土壤侵蝕強(qiáng)度Di的和。
年土壤侵蝕模數(shù)T(單位:t/(km2·a)):
(4)
式中,T為每個(gè)月土壤侵蝕強(qiáng)度Mk的和。
本文以陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程為例,構(gòu)建了一個(gè)管理信息系統(tǒng),命名為陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。
運(yùn)行陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件V1.0,顯示登錄界面(見(jiàn)圖3),輸入用戶名以及密碼后登錄,便可跳轉(zhuǎn)至陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件V1.0界面,如圖4所示。

圖3 陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件登錄界面Fig.3 Software login interface of soil and water conservation monitoring system for ±800 kV UHVDC project in Northern Shaanxi Hubei

圖4 陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行界面截圖Fig.4 Software operation interface of soil and water conservation monitoring system for ±800 kV UHVDC project from northern Shaanxi to Hubei
新聞管理界面可以閱讀近期發(fā)生在水土保持方面以及與本行業(yè)相關(guān)的新聞,在界面的底部還增設(shè)了“國(guó)家電網(wǎng)有限公司”“中國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)”“水利部”“國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司”“北極星電力網(wǎng)“國(guó)家能源局” “黃河網(wǎng)” “電力設(shè)計(jì)規(guī)劃總院” “中國(guó)電力招標(biāo)網(wǎng)” “中國(guó)水土保持學(xué)會(huì)”等官網(wǎng)的鏈接,以便及時(shí)查閱與輸變電以及水土保持相關(guān)的新聞資訊。
圖5是位于首頁(yè)的新聞資訊滾動(dòng)窗口,可以點(diǎn)擊滾動(dòng)窗口中的文字鏈接,并且跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的新聞網(wǎng)頁(yè),以便管理員及時(shí)閱讀相關(guān)的新聞資訊。例如點(diǎn)擊滾動(dòng)窗口中深色實(shí)線標(biāo)出的“陜北至湖北特高壓直流工程“鏈接后,即可跳轉(zhuǎn)至如圖6所示的相應(yīng)新聞資訊,以便管理人員閱讀。
在后期的軟件使用過(guò)程中,管理員可以以此方式實(shí)現(xiàn)新聞資訊模塊的管理,并且獲得與該工程緊密相關(guān)的新聞資訊,以便更高效地服務(wù)于該水土保持工程的管理和維護(hù)運(yùn)營(yíng)工作。提高了工作效率,節(jié)約了時(shí)間成本。
陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總圖以地圖樣貌展示,可以精確展示水土保持工程監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的所在位置。
工程總圖的全貌圖可以更好地讓系統(tǒng)操作人員以及數(shù)據(jù)管理人員對(duì)整個(gè)特高壓交流工程有直觀的掌控,極大地方便了系統(tǒng)管理人員統(tǒng)籌兼顧整條特高壓交流輸電線路工程,并監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水土流失量以及環(huán)境因子變動(dòng)情況。

圖5 新聞資訊滾動(dòng)窗口截圖

圖6 新聞資訊跳轉(zhuǎn)
監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示為紅色,以便系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理員管理該監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(水土流失量、溫度、濕度、風(fēng)速等),并且也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)下載以及數(shù)據(jù)報(bào)表的制作,提高數(shù)據(jù)管理員數(shù)據(jù)報(bào)表的匯總效率。站點(diǎn)選擇之后,就會(huì)自動(dòng)在首頁(yè)顯示該站點(diǎn)的數(shù)據(jù)內(nèi)容,并且在數(shù)據(jù)模塊一欄中以圖表的形式形象直觀地展示出來(lái),如圖7所示。在數(shù)據(jù)欄表頭可以點(diǎn)擊“按天顯示”“按月顯示”按鍵,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別以小時(shí)為單位和以天為單位,進(jìn)行一天24 h的數(shù)據(jù)變化情況展示,或者進(jìn)行一個(gè)月的數(shù)據(jù)變化情況展示。點(diǎn)擊“按天顯示”之后可以點(diǎn)擊“前一天”或者“后一天”來(lái)選擇需要查看的日期;或者點(diǎn)擊中間的日期,會(huì)跳轉(zhuǎn)出日歷,就可以選擇需要查看的日期,如圖8所示。
由于一天的土壤流失量的變化波動(dòng)很小,繪制曲線來(lái)進(jìn)行展示的意義不大,所以直接以數(shù)據(jù)的方式顯示出來(lái),如圖9所示。

圖7 數(shù)據(jù)顯示模塊

圖8 日期選擇

圖9 土壤流失量日數(shù)據(jù)顯示
在選擇了“按月顯示”數(shù)據(jù)之后,就會(huì)展示所選月份的水土流失量數(shù)據(jù)展示,例如選擇2020年7月之后,就會(huì)顯示2020年7月的水土流失量的數(shù)據(jù)變化情況。

圖10 土壤流失量日數(shù)據(jù)顯示
圖10形象直觀地反映了2020年7月的土壤流失量數(shù)據(jù)變化情況,點(diǎn)擊右上角的數(shù)據(jù)保存按鍵,可以將該月土壤流失量數(shù)據(jù)以Excel文件形式保存。在主界面點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)下載”按鍵之后,數(shù)據(jù)下載子系統(tǒng)將會(huì)彈出,界面如圖11所示。

圖11 月水土流失量 Excel表
在測(cè)站列表一欄選擇站點(diǎn)1(見(jiàn)圖12),之后點(diǎn)擊“打開(kāi)”按鍵,則數(shù)據(jù)下載子系統(tǒng)與有人虛擬串口會(huì)建立鏈接。在下方下載一欄處(見(jiàn)圖13),可以選擇下載整天或者整月,選擇完時(shí)間之后,點(diǎn)擊“刷新”按鈕,所選擇日期即被選定,點(diǎn)擊下載即可將所選擇數(shù)據(jù)下載到本地。在當(dāng)前已下載一欄處(見(jiàn)圖12),點(diǎn)擊“刷新”,即可查看已經(jīng)下載到本地的數(shù)據(jù)。
在主界面點(diǎn)擊“視頻”按鍵之后(圖14黑框所示處),視頻監(jiān)控子系統(tǒng)將會(huì)彈出,界面如圖15所示。
點(diǎn)擊“設(shè)備列表”按鍵,該賬號(hào)上所有的螢石攝像頭將會(huì)出現(xiàn)在界面右側(cè)的設(shè)備列表一欄中。點(diǎn)擊“分享設(shè)備列表”按鍵,其他賬號(hào)分享給已登錄賬號(hào)的螢石攝像頭會(huì)出現(xiàn)在界面右側(cè)的分享設(shè)備列表一欄中。點(diǎn)擊“更新設(shè)備詳情”按鍵,會(huì)顯示增加最近添加的設(shè)備。點(diǎn)擊“單設(shè)備獲取”按鍵,可手工添加不屬于該賬號(hào)的其他螢石設(shè)備。在預(yù)覽一欄,點(diǎn)擊“預(yù)覽”按鈕,在播放一欄將會(huì)顯示站點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻,在“預(yù)覽”按鈕左側(cè)選項(xiàng)框處可選擇視頻的清晰度(見(jiàn)圖16)。點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕,將會(huì)停止觀看實(shí)時(shí)視頻;點(diǎn)擊“截圖”按鈕,設(shè)備會(huì)將當(dāng)前畫(huà)面拍下,然后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)站選擇截圖

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)下載截圖

圖14 主頁(yè)面中的視頻監(jiān)控模塊截圖

圖15 視頻監(jiān)控顯示界面截圖

圖16 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)視頻圖像
在回放一欄,選擇搜索時(shí)間,點(diǎn)擊“設(shè)備錄像搜索”,將會(huì)搜索選擇日期的錄像;點(diǎn)擊“云錄像”搜索,將會(huì)搜索上傳到螢石云的錄像;點(diǎn)擊“開(kāi)始回放”將會(huì)展示所選擇的錄像;點(diǎn)擊“暫停”,界面將會(huì)暫停播放;點(diǎn)擊“停止”,界面將會(huì)結(jié)束播放;點(diǎn)擊“恢復(fù)”,界面將會(huì)恢復(fù)當(dāng)前實(shí)時(shí)視頻。在“回放倍速”一欄可以選擇查看錄像的速度;在云臺(tái)控制一欄,可以選擇控制攝像頭的方位的移動(dòng)和焦距的變化。
本文針對(duì)輸變電工程中水土保持信息數(shù)據(jù)混亂、管理不穩(wěn)定的問(wèn)題構(gòu)建了水土保持管理信息系統(tǒng)來(lái)管控輸電線路建設(shè)過(guò)程中的水土保持的信息和數(shù)據(jù)。并以陜北—湖北±800 kV特高壓直流輸電工程為例,搭建了一個(gè)管理信息系統(tǒng),可以看出,該系統(tǒng)的架構(gòu)和功能能夠很好地滿足輸變電工程建設(shè)中的水土保持?jǐn)?shù)據(jù)管理的需求。