智慧水利建設及其在泵站工程中的應用

黃 蕊

(惠州市惠州大堤東堤管理中心，廣東 惠州 516000)

1 惠州市水利信息化現狀

經過十多年的建設和發展，惠州市已建水利信息系統包括惠州市融合通信指揮調度平臺、惠州市水利監測預警和決策平臺、惠州市水利視頻監控平臺、惠州市河長制綜合信息管理平臺和智能運維保障管理平臺共5個平臺，其中智能運維保障管理平臺為市局內部設施運維管理，其余4個系統為業務相關系統，初步形成了省、市、縣、鎮四級水利三防通信專網，見表1。然而在水利監管工作開展過程中，卻仍然存在“舊、缺、壞、少”四個方面的情況，具體表現在：

表1 惠州市水利局已建系統情況

(1)支撐全市洪澇災害防災減災體系的能力嚴重不足。目前全市仍有42個鄉鎮鎮區防洪不達標，鄉鎮防洪達標率僅有45.45%；江海堤防達標率僅19.3%，仍有約995 km堤防需進行達標建設，全市大部分河流不具備短時洪水預報能力，且監測系統誤報率高。

(2)無法滿足水利行業強監管改革發展要求。人工巡檢難度大，而當前信息技術、網絡發展還無法達到“水利人工智能技術及產品”能夠基本替代“人工操作”的水平。

(3)水利監測感知設備缺乏，技術老舊。大部分水庫大壩缺乏變形、滲流、應力、應變、溫度等日常監管所需數據的自動化監測，只能靠工程管理單位定期人工觀測填報；同時沒有建立一個統一的水利感知接入網絡，人工智能技術沒有應用，目前建設監測感知設備缺少統一規劃，標準不一。

(4)水利數據不準、不全，質量差。由于感知設備的缺乏，水閘、泵站、灌渠等各類工程的工作運行數據缺失，難以做到有效監管；現有數據也存在不準、未電子化、需要進行數據治理等問題。

(5)水利系統治理能力水平未能適應時代發展。各水利信息系統之間數據交換困難，形成信息孤島，大量數據重復填報，浪費了大量的人力物力，制約水利治理體系和治理能力水平提升。

2 總體設計

2.1 建設目標與建設內容

智慧水利建設是實現惠州市政府治理體系和治理能力現代化的需要，可提升水旱災害防御調度能力水平，保障全市水利工程安全運行。通過惠州市智慧水利項目建設，實現惠州市水利智慧感知信息健全、智慧分析能力提升、智慧應用業務協同，實現水利粗放式管理向水利網格化、精細化、標準化管理轉變，促進水利服務向社會化發展，打破傳統水利模式，做到真正的水利智慧化。最終達到“看水一張網、治水一張圖、管水一平臺、興水一盤棋”的水利現代管理體系。

2.2 智慧水利系統架構

惠州市智慧水利工程系統架構上由總體架構、業務架構、應用架構、數據架構、管理架構、網絡架構、安全架構6部分組成，遵循系統工程的要求，采用分層設計[1]，分別是全域感知層、水利“智腦”支撐層、和水利智能應用層，貫穿三層架構是統一遵循安全、標準規范、運行管理三大體系[2]。

全域感知層在蜂窩物聯網、專用射頻聯網、高速光纖等數據傳輸技術基礎上，通過部署、水文水質監測、土壤墑情監測、水資源使用監測、水利工程安全監測、生產工況監測等新一代智能傳感設備，接入高分辨率多源遙感衛星、高清視頻、無人機/無人船等空天地影像數據，實現江河湖泊、水利工程和水利管理活動等水管理對象的全域感知。

水利“智腦”支撐層通過感知層提供的江河湖泊、水利工程和水利管理活動等水管理對象的全域感知數據，結合現有水利基礎數據、業務數據的治理、整編，融合相關行業數據和社會數據，通過多元化采集、主體化匯聚構建全域化數據，以水利應用為導向，按照統籌規劃、資源整合的原則，打破系統間的界限，做到“數據接入無門檻、數據獲取無壁壘、數據分析無障礙”，形成權威、標準、一致的水利大數據平臺，實現水利數據接入、數據處理、數據資產管理、數據建模管理和數據質量統一管理。采用微服務架構，依托“數字政府”應用支撐層能力體系，按照大中臺、小應用的思路，將水利智能應用共性資產下沉，重點聚焦于水利業務共性剝離和微服務構建，通過為上層數字水利智能應用統一提供公共基礎服務支撐，避免不同水利業務應用之間的重復建設，支持前臺快速開展業務創新。

水利智能應用層構建水安全、水工程、水資源、水生態環境、水監管、水服務六大類應用，含括水資源管理、節約用水監管、風險監測預報預警、水旱災害防御、水利綜合指揮、水工程建設管理、水工程運行管理、農村水利管理、河湖長制、萬里碧道、水利行業監管、水土保持監管、水政執法監督、水庫移民管理和水利政務服務等應用功能模塊，全面提升水利業務的精細管理、預測預報、分析評價與決策支持能力。同時構建綜合管理平臺，實現業務應用集約化管理，面向市委市政府、市水利局、各縣區級水利主管部門、水利行業用戶和社會公眾，利用智能終端技術提供現代水利應用服務[3-4]。

2.3 智慧水利系統關鍵技術

(1)組件式開發技術。在本智慧水利系統構建中，采用面向服務的組件式軟件工程開發技術，以有利于系統升級、功能擴展與延伸。通過組件式的軟件工程開發技術，有效提升應用開發的便捷性和應用開發管理的規范性，有效解決應用重復建設、技術架構參差不齊、應用建設能力不足和應用開發管理混亂等問題，實現水利應用管理的統一性及運營的規范性。

(2)國產自主可控技術。本項目通過使用基于國產ARM處理器的服務器硬件、底層固件、國產化平臺軟件的適配以及應用軟件的遷移和優化，打造全自主可控的信息化管理系統，做到全域網絡通信基于IPv6，全系統100%基于信創環境。

(3)分區分域保護技術。通過劃分安全域的方法，將網絡系統按照業務流程的不同層面劃分為不同的安全域，各個安全域內部又可以根據業務元素對象劃分為不同的安全子域，針對每個安全域或安全子域來標識其中的關鍵資產，分析所存在的安全隱患和面臨的安全風險，然后給出相應的保護措施[5-6]。

(4)全面縱深防御技術。以可信計算為基礎，訪問控制為核心，構建“一個中心支撐下的三重防護體系”的縱深防御體系來保障網站系統的安全。

(5)動態綜合防護技術。對系統進行動態的、綜合的防護，在攻擊者成功地破壞了某個保護措施的情況下，其他保護措施仍然能夠有效地對系統進行保護，以抵御不斷出現的安全威脅與風險，保證系統長期穩定可靠的運行。

3 智慧泵站應用場景

3.1 泵站工程背景

惠州市某水利樞紐工程由4座立式低揚程軸流泵站組成，由于該水利樞紐工程臨海，因而泵站工程受海水潮位的影響較大，泵站系統運行效率變化頻繁。在4座泵站中，1#、2#泵站泵機型號為1.75ZLQ-7，總裝機設計流量為160 m3/s，總裝機率為16 000 kW，設計揚程為6.8 m；3#泵站泵機型號為2000ZLQ13.5-7.8，裝機設計流量為135 m3/s，總裝機率為16 000 kW，設計揚程為7.8 m；4#泵站泵機型號為2900ZLQ30-7.8，裝機設計流量為210 m3/s，總裝機率為16 000 kW，設計揚程為7.8 m。當前，該水利樞紐工程已建立自動控制系統，但由于系統對于采集的運行數據沒有足夠的自主分析能力，導致優化調度決策能力沒有通過智能化來體現，通過建立智能泵站系統，將智慧水利思想運用到工程中，可顯著提升泵站工程的運行效率。

3.2 智能泵站架構

智能泵站由智能感知、智能研判、智能控制管理以及智能展示四大體系構成，見圖1。智能感知體系主要作用是通過相關儀器儀表設備對主機組、電氣設備、輔助設備、清污機閘門以及水工建筑物的運行參數(如溫度、效率、葉片角度、擺動、變壓器參數、油氣系統參數、閘門開度、水位、流量等)進行采集和匯總；智能研判體系是通過對感知數據研判、感知系統研判和智能業務研判，實現數據分析和智能決策；智能控制管理體系的主要作用是根據智能研判體系提供的智能決策，實現對主機、變配電、輔機、通用設備的智能控制，同時實現對設備、運行、安全和通用業務的智能管理；智能展示體系主要作用是通過三維可視化、全景漫游、一體化平臺、手機APP等對泵站運行全過程進行全方位的公布和展示。

圖1 智能泵站系統架構

3.3 泵站智能調度方案

泵站系統能耗包括主機泵系統能耗和輔助設備能耗，而輔助系統能耗主要包括勵磁變壓器、通風設備、照明設備、冷卻設備、站用變壓器等多個結構設備的能耗。在泵站運行過程中，通過智能感知體系對主機組、電氣設備、輔助設備、清污機閘門以及水工建筑物等結構進行了多達數十項參數的實時在線監測，如何通過這些監測數據對泵站系統實行優化調度成為智能泵站系統的重要任務。

由于監測參數較多，因此應從中選擇合適的參數作為參考來對泵站的開機組合運行方案進行優化調度。本文從葉片設計角度、恒定時葉片變角以及加大流量時葉片變角三種調度方案，對3.5 m、4.5 m、5.5 m、6.5 m和7.5 m 5種不同揚程下三種調度方案在50 m3/s、100 m3/s、150 m3/s、200 m3/s、250 m3/s、300 m3/s、350 m3/s、400 m3/s、450 m3/s 9種不同流量下的泵站系統運行效率進行對比，具體調度方案見表2。

表2 泵站智能調度方案

3.4 應用效果

通過智能泵站系統監測得到的不同調度方案下系統效率隨流變變化曲線見圖2。從圖2中可知：隨著揚程的增大，同種調度方案下的泵站系統效率逐漸增大；當揚程在3.5 m、4.5 m時，隨著流量的增大，方案一的效率呈逐漸減小的變化特征，方案二、三的系統效率明顯高于方案一，而且有隨流量增大而逐漸減小的變化趨勢，特別是在大流量時表現較為明顯，這是因為在流量由小變大的過程中，泵站運行效率較高的機組優先加入，當流量超出250 m3/s后，運行效率較高的1#、2#和4#機組已經加入運行，如果流量繼續增大，那么效率較差的3#機組就會加入運行，從而拉低了整個泵站系統的平均效率；當揚程為5.5 m、6.5 m時，仍然是方案一的效率低于方案二、三，但方案一隨著流量增大呈先減小后增大再減小變化特征，當流量在150～200 m3/s時，效率值最低，而方案二、三的效率值相差不大，特別是在大流量時基本相等；當揚程達到7.5 m后，三種運行調度方案的效率相差很小，但總體上來講仍是隨著流量增大而逐漸減小，且方案三的效率>方案二的效率>方案一的效率。

圖2 三種調度方案泵站系統效率對比

綜上分析可知：當泵站揚程一定時，采用方案三(加大流量時葉片變角、開機組合優化運行方案)可以顯著提升整個泵站機組的運行效率，因而在后期智能泵站運行控制管理決策中，應采取方案三的方式進行調度控制。

4 結 語

針對惠州市當前水利信息化存在的問題，基于組件式開發、國產自主可控、分區分域保護、全面縱深防御、動態綜合防護技術，構建惠州市智慧水利系統，得出如下結論：

(1)智慧水利系統采用分層設計，劃分為全域感知層、水利“智腦”支撐層、和水利智能應用層，本系統可實現水利業務的精細管理、預測預報、分析評價與決策支持。

(2)基于智慧水利系統構建思路，將其應用到惠州市某泵站工程中，構建智能泵站系統，該系統由智能感知、智能研判、智能控制管理以及智能展示四大體系構成。

(3)通過智能泵站系統監測得到的運行參數，提出三種泵站調度運行優化方案，分析表明采用加大流量時葉片變角、開機組合優化運行方案，能使泵站的運行效率得到最大化。

(4)本文僅針對智慧水利在泵站工程中的應用進行了分析，關于水庫、水閘、水電站、灌區、湖泊、河道、農村引水等方面的應用案例將在今后做進一步補充研究。