大沽河數(shù)字化樞紐系統(tǒng)設計方案初探

宋曉冉，徐洪慶，趙凌云

（1.青島市水文中心，山東 青島 266000；2.山東省調(diào)水工程運行維護中心青島分中心，山東 青島 266100）

智慧水利是水利進入新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局的需要，數(shù)字賦能是推動調(diào)水事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。要實現(xiàn)水利事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，需要不斷提高水利工程數(shù)字化、信息化程度。

1 方案背景

膠東調(diào)水工程是山東省遠距離、跨流域、跨區(qū)域大型水資源調(diào)配工程，是優(yōu)化水資源配置、緩解水資源區(qū)域性不平衡的重大戰(zhàn)略舉措，是國家水網(wǎng)的重要組成部分。大沽河樞紐工程是膠東調(diào)水工程的重要節(jié)點工程，工程等別為Ⅲ等，包含泄洪閘、沖沙閘、引水閘、穿堤涵閘等永久性水工建筑物，沖沙閘同時作為交通橋連接大沽河兩岸。本文以膠東調(diào)水大沽河樞紐工程為例構(gòu)建了基于功用性需求的數(shù)字化大沽河樞紐設計方案，旨在探索調(diào)水事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展路徑，為系統(tǒng)性開發(fā)、利用、保護水資源提供借鑒。

2 功能性設計與業(yè)務應用

數(shù)字化大沽河樞紐平臺系統(tǒng)架構(gòu)包括感知層、通訊層、決策層、控制層，業(yè)務應用功能分為調(diào)度運行、水質(zhì)檢測、視頻監(jiān)控、變形監(jiān)測4 個部分。

2.1 數(shù)字化樞紐平臺系統(tǒng)架構(gòu)

1）感知層。感知層包括一切現(xiàn)地感應及數(shù)據(jù)采集裝置，如水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)采水檢測單元、水情監(jiān)測單元、計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地感應單元、變形監(jiān)測及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，其主要作用是采集工程運行實施數(shù)據(jù)并監(jiān)控工程運行情況，其監(jiān)測內(nèi)容包括水質(zhì)（COD、NH4+-N、TN、TP、常規(guī)5 參數(shù)等）、工程變形（水平位移、沉降位移、滲透壓等）、調(diào)度運行情況（水位、流量、流速、閘門開度、過閘流速、倒虹流速、倒虹管壓力等）、運行環(huán)境（視頻監(jiān)控）。感知層是數(shù)字化樞紐平臺的數(shù)據(jù)來源和基礎，對監(jiān)測結(jié)果的準確性及設備穩(wěn)定性有較高要求。

2）通訊層。通訊層是實現(xiàn)感知層向決策層、決策層向控制層雙向信息傳輸?shù)耐ǖ溃杈邆鋷捀摺⒎€(wěn)定性強、抗干擾能力強等特點。感知層采集的現(xiàn)地運行數(shù)據(jù)通過通訊層傳輸至決策層進行存儲、處理、運算、決策，同時，將決策結(jié)果傳遞至控制層實現(xiàn)現(xiàn)地控制。通訊層在這一流程中起到紐帶作用。

3）決策層。決策層是數(shù)字化樞紐平臺系統(tǒng)的“大腦”，擔任數(shù)據(jù)存儲、處理、運算、決策的角色。決策層接收通訊層傳遞的現(xiàn)地數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)設置的閾值進行智能分析處理，根據(jù)水質(zhì)、工程變形、調(diào)度運行情況、運行環(huán)境等現(xiàn)地數(shù)據(jù)，分析汛情、水質(zhì)污染情況、設備運行情況、是否存在危險因素等，決策棄水、閘門啟閉、無人機或喊話音柱啟動等相應的調(diào)度措施。

4）控制層。控制層是數(shù)字化樞紐平臺自動化控制的執(zhí)行者，接受決策層的指令并直接作用于啟閉機、無人機、喊話音柱等工程設施，實現(xiàn)大沽河樞紐的無人值守、少人值守。

2.2 數(shù)字化樞紐平臺業(yè)務應用

1）調(diào)度運行。調(diào)度運行模塊通過實時監(jiān)控流域和輸水渠道的水情，控制水閘開度等參數(shù)，是數(shù)字化平臺的核心。監(jiān)控區(qū)域包括大沽河上下游和輸水干線2 部分，監(jiān)控內(nèi)容包括流域水情和調(diào)度運行兩部分。流域水情部分主要監(jiān)控降雨情況，河流渠道水位、流量、流速等實時數(shù)據(jù)，調(diào)度運行部分實時傳輸啟閉機房內(nèi)啟閉機設備情況（有無卡頓、振動、過載等），大沽河沖沙閘、引水閘、穿堤涵閘、倒虹閘閘門開度、過閘流速，大沽河倒虹內(nèi)流速、壓力，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)閘門的控制。

閘門的控制除已有的現(xiàn)地手動、遠程自動控制外，還可進行智能化自動控制。操作人員根據(jù)調(diào)度計劃輸入調(diào)水運行流量，閘門可根據(jù)渠道內(nèi)水位等數(shù)據(jù)自動判斷并調(diào)節(jié)閘門開度，使渠道內(nèi)水位、流量滿足調(diào)度要求，特別是在冬季結(jié)冰期，自動控制水位保持穩(wěn)定，達到無人值守的目的。同時，在需要向大沽河棄水或從大沽河引水時，平臺根據(jù)實測數(shù)據(jù)給出合理調(diào)度建議，由操作人員在平臺遠程確認、下達指令，以實現(xiàn)大沽河天然河道和輸水干線的綜合調(diào)度。

2）水質(zhì)監(jiān)測。水質(zhì)監(jiān)測模塊對樞紐內(nèi)水質(zhì)各項指標進行監(jiān)測，是數(shù)字化平臺重要的數(shù)據(jù)收集模塊。目前，膠東調(diào)水工程大沽河渠道已設置水質(zhì)在線監(jiān)測設備，并計劃在大沽河自然河道內(nèi)增設水質(zhì)在線監(jiān)測設備，在固定點位，固定時間進行水質(zhì)監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括TN、TP、COD 等11 項指標。

水質(zhì)監(jiān)測方面在輸水渠道和自然河道雙管齊下，存在兩方面的意義：一是能夠連續(xù)、及時、準確地監(jiān)測輸水渠道水環(huán)境狀況以及發(fā)展趨勢；二是通過對大沽河天然河道進行水質(zhì)監(jiān)測掌握大沽河水質(zhì)變化情況，并在此基礎上確定引水、棄水方案，為大沽河天然河道和輸水干線的綜合調(diào)度提供科學依據(jù)。數(shù)字化樞紐平臺在儲存水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的同時，對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，深度挖掘水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將分析處理結(jié)果可視化，降低數(shù)據(jù)的可讀難度。

3）視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控模塊是數(shù)字化平臺重要的圖像收集模塊。數(shù)字化大沽河平臺視頻監(jiān)控系統(tǒng)配備無人機和數(shù)據(jù)分析軟件。平臺通過計算機視覺和視頻圖像分析技術(shù)，自行分析處理幀圖像，對監(jiān)控場景中的目標進行檢測、發(fā)現(xiàn)與跟蹤，并進一步對目標行為進行分析和理解。

識別內(nèi)容包括區(qū)域入侵、穿越圍欄、下河游泳、水面漂浮物等，針對監(jiān)視目標進行實時監(jiān)測并按照設置觸發(fā)報警。游客或行人行走范圍超過安全區(qū)域、翻越圍欄時，系統(tǒng)對非法目標實現(xiàn)移動跟蹤，并將信號傳輸至監(jiān)控室，同時，喊話音柱自動喊話提醒。如發(fā)現(xiàn)諸如破壞公共設施、傾倒垃圾、偷水等違法事件時，數(shù)據(jù)分析軟件平臺會將事發(fā)地點的違法照片或視頻第一時間發(fā)送至平臺，并啟動無人機飛往事發(fā)地進行取證，喊話音柱發(fā)出喊話警告。

除接收平臺指令外，無人機可定時按設定路線巡邏，擴大監(jiān)控范圍，避免監(jiān)控盲區(qū)。視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)作為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，根據(jù)圖像幀是否存在活動對象，制定不同的存儲策略：普通幀的短時存儲和關(guān)鍵幀的長時存儲并行。例如，針對區(qū)域入侵、穿越圍欄和下河游泳等有活動軌跡的關(guān)鍵幀，進行長時間存儲，可以做到有跡可循，堅決有效打擊違法活動，為還原現(xiàn)場提供精準有效的證據(jù)。對于經(jīng)常出現(xiàn)入侵、穿越圍欄等活動的區(qū)域做數(shù)據(jù)分析，可以采取積極有效的防護措施，將不法活動頻率由高變低，由低變無。值得注意的是，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲需要較大的服務器資源，采用合理的存儲策略可以有效降低開銷，在實現(xiàn)數(shù)字化智能化的同時維持長久運營。

4）變形監(jiān)測。變形監(jiān)測模塊是數(shù)字化大沽河平臺另一數(shù)據(jù)信息采集模塊。數(shù)字化大沽河平臺接入變形監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)利用不同的監(jiān)測方法檢測大沽河樞紐各閘水平、垂直位移以及滲透壓，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)樞紐上大壩及閘門的變形幅度超過系統(tǒng)中設置的閾值時，第一時間發(fā)出報警信息，提醒水利設備綁定的相關(guān)責任人進行核查，及時發(fā)現(xiàn)異常變化，對其穩(wěn)定性、安全性做出科學判斷，以便采取有效措施，防止事故的發(fā)生。

此外，系統(tǒng)積累監(jiān)測資料，分析變形原因，解釋變形機理，檢驗工程質(zhì)量，驗證設計數(shù)據(jù)，為制定設計規(guī)范、完善設計流程提供了科學依據(jù)。對于變形監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，需進行有效地統(tǒng)計、分析。對于滲壓數(shù)據(jù)超閾值頻率較高的監(jiān)測點，需針對該監(jiān)測點及其周邊的水利設備作出補救方案，防患于未然。對于滲壓數(shù)據(jù)超閾值頻率較低的監(jiān)測點，需要對變形監(jiān)測設備本身進行維修養(yǎng)護，以排除由于監(jiān)測設備本身損壞引起的誤報錯報，從而減少監(jiān)測設備損壞帶來的人工成本。

3 結(jié)語

數(shù)字化大沽河樞紐的建設順應了水利工程數(shù)字化、信息化的趨勢，實現(xiàn)了水利工程多領域協(xié)同發(fā)展，通過搭建數(shù)字化平臺，實現(xiàn)大沽河水利樞紐的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，為水利事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展賦能，為更好地發(fā)揮膠東調(diào)水工程的經(jīng)濟效益、社會效益打下了基礎。