胶东调水工程智慧调水探析

马英豪

(山东省胶东调水局威海分局,山东 威海 264200)

在大数据时代，长距离输水也应实现智能化，以推动调水的信息化、现代化和可持续发展，从而形成全新的调水综合管理理念。通过构建完整的调水系统拓扑结构，结合调度运行数据、维护信息记录，建立综合数据库，并在此基础上建立调水GIS系统，实现对调水系统现状和未来资产信息的统一维护和综合管理，将旧的以信息资源应用为中心的数字化调水晋升为以更主动的服务、智能应用为中心的智慧调水。

1 工程概况

山东省胶东调水工程是南水北调东线工程中山东省“T”字形调水大动脉的重要组成部分。输水线路总长482km，包括1989年通水的引黄济青工程和2015年通水的胶东地区引黄调水工程。工程设计时间较早，运管模式较为传统，运行管理需要耗费大量的人力资源，实际运行管理人员超过500人。

2 智慧调水系统建设思路

智慧调水不但具有数字的特点，而且通过汇集数据形成知识，最终凝聚成解决问题的智慧。建设智慧调水可以从物联网、大数据和人工智能入手，万物互联的物联网作为基础，大数据技术作为平台，而人工智能作为大脑，可以总结归纳并且灵活运用各种知识。

2.1 物联网建设

建设物联网平台就要将现有的水情、工情、工程安全、远程监控等不同系统建立互联，打破数据管理困难的格局。首先要建设调水工程全覆盖的数据网络，其次研发智能检测设备，比如智能机器人等，最终实现信息检测的智能化。

2.1.1 万物接入

万物接入就是实现数据全覆盖，包括对水流(流量、流速、水位)、对机电设备(泵站、闸站、阀站)、对水工结构物、对调度管理人员，这些不同对象的检测、控制、互动接口的全部接入，包括水情、工情的检测、视频的检测、安全的检测、指控指令的形成、人员的互动，以及相关的信息。由于长距离输水，工程跨越多个地市，各地工程管理单位可能分属不同的网端，因此还要实现跨地区、跨网端接入万物。

2.1.2 万物联动

万物接入之后，就产生了万物联动的空间，例如调节闸门，除了反馈开度的传统的信息以外，还可以利用附近的摄象头、无人机、机器人等智能设备进行动态跟踪，一旦出现故障，通过物联网平台就能实现应急处理，调度中心可以通过多个途径获取现场的各类检测、控制、场景等信息，全面地掌握现场情况，及时应对突发事件，实现闸门控制的少人甚至无人值守。

2.2 大数据平台建设

大数据平台建设主要从数据清洗、融合和可视化等方面着手。

2.2.1 数据清洗

数据清洗实际上就是在碎片化数据里，区分数据好坏的过程。具体到调水大数据上，要在各类关联数据之间、上下游之间，筛选出好坏数据。“好数据”表明工程运行平稳，而“坏数据”起的作用相对更大，可能反映出工程运行出现的问题，或是遥测系统发生的故障。

2.2.2 数据融合

不同来源的数据各有优势，因此采用多元融合数据可以考虑不同观测点的误差特性和它的优势，正如长距离的渠道、管道不可能全线密不透风的布置观测点，每个观测点对这一点来说是最准确的，但是由于空间特性，离开这个测点一段距离数据精度就会降低，所以就需要融合其他观测手段得来的数据。

2.2.3 数据可视化

通过对数据的挖掘，使数据按照一定的逻辑表达出来，把数据转化为人可以迅速理解的图形和图像，才能更好的为运行调度、控制的科学决策提供有效的支撑。

2.3 “大脑”建设

智慧调水的另一个特点就是体现在人工智能，大脑建设从知识的建立储备到分析总结，从而完成智能预测预警、问题诊断和智慧控制。

2.3.1 智能预测预警

传统的调水预测预警技术主要是采用单一的、固定的参数化方案，面对不确定性，通过误差控制，不让它放大的一套预警手段，包括水量模拟、数据图画等，比如以降水对渠道输水的影响为例，现有的预测预警模式都是采用观测水位变幅，很难满足量化条件下预警的精度要求。那么就需要进行智能预测预警了，把典型的降雨按照渠道输水动力形式进行聚类，并且分别优化参数化方案，在实时预报的时候，按输水动力形式缩影，动态选取方案。

智能预测预警要着力研究人工智能方法和传统方法相结合的智能预报技术，比如人工智能与传统模型耦合的水位、水质预测技术，通过大量的水质水动力模型模拟成果，训练人工智能模型，在优化调度中，用人工智能模型代替传统的水动力模拟模型，可以把优化调度方案的生成时间缩短到分钟级，而且同时保证了精度。

2.3.2 运行问题的智能诊断

在数据清洗中筛选出的“坏数据”，通过数据比对，实时分析，诊断整体调水工程、机械设备潜在的问题。根据数据比对结果将某一段甚至某一点的运行状态和使用信息加以反馈，特别是可以有效针对机械故障问题，全面保障运行安全。对于复杂的故障问题，可以通过网络系统远程协助，并联多个网络端口，采取数字化分析和人工诊断结合的方式，实现多端口的系统诊断。

2.3.3 智慧控制

智慧控制技术要基于智能调度决策系统，针对调水综合调度所面临的水质预测、水量调度、应急调控等问题，提出多目标综合调度模型，运用多要素过程联合相似性分析技术，分析历史调度经验，为当前形势的调度提供最优方案，可以不断的自学习、不断的自总结，形成流域调度决策的智慧。在此基础上，进一步调控水电机组、阀门群自动控制，同时提高闸、阀门的控制执行成功率，方可实现少人或是无人值守。

最终通过大数据处理数据，梳理数据、清洗数据，形成知识，以控制调水运行，这样就形成了物联网的检测、大数据的分析、智慧大脑的决策，最后形成物联网的控制，一个完整的闭环运行系统。

3 智慧调水设计

智慧调水的实施应本着“统一规划、分步实施、持续完善”的原则，以保障智慧调水的建设稳步进行，不断提升调水综合管理能力和科学调度水平。

3.1 规划阶段

按照科学性、实用性和可靠性的原则，进行智慧调水工程规划，从建设目标、建设内容、预算到建设进程等方面，为后续智慧调水建设提供依据。胶东调水工程主要为胶东四市供水，输水干线在潍坊宋庄镇“兵分两路”，其中一路为青岛供水，另一路为烟威地区供水；胶东调水工程的水源有通过南水北调东线工程北上的长江水，也有在滨州打渔张引调的黄河水，还有特殊时期在潍坊峡山水库的引水，所以还要做好多水源复杂水系统的规划。

3.2 建设阶段

按照规划设计方案，分阶段进行智慧调水建设，首先全面进行工程普查，更新换代陈旧设施，其次进行子系统业务管理单元建设，然后在此基础上完善模拟诊断功能，最后实现业务化智慧运行。

(1)工程普查及设施更新，主要开展工程测绘，普查与整理入库工作，打破设施“家底”不清、信息利用率低的壁垒。同时，将超声波、电磁、红外等先进的遥测技术设备和有线无线网络技术更新到工程各个环节，确保实时采集终端数据；构建基于GIS技术的管理平台，保障信息的有效共享和使用，可以更直观、更精细的全面掌握和管理工程运行信息，为优化调度科学分析提供数据基础。

(2)子系统业务管理单元建设，主要是数字化管理发生的各业务过程，获取完整数据。胶东调水482km的工程中有83处控制性节点(其中10座泵站、6座大型渡槽、12处分水闸、51座倒虹和4座管道调流调压站)，每个控制点都作为独立的业务单元，现场遥测系统将运行数据通过已建专用通信网络上传中心服务器，通过监控主机进行统一调配。如图1所示。控制单元应针对不同的任务进行不同的分解，保证各项任务不冲突，能够协调有序进行。从实际运行经验来看，水质监测单元应独立控制，更利于高效连接。由于工程控制点多的特性，可以进行泵闸阀群自动控制体系研究，通过对水量、水位、水情等的分析统计，实施精准调控，进一步提高运管水平。

图1 自动控制单元示意图

由于感知点多且杂，其数据量大，应对数据进行标准化处理，构建动态可维护的综合数据库，为智慧调水提供数据交换和共享的场所。设施应采用先进的PLC、以太网技术和WEB技术，避免传统控制带来的风险，采用C/S和B/S混合结构体系，实现WEB方式访问。同时建立有效的数据更新维护机制，长期定量化的运行动态数据监管，及时掌握工程动态。

(3)完善模拟诊断功能，主要建立模拟综合评估分析系统，诊断存在问题和排查风险隐患点，并将监测数据集成在GIS平台，实现“一张图”展现，更方便管理人员准确掌握系统动态。利用在线监测系统，对多点位的过程数据(流量、流速、水位、压力、开度、转速和水质等数据)进行高频次监测，通过深入挖掘监测数据，分析长期调水运行规律，不但能够反映当前状态和问题，而且能进行短期风险预警，提前预判渠道溢流、管道负压等风险。

(4)业务化智慧运行须在上述阶段基础上，进一步优化业务流程，完善数据的动态更新机制，形成一套规范化软件体系，构建智慧调水综合管理系统，最终建立有效的评估决策手段，摒弃主观判断为主的决策模式，更科学地判断泵闸阀站调控、区域分水等措施对调水系统的动态影响，为常态化运行提供决策支持。同时实现现地控制、远程控制、联合调度中心三级控制体系，以应对突发应急情况处置。

4 智慧调水建设中应注意的问题

4.1 总体规划和具体实施阶段各有侧重

总体规划上，应在工程整体的基础上进行，充分考虑到地域、上下游的综合调度需求等。但在具体实施阶段，侧重点应在多个子系统构成的调水系统内如何科学细致划分，推动调水、分水和机械设备之间的有机融合，促进内部协同，减少重复动作，提高效率。

4.2 建立完善评估指标体系

建立科学的评估指标体系，有利于避免低水平重复建设，有利于促进工程管理单位提高管理水平，通过开放咨询平台和第三方监督等手段，接受公众监督，更能推动智慧调水事业健康发展。

4.3 突破关键技术

云技术是大数据建设的技术基础和改变传统应用管理方式的重要手段，也是制约智慧调水发展的瓶颈。目前与世界先进水平还存在差距，应当加强联合攻关、加速科技成果转化。

5 结语

智慧调水整体建设投资较大，可按照规划先易后难去落实，按照胶东调水工程的实际情况，在遥测系统、在线监测系统更新改造后，约200名运管人员即可满足需求，而在全部完成智慧化改造后，预计60～80名甚至更少的运管人员即可胜任全线调度任务，在大幅降低人工成本的同时，更能科学合理的调水。

建设智慧调水就需要破除原始的信息管理观念，解决数据分散的“信息孤岛”问题。在实施过程中，须加强智慧建设的专业化程度，避免只引入了智能的概念和科技的名词，而没有真正解决智慧化的需求。同时还应改变运行管理人才队伍结构，加大应用技术力量的培养力度，能够结合工程持续更新完善管理软件，以真正的智慧提升综合管理能力和科学决策水平，实现智慧调水。