智慧灌区管理系统的设计与实现*

(1.成都市万江港利科技有限公司，成都，610015，2.四川大学智能控制研究所，成都，610065，3.四川大学水利信息化联合实验室，成都，610065)

1 引言

水资源作为人类生产生活的重要资源，随着社会经济和人口的快速增长，其短缺问题日益突出[1]。农业作为用水大户，水资源供需问题不断加重。灌区作为农业用水主体，其水资源的合理优化配置对提高水资源利用率，促进农业水资源的可持续开发利用，权衡灌区水资源经济和风险之间的关系具有重要作用[2]。

传统的灌区管理主要以手工管理为主，灌区自动化水平低，信息化设备缺失，灌区管理部门不能实时、准确地掌握灌区水资源情况和设备运行情况[3-5]。灌区在用水管理工作中存在时效性差，处理手段落后，信息分享机制不健全，使用效率低等问题。随着计算机技术的发展，在灌区水资源调配方面，一些学者提出了基于智能优化算法、3S技术和虚拟现实技术的灌区水资源配置系统，为灌区信息化建设提供了思路[6-9]。其中，安徽省淠史杭灌区首先提出智慧灌区概念，并构建集防汛抗旱、灌溉调度、水质监测和数据管理为一体的智慧灌区探索[10]。

为全面提高水利工程的自动化水平，供水管理的精准化水平及对水资源的调控能力，本文设计了一套智慧灌区管理系统，该系统以信息采集系统为基础、通信传输系统为保障、计算机网络系统为依托、决策支持系统为核心，用户可通过WEB平台实现对灌区硬件基础设施进行统一协调控制，为水资源调配分析决策提供了基础数据支撑。系统在都江堰灌区人民渠一处的实际应用表明，该系统有效提高了灌区水资源利用率和管理水平，实现了灌区的可持续发展。

2 智慧灌区管理系统总体设计

2.1 智慧灌区管理系统总体架构

智慧灌区管理系统的总体架构如图1所示。整个系统分为数据采集层、传输层、硬件层、软件层、门户层5层。其中，数据采集层是信息管理平台数据的来源，包括水位计、视频监控设施、闸门控制设施、外部数据等。传输层负责整个平台中数据的传输，本次项目中使用到的传输方式包括：4G无线传输、光纤传输。硬件层是整个软件系统运行的物理基础，包括服务器、存储设备、网络交换和路由等设备。本系统中，硬件平台利用万江科技的云平台。软件层是系统数据分析、处理和维护的功能层，包括操作系统、数据库等支撑软件及业务应用软件，可根据实际项目需求定制开发。门户层给系统的内部用户如人民渠的管理者、工作人员，外部用户如灌区农户提供一个统一的访问入口。

图1 智慧灌区系统总体架构

本管理系统为保障以后软件功能模块能很好地接入平台，核心的数据库建设将采用关系数据库方案，系统应用采用B/S及多层体系结构并存的结构模型。

管理系统建设时建设遵循SOA体系结构，系统平台设计充分考虑数据的存储、数据处理、数据应用和服务的各方面需求，利用扩展和封装的hadoop平台分布式文件管理和离线情况下的海量数据计算性能优势，解决结构化和非结构化数据的全量存储和计算的伸缩性、分布性的问题。

2.2 系统网络架构

系统网络架构为无线传输加光纤传输的方式：渠首通过光纤专线接入云平台；险工险段处的视频监控数据通过4G无线接入云平台；一体化闸门通过4G信号接入云平台。管理中心通过互联网访问云平台。网络拓扑如图2。

图2 智慧灌区管理系统网络架构

2.3 GIS应用支撑平台

在系统开发过程中，灌区各业务系统通常在不同时间开发，彼此相对独立，业务流程往往封装在一个独立的应用系统内。为便于后期系统整合，本管理系统设计有GIS应用支撑平台，该平台通过服务建模，根据业务提炼出服务功能，实现跨部门的、统一的应用信息交换和业务协同处理功能，彻底统一各方的交互方式，规范化交互内容，使新建的系统和旧的应用更容易交互。平台结构如图3所示。

软件架构采用B/S(Web GIS)和C/S(组件式GIS)相结合的模式。基础地理数据包括人民渠一处所辖灌区范围内的基础地理数据，包括矢量地图(DLG)、正射遥感影像(DOM)、数字高程模型(DEM)、路网数据等；实时数据由传感器通过互联网接入系统，经过数据总线加工后进入本系统，为系统提供实时数据。

图3 GIS平台总体架构

3 系统主要功能及实践应用

根据实际需求，系统功能主要包括水资源管理、监控预警、防汛抗旱、运维管理4个模块。考虑到系统目前已成功应用于四川省都江堰灌区人民渠一处，本文结合系统在实际中的应用对其主要功能做简要介绍。

3.1 水资源管理

水资源管理是智慧灌区管理系统的核心内容。为实现对用水过程的全程监控，加强对水资源的管理、控制，系统在具有传统的渠道计量功能的同时，增加了水质检测功能，并创新性地使用了新型的测控一体化闸门，构建了一套量、测、控一体的水资源管理系统。

3.1.1 渠道计量

渠道计量功能是水资源管理的基础功能。在该功能中，用户可以查看渠道的实时水位、流量及今日水量，同时，超阈值的渠道站点将被置顶并标红显示。其界面如图4所示。

图4 渠道计量界面

3.1.2 水质检测

随着工业的发展，我国的水环境污染问题也愈发严峻。对此，本系统增加了水质检测功能。系统可对高锰酸钾指数、氨氮、总磷进行监测，并据此给出相应的水质等级，其中超阈值的水质站点将被置顶并将数据标红显示。此外，以上数据还可长久保存，方便日后查询。水质检测模块界面如图5。

图5 水质检测模块界面

3.1.3 测控一体化闸门

在灌区中，闸门是控制水量分配的主要手段。传统的闸门多是手动启闭类型，操作不便，且过闸流量无法准确控制。针对上述问题，本智慧灌区系统采用了测控一体化闸门。一体化闸门控制采用WEB端和手机端控制模式，用户可在管理平台上实现远程控制闸门开度，查看过闸流量，闸前水位等操作。闸门控制模块界面如图6。

3.2 监控预警

监控系统使用智慧视频识别技术，使系统具有水位视频数据整合和险工险段智能监控功能。

在水位视频数据整合方面，在水利机器视觉系统的支持下，实现了水位标尺自动测读、水色的自动检测、水面漂浮物自动检测等功能。测得的相应视频数据将会在监控中心实时播放。当紧急情况出现时，预警视频将有声光提示效果，预警消息将轮番显示，并可根据需求查询一定时间范围内的预警列表和图标。此外，用户还可根据所属工程、监控类型、状态、时间范围筛选查询视频点。智慧监控页面如图7所示。

图7 智慧监控界面

险工险段智能监控方面，系统采用智能摄像头对险工险段地段24h实时在线进行监控，摄像头自动对工程进行位移和形变分析、关键区域内人员监控，检测到可能发生渠堤塌方、有偷倒或偷采情况时告警并传输视频数据到云平台，云平台上部署视频智能分析软件模块。管理处可调取指定时段内的视频数据。

3.3 防汛抗旱

防汛抗旱模块主要包含两个子模块。子模块1为天气信息模块，该子模块显示了各个管理站的气象信息和预测，气象数据采用各管理单位对应县市天气公网系统。子模块2为河道水情信息模块，用户在该模块中通过列表查看河道水位站所在区域、水位、1h水位变幅，预警状态，设备状态、测站编码及数据上报时间等。并置顶标红显示超阈值的数值。同时，水情信息将被保存在服务器中，可通过河道水情统计界面中查看某个河道某段时间的水位数据列表及过程线图表。防汛抗旱模块，如图8所示。

图8 防汛抗旱模块界面

3.4 运维管理

运维管理模块用于对系统的后台管理。主要对系统中的用户信息、权限控制、管理结构、消息通知和突发状况进行统一管理。主要功能有：

(1)用户管理。对系统中的用户进行统一维护。如添加、编辑、删除用户目录，对用户进行权限配置，对所查用户模糊搜索。并附带通讯录，方便用户之间联系。

(2)结构管理。根据需求对行政区划，组织机构和机构人员添加、编辑和删除。

(3)消息通知。当有需要时，管理单位可在系统中发布消息通知，便于重要信息的快速传达。

(4)异常处理。当一些突发状况发生时，显示相应的错误信息，方便日后的排查与问题处理。

4 结语

本文阐述了灌区智慧管理系统的总体设计思路，并介绍了系统的工程实现以及在四川省都江堰灌区人民渠一处的应用。该系统在灌区信息化的基础上，引入物联网，云平台和人工智能技术，依据以水定需、量水而行、因水制宜的原则，实现了灌区的智慧预警、智慧调度和智慧决策，推动了灌区的可持续发展。