太浦闸智慧管控体系建设实践与探索

陈棨尧，李 超

（水利部太湖流域管理局苏州管理局，215011，苏州）

2020年年初，随着太浦闸智能运行管控系统（1.0版）正式上线运行，太浦闸工程实现了流量自动提取、流量跟踪监控、闸门自动调整等智能控制功能，可以更高效、精确地执行调度指令，提高工程控制运行质量和效率。作为太湖流域控制性骨干工程，太浦闸近年受到社会各界越来越多的关注，加之工程本身全年运行，闸门调整频繁，在现有智慧管控体系建设基础上进行深化、升级是管理单位“十四五”期间的重点工作。

一、智慧管控体系建设成效

太浦闸智慧管控体系可概括为“物联感知、互联互通、科学决策、智能管理”，其核心就是更透彻的感知、更全面的互联互通、更深入的智能化。具体表现在：辖区内物与物、物与人、人与人之间的互联互通和相互感知能力，更高效安全的水利信息处理和资源整合能力，更科学的水利监测、预警、分析、预测和决策能力，更高水平的设备远距离控制和智能化执行能力，更协调的业务跨部门、上下级、多层次、异地点合作能力。

1.物联感知能力建设

2014年太浦闸除险加固工程中前瞻性地在建筑物关键部位内部以及上下游侧等部位埋设了相应传感器，分2个测站共75个测点，实现对上下游水位、闸墩顶部沉降闸底板扬压力、地基反力、闸底板内力等关键数据自动采集，工作人员通过监测自动化采集系统可在终端（手机端及电脑端）查收实时信息。该系统还兼具数据自动保存功能，近6年的持续自动监控和数据收集，积累了大量相关数据，是水利工程后续研究开发重要的数据资源。

2.互联互通能力建设

太浦闸下游的太浦闸水文站建有在线测流系统，经过多年运行与率定优化后，能够提供实时在线（次/5min）的太浦闸下泄流量数据。水利部太湖流域管理局建有太湖流域水情遥测系统、太湖流域水资源实时监控和信息采集系统等，可实时采集太湖湖口水位、风力风向、黄浦江潮位，以及太浦河下游平望、金泽水位和流量等数据并实现信息共享。在2012—2015年太浦闸除险加固工程中建设了太浦闸闸门监控系统，能实时采集到工程上下游水位等实时工情数据。以上这些水情、气象、工情数据汇聚在一起，能建立起太浦闸智能运行的“感觉系统”，可初步实现实时感知工程及环境信息变化。

3.科学决策能力建设

借助BP神经网络建立人工智能决策能力。平原河网地区，工程上下游的水位差较小，河流水动力弱，常见往复流，太浦闸工程初步设计中所提供的理论水位流量关系曲线难以指导工程实际操作运行。2019年起，相关管理单位采用信息化手段，利用人工智能机器学习中的BP神经网络模型，对太浦闸上下游水位、开度、风力等与过闸流量之间关系进行分析，将7个影响因素纳入研究范畴，利用历史大数据训练，建立多维流量关系曲线模型，形成指挥闸门操作运用的大脑，结合实际变化自动提出决策意见，为闸门精准控制提供依据。

多维流量关系曲线模型具有3个特点：①输入变量多，能够实时感知风力风向变化、上游湖口水位、下游平望水位等7个影响因素，通过这7个因素的实测值来预测过闸流量；②能够自我调整，通过预测流量与实测流量自动比对、迭代训练，可动态调整7个因素对流量的影响权重，用得越频繁，产生的数据就越多，训练得就越准确；③曲线是动态的，随着现场风力风向、河口水位、平望水位等7个因素的变化而变化，能够实时感知现场多个因素。

在典型大水年份，闸门全开状态下利用BP神经网络预测的水位流量关系曲线准确地复现了实际情况，这对精准调度和预警、预案起到科学指导作用。

4.智能管理能力建设

借助闸门视频监控系统、BIM技术，初步实现调度指令智能执行和智能化现场管理。在太浦闸除险加固工程建设过程中已建成闸门监控系统和安全监测系统，这是闸门智能运行的执行机构，可以实现计算机对于闸门操作运行的自动化控制及实时监测工程垂直位移和底板扬压力变化。在接收到上级调度指令或神经网络系统发出的闸门调整指令后，闸门监控系统可以自主进行闸门开闭以及闸门开度的调整，完整记录运行信息，并将调整信息反馈给工控系统。

基于BP神经网络的流量关系曲线已经应用到太浦闸智能管控系统中，现场运行人员只需关注安全条件和签收新调令，调令执行、流量监控、闸门调整建议、调整结果反馈等其他流程全部由计算机自动实现，有效减轻运行人员工作压力。

太浦闸BIM技术通过太浦闸工程的地形及水工建筑物BIM建模，实现对太浦闸工程全面数字化仿真。通过接入太湖局数据中心各类专题数据库等信息，不仅实现了对工程主体结构与主要构件的几何信息、参数属性及状态信息的数字化存储、查询、三维全景展示，而且在工程控制运行、检查观测、预报预警等方面提供直观和实时的应用，具体如下。

①工程结构三维建模。对太浦闸工程各组成部分进行组建拆解，合理划分工程构件并进行三维模型建模，形成太浦闸上下游、水上水下建筑物的全景模式视图。

②工程运行可视化监测。基于工程三维模型，对太浦闸运行过程中相关实时水工情数据、运行控制数据、安全监测数据、设备设施数据、实时运行状况等进行可视化展示，通过工程三维可视化集中展示，实时掌握当前工程整体运行状态和故障报警、主要设施设备等最新情况，提供历史数据查询。

③调度操控过程动态模拟。基于工程三维模型，结合工程现场视频监视、启闭机运行状态监控等，对太浦闸水文流态、闸泵操控过程及运行状态进行动态模拟，反馈闸门、钢丝绳、启闭机等设备设施运行状态及实时数据，以及闸体的安全监测传感器数据，通过动画、数值图表等手段对闸门操控过程、工程效益、工程安全状况等进行全程模拟和动态展示。

④综合调度决策支持。基于工程边界条件、水文气象、运行状态与安全状况的全面感知，通过工程能力分析、启用条件判断、安全状态评估、安全保障分析等智能分析，实现调度指令执行情况反馈、工程运行能力提前预判、工程操控预设优化、调度执行科学精准，为流域综合调度提供技术支撑。

⑤工程标准化管理。通过接入工程标准化管理业务系统数据，分解落实组织管理、安全管理、运行管理等管理事项，细化各管理事项在工作标准、管理标准、技术标准上的各项要求，实现基于模块化的管理方式，在BIM系统上对太浦闸各项工作的进度、质量、效果进行分析统计评估，提出在工程管理方面的问题和建议，跟踪整改过程和执行情况，提高工程标准化管理水平。

二、太浦闸智慧管控体系“十四五”期间升级优化展望

1.工程运行可视化监测升级

在太浦闸上下游侧增设智能识别摄像头，并将数据接入BIM平台。该技术旨在实现对上下游安全进行自动确认，即在闸门操作前，自动识别上下游有无人员、船只，有无阻碍闸门操作或泄洪的障碍物。

2.智能运行维护管理系统建立

通过对现场主要设备关键部位增设相应传感器，采集设备工况数据，将现有采集数据一并整合到BIM平台，工作人员手持终端对数据进行互访，实现将管理权限、安全管理、基本信息、巡检、养护、综合管理等功能集于一体。

（1）智能维养管理系统构建

根据太浦闸现场维修养护需求进行数据采集。实现主要设备异常自动报警、养护周期提醒、维护结果自评等功能。设计难点是业务功能完善、数据库建立、需求数据收集、运行调试等，针对太浦闸运维工作零散的特点，可适当对数据进行前期筛选，逐步实现业务功能。先实现工程运行数据和主要设备工况数据实时采集分析，增加相关业务协调能力，实现太浦闸管理运维系统自动化。

（2）巡查管理功能实现

根据对闸门运行和日常维护工作的统计，建立日常检查和定期巡检模块，利用Hybrid APP、ReactMobile技术结合的形式，通过智能手机平台，实现数据动态更新，并对出现故障的太浦闸设施进行定位，方便用户及时进行日常检查和定期巡检。采用远距离视频功能，通过拍照和视频形式及时上传，与PC机进行信息交换，并能有针对性地进行故障诊断。后期随着采集数据完善，可实现人工智能自动给出处理或维修意见。

（3）维修养护管理

维护养护管理工作是水利运维的重点，只有设施正常使用，才能保障太浦闸的运行功能，使其发挥最大效能。运用流程化、数字化、可视化技术，实现实时数据信息资源共享，提供在线监管、维修审批、部门管理、验收管理等相关功能，通过管理部门与设施维护部门实时对接，实现数据信息资源共享，更科学地制定和提前预判大修项目、维修经费等。管理者通过对人员的合理配置来保证太浦闸的运行效率，使工程项目、任务、事件得到规范处理，更好地保障太浦闸的正常运行。

（4）基础信息整合管理

将现有视频监控信息、设备传感器信息、工勤信息等所有太浦闸信息统一整合进BIM平台，使业务应用更加方便，通过巨量数据信息对人工神经网络进行持续续联，使闸门调度决策更精准，实现工程运行实况信息自动筛查、维修养护报表自动生成等智能化运行。