龙溪水库综合信息管理系统平台的研发与实践

施达栋，张仁贡

（1.天台县龙溪水库事务中心，浙江 天台 317200；2.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

1 引言

浙江省天台县龙溪水库建于1990 年，它是一座综合性中型水库，具有防洪、灌溉、供水和发电等功能，水库集雨面积35.5 km2，水库正常蓄水位为398 m，电站装机容量为2×8 000 kW。由于水库运行时间较长，存在水库视频监控老化、水库人工调度不科学，大坝安全监测未实现自动化、管理手段和模式不符合现代化的要求等缺点，为此开展水库综合信息管理系统平台的研发与实践，主要内容包括：

（1）视频监视系统。该系统要求在原来系统基础上建设为全数字视频监控系统，原来的摄像头改为高清视频监控，对水库管理区域和主要设施实现动态监视，更好地掌握水库的运行情况。

（2）大坝安全自动化监测系统。该系统将原来人工监测和半人工监测，改为全自动监测，实现大坝位移、沉降、渗漏等全自动数据采集、汇总到平台。

（3）洪水预警预报系统。依据上游的水雨情、集雨面积的计算，实现洪水预警预报模型的建设。

（4）综合信息化管理平台。将视频监视系统、大坝安全自动化监测系统和洪水预警预报系统等汇集到平台，同时实现水雨情、工情、管理流程等在平台上综合实现，并与上级管理平台无缝对接。

2 核心技术

2.1 大坝安全自动化监测技术

龙溪水库的大坝安全监测是半自动加人工模式，本次研究和建设主要针对大坝表面变形、水平位移和垂直位移、坝体内部变形、裂缝和渗流等方面的监测。表面变形监测实现了39 个点的自动化监测，其中2 个为水准基点，分布在大坝的左右岸；21个点为一般监测点，位于坝顶下游侧和两条马道处；6 个为校核基点，位于坝顶的下游侧；6 个为工作基点，位于两条马道两头的积岩上；位移监测为4 个点，分别为2 个大坝下游两处观测房位移测点和2个起测基点。坝体内部的变形监测包括内部垂直沉降和水平位移两个方面的监测，其中坝体内部的垂直沉降监测有10 个监测点，分别位于385 m 高程（2个点），372.1 m 高程（4 个点）和361.5 m 高程（4 个点）；坝体的水平位移监测位在373.042 m 高程（1 个点）。大坝面板的周边缝位移监测共有5 个点，监测采用三向测缝计，位于TS1、TS2、TS4、TS5 位置，其中TS3 采用二向测缝计，位于水库的河谷底；而TS2 和TS4 位置的监测点位于水库死水位以下位置。渗流监测在坝体下游测量水堰三角堰板处，如图1 所示。

图1 龙溪水库量水堰仪安装示意图

从图1 可知，下游测量水堰三角堰板处增加安装渗流监测仪，通过RS485 接口，将数据传输到坝顶管理房的RTU，然后通过RTU 光纤传输到集控中心及云端管理平台数据库。

2.2 视频监控技术及系统升级

龙溪水库视频监控系统采用了4.8 G 全数字网络视频监控系统，实现了远程建网和视频信号传输，在库区通过4.8 G 立杆基站联网，实现了完全覆盖无死角。4.8 G 通信具有频率高，传播距离长的特点，采用铺设光纤网络，可在库区范围内布设数字摄像头，新的视频监控系统具备了很好的扩展性、灵活性和可拓性。整套监控系统主要由3 个部分组成：前端部分、传输部分、中心部分，如图2 所示。

图2 4.8 G 网络监控系统结构图

从图2 可知，视频监控与喇叭通过无线基站，传输到总基站，总基站可以通过光纤专线与交换机链接，由路由器接入云数据库，可以实现平台和移动端的视频监控。在管理中心配置一台视频录像和监控服务器，用于存储视频图像数据，便于存储、跟踪和回放等功能。

2.3 洪水预报与调度系统

本次洪水预警预报与调度系统采用新安江模型和垂直方向改进型遗传算法进行构架，实现了实时洪水调度、出库流量调度、给定最高控制水位调度和历史洪水调度分析等功能。新安江模型是一个成熟的模型，本文不作累述，重点介绍垂直方向改进型遗传算法。垂直方向改进型遗传算法在传统的遗传算法基础上进行垂直方向的改进，采用垂直干扰变量，实现在某点上目标函数值产生最大的变化，使得染色体在进化过程中按照垂直方向进行群体搜索，以便能够加快算法的收敛速度，而不影响其精确性。

该方法需构造螺旋函数G(x)，用以垂直干扰函数逼近求解结果。针对优化最小值求解：min f（x）X=[x1，x2，…xn]，设在第t次遗传迭代时，在xt处产生λ个服从均值为0、计算其标准方差为σt/n0.5的随机矢量高斯分布Zi（i=1，…，λ）。令Ti=Xt+Zi，定义：

称g（Xt）为函数f（X）在点Xt的垂直方向改进型逼近函数。

采用新安江模型和垂直方向改进型遗传算法实现龙溪水库洪水预警预报系统如下一些功能：

（1）实时洪水调度。根据龙溪水库的入库流量过程线，进行自动洪水调节计算；再依据批复的防洪调度原则，计算出库流量过程、最高洪水水位、最高洪水位发生的时间、入库洪水总量和出库洪水总量等，并进行入库处理。

（2）出库流量调度。当给定出库流量的过程，以人机交互的方式，系统可以进行洪水调节计算，从而得到最高洪水水位、入库洪水总量、最高洪水位发生的时间和出库洪水总量等。

（3）最高控制水位调度。当给定需要控制的最高水位时，以人机交互的方式，进行洪水计算调节，从而得到出库流量过程、入库洪水总量、最高洪水位发生的时间和出库洪水总量等。

（4）历史洪水调度分析。系统可以将历史洪水调度结果以图、表方式输出进出库流量、库水位、最大洪峰流量、最高水位、洪水总量等特征值，并将本次特征值与以前洪水进行分析比较，找出历时洪水的洪峰、洪量、洪水位、频率、重现期，对洪水洪峰的大小、洪水传播的路径、洪水的危害程度进行更为准确的分析，分析界面如图3 所示。

图3 历史洪水调度分析主界面

2.4 数据库技术

本次数据库集成可开发包括数据收集及整理、数据集成及综合数据库、数据管理及数据服务等方面，数据库总体流程如图4 所示。

图4 数据库流程框架图

从图4 可知，数据库感知体系上传的数据通过网络进入ETL数据采集平台，经过接收、清洗、转换、加载等流程，进入Hadoop 大数据平台，通过存储或计算进入数据访问SQLAPI 数据访问引擎。针对龙溪水库综合平台的数据库构架，实现下列功能：

（1） 数据采集与整编。包括水情和雨情的监测、视频监控、闸门工情的监控等各类实时数据的采集、分析和处理，按照数据库标准接口写入综合数据库。

（2） 数据集成及综合数据库。综合集成新建和历史系统，打破数据孤岛，建立综合型统一的数据仓库和统一的数据访问机制。新建的信息系统采用了不同用户权限配置、不同权限数据访问机制和多个不同应用业务的协同机制，达到了信息数据资源共享和业务应用协同的目标。对各历史系统依据一定数据处理规则，对数据开展同步、协调、抽取、分析和处理，并进入综合数据仓库系统。

（3） 数据仓库管理和数据协同服务。建立了数据仓库管理和数据协同服务统一管理平台，实现了监控网络与管理信息之间的总线数据交换，形成了数据仓库管理和数据协同服务的统一平台。通过对实时数据仓库、历史数据仓库、关联数据仓库、文件数据仓库、模型数据仓库、中间件数据库仓库等标准接口的访问，实现了对水库基本数据、视频监控数据、大坝安全监测数据、地理信息数据、全景图数据等各类数据的管理、存储、分析、处理及各个平台的数据交互。

2.5 综合信息管理软件系统

龙溪水库综合信息管理平台包括信息总览、基础管理、运行管理、安全管理、应急管理、维养管理、库区管理、安全生产标准化考核、移动应用等功能模块。该平台基于云计算架构搭建，与上级监管平台无缝对接，基于地理信息技术对水雨情、工情、视频等各类信息的一张图展示。基于JAVA 技术实现移动巡查应用支撑，实现责任管理与权限、运行管理与维护、安全鉴定和评估、安全监督与检查、维修养护与管理、隐患治理与排查、教育培训与咨询、应急管理与响应、制度与规章建设、标准考核与验收等各环节的流程化管理。基于移动APP 技术实现移动巡检与巡查，包括巡查任务的制定、巡检内容的分配、巡查路线和时间的制定、巡查节点和检查项目的配置以及完善巡查日志。移动OA 可以实现信息上传、信息通知、综合监视、指挥调度、工程复核、应急通讯等功能。

3 结束语

通过本项目的研究与实践，对水库的管理进行信息化提升，实现了水库管理的标准化和现代化。本研究实现了龙溪水库的视频全覆盖、大坝安全自动化监测、洪水预警预报与调度、数据库集成与服务以及综合信息平台的研发工作，提升了龙溪水库的安全运行管理水平和发电效率，充分发挥了水库的社会效益与经济效益。