灌区智慧管控平台研究与应用

陈玉芳,杨婉宁,王洁瑜,胡 坤

(1.内蒙古民族大学工学院,内蒙古 通辽 028000;2.陕西省咸阳市礼泉县水利管理站，陕西 咸阳 713200;3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 引 言

灌区水利工程是中国重要的民生工程，为促进灌区农业可持续发展，合理优化水资源配置，中国各地相继开展灌区水利信息化建设，从而提升灌区管控水平，降低运行成本[1]。为此，面向灌区水利信息化技术，吴旭春等人以GSM和VPDN作为信息传输载体，利用其灵活、直接的数据传输方式及高可靠性和高速率，传输距离长等优点，构建出灌区信息化平台，解决了数据的漏报、误报、延时、丢失等难题[2]；宋万琦等人以地理基础数据和灌区水资源专题数据为基础，初步建立水资源信息化管理平台，实现灌区内水资源的分布、管理、分析和应用，为灌区水资源的优化配置和高效利用及辅助决策信息化提供地理信息手段与数字化管理模式，最终实现灌区灌溉管理、工程管理、决策管理的信息化和智能化[3]；许建平等人为了高质量推进灌区信息化建设，解决智慧灌区信息资源共享水平低，重复投资建设等问题，提出基于江苏省水利云构建全省灌区管理信息平台，该平台能有效整合利用水利信息资源，减少项目重复建设、减轻基层信息化维护压力[4]。

尽管上述的建设成果均能较好地、具有针对性地应用于各个灌区水利信息化工程的实际管理中，然而尚未形成全方位、统一的综合性灌区水利信息化运维管控平台。本文依托阿克陶县灌区信息化项目建设的实际情况与地域特征开展相关研究，针对目前阿克陶县灌区水利信息化工程所涉及到的水厂水库、山洪预警、农村供水等垂直信息化管理系统之间不兼容，存在信息孤岛现象；灌区信息化建设仅实现信息基础采集、传输及管理的层面，无法达到精准灌溉、配水等管控目的；此外，由于部分水工建筑物年久失修、部分渠道和建筑物损毁、淤积严重、闸门变形严重等问题，无法保障灌溉用水的合理分配，导致输水、配水等灌溉工程功能降低，制约了地方水利信息化发展。因此，提出以灌区基础数据为核心、信息化配套基础设施、设备及水利设施、设备为依托，基于大数据平台、远程控制技术、物联网、智能模型等技术构建灌区智慧管控平台，实时准确的获取灌区的水雨情、气象信息渠道水位、渠道流量、机电井运行状态、闸门运行状态、现场视频等信息，并对采集到的数据进行加工处理及分析，实现灌区信息资源的实时共享、智慧化水资源配置，提高灌区的监管运行效率，为灌区管理部门提供科学的决策依据，最终实现灌区管理信息化提供技术保障。

1 关键技术

1.1 物联体系

(1) 物联感知体系

物联感知体系实现县水利管理站及下属单位直接管辖闸门的自动化改造，包括闸门自动化控制、闸门运行状态视频监控、水量自动采集设备设施，对全县现眼机电井安装“井电双控”智能计量设施。物联网体系架构见图1。

图1 物联网体系架构图

(2) 构建灌区水利信息化大数据平台。

作为灌区水利信息化平台的基础支撑，搭建Hadoop分布式集群，集成饮水工程结构化和非结构化数据，其中包括工程业务数据、工程基础数据、工程感知数据、空间地理数据、区域水源数据等；此外，数据存储前应对数据进行ETL(清洗加工处理)，其中对于处理后的结构化数据，以文本文件形式存储于HBase；对于非结构化数据存储于HDFS；同时在Mapduce和Spark并行计算环境下融合水资源配置、供水管网水质模型，从而为灌区智慧管控提供强有力的决策依据。

(3) 灌区网络构建

采用Spine+Leaf(叶脊)两层的扁平化网络架构，并且结合underlay和overlay两个层面网络技术来构建灌区网络。

1.2 智能模型关键技术

新疆阿克陶县属于半干旱地区，通过建立以水库(阔滚其水库、加马铁热可书库)、渠系河道为水源系统,在灌区信息化改造升级的基础上进一步提升输配水等灌溉工程功能能力，构建以农业灌溉、农村供/配饮水、环境用水、经济效益等为目标的水利系统动力学模型,，对阿克陶县灌区水资源量及其供配量进行计算分析，合理利用有效水资源，将有限的灌溉水量在作物不同生育期进行优化配置为各用水部门的发展方向、目标及农业节水提供依据支撑[5]，灌区概化见图2。

图2 灌区概化图

具体建模主要函数及步骤如下[7]：

(1) 建模基础

因为作物在生育期不同阶段的水分亏缺对产量的影响程度不同，因此，采用基于Jensen作物全生育期的水分生产函数为建模基础。

(2) 决策变量

在灌区某次灌水时,往往同时灌溉多种作物。设灌区管理局有N个配水口(用水单位),第j个配水口有M(j=1,2,3,…,N)种作物,则决策变量为分配给第j配水口第主种作物的充分灌、非充分灌的面积(X1ij，X1ij,j=1,2,3,…，N,i=1,2,3,…,Mj)。

(3) 目标函数

则充分灌、非充分灌条件下的农业效益可表示为：

(1)

充分灌、非充分灌条件下的灌溉管理部门效益：

式中：F1为农业效益；F2为灌溉管理部门效益。

设作物在t阶段非充分灌水,以后阶段均充分灌水,则可得到作物本阶段非充分灌水条件下的预计产量：

(3)

2 灌区智慧管控平台构建

2.1 总体框架及数据存储测算

(1) 平台总体架构

灌区智慧管控平台总体框架见图3。

图3 总体框架图

1) 物联感知层

物联感知层主要依靠水位、流量采集设施、机电井智能计量等各类感知设施设备，形成集约化、多功能监测体系，满足全方位的监测需求，为智慧灌区生产提供长期在线监测数据和计算依据，为灌区运行情况的供配调度决策提供依据支撑；

2) 数据汇集支撑层

汇集空间地理信息、基础监测信息、水利工程业务数据、视频数据、灌区专题等数据资源，并依照统一的数据标准进行存储、整合、调用、分析、管理和共享；同时结合灌区不同业务、不同场景及不同应用终端网络需求，将综合应用运营商4G/5G通讯网络、主干光纤环网、监测自动化组网、物联网通信链路和Wi-Fi网络形成多网融合的统一网络平台，以满足不用的数据融合汇集及应用服务需求；

3) 应用支撑层

提供一个支持信息访问、传递、以及协作的集成化环境，实现结构化/非结构化数据资源、轻量化BIM+GIS应用系统跨数据库、跨系统平台、数学模型(供配调度模型)的集成，一方面实现对数据的多角度整合、分析、调用、共享；另一方面为应用服务层提供统一的用户认证服务；

4) 应用服务层

是智慧管控平台所需的信息化应用层，包括展综合监管子系统、在线监测子系统、运维管理子系统、项目管理子系统、决策支持子系统、水量调度子系统、远程控制子系统、预警预报子系统及视频监控子系统，用户通过统一服务门户访问上述系统，实现权限的统一管理和单点登录。

(2) 重点数据存储测算

1) 视频数据

单个摄像头视频数据存储数据量估算：视频流按1080 p分辨率、存储30 d配置。1080 p的码流为4 Mbps，每路视频30 d所需的存储空间为：4bps/8×3600×24×30=1.23 TB，226视频监控信息共存储空间要求为278 TB。

2) 实时监测数据

本系统设计闸控设备313套，渠道量水点2 204个，共计2 517个。每天所产生的数据均按照5 KB计算，数据记录时间按10 a计算：5 KB×365(天)×10(年)×2517(点)=841(GB)。

3) 业务数据

县水利局、水管站、基层管理站三级17个节点(水利局、水管站、6个分水站、7个乡镇站、2个水库)业务数据包括水量调度管理、水费计收管理、工程管理、水情监测、闸门监控、机井监控等各类业务的基础数据、统计数据等，按6 类数据，每类每年200 M计算，每年的数据量为200 M×6(类)×17(节点)×10(年)=200(GB)。

2.2 平台业务需求

明确阿克陶县灌区管理功能业务需求，围绕从水管总站到分水管理站所负责的管理工作开展业务分析，业务需求分析见图4。可明确水管站负责供水到村的闸门管控、优化配水调度、用水计量、工程运维等工作，同时由水利局定期对水管站进行考核、巡查及监督工作。

图4 业务需求分析图

2.3 平台功能

围绕上述业务功能需求开展信息化平台功能设计，包括综合监管门户、灌区水量分配及调度、运行监控系统、运维管理系统及远程收费系统，如图5所示。

图5 平台功能图

2.3.1综合监管门户

综合监管门户系统集成多个业务子系统，要求基于“GIS一张图”的方式，结合GIS地图，将各种实时监测信息、空间信息、属性信息有机结合在一起，以图形图标形式精确表达各类灌区水利信息、分析发展形势。实现配水调水、灌区灌溉、水费征收、工程运维、预警预告等所有业务数据的综合展示查询；实现水位站、闸门站、机井站、灌溉管理站、流量站、视频站等的不同类型测站及管理站的信息、各项工程巡检维护信息查询。

2.3.2灌区水量分配及调度系统

该主要包括水资源供配平衡分析及配置、水资源调配会商决策、实时水量调度监控、水资源利用考核评估等4个子功能：

(1) 水资源供配平衡分析及配置

根据灌区水资源供配分区情况，在所获取的水利基础信息的基础上，对灌区供、需水量进行统计，确定不同水资源分区的可供及可调配水量，进行水资源供需平衡分析。

(2) 水资源调配会商决策

借助三维空间技术及智能模型手段辅助计算分析年/旬/月/日内水量供需、水量调配、调度模拟等，同时按照不同的调配需求，输出多套调度计划方案，实现对调配计划的滚动修正，为灌区水资源调度提供科学化的会商决策。

(3) 实时水量调度监控

对闸门起闭/水位流量、渠系断面的水位/流量的实时监控，根据渠道内水位波动、流量变化、闸门开度情况，系统率定控制参数，从而自动调整各节制闸、分水闸的流量，并实施闭环控制系统运行，用于指导实际的现场闸门控制。

(4) 水资源利用考核评估

基于灌区现状用水与高效用水不同模式，构建灌区水资源考核指标体系，包括定额类指标和效率类指标，主要有用水总量、灌溉水利用系数、工业回水利用系数、人均用水等。

2.3.3运行监控系统

运行监控系统具备对水库、渠系、闸门等运行工况的监测能力，同时布设视频监控点辅助运行监控；能够根据所监测到数据信息提前设置阈值，实现联动报警预警，并且具备可下达远程控制远端设备命令的能力，比如对全部闸门进行实时视频监控及远程控制；同时能够查看闸门运行情况，并且实现数据的远程自动化采集和传输，实时管控各生产环节设施设备的运行状态，利用网络技术实时传输视频监控数据至监控中心服务平台，满足远程监控需求。

2.3.4运维管理系统

构建灌区工程运维管理系统，实现覆盖项目管理、日常运维管理及预警预报业务的信息化综合运维管理，为工程项目建设过程提供稳定的质量保障。

(1) 项目管理

基于WBS规范和筹划方法，涵盖项目进度、时间管理、风险管理、成本管理等项目管理的核心要素。

(2) 日常运维管理

主要包括对灌区水利设施设备的运维管理(检修管理、信息查询、巡检管理、采购管理、验收登记、备品备件管理)；工程质量管理(包括质量评定、质量消缺、质量整改。通过制订质量评定、消缺和整改的标准处理流程，为各级水管站提供规范的质量控制协同管理平台)。

(3) 灌区预警预报

实现水灾害预警预报：通过灌区地形地貌、人口分布和暴雨洪水特征的综合分析，集成山洪灾害预警系统，接入山洪灾害监测点的实时监测信息，以此加强汛期监测预警；工况预警预报：为有效管理灌区水管站所监管的基础设施、装备，提高预警预报水平，包括设施设备过期预警、检修或维修时间过期预警以及配置未达标预警等，同时对监测指标进行预警预报。

2.3.5远程收费系统

远程收费系统主要是根据主要水源覆盖，不同类型水源应典型监测的原则进行水源取水口水量计量，同时进对各输配水量、水量损失、水费按照分时段、区段进行计算；并且对供配水的基础数据进行统一存储和管理。

3 结 论

阿克陶县灌区信息化项目采用先进的“云、物、移、大、智”技术，在已建的灌区水利工程就信息化基础上，采用利旧与补充完善相结合的方式，根据现场实际情况将已有的系统集成化，一方面设计明晰各基层管理站所负责的运维管控业务；另一方面建立了水管总站监控管理中心，掌握了整个灌区水利信息化运行情况并提供了决策支持；从而完成灌区农业水利工程的基础信息数字化，实现管理智能化、服务科学化。