宁夏汉延渠全渠道量测控一体化平台建设与应用

周小生，王海永，高登义，张 勃，徐 宁

汉延渠是宁夏引黄灌区最古老的干渠之一，全长88.05km，控制灌溉面积41万亩（1亩＝1/15hm2，下同），位于唐徕、惠农两大干渠之间，有闸、涵、槽大型建筑物等29座，直开口245座。最大设计引水流量为80m3/s，年供水量5.3亿m3，承担着青铜峡市、永宁县、兴庆区、贺兰县13个乡镇、74个行政村及4个国有农场的灌溉任务。

近年受汉延渠灌域农村产业结构调整、城镇化建设等因素影响，实有配水面积约28万亩，近5年干渠平均引水量约4.6亿m3。目前，受灌域种植结构多样化、灌溉用水多元化的影响，汉延渠阶段性灌溉用水矛盾突出。为提高水资源调配和管理能力，2015年以来，宁夏水利厅统一给各管理处安装了部分量测水设施，但由于测控设备区域不连片、信息系统覆盖度较低，没有真正实现测控一体化，迫切需要通过现代化改造促进和带动各项工作再上新台阶。本研究以宁夏汉延渠现代化灌区建设为出发点，构建了集信息采集、远程监控、业务处理、分析、决策、可视化展示为一体的全渠道量测控平台。

宁夏汉延渠

一、信息化建设现状

①灌区网络情况。2016—2018年，借助“宽带宁夏”，对管理处、所、段进行全面网络覆盖，全部接入电子政务外网，解决了网络传输差、通信质量不佳的问题。

②自动化改造情况。截至2019年6月，共建自动化监测点165个。采用物联网实现了60处干支渠水位信息实时自动采集，利用ADCP解决了处所界、县界测流断面自动测量问题，92座直开口安装了测控一体化闸门，9座控制性水闸进行了自动化改造。但仍存在测点分散、调配不均衡和预警预报不及时等问题。

③数据产生方式。一类是感知设备产生，主要有干渠测水断面、直开口水位/流量监测、天然河道和入黄排水沟县界测水断面水位/流量监测等；另一类是人工采集数据，主要是灌区业务工作中形成的引/耗水指标、黄河各断面水情、各渠道引水、各市县用水、灌溉进度等统计类数据。目前，数据缺乏科学管理、信息孤立不流通，无法为科学调配提供精确、完整、高效的数据支撑。

④业务应用现状。2018年在原有应用系统功能的基础上，整合了工程巡检、水账电算化功能，基本实现了无纸化办公，有效提高了工作效率。然而，核心业务仍采用人工逐级上报方式，用水者协会尚未接入系统，无法形成上下联动、全流程闭环调度管理；且系统只对单个闸门进行测控，还没有全面整合监测数据和融合调度算法，未形成多闸联合调度。

二、平台总体架构

基于上述问题，在《宁夏智慧水利“十三五”规划》的总体框架下，以汉延渠管理处实际业务需求为出发点，充分利用现有资源，采用物联网传感器技术、自动化控制技术和全渠道控制模型算法等，打造集监测、远控、联合调度为一体的全渠道量测控一体化平台，实现全面感知干渠、测水断面、斗口、节制闸、退水闸、泄洪口等各环节流量、水位数据，实时对测控一体化闸门、节制闸、退水闸进行远程控制。通过APP、公众号、PC端访问，接入用水户（用水者协会）需求，根据用水需求结合配水指标和渠道水位等工况信息，自动产生调度方案。根据调度方案和调度指令，通过闸门控制系统，自动调节干渠节制闸、测控一体化闸门，达到按需供水的目的。该平台采用B/S架构、微服务模块化设计，统一部署、分级授权、多级应用，平台总体架构如图1所示。

图1 平台总体框架

三、平台技术特点

①适配于不同类型、不同厂商、不同年代的自动化设备接入。避免了不同厂商、不同类型自动化设备使用多个管理后台造成的混乱，为后续的数据整合和大数据关联分析奠定基础。

②统一全渠道量测水设施数据，深化数据应用。对渠道断面测流、遥测水位、流速仪、流量计、测控一体化闸门等数据进行统一整合；从全渠道视角进行数据统计和分析，建立全渠道视图模型，对数据进行全方位监控和预警。

③建立基于边缘计算和中央控制相结合的全渠道调度控制模型。将闸门控制策略分散于各闸门控制端，通过设置各种临界反馈策略，达到降低中央控制系统多维度协同控制的复杂度，从而实现整个渠系网络的智能化调配水量和全局控制，进而提高渠系水利用系数，摆脱以人工经验为主的传统调度管理模式。

④建立便捷的移动端应用管理。提供APP数据监测、告警及远程控制功能。实现测控一体化闸门瞬时流量、水位、闸位、累计流量的实时查看；实现节制闸、退水闸水位、闸位的实时监测；实现遥测水位的实时查看和预警提醒；实现测流断面水位、流量、流速、面积的实时监控。

四、平台功能分析

①直开口测控子系统。该系统是为适应灌区直开口测控自动化改造建立的集数据采集、监控、分析、展示于一体的监控子系统。通过设备接入功能，将灌区所辖范围内测控一体化闸门纳入统一管理范畴，对各设备运行信息、工况信息进行实时监控，并通过大数据分析技术进行监测指标专题分析，包含水位趋势、瞬时流量、累计流量、闸位、电池电量、闸门健康状态、运行记录等关键指标专题分析和可视化展示，对预警信息进行及时告警。通过远程控制功能，对所辖范围内的测控一体化闸门进行远程控制，控制方式包含远程自动控制和远程手动控制两种方式，自动控制可同时支持水位控制、恒定流量控制和开度控制三种控制方式，支持各直开口调度计划的手动输入并按计划自动执行预设调度计划。闸门控制可以设置通过短信验证码验证操作权限，并提供闸门操作记录短信提醒，确保系统运行的安全性。

②水闸远控系统。该系统实现了对节制闸、退水闸、分水闸的远程控制。通过采集闸门的荷重、闸前水位、电量、健康状态、在线状态等数据获取闸门运行信息；对采集信息以统计报表、时段分析曲线等方式进行多维度分析展示，为用户提供直观的运行状况监控界面和决策依据；支持闸门开度远程控制，实现无人值守、少人值班，对闸门操作进行实时记录；对供电异常、闸门故障、通信中断、设备控制失效、警戒水位超限等异常进行自动报警及短信预警提示。

③断面测流系统。该系统支持采用V-ADCP多普勒流速仪进行大断面测流，实现全渠道水量交接计量。系统实时采集管理所交界处断面瞬时流量、过水面积、当日水量、累计水量等指标，具备水位采集、水深测量、分层流速采集、流量趋势分析、多次流量对比等功能。

④遥测水位监测系统。该系统对全渠道水位监测点进行集中管理，实时采集各监测点水位数据、存储历史数据，对水位运行变化规律进行动态分析，生成报表和曲线，并提供自动语音报警功能，为用户了解全渠道水位状况和运行趋势提供技术支撑。用户可自行设置水位预警范围。

⑤视频监视系统。水闸视频监控实现了对水闸上下游河道情况和启闭机房内部设备工况的实时视频监视，管理站及调度中心管理人员可以从监控终端实时查看现场视频图像；泄洪口建设视频监控系统实时监视山洪入渠情况；泵站内外视频监控实现对机组运行环境的实时监视。

⑥移动客户端APP应用。利用“互联网+”技术，实现“移动办公，高效办公”。主要包含数据监测、远程控制、水量统计、报警记录、渠道巡检等功能。通过数据监测功能可以实时在手机端查看直开口、节制闸、退水闸的指标数据、状态数据；通过远程控制功能可以实现手机端对直开口闸门、节制闸、退水闸的远程控制；通过水量统计、报警记录等功能随时查看水情、报警异常信息；通过渠道巡检功能实时上传现场巡检情况，上报巡检日志，提高了相关人员的工作效率，降低了工作强度。

五、平台应用

汉延渠管理处灌溉管理应用系统自2020年4月初投运以来，取得了良好的应用效果，并作为现代化灌区节水改造示范点，获得了业界的一致好评，为宁夏引黄灌区现代化建设探索可复制、可推广的经验。

①整合全渠系数据资源，实现信息数据共享。平台将渠道不同类型、不同年代、不同厂商的自动化监控设备进行统一整合，把分散在各个监测点、监测系统的数据进行统一存储和处理，并在此基础上，对数据进行深入挖掘，实现业务数据从宏观到局部的直观展现，为水资源优化配置提供精确、完整的数据支撑。截至目前，共接入测控一体化闸门92座，控制性水闸9座，接入4处断面测流监测点、24个干渠水位遥测点、2个支渠水位遥测点、120个视频监控点，实现了所段和重要建筑物视频监控全覆盖。

②创新管理模式，助推灌区运行管理改革。平台涵盖了灌区用水全生命周期管理过程，涉及指标下发、用水需求、配水计划、调度运行、运行跟踪反馈等环节，实现灌区运行全方位监视和控制，满足了灌区从需到供全流程供水。通过远程自动化控制升级，汉延渠实现了由肩扛手提人工操作向轻点鼠标的数字化转型，所段和重要建筑物视频监控全覆盖；通过远程控制和“无人值守、少人值班”，节省了人力成本和劳动强度，探索出一条全新的数字化、信息化的线上管理之路。统计显示，平台日活跃人数达170人、日业务处理数达4230条，每日自动接入10万多条数据，每日自动生成15个报表。

③依托信息技术，提高灌区供水调度能力。量测控一体化平台的建设，将渠系自动化监测设备纳入统一的管理范畴，对灌区水资源进行高效、精准、全覆盖的监测和控制，极大地提高了灌溉安全保证率，实现农业灌溉精准计量、支斗渠按需用水。灌区管理人员能够对动态的供水变化做出及时响应，运用先进的调控手段，将用水量及时准确地输送并分配给用户，从而减少不必要的灌水和弃水，提高水资源利用率和用水保障率，降低供水成本。

应用结果表明，平台在灌区数据资源整合、推进灌区运行管理方式改革、提高供水调度能力等方面效果明显。下一步，将在现有工作基础上，将进一步总结平台建设经验，优化全渠道控制模型，运用现代化控制理论和边缘计算优化全渠道控制核心算法，梳理、学习历史调度数据，建立需水和配水映射关系及预测模型，将人工调度经验固化到信息系统中，并通过设置临界反馈机制，应急自处理模式，使其能够模拟日常供水、配水过程，减少输配水环节，实现调度无人值守，自动配水，拓展平台的广度和深度，为灌区现代化管理提供技术支撑。