黄花滩灌区运行管理平台开发研究

郭云涛 刘晓彬 于敬舟 田杏丽

灌区信息化是依托大数据、物联网、移动互联网等现代化技术手段，在统一标准模式下，进行统一规划、统一开发，以减少运行管理人员、提高工程管理效率、节约设备维修费用、降低工作人员负荷、规范工程管理流程为目标，实现工程基础信息自动获取，主要机电设备在调度中心进行远程控制和远程监视，实现工程及设备的可视化、数字化管理，实现监测监控、巡查检查、维修养护等的流程化、标准化，实现调度运行、决策分析、安全评估、计量统计的智能化、精确化，保证项目各管理人员在职权范围内都能实时、全面的掌握工程情况。针对甘肃省武威市黄花滩灌区实际情况，中水北方勘测设计研究有限责任公司利用现代信息化技术，建立黄花滩灌区运行管理平台。

一、黄花滩灌区运行管理平台的建立

黄花滩灌区位于武威市古浪县黄花滩乡，作为全国最大的生态移民区，扶贫工作受到党中央领导的高度关注。黄花滩灌区经景电二期工程通过十三级扬水泵站引调黄河水，以南北分水闸为分界，骨干渠系由干渠、分干渠、支渠3级渠道组成，其中黄花滩干渠30.56km，南分干渠14.93km，北分干渠24.92km，提灌分干渠8.63km，南分干所属3条支渠16.07km，北分干所属2条支渠19.44km，灌区骨干渠道全长114.15km，灌溉面积12.4万亩（1亩=1/15hm2）。黄花滩灌区拥有100万m3以上大型调蓄水池5座（见图1），10万m3及以下小型调蓄水池78座，黄花滩一泵站、黄花滩二泵站、黄花滩南提灌泵站（三泵站）3座大型泵站，有效解决了移民区缺水难题，提高了移民区供水保障能力，同时也缓解了黄花滩灌区季节性用水不足的问题。

图1 黄花滩灌区1号调蓄水池

针对黄花滩灌区的实际情况，灌区运行管理平台以农作物信息库、需水计划库、配水信息库、渠系信息库、监测指标库等为支撑；以三维实景“一张图”、BIM 、AI识别、自动控制为基础设施，集成大量前端感知设备，从底层打通各控制单元并形成联动应用；打造以综合监控、水资源调配、工程管理、自动控制、综合信息管理、定制化应用为核心的产品体系，可通过大屏幕展示、PC端、移动App进行展示与交互。灌区信息化整体功能架构见图2。

图2 灌区信息化整体功能架构

灌区运行管理平台建设包括调度中心、水库集控中心、安全监测、水雨情测报、泵闸阀自动控制、电子围栏、视频监控等，通过数字化地图、数字高程模型、数字正射影像、三维实景模型、BIM模型等多源信息的集合，实现信息在不同维度的展示，提供信息的交互查询和相应的空间分析。同时，通过驱动开发与数据库融合技术快速打通底层数据，打破信息孤岛，将三维实景与BIM模型、视频监控、自动控制、安全监测、水情感知、气象感知等深度融合，建成一体化管理平台。

1.技术实现路线

灌区信息化是一个系统工程，它的内容涉及多学科，包括水文水资源、水利工程、仪器仪表、自动控制、通信工程、图形图像、计算机软件及企业管理等，为了使信息化建设科学合理，根据规划的原则，灌区信息化软件平台的技术路线结合灌区实际管理情况和灌区信息化建设的内容，遵循“平台化，分层设计”的理念，采用迭代式开发进行系统建设，通过采用BIM+GIS三维实景、微服务架构、系统集成等技术，实现信息管理平台的开发工作。

2.数据流程及实现方案

通过对灌区水库、渠道、管线所涉及闸门、泵站、量测水、水情、气象、安全监测、视频监控等设备设施运行工况等数据信息进行整体分析，通过通信网络传输至业务应用平台，可更好地为用户提供数据分析、展示、决策等服务。

二、系统功能

1.灌区“一张图”

利用BIM+GIS技术，构建黄花滩灌区二、三维多元信息“一张图”，建立古浪县大场景、黄花滩灌区中场景、渠道范围DOM小场景，蓄水池等重点部位倾斜摄影三维实景的二、三维多元信息“一张图”。“一张图”覆盖了灌区干渠、支渠、渠系建筑物及渠道所涉及地块、5座大蓄水池及78座小蓄水池、3座大型扬水泵站。

大场景数据制作：利用卫星影像与DEM数据制作古浪县三维数字场景，将地形数据分层切片，生成不同级别的.terrain格式的规则格网的地形文件，根据影像的精度，将场景文件加载到三维全景场景界面中，为整个灌区工程提供基础三维底图。

中场景黄花滩灌区数据制作：利用分辨率不低于0.8m的卫星影像与1:10000精度DEM叠加制作黄花滩灌区范围高精度三维数字场景。

小场景重点区域渠道DOM制作：采用航空摄影测量方式获取地面分辨率优于0.2m数字正射影像，并将DOM成果录入至黄花滩灌区三维数字平台中。

调蓄水池实景三维模型建立：采用五镜头倾斜摄影测量系统，获取该灌区5个调蓄水池（1号黄花滩、2号大靖、3号渠首、4号绿洲）的多镜头影像，并制作实景三维模型。

BIM模型建立：以Bentley平台系列软件为主，建立渠道、管线、泵站、调蓄水池及相关摄像头、电子围栏、灯杆、树木、安全监测等设备模型。

2.综合监视

以“一张图”为底图，实现渠道、水库量测水、视频、安全监测、水雨情、气象墒情、闸门、阀门、泵站机组设备状态等的综合监视。通过统一的数据交换接口对灌区涉及的工情、视频、工程安全、闸控等各类设备上报的监测、监控数据进行接收、计算、存储、预警预报、人工校正和统计分析处理，实现黄花滩灌区监测感知信息的可视化展示、统计分析及超标报警，实现测站管理、数据管理、实时监视、统计分析、报警预报。

3.工程管理

黄花滩灌区管理主要包括工程巡查、工程档案、设备管理子模块。水库管理处相关巡查人员使用管理端App对灌区进行巡查，对故障及隐患点进行拍照并上传，PC端可对日常巡查结果进行查询，对日常巡查结果的处理进行上报、审核和查询。工程档案管理提供一工程一档案、一渠一档案信息查询、展示功能，包括工程简介、建设时间、相关建设单位、完成情况、归档资料等。设备管理针对工程所有设备的全生命周期提供管理功能，包括设备登记、供应商、设备故障、设备报废等管理。

4.水资源调配管理

依据黄花滩灌区用水户用水需求、上游渠道供水能力及蓄水池蓄水量，形成供需水预测并制定合理的配水计划，实现配水指令的上传下达，并对实际供水情况进行追踪和考核，以此来帮助灌区优化水资源调配，控制水资源总量，包括供需水预测、需水计划管理。建有供水计划管理、配水调度、量测水管理模块。

5.水费计收管理

黄花滩水费计收管理实现对用水户、灌溉面积、灌溉定额、水价等基础信息的维护和管理，对用水户用水量情况进行登记，基于水量量测结果进行水费计算与收缴、水费结算以及统计分析。

6.自动化控制系统

以逻辑概化图的形式，提供实时泵站监控、闸门监控、阀门监控、蓄水池等信息远程监控和监测服务。从手动变成自动化操控，减轻了员工工作量，提高了计量精度，实现安全调度运行。

7.移动应用

黄花滩灌区移动应用包括管理端及用户端移动应用系统，管理端移动应用可通过手机移动端随时查看工程整体运行、告警、巡查管理、水费收缴等情况，具有上报工情、值班等功能。用户端移动应用可实现需水上报、灌溉查询、水费查询、缴费。

三、实现效果

通过大屏端、PC端与移动端进行展示与交互，大屏端可展示数据可视化、三维实景、灌区“一张图”及视频监控。大屏端系统展示界面见图3。

图3 大屏端系统展示界面

PC端是核心业务端，核心业务包括水资源调配、自动控制、工程管理、系统应用等。界面效果见图4。

图4 PC端系统展示界面

移动端是针对运行管理人员进行移动办公、巡检管理、综合监控等相关业务，用户可通过微信公众号进行水费查询、缴费、需水上报等操作。效果展示见图5。

图5 移动端系统展示界面

四、结语

通过研究开发黄花滩灌区信息化平台，建立了灌区底层数据库，使系统能快速集成，消除了“信息孤岛”与“数据烟囱”，实现了三维实景与自动控制、视频监控、安全监测、水雨情、墒情监测的有机融合。同时，搭建的灌区水资源调配、自动控制、视频监控、工程管理等核心业务应用系统，大大提高了灌区运行效率与管理水平。