海河防潮闸工程信息化业务应用研究与探讨

任海康，许 健

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

海河防潮闸（以下简称海河闸）位于天津市塘沽区海河入海口处，承担着海河流域泄洪、天津市区涝水入海和滨海新区防潮安全的任务，同时具有调节上游河道水位、满足通航水深的作用，是海河干流重要的水利工程。

海河闸除险加固工程信息化部分依据《智慧海河总体方案》的指导思想，紧密围绕网络强国战略实施和水利现代化发展要求，充分运用大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术，构建以“2+N”为架构的水利智能业务应用体系，包括物联网系统、闸门运行调度系统、运行维护管理系统、防汛应急指挥系统、综合门户和综合展示系统等，以提升海河闸工程信息管理与运用水平。本文另结合数字孪生工程建设思路，对海河闸信息化工程的提升建设进行技术探讨。

1 信息化系统总体设计

海河闸工程信息化建设依据智慧水利总体框架[1]，系统结构从下到上分为5 层，依次为数据采集层、通信网络层、数据资源层、应用支撑层、业务应用层，同时设置标准规范体系、安全保障体系、运行实体环境为系统提供标准支撑、安全保障和物理环境保障。本文主要对业务应用系统设计进行研究分析。

2 业务应用系统研究

2.1 物联网系统

2.1.1 综合监视系统

物联网系统基于数据采集层建设内容，通过统一的数据接口对工程闸门监控、视频站、工程安全监测等数据进行接收、计算、存储、预警预报、人工校正和统计分析处理，主要实现工程远程监视、历史信息查询、趋势分析、报表生成等功能。

2.1.2 物联网管护系统

在物联网系统中建设水利物联网管护系统，设计目的是确保各物联终端、通信设备等的正常、可靠运行以及采集数据的合理、正确。物联网管护系统主要功能包括通信连接状态监控、设备数据异常预警、远程设备运维管理和故障分析等。

2.2 闸门运行调度系统

为了提升闸门运行调度管理水平，建设开发闸门运行调度系统，提供调度信息管理和调度预测预警等功能。

2.2.1 调度管理

系统将《闸门运用申请单》《水利工程运行调度单》《防汛调度提闸运行单》以及《闸门运用情况报告单》等在系统内做成标准电子格式，为调度指令和工单等的无纸化起草、流转、签发提供支撑。系统根据闸门调度运行规则[2]进行调度，在出现需要提起闸门情况时，由管理处向海河下游局提交提闸申请单，经分管领导批准后交到局防御办，局防御办再将调令下达到管理处，管理处再将指令下达到工管科，工管科提闸后向管理处提交反馈，再由管理处向海河下游局提交闸门运行报告，局防御办进行归档。闸门运行调度管理流程，如图1所示。

图1 闸门运行调度管理流程

2.2.2 调度预测预警

（1）启闭预警。根据系统获取的闸门上下游水位、潮位等信息及闸门运行规则，系统提供平潮启闭预警服务。在上下游水位差为10 cm 时发出第一次预警，在水位差为5 cm 时发出第二次预警，在水位差为0 时发出第三次预警，预警信息在系统中进行高亮显示，同时通过短消息等方式通知提示操作人员进行闸门启闭的操作。

（2）智能预测分析。借助人工智能技术，建立数据学习机制，对潮汐、水位之间的关系进行分析并找出规律，预测出闸门上下游水位相平时间，并根据年度调度运用计划提前制定月度调度计划。

2.3 运行维护管理系统

运行维护管理系统主要用于工程和运维人员管理，主要内容包括工程巡检、工程维护信息管理、维修养护管理、值班管理、工单管理、综合办公等，为运维阶段的各项业务提供便利，保障工程运行管理的正常运行。

2.3.1 工程巡检

工程巡检提供基础信息管理、巡检计划管理、巡检记录管理和巡检统计分析等功能，实现工程巡检工作的流程化、透明化，实现管理人员对巡检情况的全面掌握。

2.3.2 工程维护信息管理

系统建立设备台账及资产数据库，与设备BIM模型绑定，并结合可视化界面目录树，实现设备台账的可视化及模型和属性数据的互查、双向检索定位，从而实现三维可视化的资产管理。对工区内的所有设备等进行入库、出库、分类、统计等，使用户能够快速找到相应的设备以及查看设备对应的现场位置、所处环境、关联设备、设备参数等真实情况。

2.3.3 维修养护管理

维修养护管理主要实现对工程设备、设施的计划性维护的管理，主要包括维修养护方案制定、养护记录、维修申请、维修记录、统计分析、维修养护预警等，并实现与设备台账信息的挂接。

2.3.4 值班管理

值班管理可以按照预先设立的模板进行排班，自动生成排班表，支持打印输出。针对突发事件需调班时，能够通过该功能对排班安排进行更改，实现调班事件的管理。值班人员在值班完成后可通过系统填写带班领导、值班人员、值班情况、已办事项、待办事项等信息，形成值班记录。值班人员可在指定时间向下一班值班人员发送值班消息提醒，消息可通过短信、邮件等多种形式发送。

2.3.5 工单管理

工单管理包括水政工单、养护工单和维修工单的自动化流转，其中水政工单按照《水政执法巡查记录表》的格式进行填报、审核和自动生成，提供电子化存档功能；养护工单根据养护计划，自动产生工单，方便管理人员、操作人员进行定期保养工作，并提交相关领导审批；维修工单根据维修计划，自动产生工单，由维修人员对设备的故障进行维修，并提交相关领导审批。

2.3.6 综合办公

作为海河下游局直属单位，海河闸管理处需建设满足自身办公需要的信息化系统。系统总体设计包括5 个主要模块，分别是领导办公、公文处理、综合事务、会议管理和系统管理。

2.4 防汛应急指挥系统

防汛应急指挥系统实现功能包括基础信息录入与查询、应急预警、应急调度和抢险指挥。防汛应急指挥流程，如图2所示。

图2 防汛应急指挥流程

2.4.1 基础信息录入与查询

（1）基础信息管理。水雨情、潮情信息查询主要对水位、流量、雨量、潮位等信息进行查询，并设置阈值提供预警功能；气象查询主要对接入的外部气象数据进行查询，包括卫星云图、雷达图、天气预报等；工情险情查询主要对工情、险情、灾情等信息进行查询。

（2）防汛信息管理。主要包括防汛预案制定、防汛物资管理、防汛组织、防汛通信、值班信息等信息，通过录入方式、调取相关模块进行汇总查询。

2.4.2 应急预警管理

应急预警主要对洪水事件发生时应急状态下的相关业务提供服务，包括历史洪水信息录入、灾情上报、会商研判、预警信息发布等。

2.4.3 应急调度管理

系统依据当前防洪任务和闸门等水工建筑物运行状况，对拟定调度规则进行管理，并调用闸门调度系统功能下达指令，启动工单流转等任务。主要包括调度规则管理、应急响应发布等功能。

2.4.4 抢险指挥

为解决抢险过程中指挥中心与现场实时沟通不畅的问题、加强指挥中心在抢险过程中的决策效能，建设抢险指挥系统。抢险人员通过佩戴智能安全帽，可以将现场情况实时回传至系统，通信网络可以采用现场搭建的局域网或4G网络，指挥中心人员可以通过麦克风和抢险人员进行实时沟通。

2.5 综合门户

综合门户提供海河闸管理处业务与管理人员访问系统的统一入口，是海河闸管理系统内所有业务人员日常工作和交流的窗口，也是信息发布的平台。门户将系统内所有业务和信息服务集中到一个应用平台上，通过单点登录，实现所有应用的入口统一，并提供个性化的业务界面和结构清晰、内容可定制的信息服务，实现各信息资源、各业务应用的集成与整合，达到信息资源的全方位共享。门户功能设计内容主要包括已有功能整合与完善，基于海河闸信息化系统提供的服务及组件，定制开发信息服务、统一接入、统一授权和门户管理4项功能。

2.6 综合展示系统

按照“数字化场景，智慧化模拟，精准化决策”的实施路径，充分发挥数字化场景在防汛减灾的作用，建设综合展示系统，以集成展示的方式呈现管理的重要要素，支撑管理处防汛指挥调度决策和日常监管的需求。展示系统包括可视化一张图展示、监测预警信息展示和防汛应急指挥信息展示。

2.6.1 可视化一张图展示

可视化一张图以地理信息数据为基础，搭建工程三维实景模型，通过数据统计分析功能，从宏观层面上实现对海河闸各业务场景的综合展示。

2.6.2 监测预警信息展示

监测信息包括外部接入的水文、潮位、气象等数据，以及工程新建闸门监控、安全监测、视频监视、工程运维信息等数据。预警信息包括物联网管护系统预警、外部数据异常预警、管理维护预警信息等。

2.6.3 防汛应急指挥信息展示

系统提供防汛信息、应急预警信息、应急调度信息、抢险指挥信息等的展示，实现防汛应急的统一管理、现场跟踪和辅助决策。

3 数字孪生工程建设提升

工程后期应以《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》为依据，构建数字孪生海河闸，需通过物联网、大数据、人工智能、虚拟仿真等技术，以海河闸水利枢纽为单元、时空数据为底座、水利模型为核心、水利知识为驱动，对水利工程全要素和工程运行全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理海河闸同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。数字孪生海河闸建设需要在数据底板、模型库、知识库、业务应用[3]等方面进行补充建设。

3.1 数据底板

3.1.1 BIM模型补充建设

为满足数字孪生建设场景化展示要求，需补充建设水工结构、建筑结构、金属结构设备、电气设备、监测设施的BIM模型，精确构建建筑物、设施设备的相对位置关系、几何尺寸、体型结构及属性信息等。

3.1.2 空间数据补充采集

为实现工程调度预演，需补充海河闸上游至下游入海口河道区域水上水下地形测量、航飞影像数据以及大场景卫星影像，以提高预演过程水面线变化和演进范围的准确性。

3.1.3 BIM+GIS三维场景建设[4]

需基于L3级工程数据底板和L2级河道数据底板，搭建基于BIM+GIS 的三维可视化场景，满足数字孪生工程场景映射的建设需要。

3.2 模型库

包含工程安全监测分析评价模型、来水/潮汐预报模型、防洪调度模型和洪水演进模型建设。

3.2.1 工程安全监测分析评价模型

对工程安全监测数据、巡视检查结果、隐患记录、风险记录进行融合，实现工程健康度趋势分析。

3.2.2 来水/潮汐预报模型

分析工程上游产汇流情况，建立工程短期来水预报模型，并结合上游水文站监测数据，实现来水预报。结合潮汐资料建立潮汐预报模型，并结合气象预报实现潮汐预报。

3.2.3 防洪调度模型

根据海河闸自主防洪调度预案，建立防洪调度模型，通过改变模型输入参数可生成不同调度方案。

3.2.4 洪水演进模型

建立工程二维洪水演进数学模型，实现调度预案在三维场景中的预演。

3.3 知识库

包含调度运行方案库、历史场景库、专家经验库、水利知识图谱建设。

3.3.1 调度运行方案库

构建包括工程防汛预案、工程调度预案、安全生产事故综合应急预案、突发环境事件应急预案及现场处置方案等在内的预报调度方案库。

3.3.2 历史场景库

构建海河闸降雨-洪水-调度方案历史场景，实现在三维场景下的动态模拟。

3.3.3 专家经验库

记录暴雨、洪水等特定工况下，根据专家经验提出合理有效的防洪和调度措施，并进行统一格式的存储。

3.3.4 水利知识图谱

框架包含管理范围内水利对象、社会经济重要对象及其空间关系、水流关系、管理关系、法律法规、技术标准、专业术语等，实现水利知识的智能检索。

3.4 孪生引擎

海河闸孪生引擎建设主要是补充数据引擎的建设，提供多维多时空尺度数据的汇聚、清洗、转换、展示、计算等服务能力，实现各类数据的统一采集治理和标准化管理。

3.5 业务应用

3.5.1 工程安全智能评估系统

为提升数据运用水平，满足工程安全“四预”[5]的管理需要、需根据监测数据统计趋势，通过人工智能手段，增加工程安全智能评估功能，实现工程安全运行状态的预报和预警、工程出现安全问题的预演模拟以及处理预案的制定等。

3.5.2 移动巡检系统

根据数字孪生工程智慧巡查监管功能要求，补充移动巡检功能，可以记录巡检轨迹、上传隐患问题，并和工程巡查养护信息互联互通，满足工程运维管理和水政执法巡查的管理需求。

3.5.3 闸门实时运行展示

为满足数字孪生建设要求，需将工程运行场景和三维展示场景进行同步映射，实现工程现场水闸和三维场景中水闸模型的联动，并通过现场安装的视频摄像机进行确认，使管理人员通过展示系统即可明确当前工况。

3.5.4 工程调度预演

管理人员可根据来水和潮位预报，通过输入不同的预测变量，形成各个工况下的预演，每套预演方案可以利用时间轴，在场景中展现各个时间点闸门运行情况、水位变化、淹没范围等，辅助进行调度决策。

3.5.5 工程调度预案

预案是基于调度方案对比，推荐最优调度方案，针对应急响应启动、工程调度、物资调配、人员疏散等方面智能生成指挥调度方案，并实时动态监控预案执行情况，为指挥中心提供更加精细化的智慧决策支撑。预案模块包含应急响应、调令下达、物资调配、人员疏散、执行监控、效果评估等功能。

4 结论

水利工程管理业务庞杂，亟需通过建设功能集成的信息化业务应用系统，提升工程各项数据的运用水平，为管理水平提升提供软件支撑；还需考虑进行系统标准化建设，为工程续建配套打下基础；另外要考虑信息共享，既要接入与系统建设相关的外部数据，还要向上级管理单位和相关单位提供数据接口，实现数据的高效合理利用；最后要按照《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》要求进行补充建设，满足数字孪生流域建设的整体要求。