信息化技术在云凤水利灌溉工程中的应用

王欣垚

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

水利工程对我国国民经济的增长起着关键的作用[1]。其中，灌溉工程是实现农田灌溉的基础工程，是农业发展的重要保障，其工程内容复杂，包含蓄水、引水、提水、输水、配水、退泄水等各个环节。传统灌区工程设计理念落后，运行管理效率低下，不能满足当前的发展需求。随着信息化技术的飞速发展和日渐成熟，水利灌溉工程信息化逐渐成为了近期大中型灌区建设的发展方向。水利灌溉工程信息化建设，是对传统水利灌溉工程的彻底革新，极大地提高了管理质量和运行效率，实现了节约水资源的目标，降低了灌区的运行成本，促进了灌区经济效益的提升[2]。

1 水利灌溉工程信息化建设意义

水利灌溉工程信息化的建设，一方面可以实现灌溉工程中各环节数据信息的采集、分析、管理和显示，另一方面可以实现灌溉工程的宏观监控管理和指挥调度，确保了信息和决策的准确性和及时性[3]。

1.1 数据采集精度高，传输及时准确

传统的灌区数据采集、设备监控、数据传输等工作大多是由人工完成，不仅效率低下，劳动强度高，还无法保证数据的采集和传输的准确性和及时性。而水利灌溉工程的信息化建设会采用先进的传感器和数据传输网络，实现了多层次、多维度的高精度数据采集及时准确传输，为灌区的精细化指挥调控提供了数据支撑[4]。

1.2 提高管理水平，增强节水意识

信息化的实现，使得各种设备和灌溉环节的监控更加全面实时，调度指令的制定更加科学合理，保证了配水方案的合理性，避免了废水弃水等水资源浪费状况，从而提高用水效率。另外，灌区信息化使灌区管理流程更加科学、高效，使计量工作和核算工作精细化、智能化，提高了管理水平，增强了用水户对水量计算的信任度和群众的节水意识，提高了水费征收效率。

1.3 改进工作方法，提高工作效率

水利灌溉信息化系统的建设与应用，与传统的水利灌溉工程相比较，在取水、供水、收费等各方面都有翻天覆地的变化，彻底改变了灌区的工作运行模式，可实现灌区的精细化调度与管理。调度人员可以及时了解水情、雨情等数据，依靠自动化技术实现远程操控闸门，提高工作效率的同时可大大降低工作强度。

2 总体方案

本文以云凤大型灌区工程为例，介绍工程信息化技术在水利灌溉工程中应用。云凤灌区位于云南省临沧市北部，澜沧江一级支流罗闸河流域内，设计灌溉面积69.23万亩，为大(2)型工程，涉及云县4个乡镇和凤庆县6个乡镇，灌区范围内总人口现状约32.38万人。通过建设云凤灌区，可提高居民饮水保证率和农业灌溉保证率。

云凤灌区工程信息化建设可概括为“2个体系支撑+7个基础层面”，2个体系分别为标准规范体系和网络信息安全体系，7个基础层面分别为立体感知层、网络通信层、基础资源层、数据资源层、应用支撑层、应用业务层、用户层。信息化的水利灌溉系统架构如图1所示。

图1 系统架构图

标准规范体系是为水利灌溉系统的信息化建设提供体系规范，保证信息化的水利灌溉系统在符合国家及行业标准规范的基础上，最大限度地提升自动化和智能化程度；网络信息安全体系是因其采用先进的网络信息技术，需保证整个智能化系统的信息数据安全。7个基础层面则是面向整个水利灌溉系统的各个环节，从最底层的数据感知采集，再到中间的数据传输，最后到数据的处理、分析、存储、显示，所有环节的系统搭建是信息化水利灌溉系统正常运行的基本保证，也是实现智慧化水利灌溉工程最基本的建设内容。

3 基础建设层面

3.1 立体感知层

立体感知层是灌区智慧管理系统的基础数据来源，通过配备先进的水位、流速、流量和环境传感器，实现对灌区的水文水质、雨情、气象、土壤墒情、工程安全等各类数据的监测和采集，为灌区管理局指挥调度中心做出的水文水质报告、配水调度方案、防汛防旱预警等决策报告提供准确的数据支撑[5]。

3.1.1水情流量监测

针对灌区内规划的水库及各重点工程枢纽位置设置流量监测系统，利用由太阳能设备供电的RTU终端采集单元采集水情信息，将监测到的水情流量数据通过GPRS/3G/4G通信模块自动发送到管理所汇聚，并传送至管理局存入数据库。灌区设有水情自动测报系统，其采集的水、雨量信息和水情预报结果也送入系统管理平台，并存入数据库中[6]。监测数据包含灌区水库、水库闸门、管道阀门、泵站、各主要渠道的水位和流量数据。

3.1.2土壤墒情监测

通过在主要灌区设置土壤墒情采集站点，使用检测精度不超过实际值±3%范围的WX-TZSQ30墒情检测站采集不同地下深度处的土壤信息(以土壤水分和温度为主)。内置软件采用CS架构，平台数据支持JavaScript语言接口，可将墒情数据反馈到基础数据层，实现远程监控，同时还对所采集的土壤墒情信息进行处理、分析、统计、存储和显示。

3.1.3设备状态监控

灌区水库、总干管渠、泵站等建筑物设置的闸门、阀门、水泵等相关电气设备是灌区的主要控制设施，这些控制设备动作比较频繁，通过以太网交换机连接枢纽各主要设备的PLC现地控制单元，实现设备远程监控系统，采集包含各类设备运行状态、运行参数、操作事件、报警事件记录、趋势记录、动作记录及闸门开度、流量计算、水位等数据，对重要工程的调度管理实现远程监测和控制。

3.1.4视频监控

通过在水库、闸门、重点干渠、管道、土壤墒情采集点等水利灌溉系统各个环节布置室内外视频监控摄像机，采用光纤通信传输网络将数字视频图像传输到系统平台的存储转发服务器，利用调度中心内的核心交换机及前端交换机可将各区域监测影像反馈至系统平台主屏幕，实现实时监控灌溉系统各设备的运行状况、水资源和土壤资源的质量、整体灌溉质量等信息，实现水利灌溉全生命周期内的无人远程视频监控。

3.2 网络通信层

该层主要为信息通信网络物理平台的建设，基础架构为由各子系统业务内网采集基础数据后，通过光纤、GPRS、4G或5G传输连接至调度中心各数据服务器后，上传至信息平台中心网络，并将最终各应用业务处理后的信息上传至对外共享的门户网络。

3.3 基础资源层

基础资源层为灌区信息化平台的物理基础，包括灌区调度指挥中心、应用服务器、数据库服务器、磁盘阵列、存储交换机、核心交换机、网络交换机、网络路由器、P1.25 2.5m×4m间距LED系统大屏等硬件设备及相关的保障及管理制度。最主要的组成部分是灌区的调度指挥中心。

灌区调度中心在充分利用高性能显示设备、图像和信号处理技术、网络技术的基础上，实现了将水利灌溉各个层面的高度集成，为水利管理部门和基层用户提供了直观的交互显示系统。通过引入先进的智能控制技术，为整个灌溉工程的宏观监控、指挥调度、预测预警等基础业务提供了直观灵活的数据显示界面[7]。

3.4 数据资源层

数据资源层主要包括业务数据库、中心数据库、数据库维护管理系统。该系统主要可以实现对各子系统上传的数据进行备份，保证数据安全性、完整性、一致性；整合系统资源，避免或减少数据重复建设，降低数据管理成本；对各个监测数据进行集中管理，为其他应用系统提供数据共享条件。

通过数据资源层的建设，满足应用支撑层各功能以及数据交换和共享服务的需求，对各业务应用系统功能提供全面数据支撑，对设备监控网络中的相关运行、操作数据也以接入数据库的方式进行数据处理及保存，最终形成完整的数据服务体系[8]。

3.5 应用支撑层

应用支撑层主要由数据支撑系统和软件支撑系统组成，是连接基础设施和应用系统的桥梁，即是在统一的系统级支撑(如ESB总线)支持下，按照SOA的方式将各应用系统的共性功能进行提炼，形成一组应用级支撑服务组件。通过应用支撑层可以实现基础设施所采集的数据资源在其他应用系统的共享和联通，同时还提供了应用系统的运行环境，保证了整个系统的各层面的信息传输共享。

3.5.1数据支撑系统

数据支撑系统主要是应用支撑平台、可视化三维引擎、数据访问接口等数据层面的基础架构，是连接基础设施和各个应用系统的桥梁。数据支撑系统的建设可以实现整个水利灌溉系统数据资源的传输和共享，保证数据信息传输和共享的及时性和有效性。

数据支撑系统的建设还保证了从数据采集，到数据处理和传输，最后到数据资源的归档整个生命周期的稳定性和完整性，是灌溉系统质量评估、决策制定、运行报告等所有运行环节的基本支撑，更是保证整个水利灌溉系统信息化建设的基本支撑。

3.5.2软件支撑系统

软件支撑系统主要包含信息门户环境、BIM+GIS基础系统、灌区“一张图基础系统”，是承载本工程信息化各项功能的软件基础，界面内集成了平台各类监测、监控、功能应用、辅助决策及综合管理服务[9]。

信息门户环境基础以物联网技术为基础，利用云计算技术对各类信息进行感知和融合，实现对灌区基础信息的采集与处理，工程枢纽测控与仿真，调水及防汛抗旱的决策支持、优化调度，以及灌区管理局的办公自动化，人事、财务、资料、档案、权限等基础管理功能。信息服务平台可从数据库中调取整合闸门、水泵等水利设施的基础属性信息，以及灌渠流量、水位、雨情、墒情、水质、气象等信息，按系统功能需求对收集整理的数据进行筛分组合。并在BIM+GIS技术构建的灌区“一张图”模型空间内对各系统分析计算生成的决策服务信息结果在对应工程模型区域上进行发布。

以BIM+GIS技术为基础进行灌区可视化管理，自动快速定位到指定工程区域建构筑物等地物设施，查看所有关联建筑物的位置、结构、设备的信息和特性，为运行管理部门提供决策数据支持。同时，基于BIM+GIS技术集成的三维可视化信息管理系统，即灌区“一张图”系统管理界面。用户可在BIM+GIS模型空间内直观的进行各类实时监测数据查询，及智能调度功能、防汛抗旱预报功能、辅助决策信息反馈、设备远程控制功能的操作及控制，提升灌区调度管理水平。

3.6 应用业务层

应用业务层建立在立体感知层、应用支撑层之上，是指在采集了灌区各类数据的基础上针对灌区提供各类方便实际工程运维的应用功能。规划的智能应用功能将利用采集数据并结合平台及调度中心计算能力对灌区水资源调度管理、安全监测管理、信息化巡检、防汛抗旱、应急响应、设备远程控制、水费计收等方面数据进行计算分析，提供相关应用功能。同时，各应用功能将整合分析各模块运算结果；记录历史数据及同等情况下的处理操作，并结合立体感知实施数据，对工程及灌区状态及隐患等级进行预测；主动提示管理人员应进行的操作及采取的措施，以实现辅助决策的应用效果[10]。

3.6.1水资源调度管理

智能调度应用功能可依据水情流量监测、土壤墒情监测等获取的基础信息进行分析，总结各灌区的需水用水规律，实现节水灌溉的同时，最大限度地提升灌区经济效益。通过灌区供水的实时监测数据，以缺水量最小为目标反馈灌区需水情况，在对应地理模型位置弹出需水信息；以输水配水用时最短为目标对当前的输水配水调度方案进行评估校验。

调度模拟应用功能，即在BIM+GIS技术构建的三维空间内设定调度方案中包含灌溉时间、闸门开启孔数、开启高度等参数进行模拟，模拟过程中可对联合配水调度方案中某一个或某几个参数进行修正，生成新的调度方案，使这些方案更加切合实际，并能存入方案库。调度方案形成后，可以与系统平台的闸门自动控制系统结合，将调度方案输入到水库、干管渠闸门远程控制系统，实现远程自动化和智能化调度。

3.6.2安全监测管理

通过基础资源层获取水利灌溉各环节所采集的基础数据，通过分析数据，做好水情、墒情、泥沙淤积等各方面的汇总和预报工作，针对必要情况及时采用处理措施进行整改，避免安全事故的发生。由于水利灌溉工程的复杂性，要根据具体不同的灌溉类型，有针对性地建立针对不同灌区工程的安全监测管理制度。通过分析安全监测数据，对于需要重点监测和管理的灌区，在原有定期监管的基础上，还要进行重点检查，最大限度的避免安全事故的发生。

3.6.3灌区信息化巡检

根据灌区各环节的不同特点和需求，灌区的信息化巡检包括底层的巡检系统终端、中间的数据通信模块和后台管理系统，总体结构如图2所示。

巡检系统终端主要面向水利灌溉系统的采集设备、闸门、泵站等系统各环节的具体采集设备；利用移动网络、GPRS、Wifi、互联网等数据传输模式实现巡检数据的传输，并且通过配备高性能的工作站和服务器，实现对巡检数据的存储、管理、分析、发布等处理过程，保证了系统数据的完整性和有效性。

3.6.4防汛抗旱预警

防汛抗旱预警功能主要是在地理信息、雨情、水情、工情、墒情等数据的基础上，运用经验数据分析和智能预测相结合的方式，对汛情和旱情进行模拟预测和风险分析，并针对所出现的汛情或旱情状况及时提出应急解决方案，为指挥调度部门的精准调度决策制定提供合理的参考依据。同时汛情或旱情的预报信息还会通过相应的运行管理部门以短信方式下发至用户，提前做好应急准备，避免造成用户的不必要恐慌。

3.6.5应急响应模拟

应急响应模拟系统是针对实际供水灌溉过程中可能出现的突发事故以及受自然天气条件影响所造成的汛情和旱情等自然灾害事故，根据实际灌区的具体数据和旱情(或汛情)的历史数据，通过设计系统的模拟功能模块，对于突发事故进行模拟预测，分析旱情或汛情的发展形势，并根据具体事故生成有针对性的解决措施和意见，保证整个水利灌溉系统可以顺利地面对和解决突发事故。针对具体的防汛和防旱状况，及时地制定排水和补水调度方案，保证了调度方案的匹配性、可行性和及时性。该系统功能的建设保证了整个水利灌溉系统可以长期稳定有效的工作。

3.6.6设备远程控制

设备远程控制，可在移动终端和电脑终端控制灌区内的管路和阀门、闸门、水泵等设备。通过对传感器数据的分析和预测，制定不同的控制信号，在云端下发的任务指令下，实现对智能设备如阀门、水泵、闸门等的远程控制，避免了工作人员的现场作业，提高了工作效率，避免了现场操作时安全事故所造成的人员损伤等现象。

图2 灌区信息化巡检系统

3.6.7水费计收管理

水费计收管理应用指利用分布于灌区现地的智能水表、流量和压力传感器、智能阀门等设备实现自动水费计收功能。其中，智能水表是数据立体感知层的关键设备，主要实现用水量信息的准确采集。

水费计收管理系统主要实现①远程计费、缴费；②用水量的实时监测；③用水量的智能分析，主要针对用水时间、用水量、用水规律等内容；④针对供水过程中的供水量、计费、缴费等异常信息，及时报警；⑤综合信息管理，针对各个供水点的运行信息和数据档案资料进行统一管理。

3.7 用户层

用户层主要用于对系统平台业务管理、应用管理及移动端应用提供的与用户交互的个性化的访问界面以及相应的权限和人员管理，各个运营和管理单位可通过网络门户登录系统，进入相应的工作界面，查看所需信息。

用户层实现了水利管理单位、运营单位和普通用户的统一用户登录、流程集合、数据整合等功能，为各用户建立了信息监测、信息汇集、信息处理的可视化方案，为各环节提供简便的海量数据接入连接、云端存储、大数据智慧分析等优质服务，实现了水利灌溉系统的多源数据统一、动态监测、远程计费状态显示、三维分析、预警管理、科学调度、快速应急响应等功能。不仅打破了传统管理模式下信息的孤岛效应，有助于提高调度决策的科学性、准确性、快速性。同时，各部门之间的业务往来通过线上开展，极大地提高了工作效率，保证了协同作业的及时性、有效性和规范性[11]。

4 结语

(1)云凤水利灌溉工程的信息化设计，利用大数据、物联网、网络通信、光纤等先进信息技术，打造了一个从基础到顶层全面智能迅速联动的灌区。但是目前我国水利灌溉工程的信息化建设仍处在起步阶段，因为资金、管理因素和对信息化认识不足，灌区信息化建设基本都停留在纸面上，真正能够全部实施的较少，距离系统完整的水利灌溉工程信息化目标还有很长的路要走。

(2)本工程进行信息化设计时对当地的实际情况和需求的了解还不够充分，有局限性，建设时还应因地制宜，制定出符合灌区实际的信息化方案，使云凤灌区真正达到智慧化灌溉工程的水平。