新疆金沟河流域的水利水情自动化监测系统设计与实现

韩 露

(新疆金沟河流域管理局水利管理中心,新疆 沙湾 832100)

信息化技术的应用是提高大型灌区水资源利用管理效率的必经途径,而要想实现新疆农业的现代化必须先实现灌区的信息化建设。位于新疆塔城地区沙湾县境内的金沟河流域占据着天然的地缘优势,金沟河流域较为连片集中,但是对其水资源的管理利用效率却较为低下,因此,建设水情自动测报系统就显得尤为重要[1]。

1 项目背景

金沟河灌区是新疆棉花和粮食的主要产区,控制灌溉面积达3.53万hm2,灌区总面积为7.73万hm2。金沟河引水枢纽位于沙湾县金沟河上西南方向28 km处,该枢纽虽配有专用电气设备,但闸门启动设备老化、启动方式老旧,需要人为辅助操作,操作很是不便,存在严重安全隐患,尤其是在恶劣的天气环境下,操作极为危险。基于设备更新、安全便捷、信息化建设等各种因素考虑,该枢纽急需配备安装一套远程监控系统。

2 总体结构设计

根据金沟河灌区枢纽的现状和现实需求,将建设一套既集实时获取水情、闸门运行、现场工作视频等情况,又能快速准确对各监控闸门信息进行传输、发布和处理的综合性监控系统,该系统是建立在自动化控制、计算机技术、通信技术及量水技术等基础上的,最终可以实现对监控灌区的自动化操作和管理调度[2]。

为了日后与上级部门和业务相关单位实现互连互通,该系统在设计时就充分考虑系统的扩展性和可扩展项目,提前预留了各类互连互通接口,便于日后业务拓展或完成更新替代[3]。该系统是由5大部分组成的科学可靠的实体环境运行系统,组成部分包括:闸门监控系统、视频监视系统、通信及网络系统、应用软件系统和保障系统[4]。

3 平台运行环境

该系统要采用开放式、多平台系统,必须能融合支持64位的多种操作系统平台,例如Windows、Linux、Unix等,同时要支持各大主流厂商的硬件,例如HP、IBM、Dell、SUN等。采用B/S架构的服务器类型,它的运行环境要支持Linux、Unix或Windows跨平台部署,客户端要求是Linux、Unix或Windows操作系统。数据库要具有单一代码库,要能在不同操作系统下进行无障碍移植能力,同时要确保在不同操作系统下具有相同的运行功能[5]。

4 灌区综合信息服务系统功能实现

综合预警监视、综合查询分析、灌区基础信息管理等内容共同组成了金沟河灌区管理局的综合业务平台,从而实现对灌区整体情况的自动化综合监管,大大提高对灌区综合信息服务管理的效能和水平[6]。

4.1 综合预警监视

综合预警监视可以有效实现对雨情、水情、灾情、水质、设备工作情况的实时监视,它可以通过将监视到的信息进行图形或图表GIS技术处理,进而清晰地显示出预警区域内监测对象的空间分布情况,监控人员通过对GIS图的分析研判,可以准确查询监测对象的详细信息。同时综合信息预警监视体系将应用平台的报警服务组件融入其中,当监测对象有异常时,它将以警报、亮灯、图形或手机短信等形式进行报警警告,进而实现了将预警信息查询、预警监视服务、预警处理分析、信息发布和服务等多层次需求融为一体的便捷高效服务体系。

4.2 综合查询分析

监测控制人员实现快速、全面、准确地对相关数据进行查询分析,是建立在以数据中心的数据为基础的综合信息查询分析模块基础上的。它是将电子地图和遥感影像图作为背景,通过对不同条件下需要查询和分析数据的组合进行直观形象、全面准确地展示,进而将信息查询和分析进行科学整合的数据库建设成果。

查询方式和输出服务分析方式可谓是多种多样,它可以根据不同用户的不同需求进行针对性地点选。查询方式方面,可以是单一限定条件的查询,也可以多个限定条件的组合来精准查询,例如对某一行政区域的查询,可以在GIS图形上进行点选定位,也可以直接搜索行政区域名称。

服务手段输出方式方面主要有3种方式:①以曲线、示意图、柱状图等比较图方式进行输出,同时支持提交超文本类型;②以图像、视频、动态影像、文字的方式进行输出;③以GIS矢量图的形式进行输出,可使用户详细了解监测地的水资源信息。上述列表查询内容均可以导出Excel格式的文件,便于用户编辑使用。

灌区的综合信息平台是由工情信息、灌区水情、地下水信息,系统功能菜单,值班与巡检,实时监视,实现系统首页,灌区一张图,业务报表,三维展示,量测水管理,灌区信息,水费计收等11个模块组合而成,它可以实现对灌区输排水、配水等数据的动态采集,同时可以统计汇总闸门位置、水流量、流速及设备运行情况。

4.3 首页

灌区综合信息平台的首页主要用来展示工作计划、统计数据、各监测点位的实时工作数据、数量统计数据及各个监测点的位置,通过对列表数据的点击,可以查看该监测点的水位及水流量过程线,以及查看监测站点详细数据信息。

4.4 灌区一张图

灌区一张图是将航拍的数字地形、正射影像图和高程模型在GIS商业软件上进行合成后形成灌区底图,在底图基础上叠加灌区监测站、河流分布、水利基础设施等要素。一张图的首页左侧主要显示实时数据模块、工程检索模块及视频监控模块,右侧设有各监测点位的详细信息。一张图底部三角按钮,可显示查看报警待处理信息,点击该按钮可消除、确认和定位报警具体位置,系统会根据实际情况发出报警警报,并实时推送报警信息。

4.5 灌区水情

灌区水情系统主要功能有:显示流量水位过程线、对监测点位进行管理、显示多站点的水位过程线及对原始数据进行报送。在测点信息管理模块上面的查询处,可以根据监测点的名称和种类进行查询,从而显示出监测站点的列表信息,可以根据实际情况对监测点信息进行修改,还可以详细查询监测点的信息。而实时监视模块的作用是监测设备状态、超越界限情况,同时对预警信息的次数、发生异常的数量、在线离线数量进行显示。

4.6 业务报表

业务报表主要包括灌区报表和水雨情报表,其中灌区报表是用来显示金河沟灌区各方位、各时间段的流量、水位和雨量状况的模块,其主要是由实时数据查询、渠道月流量报表、水情月报表、逐日流量登记表、渠道水情年报表、城乡供水用水表等组成;水雨情报表则是由水位日报表、月报表、流量数据检索、逐日时段水情汇总、逐日水情汇总表、水情报表上传、库容流量日报表、逐日平均流量表等组成,其主要作用是展示灌区的各方位、各时间段的流量、雨量、水位状况信息。

4.7 量测水管理

灌区量测水管理主要包括对资料的整理编辑、流量的测算、数据录入、关系曲线的拟合、停水的处理等功能。其中关系曲线拟合主要是利用采集的真实水位流量数据套入计算公式后生成的关系曲线。按照每1 cm分布一个水位值的密度对曲线进行拟合,并采用公式推导和检验偏差的方式,对一些计算出异常偏离的点进行剔除。由于在不同渠道、不同时间段的灌区内,水位、泥沙量、流量都不尽相同,因此用户会有多种渠道曲线的选项来选择合适的曲线。

4.8 灌区大数据可视化

关系型数据库和管理结构化数据就是目前的数据组成,关系型数据库还可以扩展成为地理空间数据的组织管理,也可以加上文件存储方式的组织管理成为非结构化数据或者半结构化数据。但是现有架构下的数据存储、分析和处理存在很多短板,所以在对水利大数据进行存储和应用时,一定要将数据存储、数据处理、数据分析、数据汇集及应用四个方面包含在水利大数据建设中(见图1)。

图1 大数据基础与服务建设架构

4.8.1 数据汇集

数据汇集主要是针对来源不同的各种数据进行收集汇总,其中主要包括其他系统节点数据、上报采集数据及与其他领域交换得到的数据。其他系统节点数据主要包含定时不定时接入的其他水利业务领域的应用系统数据;上报采集数据主要包括实时的监测数据,设备直接接入数据及现场服务器定时不定时发回的数据;其他领域交换数据主要包括气象、国土、林草等其他行业领域的与水利业务相关的数据。

4.8.2 数据存储

关系型数据与分布式文件系统的有机融合支撑起了水利大数据的存储功能,组成了水利大数据架构。关系型数据库是用来存储实时的、结构化检测及元数据和业务处置数据的;分布式文件系统则用来存储历史监测数据、图像数据、文档数据和视频数据等半结构和非机构化数据的。当然,两种存储方式并非独立无联系的,而是可以通过装载工具或抽取数据来相互转换的。而在水利大数据架构中,元数据库存储具有更高的实用性和更广的适用度,它可以对所有的结构化、半结构化、非结构化的数据进行无界限定义和描述。

4.8.3 数据处理分析

对水利大数据进行分析处理,需要同时将数据挖掘、数据统计、数据分析在云计算技术下进行计算分析。一般情况下,存储在元数据库中的大量水利数据,可以利用spark、hive、Phoenix等体系进行数据分析计算。对于需要实时显示的监测数据,可以利用sparkstrea ming计算工具快速处理监测数据,从而实现实时显示监测数据、实时处理监控视频、实时生成预警调度方案等。

4.8.4 数据应用

水利大数据的应用十分广泛,可以通过对用户和相关数据的分析研判,智能敏锐地获取用户最关心、最感兴趣的指标数据;也可以利用水利一张图,简洁而直观地向用户展示各类实时的和历史的数据、信息、预报等信息结果,从而帮助用户作出科学合理的决策;还可以开发出运维监控、评估测报等水利方面的应用管理,以及为防汛抗旱、航行航运、水资源管理优化、农业灌溉等多方面提供高效的通用性服务或者是开发针对性的定制型服务。

5 结语

综上所述,随着信息技术、计算机技术、自动控制技术的不断发展,水利行业的智能化已成为当前发展的必然趋势,并正在逐步实施。本文以新疆金沟河流域引水枢纽工程为实例,详细探讨了水利水情自动化监测系统设计及应用要点,为水利部门及时了解水情信息,提早做好防洪措施提供了数据支撑;同时,随着自动化系统的投入使用,大大节省了人力资源,充分发挥了其科技优势。