陳玉芳,楊婉寧,王潔瑜,胡 坤

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)工學(xué)院,內(nèi)蒙古 通遼 028000;2.陜西省咸陽(yáng)市禮泉縣水利管理站，陜西 咸陽(yáng) 713200;3.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 引 言

灌區(qū)水利工程是中國(guó)重要的民生工程，為促進(jìn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，合理優(yōu)化水資源配置，中國(guó)各地相繼開展灌區(qū)水利信息化建設(shè)，從而提升灌區(qū)管控水平，降低運(yùn)行成本[1]。為此，面向灌區(qū)水利信息化技術(shù)，吳旭春等人以GSM和VPDN作為信息傳輸載體，利用其靈活、直接的數(shù)據(jù)傳輸方式及高可靠性和高速率，傳輸距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建出灌區(qū)信息化平臺(tái)，解決了數(shù)據(jù)的漏報(bào)、誤報(bào)、延時(shí)、丟失等難題[2]；宋萬(wàn)琦等人以地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和灌區(qū)水資源專題數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，初步建立水資源信息化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)水資源的分布、管理、分析和應(yīng)用，為灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和高效利用及輔助決策信息化提供地理信息手段與數(shù)字化管理模式，最終實(shí)現(xiàn)灌區(qū)灌溉管理、工程管理、決策管理的信息化和智能化[3]；許建平等人為了高質(zhì)量推進(jìn)灌區(qū)信息化建設(shè)，解決智慧灌區(qū)信息資源共享水平低，重復(fù)投資建設(shè)等問(wèn)題，提出基于江蘇省水利云構(gòu)建全省灌區(qū)管理信息平臺(tái)，該平臺(tái)能有效整合利用水利信息資源，減少項(xiàng)目重復(fù)建設(shè)、減輕基層信息化維護(hù)壓力[4]。

盡管上述的建設(shè)成果均能較好地、具有針對(duì)性地應(yīng)用于各個(gè)灌區(qū)水利信息化工程的實(shí)際管理中，然而尚未形成全方位、統(tǒng)一的綜合性灌區(qū)水利信息化運(yùn)維管控平臺(tái)。本文依托阿克陶縣灌區(qū)信息化項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)際情況與地域特征開展相關(guān)研究，針對(duì)目前阿克陶縣灌區(qū)水利信息化工程所涉及到的水廠水庫(kù)、山洪預(yù)警、農(nóng)村供水等垂直信息化管理系統(tǒng)之間不兼容，存在信息孤島現(xiàn)象；灌區(qū)信息化建設(shè)僅實(shí)現(xiàn)信息基礎(chǔ)采集、傳輸及管理的層面，無(wú)法達(dá)到精準(zhǔn)灌溉、配水等管控目的；此外，由于部分水工建筑物年久失修、部分渠道和建筑物損毀、淤積嚴(yán)重、閘門變形嚴(yán)重等問(wèn)題，無(wú)法保障灌溉用水的合理分配，導(dǎo)致輸水、配水等灌溉工程功能降低，制約了地方水利信息化發(fā)展。因此，提出以灌區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為核心、信息化配套基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備及水利設(shè)施、設(shè)備為依托，基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能模型等技術(shù)構(gòu)建灌區(qū)智慧管控平臺(tái)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲取灌區(qū)的水雨情、氣象信息渠道水位、渠道流量、機(jī)電井運(yùn)行狀態(tài)、閘門運(yùn)行狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)視頻等信息，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理及分析，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)信息資源的實(shí)時(shí)共享、智慧化水資源配置，提高灌區(qū)的監(jiān)管運(yùn)行效率，為灌區(qū)管理部門提供科學(xué)的決策依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)灌區(qū)管理信息化提供技術(shù)保障。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 物聯(lián)體系

(1) 物聯(lián)感知體系

物聯(lián)感知體系實(shí)現(xiàn)縣水利管理站及下屬單位直接管轄閘門的自動(dòng)化改造，包括閘門自動(dòng)化控制、閘門運(yùn)行狀態(tài)視頻監(jiān)控、水量自動(dòng)采集設(shè)備設(shè)施，對(duì)全縣現(xiàn)眼機(jī)電井安裝“井電雙控”智能計(jì)量設(shè)施。物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)圖

(2) 構(gòu)建灌區(qū)水利信息化大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

作為灌區(qū)水利信息化平臺(tái)的基礎(chǔ)支撐，搭建Hadoop分布式集群，集成飲水工程結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中包括工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工程感知數(shù)據(jù)、空間地理數(shù)據(jù)、區(qū)域水源數(shù)據(jù)等；此外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)前應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行ETL(清洗加工處理)，其中對(duì)于處理后的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以文本文件形式存儲(chǔ)于HBase；對(duì)于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于HDFS；同時(shí)在Mapduce和Spark并行計(jì)算環(huán)境下融合水資源配置、供水管網(wǎng)水質(zhì)模型，從而為灌區(qū)智慧管控提供強(qiáng)有力的決策依據(jù)。

(3) 灌區(qū)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

采用Spine+Leaf(葉脊)兩層的扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并且結(jié)合underlay和overlay兩個(gè)層面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)構(gòu)建灌區(qū)網(wǎng)絡(luò)。

1.2 智能模型關(guān)鍵技術(shù)

新疆阿克陶縣屬于半干旱地區(qū)，通過(guò)建立以水庫(kù)(闊滾其水庫(kù)、加馬鐵熱可書庫(kù))、渠系河道為水源系統(tǒng),在灌區(qū)信息化改造升級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升輸配水等灌溉工程功能能力，構(gòu)建以農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)村供/配飲水、環(huán)境用水、經(jīng)濟(jì)效益等為目標(biāo)的水利系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,，對(duì)阿克陶縣灌區(qū)水資源量及其供配量進(jìn)行計(jì)算分析，合理利用有效水資源，將有限的灌溉水量在作物不同生育期進(jìn)行優(yōu)化配置為各用水部門的發(fā)展方向、目標(biāo)及農(nóng)業(yè)節(jié)水提供依據(jù)支撐[5]，灌區(qū)概化見(jiàn)圖2。

圖2 灌區(qū)概化圖

具體建模主要函數(shù)及步驟如下[7]：

(1) 建?；A(chǔ)

因?yàn)樽魑镌谏诓煌A段的水分虧缺對(duì)產(chǎn)量的影響程度不同，因此，采用基于Jensen作物全生育期的水分生產(chǎn)函數(shù)為建?；A(chǔ)。

(2) 決策變量

在灌區(qū)某次灌水時(shí),往往同時(shí)灌溉多種作物。設(shè)灌區(qū)管理局有N個(gè)配水口(用水單位),第j個(gè)配水口有M(j=1,2,3,…,N)種作物,則決策變量為分配給第j配水口第主種作物的充分灌、非充分灌的面積(X1ij，X1ij,j=1,2,3,…，N,i=1,2,3,…,Mj)。

(3) 目標(biāo)函數(shù)

則充分灌、非充分灌條件下的農(nóng)業(yè)效益可表示為：

(1)

充分灌、非充分灌條件下的灌溉管理部門效益：

式中：F1為農(nóng)業(yè)效益；F2為灌溉管理部門效益。

設(shè)作物在t階段非充分灌水,以后階段均充分灌水,則可得到作物本階段非充分灌水條件下的預(yù)計(jì)產(chǎn)量：

(3)

2 灌區(qū)智慧管控平臺(tái)構(gòu)建

2.1 總體框架及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)算

(1) 平臺(tái)總體架構(gòu)

灌區(qū)智慧管控平臺(tái)總體框架見(jiàn)圖3。

圖3 總體框架圖

1) 物聯(lián)感知層

物聯(lián)感知層主要依靠水位、流量采集設(shè)施、機(jī)電井智能計(jì)量等各類感知設(shè)施設(shè)備，形成集約化、多功能監(jiān)測(cè)體系，滿足全方位的監(jiān)測(cè)需求，為智慧灌區(qū)生產(chǎn)提供長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算依據(jù)，為灌區(qū)運(yùn)行情況的供配調(diào)度決策提供依據(jù)支撐；

2) 數(shù)據(jù)匯集支撐層

匯集空間地理信息、基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)信息、水利工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、灌區(qū)專題等數(shù)據(jù)資源，并依照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行存儲(chǔ)、整合、調(diào)用、分析、管理和共享；同時(shí)結(jié)合灌區(qū)不同業(yè)務(wù)、不同場(chǎng)景及不同應(yīng)用終端網(wǎng)絡(luò)需求，將綜合應(yīng)用運(yùn)營(yíng)商4G/5G通訊網(wǎng)絡(luò)、主干光纖環(huán)網(wǎng)、監(jiān)測(cè)自動(dòng)化組網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)通信鏈路和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)形成多網(wǎng)融合的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以滿足不用的數(shù)據(jù)融合匯集及應(yīng)用服務(wù)需求；

3) 應(yīng)用支撐層

提供一個(gè)支持信息訪問(wèn)、傳遞、以及協(xié)作的集成化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)資源、輕量化BIM+GIS應(yīng)用系統(tǒng)跨數(shù)據(jù)庫(kù)、跨系統(tǒng)平臺(tái)、數(shù)學(xué)模型(供配調(diào)度模型)的集成，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的多角度整合、分析、調(diào)用、共享；另一方面為應(yīng)用服務(wù)層提供統(tǒng)一的用戶認(rèn)證服務(wù)；

4) 應(yīng)用服務(wù)層

是智慧管控平臺(tái)所需的信息化應(yīng)用層，包括展綜合監(jiān)管子系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、運(yùn)維管理子系統(tǒng)、項(xiàng)目管理子系統(tǒng)、決策支持子系統(tǒng)、水量調(diào)度子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)、預(yù)警預(yù)報(bào)子系統(tǒng)及視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，用戶通過(guò)統(tǒng)一服務(wù)門戶訪問(wèn)上述系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)權(quán)限的統(tǒng)一管理和單點(diǎn)登錄。

(2) 重點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)算

1) 視頻數(shù)據(jù)

單個(gè)攝像頭視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量估算：視頻流按1080 p分辨率、存儲(chǔ)30 d配置。1080 p的碼流為4 Mbps，每路視頻30 d所需的存儲(chǔ)空間為：4bps/8×3600×24×30=1.23 TB，226視頻監(jiān)控信息共存儲(chǔ)空間要求為278 TB。

2) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)閘控設(shè)備313套，渠道量水點(diǎn)2 204個(gè)，共計(jì)2 517個(gè)。每天所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均按照5 KB計(jì)算，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間按10 a計(jì)算：5 KB×365(天)×10(年)×2517(點(diǎn))=841(GB)。

3) 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

縣水利局、水管站、基層管理站三級(jí)17個(gè)節(jié)點(diǎn)(水利局、水管站、6個(gè)分水站、7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)站、2個(gè)水庫(kù))業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括水量調(diào)度管理、水費(fèi)計(jì)收管理、工程管理、水情監(jiān)測(cè)、閘門監(jiān)控、機(jī)井監(jiān)控等各類業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，按6 類數(shù)據(jù)，每類每年200 M計(jì)算，每年的數(shù)據(jù)量為200 M×6(類)×17(節(jié)點(diǎn))×10(年)=200(GB)。

2.2 平臺(tái)業(yè)務(wù)需求

明確阿克陶縣灌區(qū)管理功能業(yè)務(wù)需求，圍繞從水管總站到分水管理站所負(fù)責(zé)的管理工作開展業(yè)務(wù)分析，業(yè)務(wù)需求分析見(jiàn)圖4?？擅鞔_水管站負(fù)責(zé)供水到村的閘門管控、優(yōu)化配水調(diào)度、用水計(jì)量、工程運(yùn)維等工作，同時(shí)由水利局定期對(duì)水管站進(jìn)行考核、巡查及監(jiān)督工作。

圖4 業(yè)務(wù)需求分析圖

2.3 平臺(tái)功能

圍繞上述業(yè)務(wù)功能需求開展信息化平臺(tái)功能設(shè)計(jì)，包括綜合監(jiān)管門戶、灌區(qū)水量分配及調(diào)度、運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、運(yùn)維管理系統(tǒng)及遠(yuǎn)程收費(fèi)系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 平臺(tái)功能圖

2.3.1綜合監(jiān)管門戶

綜合監(jiān)管門戶系統(tǒng)集成多個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，要求基于“GIS一張圖”的方式，結(jié)合GIS地圖，將各種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、空間信息、屬性信息有機(jī)結(jié)合在一起，以圖形圖標(biāo)形式精確表達(dá)各類灌區(qū)水利信息、分析發(fā)展形勢(shì)。實(shí)現(xiàn)配水調(diào)水、灌區(qū)灌溉、水費(fèi)征收、工程運(yùn)維、預(yù)警預(yù)告等所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的綜合展示查詢；實(shí)現(xiàn)水位站、閘門站、機(jī)井站、灌溉管理站、流量站、視頻站等的不同類型測(cè)站及管理站的信息、各項(xiàng)工程巡檢維護(hù)信息查詢。

2.3.2灌區(qū)水量分配及調(diào)度系統(tǒng)

該主要包括水資源供配平衡分析及配置、水資源調(diào)配會(huì)商決策、實(shí)時(shí)水量調(diào)度監(jiān)控、水資源利用考核評(píng)估等4個(gè)子功能：

(1) 水資源供配平衡分析及配置

根據(jù)灌區(qū)水資源供配分區(qū)情況，在所獲取的水利基礎(chǔ)信息的基礎(chǔ)上，對(duì)灌區(qū)供、需水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定不同水資源分區(qū)的可供及可調(diào)配水量，進(jìn)行水資源供需平衡分析。

(2) 水資源調(diào)配會(huì)商決策

借助三維空間技術(shù)及智能模型手段輔助計(jì)算分析年/旬/月/日內(nèi)水量供需、水量調(diào)配、調(diào)度模擬等，同時(shí)按照不同的調(diào)配需求，輸出多套調(diào)度計(jì)劃方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)配計(jì)劃的滾動(dòng)修正，為灌區(qū)水資源調(diào)度提供科學(xué)化的會(huì)商決策。

(3) 實(shí)時(shí)水量調(diào)度監(jiān)控

對(duì)閘門起閉/水位流量、渠系斷面的水位/流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)渠道內(nèi)水位波動(dòng)、流量變化、閘門開度情況，系統(tǒng)率定控制參數(shù)，從而自動(dòng)調(diào)整各節(jié)制閘、分水閘的流量，并實(shí)施閉環(huán)控制系統(tǒng)運(yùn)行，用于指導(dǎo)實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)閘門控制。

(4) 水資源利用考核評(píng)估

基于灌區(qū)現(xiàn)狀用水與高效用水不同模式，構(gòu)建灌區(qū)水資源考核指標(biāo)體系，包括定額類指標(biāo)和效率類指標(biāo)，主要有用水總量、灌溉水利用系數(shù)、工業(yè)回水利用系數(shù)、人均用水等。

2.3.3運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)

運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)具備對(duì)水庫(kù)、渠系、閘門等運(yùn)行工況的監(jiān)測(cè)能力，同時(shí)布設(shè)視頻監(jiān)控點(diǎn)輔助運(yùn)行監(jiān)控；能夠根據(jù)所監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)信息提前設(shè)置閾值，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)報(bào)警預(yù)警，并且具備可下達(dá)遠(yuǎn)程控制遠(yuǎn)端設(shè)備命令的能力，比如對(duì)全部閘門進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制；同時(shí)能夠查看閘門運(yùn)行情況，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集和傳輸，實(shí)時(shí)管控各生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)至監(jiān)控中心服務(wù)平臺(tái)，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控需求。

2.3.4運(yùn)維管理系統(tǒng)

構(gòu)建灌區(qū)工程運(yùn)維管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)覆蓋項(xiàng)目管理、日常運(yùn)維管理及預(yù)警預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的信息化綜合運(yùn)維管理，為工程項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程提供穩(wěn)定的質(zhì)量保障。

(1) 項(xiàng)目管理

基于WBS規(guī)范和籌劃方法，涵蓋項(xiàng)目進(jìn)度、時(shí)間管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、成本管理等項(xiàng)目管理的核心要素。

(2) 日常運(yùn)維管理

主要包括對(duì)灌區(qū)水利設(shè)施設(shè)備的運(yùn)維管理(檢修管理、信息查詢、巡檢管理、采購(gòu)管理、驗(yàn)收登記、備品備件管理)；工程質(zhì)量管理(包括質(zhì)量評(píng)定、質(zhì)量消缺、質(zhì)量整改。通過(guò)制訂質(zhì)量評(píng)定、消缺和整改的標(biāo)準(zhǔn)處理流程，為各級(jí)水管站提供規(guī)范的質(zhì)量控制協(xié)同管理平臺(tái))。

(3) 灌區(qū)預(yù)警預(yù)報(bào)

實(shí)現(xiàn)水災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)：通過(guò)灌區(qū)地形地貌、人口分布和暴雨洪水特征的綜合分析，集成山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，接入山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，以此加強(qiáng)汛期監(jiān)測(cè)預(yù)警；工況預(yù)警預(yù)報(bào)：為有效管理灌區(qū)水管站所監(jiān)管的基礎(chǔ)設(shè)施、裝備，提高預(yù)警預(yù)報(bào)水平，包括設(shè)施設(shè)備過(guò)期預(yù)警、檢修或維修時(shí)間過(guò)期預(yù)警以及配置未達(dá)標(biāo)預(yù)警等，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。

2.3.5遠(yuǎn)程收費(fèi)系統(tǒng)

遠(yuǎn)程收費(fèi)系統(tǒng)主要是根據(jù)主要水源覆蓋，不同類型水源應(yīng)典型監(jiān)測(cè)的原則進(jìn)行水源取水口水量計(jì)量，同時(shí)進(jìn)對(duì)各輸配水量、水量損失、水費(fèi)按照分時(shí)段、區(qū)段進(jìn)行計(jì)算；并且對(duì)供配水的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。

3 結(jié) 論

阿克陶縣灌區(qū)信息化項(xiàng)目采用先進(jìn)的“云、物、移、大、智”技術(shù)，在已建的灌區(qū)水利工程就信息化基礎(chǔ)上，采用利舊與補(bǔ)充完善相結(jié)合的方式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況將已有的系統(tǒng)集成化，一方面設(shè)計(jì)明晰各基層管理站所負(fù)責(zé)的運(yùn)維管控業(yè)務(wù)；另一方面建立了水管總站監(jiān)控管理中心，掌握了整個(gè)灌區(qū)水利信息化運(yùn)行情況并提供了決策支持；從而完成灌區(qū)農(nóng)業(yè)水利工程的基礎(chǔ)信息數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)管理智能化、服務(wù)科學(xué)化。