黃 蕊

(惠州市惠州大堤?hào)|堤管理中心，廣東 惠州 516000)

1 惠州市水利信息化現(xiàn)狀

經(jīng)過十多年的建設(shè)和發(fā)展，惠州市已建水利信息系統(tǒng)包括惠州市融合通信指揮調(diào)度平臺(tái)、惠州市水利監(jiān)測(cè)預(yù)警和決策平臺(tái)、惠州市水利視頻監(jiān)控平臺(tái)、惠州市河長(zhǎng)制綜合信息管理平臺(tái)和智能運(yùn)維保障管理平臺(tái)共5個(gè)平臺(tái)，其中智能運(yùn)維保障管理平臺(tái)為市局內(nèi)部設(shè)施運(yùn)維管理，其余4個(gè)系統(tǒng)為業(yè)務(wù)相關(guān)系統(tǒng)，初步形成了省、市、縣、鎮(zhèn)四級(jí)水利三防通信專網(wǎng)，見表1。然而在水利監(jiān)管工作開展過程中，卻仍然存在“舊、缺、壞、少”四個(gè)方面的情況，具體表現(xiàn)在：

表1 惠州市水利局已建系統(tǒng)情況

(1)支撐全市洪澇災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)體系的能力嚴(yán)重不足。目前全市仍有42個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)防洪不達(dá)標(biāo)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪達(dá)標(biāo)率僅有45.45%；江海堤防達(dá)標(biāo)率僅19.3%，仍有約995 km堤防需進(jìn)行達(dá)標(biāo)建設(shè)，全市大部分河流不具備短時(shí)洪水預(yù)報(bào)能力，且監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)率高。

(2)無法滿足水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管改革發(fā)展要求。人工巡檢難度大，而當(dāng)前信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)展還無法達(dá)到“水利人工智能技術(shù)及產(chǎn)品”能夠基本替代“人工操作”的水平。

(3)水利監(jiān)測(cè)感知設(shè)備缺乏，技術(shù)老舊。大部分水庫大壩缺乏變形、滲流、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等日常監(jiān)管所需數(shù)據(jù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，只能靠工程管理單位定期人工觀測(cè)填報(bào)；同時(shí)沒有建立一個(gè)統(tǒng)一的水利感知接入網(wǎng)絡(luò)，人工智能技術(shù)沒有應(yīng)用，目前建設(shè)監(jiān)測(cè)感知設(shè)備缺少統(tǒng)一規(guī)劃，標(biāo)準(zhǔn)不一。

(4)水利數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、不全，質(zhì)量差。由于感知設(shè)備的缺乏，水閘、泵站、灌渠等各類工程的工作運(yùn)行數(shù)據(jù)缺失，難以做到有效監(jiān)管；現(xiàn)有數(shù)據(jù)也存在不準(zhǔn)、未電子化、需要進(jìn)行數(shù)據(jù)治理等問題。

(5)水利系統(tǒng)治理能力水平未能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展。各水利信息系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換困難，形成信息孤島，大量數(shù)據(jù)重復(fù)填報(bào)，浪費(fèi)了大量的人力物力，制約水利治理體系和治理能力水平提升。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 建設(shè)目標(biāo)與建設(shè)內(nèi)容

智慧水利建設(shè)是實(shí)現(xiàn)惠州市政府治理體系和治理能力現(xiàn)代化的需要，可提升水旱災(zāi)害防御調(diào)度能力水平，保障全市水利工程安全運(yùn)行。通過惠州市智慧水利項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)惠州市水利智慧感知信息健全、智慧分析能力提升、智慧應(yīng)用業(yè)務(wù)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)水利粗放式管理向水利網(wǎng)格化、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化管理轉(zhuǎn)變，促進(jìn)水利服務(wù)向社會(huì)化發(fā)展，打破傳統(tǒng)水利模式，做到真正的水利智慧化。最終達(dá)到“看水一張網(wǎng)、治水一張圖、管水一平臺(tái)、興水一盤棋”的水利現(xiàn)代管理體系。

2.2 智慧水利系統(tǒng)架構(gòu)

惠州市智慧水利工程系統(tǒng)架構(gòu)上由總體架構(gòu)、業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、管理架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、安全架構(gòu)6部分組成，遵循系統(tǒng)工程的要求，采用分層設(shè)計(jì)[1]，分別是全域感知層、水利“智腦”支撐層、和水利智能應(yīng)用層，貫穿三層架構(gòu)是統(tǒng)一遵循安全、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、運(yùn)行管理三大體系[2]。

全域感知層在蜂窩物聯(lián)網(wǎng)、專用射頻聯(lián)網(wǎng)、高速光纖等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)基礎(chǔ)上，通過部署、水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)、土壤墑情監(jiān)測(cè)、水資源使用監(jiān)測(cè)、水利工程安全監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)工況監(jiān)測(cè)等新一代智能傳感設(shè)備，接入高分辨率多源遙感衛(wèi)星、高清視頻、無人機(jī)/無人船等空天地影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)江河湖泊、水利工程和水利管理活動(dòng)等水管理對(duì)象的全域感知。

水利“智腦”支撐層通過感知層提供的江河湖泊、水利工程和水利管理活動(dòng)等水管理對(duì)象的全域感知數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的治理、整編，融合相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)和社會(huì)數(shù)據(jù)，通過多元化采集、主體化匯聚構(gòu)建全域化數(shù)據(jù)，以水利應(yīng)用為導(dǎo)向，按照統(tǒng)籌規(guī)劃、資源整合的原則，打破系統(tǒng)間的界限，做到“數(shù)據(jù)接入無門檻、數(shù)據(jù)獲取無壁壘、數(shù)據(jù)分析無障礙”，形成權(quán)威、標(biāo)準(zhǔn)、一致的水利大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)建模管理和數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)一管理。采用微服務(wù)架構(gòu)，依托“數(shù)字政府”應(yīng)用支撐層能力體系，按照大中臺(tái)、小應(yīng)用的思路，將水利智能應(yīng)用共性資產(chǎn)下沉，重點(diǎn)聚焦于水利業(yè)務(wù)共性剝離和微服務(wù)構(gòu)建，通過為上層數(shù)字水利智能應(yīng)用統(tǒng)一提供公共基礎(chǔ)服務(wù)支撐，避免不同水利業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的重復(fù)建設(shè)，支持前臺(tái)快速開展業(yè)務(wù)創(chuàng)新。

水利智能應(yīng)用層構(gòu)建水安全、水工程、水資源、水生態(tài)環(huán)境、水監(jiān)管、水服務(wù)六大類應(yīng)用，含括水資源管理、節(jié)約用水監(jiān)管、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警、水旱災(zāi)害防御、水利綜合指揮、水工程建設(shè)管理、水工程運(yùn)行管理、農(nóng)村水利管理、河湖長(zhǎng)制、萬里碧道、水利行業(yè)監(jiān)管、水土保持監(jiān)管、水政執(zhí)法監(jiān)督、水庫移民管理和水利政務(wù)服務(wù)等應(yīng)用功能模塊，全面提升水利業(yè)務(wù)的精細(xì)管理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、分析評(píng)價(jià)與決策支持能力。同時(shí)構(gòu)建綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用集約化管理，面向市委市政府、市水利局、各縣區(qū)級(jí)水利主管部門、水利行業(yè)用戶和社會(huì)公眾，利用智能終端技術(shù)提供現(xiàn)代水利應(yīng)用服務(wù)[3-4]。

2.3 智慧水利系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

(1)組件式開發(fā)技術(shù)。在本智慧水利系統(tǒng)構(gòu)建中，采用面向服務(wù)的組件式軟件工程開發(fā)技術(shù)，以有利于系統(tǒng)升級(jí)、功能擴(kuò)展與延伸。通過組件式的軟件工程開發(fā)技術(shù)，有效提升應(yīng)用開發(fā)的便捷性和應(yīng)用開發(fā)管理的規(guī)范性，有效解決應(yīng)用重復(fù)建設(shè)、技術(shù)架構(gòu)參差不齊、應(yīng)用建設(shè)能力不足和應(yīng)用開發(fā)管理混亂等問題，實(shí)現(xiàn)水利應(yīng)用管理的統(tǒng)一性及運(yùn)營(yíng)的規(guī)范性。

(2)國(guó)產(chǎn)自主可控技術(shù)。本項(xiàng)目通過使用基于國(guó)產(chǎn)ARM處理器的服務(wù)器硬件、底層固件、國(guó)產(chǎn)化平臺(tái)軟件的適配以及應(yīng)用軟件的遷移和優(yōu)化，打造全自主可控的信息化管理系統(tǒng)，做到全域網(wǎng)絡(luò)通信基于IPv6，全系統(tǒng)100%基于信創(chuàng)環(huán)境。

(3)分區(qū)分域保護(hù)技術(shù)。通過劃分安全域的方法，將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)流程的不同層面劃分為不同的安全域，各個(gè)安全域內(nèi)部又可以根據(jù)業(yè)務(wù)元素對(duì)象劃分為不同的安全子域，針對(duì)每個(gè)安全域或安全子域來標(biāo)識(shí)其中的關(guān)鍵資產(chǎn)，分析所存在的安全隱患和面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)，然后給出相應(yīng)的保護(hù)措施[5-6]。

(4)全面縱深防御技術(shù)。以可信計(jì)算為基礎(chǔ)，訪問控制為核心，構(gòu)建“一個(gè)中心支撐下的三重防護(hù)體系”的縱深防御體系來保障網(wǎng)站系統(tǒng)的安全。

(5)動(dòng)態(tài)綜合防護(hù)技術(shù)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的、綜合的防護(hù)，在攻擊者成功地破壞了某個(gè)保護(hù)措施的情況下，其他保護(hù)措施仍然能夠有效地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，以抵御不斷出現(xiàn)的安全威脅與風(fēng)險(xiǎn)，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

3 智慧泵站應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 泵站工程背景

惠州市某水利樞紐工程由4座立式低揚(yáng)程軸流泵站組成，由于該水利樞紐工程臨海，因而泵站工程受海水潮位的影響較大，泵站系統(tǒng)運(yùn)行效率變化頻繁。在4座泵站中，1#、2#泵站泵機(jī)型號(hào)為1.75ZLQ-7，總裝機(jī)設(shè)計(jì)流量為160 m3/s，總裝機(jī)率為16 000 kW，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為6.8 m；3#泵站泵機(jī)型號(hào)為2000ZLQ13.5-7.8，裝機(jī)設(shè)計(jì)流量為135 m3/s，總裝機(jī)率為16 000 kW，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為7.8 m；4#泵站泵機(jī)型號(hào)為2900ZLQ30-7.8，裝機(jī)設(shè)計(jì)流量為210 m3/s，總裝機(jī)率為16 000 kW，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為7.8 m。當(dāng)前，該水利樞紐工程已建立自動(dòng)控制系統(tǒng)，但由于系統(tǒng)對(duì)于采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)沒有足夠的自主分析能力，導(dǎo)致優(yōu)化調(diào)度決策能力沒有通過智能化來體現(xiàn)，通過建立智能泵站系統(tǒng)，將智慧水利思想運(yùn)用到工程中，可顯著提升泵站工程的運(yùn)行效率。

3.2 智能泵站架構(gòu)

智能泵站由智能感知、智能研判、智能控制管理以及智能展示四大體系構(gòu)成，見圖1。智能感知體系主要作用是通過相關(guān)儀器儀表設(shè)備對(duì)主機(jī)組、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、清污機(jī)閘門以及水工建筑物的運(yùn)行參數(shù)(如溫度、效率、葉片角度、擺動(dòng)、變壓器參數(shù)、油氣系統(tǒng)參數(shù)、閘門開度、水位、流量等)進(jìn)行采集和匯總；智能研判體系是通過對(duì)感知數(shù)據(jù)研判、感知系統(tǒng)研判和智能業(yè)務(wù)研判，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和智能決策；智能控制管理體系的主要作用是根據(jù)智能研判體系提供的智能決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)、變配電、輔機(jī)、通用設(shè)備的智能控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備、運(yùn)行、安全和通用業(yè)務(wù)的智能管理；智能展示體系主要作用是通過三維可視化、全景漫游、一體化平臺(tái)、手機(jī)APP等對(duì)泵站運(yùn)行全過程進(jìn)行全方位的公布和展示。

圖1 智能泵站系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 泵站智能調(diào)度方案

泵站系統(tǒng)能耗包括主機(jī)泵系統(tǒng)能耗和輔助設(shè)備能耗，而輔助系統(tǒng)能耗主要包括勵(lì)磁變壓器、通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備、冷卻設(shè)備、站用變壓器等多個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)備的能耗。在泵站運(yùn)行過程中，通過智能感知體系對(duì)主機(jī)組、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、清污機(jī)閘門以及水工建筑物等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多達(dá)數(shù)十項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，如何通過這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)泵站系統(tǒng)實(shí)行優(yōu)化調(diào)度成為智能泵站系統(tǒng)的重要任務(wù)。

由于監(jiān)測(cè)參數(shù)較多，因此應(yīng)從中選擇合適的參數(shù)作為參考來對(duì)泵站的開機(jī)組合運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。本文從葉片設(shè)計(jì)角度、恒定時(shí)葉片變角以及加大流量時(shí)葉片變角三種調(diào)度方案，對(duì)3.5 m、4.5 m、5.5 m、6.5 m和7.5 m 5種不同揚(yáng)程下三種調(diào)度方案在50 m3/s、100 m3/s、150 m3/s、200 m3/s、250 m3/s、300 m3/s、350 m3/s、400 m3/s、450 m3/s 9種不同流量下的泵站系統(tǒng)運(yùn)行效率進(jìn)行對(duì)比，具體調(diào)度方案見表2。

表2 泵站智能調(diào)度方案

3.4 應(yīng)用效果

通過智能泵站系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到的不同調(diào)度方案下系統(tǒng)效率隨流變變化曲線見圖2。從圖2中可知：隨著揚(yáng)程的增大，同種調(diào)度方案下的泵站系統(tǒng)效率逐漸增大；當(dāng)揚(yáng)程在3.5 m、4.5 m時(shí)，隨著流量的增大，方案一的效率呈逐漸減小的變化特征，方案二、三的系統(tǒng)效率明顯高于方案一，而且有隨流量增大而逐漸減小的變化趨勢(shì)，特別是在大流量時(shí)表現(xiàn)較為明顯，這是因?yàn)樵诹髁坑尚∽兇蟮倪^程中，泵站運(yùn)行效率較高的機(jī)組優(yōu)先加入，當(dāng)流量超出250 m3/s后，運(yùn)行效率較高的1#、2#和4#機(jī)組已經(jīng)加入運(yùn)行，如果流量繼續(xù)增大，那么效率較差的3#機(jī)組就會(huì)加入運(yùn)行，從而拉低了整個(gè)泵站系統(tǒng)的平均效率；當(dāng)揚(yáng)程為5.5 m、6.5 m時(shí)，仍然是方案一的效率低于方案二、三，但方案一隨著流量增大呈先減小后增大再減小變化特征，當(dāng)流量在150～200 m3/s時(shí)，效率值最低，而方案二、三的效率值相差不大，特別是在大流量時(shí)基本相等；當(dāng)揚(yáng)程達(dá)到7.5 m后，三種運(yùn)行調(diào)度方案的效率相差很小，但總體上來講仍是隨著流量增大而逐漸減小，且方案三的效率>方案二的效率>方案一的效率。

圖2 三種調(diào)度方案泵站系統(tǒng)效率對(duì)比

綜上分析可知：當(dāng)泵站揚(yáng)程一定時(shí)，采用方案三(加大流量時(shí)葉片變角、開機(jī)組合優(yōu)化運(yùn)行方案)可以顯著提升整個(gè)泵站機(jī)組的運(yùn)行效率，因而在后期智能泵站運(yùn)行控制管理決策中，應(yīng)采取方案三的方式進(jìn)行調(diào)度控制。

4 結(jié) 語

針對(duì)惠州市當(dāng)前水利信息化存在的問題，基于組件式開發(fā)、國(guó)產(chǎn)自主可控、分區(qū)分域保護(hù)、全面縱深防御、動(dòng)態(tài)綜合防護(hù)技術(shù)，構(gòu)建惠州市智慧水利系統(tǒng)，得出如下結(jié)論：

(1)智慧水利系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)，劃分為全域感知層、水利“智腦”支撐層、和水利智能應(yīng)用層，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)的精細(xì)管理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、分析評(píng)價(jià)與決策支持。

(2)基于智慧水利系統(tǒng)構(gòu)建思路，將其應(yīng)用到惠州市某泵站工程中，構(gòu)建智能泵站系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能感知、智能研判、智能控制管理以及智能展示四大體系構(gòu)成。

(3)通過智能泵站系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到的運(yùn)行參數(shù)，提出三種泵站調(diào)度運(yùn)行優(yōu)化方案，分析表明采用加大流量時(shí)葉片變角、開機(jī)組合優(yōu)化運(yùn)行方案，能使泵站的運(yùn)行效率得到最大化。

(4)本文僅針對(duì)智慧水利在泵站工程中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，關(guān)于水庫、水閘、水電站、灌區(qū)、湖泊、河道、農(nóng)村引水等方面的應(yīng)用案例將在今后做進(jìn)一步補(bǔ)充研究。