高月明 陳希謠 李梓嵐 廣東華南水電高新技術(shù)開發(fā)有限公司
英德市地處廣東省清遠(yuǎn)市,位于北緯23°50′31″~ 24°33′11″,東經(jīng)112°45′15″~ 113°55′38″,水資源豐富,全市多年平均降水量1900毫米,現(xiàn)有小型水庫123宗。英德市小型水庫雨水情測(cè)報(bào)的建設(shè)工作尚未完善,大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)仍處于起步階段,無法為小型水庫的運(yùn)行管理提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此,小型水庫雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為英德市防洪體系中的薄弱環(huán)節(jié),亟需補(bǔ)齊短板。
(1)雨水情測(cè)報(bào)設(shè)施。水雨情圖像監(jiān)測(cè)方面,英德市目前有110宗小型水庫完成建設(shè),其中部分水庫的水雨情圖像監(jiān)測(cè)站由于管理不當(dāng)不能正常運(yùn)行;視頻圖像監(jiān)視設(shè)施方面,目前建設(shè)現(xiàn)狀無法滿足廣東省的建設(shè)要求,總體情況較為落后。
(2)大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施。目前英德市僅有10宗小型水庫完成滲流量監(jiān)測(cè)站,小型水庫滲流壓力、表面位移等大壩安全監(jiān)測(cè)方面仍未開展建設(shè)工作,僅依靠傳統(tǒng)的人工觀測(cè)方式進(jìn)行管理,安全隱患難以發(fā)現(xiàn)。
(3)水庫動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)。英德市現(xiàn)有水庫動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)軟件目前僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)水庫水位、降雨量、實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)圖像等信息的管理、查詢、顯示及預(yù)警等功能,而對(duì)于大壩安全監(jiān)測(cè)信息則無相關(guān)智能應(yīng)用,無法對(duì)擬建設(shè)大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施水庫的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并實(shí)現(xiàn)大壩安全隱患預(yù)警。
①需求牽引、統(tǒng)籌考慮。圍繞小型水庫安全運(yùn)行管理對(duì)信息感知處理需求,合理選擇監(jiān)測(cè)要素、通信方式和預(yù)警方式,兼顧小型水庫信息管理、調(diào)度決策、運(yùn)行管理等功能要求,整體設(shè)計(jì),提出支撐小型水庫全生命周期管理的綜合解決方案。
②因地制宜、整合共享。因地制宜提出小型水庫雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)方案,充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫等水利信息化資源和水文水資源監(jiān)測(cè)設(shè)施,實(shí)現(xiàn)與相關(guān)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享,推進(jìn)建立小型水庫監(jiān)測(cè)預(yù)警信息共享機(jī)制。
③銜接配套、實(shí)用安全。小型水庫雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)解決方案應(yīng)與小型水庫安全管理模式相適應(yīng),與水庫應(yīng)急預(yù)案、防洪調(diào)度監(jiān)測(cè)銜接,與水庫日常管理要求相配套,具備必要的網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)功能。
緊緊圍繞水庫管理現(xiàn)代化的需求,在英德市現(xiàn)有小型水庫監(jiān)測(cè)體系的基礎(chǔ)上,充分利用智能傳感設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)新手段,逐步完善英德市123宗小型水庫水雨情監(jiān)測(cè)和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施,推動(dòng)小型水庫監(jiān)測(cè)預(yù)警能力提升,逐步建立雨水情、工情的自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程傳輸、定期分析、自動(dòng)預(yù)警相結(jié)合的現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)預(yù)警體系,為水庫安全鑒定、除險(xiǎn)加固方案制定和防汛指揮調(diào)度提供數(shù)據(jù)依據(jù),為水庫安全管理發(fā)揮實(shí)效。
英德市小型水庫監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)主要分為小型水庫雨水情、大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)兩部分。小型水庫雨水情監(jiān)測(cè)建設(shè)主要包括水雨情視頻監(jiān)控站、壩背視頻監(jiān)控站、溢洪道視頻監(jiān)控站、溢洪道視頻監(jiān)控站等的新建工作,已建 “三要素”監(jiān)測(cè)站的升級(jí)改造工作及溢洪道泄流能力分析等輔助項(xiàng)目工作;大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)建設(shè)包括、滲流壓力監(jiān)測(cè)設(shè)施、表面變形監(jiān)測(cè)設(shè)施等建設(shè)工作及水庫大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件、信息匯集與共享服務(wù)平臺(tái)軟件開發(fā)等輔助項(xiàng)目工作。
本項(xiàng)目基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的應(yīng)用,從水庫管理的實(shí)際需求出發(fā),建設(shè)了涵蓋雨水情測(cè)報(bào)、大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集和匯集應(yīng)用的水庫大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了英德市小型水庫實(shí)時(shí)信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)、共享、分析及預(yù)警等,為指揮決策提供科學(xué)依據(jù)和現(xiàn)代化手段,提高水庫防汛搶險(xiǎn)的效率和效能。
英德市小型水庫監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)采用三層體系結(jié)構(gòu),如圖1所示。其中信息采集作為系統(tǒng)的基本組成部分,通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái),提供其系統(tǒng)信息傳輸通道,也是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ);其用戶層主要是為不同對(duì)象服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng),是整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)的目的和核心。
圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
3.1.1 采集層
實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集水庫的庫水位、降雨量、視頻圖像、大壩安全等信息,物聯(lián)網(wǎng)終端存儲(chǔ)、加密后實(shí)時(shí)或定時(shí)發(fā)送到管理部門的服務(wù)器。物聯(lián)網(wǎng)終端必須同時(shí)兼容多種信道傳輸,如4G網(wǎng)絡(luò)等。
3.1.2 數(shù)據(jù)層
數(shù)據(jù)接收入庫服務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)送來的數(shù)據(jù),必須能夠快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地處理、解析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),且在大量終端(3000數(shù)量級(jí)以上)并發(fā)傳輸時(shí)依然能夠保證期性能不出現(xiàn)明顯下降。數(shù)據(jù)共享服務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與相關(guān)業(yè)務(wù)平臺(tái)的信息共享。
3.1.3 應(yīng)用體系
1)支撐層:主要包括應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行所必須的支撐服務(wù)。主要有Web應(yīng)用服務(wù)器、GIS服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問服務(wù)、AI模型等。
2)應(yīng)用層:包括水庫大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)的Web應(yīng)用、Web服務(wù)以及移動(dòng)端應(yīng)用。在此系統(tǒng)中可以監(jiān)測(cè)、查詢、分析、統(tǒng)計(jì)水庫大壩的運(yùn)行狀況等信息。Web服務(wù)主要是對(duì)外提供數(shù)據(jù)接口,供其它應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用,以無縫接入到其它系統(tǒng)中去。保證系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可移植性。
3)用戶層:用戶主要有兩類。一是管理人員,包括水庫管理所、各級(jí)水利部門相關(guān)管理人員,具有管理權(quán)限;二是其它應(yīng)用系統(tǒng),可以通過Web服務(wù)調(diào)用、抽取水庫大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
4)應(yīng)用終端:用戶可通過應(yīng)用移動(dòng)設(shè)備、PC、大屏、打印機(jī)等終端訪問系統(tǒng)。
信息采集傳輸系統(tǒng)由水位計(jì)、雨量計(jì)、視頻攝像頭、量水堰計(jì)、滲壓計(jì)、GNSS接收機(jī)等部件組成。采集系統(tǒng)采集水庫現(xiàn)場(chǎng)的水位、雨量、視頻、滲流量、滲流壓力、表面位移等信息,經(jīng)過加密后通過無線傳輸模塊(4G)將實(shí)時(shí)信息傳送到服務(wù)器。
3.2.1 監(jiān)測(cè)站網(wǎng)選定
本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)項(xiàng)目類型及監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選址嚴(yán)格按照《廣東省小型水庫雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行技術(shù)指南(試行)》的要求進(jìn)行建設(shè)。
3.2.2 水雨情視頻監(jiān)控站
水雨情視頻監(jiān)控站的建設(shè)要點(diǎn)是實(shí)時(shí)可靠的完成系統(tǒng)所有站點(diǎn)的庫水位、降水量、視頻等數(shù)據(jù)的采集與處理,按照設(shè)定的工作方式、時(shí)間間隔、增量范圍將數(shù)據(jù)傳送服務(wù)器端。
水雨情視頻監(jiān)控站可通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置及遠(yuǎn)程控制功能,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定時(shí)自動(dòng)傳輸和召測(cè)應(yīng)答傳輸。監(jiān)控站具備視頻實(shí)時(shí)查看和圖片定時(shí)推送的功能,可通過設(shè)置預(yù)置點(diǎn)進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)抓拍。視頻監(jiān)視設(shè)備具備自動(dòng)連續(xù)循環(huán)存儲(chǔ)功能,且存儲(chǔ)時(shí)間不少于15天。
3.2.3 原有“三要素”監(jiān)測(cè)站升級(jí)改造
將水庫已建水雨情圖像站(“三要素”監(jiān)測(cè)站)升級(jí)改造為水雨情全天候視頻監(jiān)控站。改造升級(jí)工作主要為加裝視頻攝像頭模塊、升級(jí)4G網(wǎng)絡(luò)通信,由各類傳感器采集到的水庫實(shí)時(shí)雨水情、現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像數(shù)據(jù),通過4G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng),再由互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)叫畔C(jī)房的服務(wù)器進(jìn)行查看或存儲(chǔ)管理。升級(jí)改造后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入新建平臺(tái)。
3.2.4 壩背召測(cè)式視頻監(jiān)控
壩背召測(cè)式視頻監(jiān)控站的主要功能是實(shí)時(shí)可靠的完成系統(tǒng)所有站點(diǎn)的視頻圖像采集傳輸,對(duì)水庫背水坡等現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行現(xiàn)地監(jiān)視和遠(yuǎn)程監(jiān)視。
壩背召測(cè)式視頻監(jiān)控站具備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置及遠(yuǎn)程控制功能,遠(yuǎn)程監(jiān)視具備視頻實(shí)時(shí)查看和圖片定時(shí)推送功能;視頻攝像頭拍攝錄像功能通過應(yīng)答模式實(shí)現(xiàn),在相關(guān)人員需要查看現(xiàn)場(chǎng)情況時(shí)才開啟視頻攝像頭網(wǎng)絡(luò)連接。
3.2.5 溢洪道全天候視頻監(jiān)控站
溢洪道全天候視頻監(jiān)控站的主要功能是實(shí)時(shí)可靠的完成系統(tǒng)所有站點(diǎn)的視頻圖像采集傳輸,對(duì)水庫溢洪道進(jìn)水渠及控制段等部位現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行現(xiàn)地監(jiān)視和遠(yuǎn)程監(jiān)視。
溢洪道全天候視頻監(jiān)控通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置及遠(yuǎn)程控制,可定時(shí)或?qū)崟r(shí)查看定點(diǎn)監(jiān)控情況,視頻監(jiān)視設(shè)備具備自動(dòng)連續(xù)循環(huán)存儲(chǔ)功能。設(shè)備供電采用太陽能電池板向蓄電池浮充的供電方式,能保證連續(xù)15天以上陰雨天氣正常工作。
3.2.6 滲流量監(jiān)測(cè)
在水庫大壩背水坡集滲渠末端量水堰上游位置安裝滲流量監(jiān)測(cè)設(shè)備,采用量水堰計(jì)監(jiān)測(cè)滲流水位,利用水位法,即量水堰與水位監(jiān)測(cè)結(jié)合的方式監(jiān)測(cè)滲流水流量,測(cè)量數(shù)據(jù)通過低功耗無線數(shù)據(jù)采集儀傳到水雨情視頻監(jiān)控站的物聯(lián)網(wǎng)終端,再由物聯(lián)網(wǎng)終端統(tǒng)一打包上傳到服務(wù)器。
通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置及遠(yuǎn)程控制功能,由自動(dòng)傳輸和召測(cè)應(yīng)答相結(jié)合的測(cè)量頻次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸;遇特殊情況時(shí),可提供滲流量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)密度智能調(diào)整功能。
3.2.7 滲流壓力監(jiān)測(cè)
在水庫大壩背水坡安裝滲壓觀測(cè),采用滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)滲壓浸潤線,測(cè)量數(shù)據(jù)通過低功耗無線數(shù)傳模塊傳到壩前水雨情視頻監(jiān)控站的物聯(lián)網(wǎng)終端,再由物聯(lián)網(wǎng)終端統(tǒng)一打包上傳到服務(wù)器。
通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置及遠(yuǎn)程控制功能,由自動(dòng)傳輸和召測(cè)應(yīng)答相結(jié)合的測(cè)量頻次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸,同時(shí)可提供滲流壓力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)密度智能調(diào)整功能。
3.2.8 表面變形監(jiān)測(cè)
大壩變形監(jiān)測(cè)采用當(dāng)前技術(shù)成熟的GNSS設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè),包括水平位移和垂直位移。每套完整的監(jiān)測(cè)由監(jiān)測(cè)站和基準(zhǔn)站組成。GNSS由GNSS主機(jī)+天線組成,設(shè)備通過捕獲、跟蹤衛(wèi)星,接收北斗/GPS信號(hào)并將它變換、放大和處理,測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間進(jìn)以計(jì)算坐標(biāo)、時(shí)間。統(tǒng)一將數(shù)據(jù)接收入庫,通過解算軟件將數(shù)據(jù)解析后,可在平臺(tái)上直觀的展示。
3.2.9 水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置及高程坐標(biāo)復(fù)核
由于英德市123宗小型水庫站點(diǎn)大部分由于年代久遠(yuǎn),缺乏準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù),導(dǎo)致站點(diǎn)監(jiān)測(cè)的水位數(shù)據(jù)高程參考不一,使水位數(shù)據(jù)失去了可比性,因此本次項(xiàng)目對(duì)此次建設(shè)的所有站點(diǎn)進(jìn)行高程測(cè)量。同時(shí),以新設(shè)置的水準(zhǔn)點(diǎn)為基點(diǎn),在控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀,設(shè)置好全站儀儀器高度,對(duì)水準(zhǔn)點(diǎn)高程與水庫工程特性值進(jìn)行引測(cè)復(fù)核。
3.2.10 溢洪道泄流能力分析
項(xiàng)目通過對(duì)英德市123宗小型水庫泄流能力分析,按照溢洪道和溢洪洞的泄流能力公式和庫容曲線的計(jì)算,得出小型水庫的蓄泄曲線。水庫管理單位可通過水頭變化,按照蓄泄曲線判斷水庫調(diào)洪調(diào)度水量,為小型水庫安全運(yùn)行、調(diào)洪調(diào)度提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
信息匯集與共享服務(wù)平臺(tái)由感知數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)組成,其中,感知數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)采用多線程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收處理,可同時(shí)接收多臺(tái)信息采集終端(即多個(gè)水庫)傳來的數(shù)據(jù),保證前端測(cè)站采集到的數(shù)據(jù)接收及時(shí),形成完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件,并自動(dòng)存入后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng);數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)授權(quán),實(shí)時(shí)地將信息轉(zhuǎn)發(fā)至其他服務(wù)器,以供多級(jí)部門分別共享實(shí)時(shí)信息。
3.3.1 感知數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)
感知數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在總體上可以分為初始化(配置讀?。┠K、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、線程管理調(diào)度模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等(見圖2)。
圖2 感知數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖
初始化(配置讀?。┠K負(fù)責(zé)讀取配置,初始化全局變量,創(chuàng)建Socket并打開端口等。
數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存放到緩存中,調(diào)用線程管理模塊來分配這些數(shù)據(jù)的處理工作。
線程管理調(diào)度模塊負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)分配給合適的數(shù)據(jù)處理線程去處理,并跟蹤處理的結(jié)果,對(duì)數(shù)據(jù)處理線程進(jìn)行管理。
數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)處理接收到的數(shù)據(jù)包,并將處理結(jié)果返回給線程管理調(diào)度模塊。
3.3.2 數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)
考慮到與省級(jí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)及其他水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)接共享的需求,數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)可提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)共享服務(wù)對(duì)接其他信息化工程。
1)數(shù)據(jù)層共享??梢詫⒃O(shè)備發(fā)送回來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其它信息化工程前置機(jī)中,并解析保存到中間庫供其它信息化工程使用。
2)應(yīng)用層共享。提供數(shù)據(jù)共享WebService服務(wù),其它信息化工程合法通過驗(yàn)證后可根據(jù)自己需要獲取其數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)提供接口的主要作用是將水庫大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)的實(shí)時(shí)水雨情、大壩安全等數(shù)據(jù)提供給其他系統(tǒng)接入。為了避免接口萬一出現(xiàn)問題而影響其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行,也避免其他系統(tǒng)修改本系統(tǒng)的數(shù)據(jù),保證系統(tǒng)的低耦合性,數(shù)據(jù)提供接口采用中間庫的方式。中間庫的實(shí)時(shí)水雨情、大壩安全等數(shù)據(jù)表字段采用水利部標(biāo)準(zhǔn)庫的字段。其他系統(tǒng)從中間庫獲取數(shù)據(jù)接入到自身的系統(tǒng)中去(見圖3)。
圖3 數(shù)據(jù)共享流程示意圖
水庫大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)包括八個(gè)模塊,分別是綜合分析、地圖監(jiān)視、實(shí)施監(jiān)視、查詢統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)預(yù)警、智能分析、報(bào)表庫、系統(tǒng)管理等,這些模塊共同完成相應(yīng)的監(jiān)視和信息展示、分析的功能,系統(tǒng)功能總體結(jié)構(gòu)見圖4。
圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
用戶能通過瀏覽器查看本地區(qū)所有水庫的運(yùn)行情況,也可以查看單個(gè)水庫的各類信息,如水位、雨量、視頻、大壩安全等;同時(shí),在基于B/S的三維地圖上可以清楚的看到各水庫的地理位置及周圍地理環(huán)境;水庫一旦出現(xiàn)問題,達(dá)到預(yù)警條件(如水位超過防汛限制水位或低于死水位)系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警,并會(huì)將報(bào)警信息發(fā)送到相關(guān)人員的手機(jī)上。
英德市小型水庫眾多,為強(qiáng)化英德市小型水庫運(yùn)行管理,進(jìn)一步解決水庫安全突出問題,迫切需要開展小型水庫雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)工作。通過小型水庫雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè),能夠有力推進(jìn)英德市小型水庫規(guī)范設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行管理,提升信息化管理水平,為落實(shí)水庫預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案措施提供技術(shù)支撐,保障英德市小型水庫系統(tǒng)安全長(zhǎng)效運(yùn)行。