水库信息化平台建设与研究

周其春

（深圳市西部水源管理中心,广东 深圳 518000）

0 引言

为适应国家信息化建设和流域、区域管理的要求,采用计算机网络信息技术实现对水库的智慧化管理,是破解传统水库管理弊端的有效方式。近年来,移动互联网、物联网、云计算等现代信息技术的迅速发展,为解决水库的安全运行提供了新的思路[1]。水库信息化建设应倾向建设综合应用系统,以实现对海量监控数据的有效管理,挖掘各类检测信息,通过信息化手段提升水库运行管理水平。

1 平台建设

水库智慧化管理平台系统是专门针对水库综合信息管理而开发的开放式信息检测管理系统。系统主要由数据库管理、闸门监控监视、水情测报、洪水预报、大坝安全监视等子系统构成。

1.1 总体架构

通过梳理水库管理体系,基于B/S架构构建统一的大中型水库智慧化管理平台,满足水库日常管理、业务分析和对外展示的需要。系统架构见图1。

图1 系统架构

物联感知层包括水文气象、终端传感器、遥感采集数据等。运行环境层主要是以统一的应用支撑平台,对数据进行整合,将子系统互相独立的数据库整合为统一的数据库,以提高系统运行效率。平台业务功能通过应用层和展示层实现,主要由大坝安全监测、水雨情采集、闸门自动控制、水质在线监测、数字视频监控、洪水预预报警、供水计量监控、三维WebGIS系统等部分组成。

1.2 数据库管理

1.2.1 数据整编

管理人员筛选和整编观测数据,不定期生成数据库。数据整编功能主要是批量提取观测数据以形成整编数据库,同时提供数据浏览和删除等简单操作。

1.2.2 数据批量录入

能读取保存在Excel文件中的监测数据,并批量转入到服务器上的整编数据库中。既要有较大的灵活性,又要有一定的便捷性,自动扫描新增测值,并批量转入到整编数据库。

1.3 水情测报

1.3.1 降雨量信息查询

该功能主要是通过柱状图和表格形式显示流域各雨量站的时段降雨,用户可选择不同查询条件查询各站的降雨情况。用户可选择不同数据时间类型（小时、日、月、年）,单站或者多站,分别选择开始时间和结束时间,查询选择时段内的各站不同时间类型的雨量柱状图和表格数据。

1.3.2 降雨量信息统计分析

（1）降雨对比分析

降雨对比分析能够按照选定的时间范围,对雨量站进行环比、同比和任意时间对降雨量的对比。

（2）降雨距平分析

降雨距平分析为用户提供任意时段累计降雨量与多年平均降雨量的对比分析功能。降水量距平分析主要按照分析时间长度分为：日、旬、月、年4种类型的距平分析。

1.3.3 水位信息查询

该功能主要是通过过程线和表格形式显示库区各水位站的时段水位和流量过程线或库容过程线,用户可选择不同查询条件查询各站的水位流量情况。用户可选择单站或者多站,分别选择开始时间和结束时间,查询选择时段内的各站的水位、流量或库容过程线和表格数据。

1.3.4 水位信息统计分析

（1）水位变幅分析

水位变幅分析是指根据已有数据分析水位的涨落变幅情况,有利于用户掌握水库的水情变化。水位变幅分析主要结果包括：最高水位及出现时间、最低水位及出现时间、水位变幅值、每个变幅范围内分布的站点数。

（2）洪（枯）水排位分析

洪水（枯水）位排位分析主要为用户提供各类最高水位之间对比分析的功能。对比分析分为两类：与历年最高（最低）水位比较、与历史同期最高（最低）水位比较。通过比较得到当前水位的排位情况。

（3）水库水情分析

蓄水量对比分析功能主要为用户提供快捷的蓄水量同期对比、与多年均值对比、与自定义时间的蓄水量对比的功能。

（4）蓄水量总量统计

蓄水总量统计为用户直观地掌握某地区水库蓄水状态提供方便。蓄水总量统计按照行政区划、和水库的类型分类统计汇总,得到某个固定时刻水库的蓄水总量情况。为用户进行水库调度提供数据支撑。

1.4 闸门监视

该子系统通过TCP/IP协议接入监控中心网路系统,主要功能是采集闸门开关状态、库水位、闸门流量、闸门安全状况等主要信息。

闸门监测实现了闸门的实时监测,保证数据及闸门状态与现地保持一致。闸门实时监测包括闸门状态、控制方式、闸门开度、电气量、报警信息、水位等实时信息。系统结构见图2。

图2 闸门运行实时监视系统结构图

实时运行监视包括对设备监视、状态监视、过程监视、趋势分析及越线检查。即管理人员通过显示屏对系统各主要设备运行参数和状态实时监测,完成控制和参数修改优化。自动状变、受控状变及设备异常均可反馈并记录。对闸门上升或下降过程,可实现流程框图型式显示全部工况执行过程,同时完成开环运行指导和闭环自动操控。趋势分析功能能完成运行参数的趋势分析,预测故障和越限报警。

1.5 水工安全

水工安全监测点查询主要包括挠度监测点查询,裂缝、水平位移监测点查询、垂直位移监测点查询、渗压监测点查询、扬压力监测点查询、量水堰（渗流）监测点查询。

1.6 预报和调度

1.6.1 洪水预报

预报类型分为三种方式：实时滚动预报、用户自主选择时段进行预报和用户预测未来降雨进行洪水预报计算。用户可查看用雨量柱状图、水位和流量过程线表示的洪水预报结果。还可将开始计算时间至当前时刻的实测水位和流量与计算水位和流量进行对比,见图3。

图3 实时洪水预报

模拟降雨预报通过用户选取时段和假设的雨型雨量模型,预报水库未来入库流量,其具有结合降雨综合信息,模拟不同降雨等级条件下的水文情势的功能。详见图4。

图4 模拟降雨洪水预报

1.6.2 水库调度

（1）水库实时调度

提供丰富的专业图表显示。可显示中间和最终计算结果,能够关联显示入库、水位、出库、出力、弃水等相关信息表格、图形,统计分析相关特征信息指标。图表显示内容可以自由选择,能够自动提示各种特征信息,发布告警信息。水库洪水调度运行见图5。

图5 水库洪水预报

（2）调度方案优选

调度方案评价与优选主要是已经生成的调度方案,在专家参与会商时,对各调度方案进行优选,确定最优的调度方案进行水库调度或进行参考。如果调度方案不理想,可人工交互修改调整方案,确定最终要实施的调度方案,发布调度方案。并提供打印、导出上传调度方案的功能。

（3）调度成果管理

将最终实施的调度方案保存到调度方案成果表中,用户可查询最终的调度结果,生成过程线图和表格数据,并进行特征值的统计。用户可将方案调度结果与实际的调度结果进行对比分析。

2 系统应用实例

（1）实时水雨情监测功能

水情自动测报系统将采集到的水雨情信息实时地传输到监控系统中,在监控系统中可以很方便的浏览水雨情信息。

（2）洪水预报功能

洪水预报模块作为水情自动测报系统的展示平台,直接调用水情测报系统的洪水预报结果,用户以浏览器（Web）的形式对洪水预报个项信息进行查询,统计分析,通过表格和图形的方式在Web上,让用户对当前的防洪形势有个直观全面地了解。

（3）大坝安全监测功能

水库所涉及的各大坝断面均设置水工安全监测系统,该系统检测设备通过MCU采集数据并传入对应的监控中心。经过协议转换为TCP/IP协议,并以以太网口接入监控中心的网络系统中。大坝安全监测主要实现监测信息查询、监测点设置、相关分析及数据整编等功能,形成完整的大坝监测体系。

（4）闸门监测功能

水闸监测系统是由监控系统的组态软件利用各种通讯接口和网络协议接收测点的实时数据,并显示在监控工作站上,然后将数据自动定时地传输到整合数据库中,由整合系统软件进行统计分析。

本系统平台应用于深圳市西部水源管理中心数字化项目,这是一个系统、完整的信息化工程,建设内容涵盖了大中型水库管理的所有信息化内容,包括完备的自动化控制系统、监测采集系统、大屏会商系统、视频监控系统、大坝安全监测系统、智慧水库平台等。系统综合利用了移动互联、模型计算、三维仿真、协同办公等先进技术,是深圳市水利信息化建设的标杆工程,代表了水库信息化建设的高水准。

3 结语

国内同类型技术在大中型水库的应用大多为相对独立的单一功能系统,呈现“信息孤岛”的特质。本平台旨在于为水库构建一套综合性、一体化的智慧管理系统,不是多个功能的简单集成,而是将一次工作流程、一项管理业务所涉及的全部环节进行有机结合,以实现无人值班（少人值守）的标准化、智慧化管理。