智慧水利信息化系统在水利工程中的应用

□ 吴家梅

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 景泰 730400）

引言

近年来国家有关部委陆续出台一系列政策推动智慧水利发展，截至2021年末已累计安排中央水利建设投资计划1482亿元，全年国家水网骨干工程资金到位率达89.1%。在此背景下，我国水利工程建设与运行发展过程中仍暴露出一系列问题，如水污染常态化治理机制不健全、缺乏应对突发水情的成熟防控措施等，亟需在现有信息化系统的基础上面向应用实践层面进行功能丰富与技术革新，更好地完善智慧水利架构建设，为水利工程行业管理工作实践提供现实指导意义。

一、智慧水利现有基础

2021年10月召开的水利部部务会议明确指出“推进智慧水利建设”成为指导当前水利行业发展的核心目标。2022年1月，水利部印发《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》，强调以“建成智慧水利体系1.0版”作为现阶段我国水利建设的主要发展方向［1］。在上述政策、意见实施背景下，我国智慧水利各项基础设施建设已初具规模，信息采集点、视频监控点以及通信卫星设备、基础设施云、水利视频会议系统等均已实现全国范围内覆盖，加之物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的应用普及，在不断提升水利业务应用水平的同时，进一步推动水利行业实现由数字水利向智慧水利的顺利转型［2］。

二、智慧水利信息化系统在水利工程中的具体应用

（一）在水环境资源污染状况监测中的应用

在水质监测过程中，各地水务部门利用部分重点区域的测控终端等设备，对水资源量进行综合管控。主要部位安装监测仪表，通过软件平台进行自动测控，确认水流量、泵/阀状态等。这些装置是时代发展的产物，可以显著提高水环境资源监测效果，明确污染状况。与以往的人工控制方式相比，高科技的形式不仅充分保证了监控效率，而且保证了监控质量。目前，已通过无线网络通信网络和智能监控软件对水资源进行多次检测，包括水体中的PH值、氯化物、固体等，都实现了重点监测。一旦污染超标，可立即采取有效治理措施，避免水环境污染超出可控范围，导致严重的后果。通过对污染状况的实时监测，有利于改善水环境质量，保障人类正常的生活和生产。

（二）在地表水文、水位高度监测中的应用

我国幅员辽阔，拥有许多大大小小的河流湖泊。通过在江湖新建水利工程、堤坝等建筑，可以有效控制水位，避免洪水的发生。通过实时监测，在可能发生灾害时，可以利用传感设备实现及时预警，从而减少经济损失，避免自然灾害造成人员伤亡等负面影响。通过新建水利工程，可以实现对水流速度和水位的实时监测，也可以避免因自然气候条件变化而引起的水位突然上升。一旦发现异常数据，可通过及时报警、采取排水等方式解决自然灾害问题。通过使用高科技设备，对不同系统环节进行综合调度，可以对洪涝灾害进行合理的规划和预防。在检测各种数据时，可以借助GPRS、CDMA、4G等通信技术对地表水文、水位进行高效监测，从而提高相关工作的处理效果，综合决策，确保决策-制作精度。

三、智慧水利信息化系统的应用实践策略

（一）案例项目概况

以某地区的智慧水利信息化体系建设情况为例，该地区早在20世纪80～90年代起建成一批水质污染监测、地表水位变化监测、防汛抗旱等水利工程项目，围绕区域范围内的河流、湖泊等设置11852处信息采集点、超过4000个水雨情监测点，并部署数据采集中心站5个、共享接入点3408个，配置水利服务器135台。目前该地区建有1∶250000比例的水利基础电子地图，支持对区域雨情、水情进行实时反馈，并提供历史水文数据查询、防汛抗旱工作方案等信息，配合多种传感器、通信传输网络建设，实现对水质污染情况、水情与墒情的全面监测预警［3］。依据现阶段智慧水利建设指导意见及相关要求，拟引入物联网、AR、传感器、BIM、GIS等先进技术进行智慧水利信息化系统应用功能的完善与升级，为区域水利信息管理及相关问题的解决提供技术支持。

（二）基于物联网技术的水环境污染状况监测

在水资源监测工作中，以水质污染状况监测为系统主要应用范畴，由水务部门将水资源遥测终端机、浊度传感器等装置部署在区域范围内的江河、湖泊、水库等领域，获得水资源可利用量、水质等指标数据。同时，利用软件平台进行取水流量计算，获取阀门、水泵流量状态，支持对设备供电情况进行自动调试，并实现对取水量计量的远程控制［4］。例如针对区域内某一湖泊进行水质监测，在湖泊覆盖范围内设置若干取水点，引入WiFi技术建立通信网络，利用水质采样机与智能应用软件配合进行水环境中pH值、温度、色度、浊度、悬浮物、COD、BOD等指标的监测，根据各指标的超标情况判断水污染程度与等级，并采取相应干预、治理措施进行管控。

目前为将物联网技术有效应用于智慧水利信息化系统设计中，采用STM32单片机与传感器配合进行水的流量、浊度、pH值等参数指标的采集，将获取的直流电压转换为电信号，利用LCD液晶屏进行监测数据的实时显示，选用串口调试工具进行PC端数据采集模块的调试，经主机实现对下位机采集数据的展示；当利用单片机MCU单元将采集的水质数据传递至串行端口后，利用GPRS模块接收数据并上传至数据中心平台，执行后续数据分析、处理、存储等功能，实现人机操作。在系统功能实现上，主要围绕以下三个方面入手：

1.水质监测数据采集

在STM32单片机中设有若干寄存器、定时器，根据实际处理需求设置寄存器模块单次或多次扫描模式，以左、右对齐方式进行数据存储。该系统对于不同水质监测数据指标设有独立通道，如指定11通道采集水环境资源的浊度数据，指定12通道采集pH值数据等，整合传感器采集的监测数据传递至转换器，并基于存储规则在寄存器内存储数据。为实现多通道数据采集功能，引入一种数据连续转换模式，先开启寄存器时钟、设置具体参数，运用两个不同通道进行水质数据的采集与模拟信号的转换，即可实现对水pH值、浊度等数据的采集功能。

2.水流量数据监控

通常水的流量变化将影响周围传感器等装置的磁性，因此选用霍尔传感器进行水流量变化的动态监测，利用传感器装置内部转换电路将输出脉冲信号转换为电路，经由数据线输出，并完成涡轮转速、水流量、电压值等指标的计算，最终确认水的流速及其对应的频率值。在实际应用环节，利用定时器TIM2进行脉冲时刻计数，借助TIM_CCR捕获脉冲方波信号，并利用TIM_CNT计数器记录信号反转次数，最终生成总体脉冲数值。

3.中心数据管理功能

在采用软件编程设计方法的基础上，引入SQL技术进行水质监测数据库的开发，运用C#软件优化数据存储模块与存储周期设计，保证实现人机界面的交互性、人性化设计，提高软件开发效率。在实际应用环节，预先参考数据完成软件阈值的设置，当测得采集数据超出阈值后，将向用户发出告警。基于NET平台、VS环境进行中心数据管理系统的设计，可实现对远程上传的无线数据进行实时接收与显示，用户可通过Chart窗口观察到某一天、某一地点的水质、水流量变化曲线，有效提升水环境监测效率。

（三）基于AR实景的水文、水位高度变化监测

在地表水监测环节，水利部门通过在河流、湖泊上修建水坝一类挡水建筑物，在日常运行过程中获取河流水位高度、流速变化、水流量以及单位时间内降水量等数据，当系统监测到数据超出限值后将发出自动报警，控制坝体开启排水端口，起到调节水位作用，以此降低洪涝灾害发生概率［5］。在地表水文、水位监测系统拓扑结构设计上，预先在河流范围内设置水文监测点，使用静压式水位计、超声波水位计与雨量筒等装置获取监测点处的水位高度、水文监测值等信息，经水文遥测终端机、北斗通信终端将采集信息整合，通过北斗卫星或GPRS/CDMA/4G等通信网络传递至监测中心网络平台中，生成决策意见、指导相关处理工作。

在地下水监测环节，主要以地下水开采量、水温、水位高度、水质变化情况等作为监测指标，利用不同类型的传感器与地下水遥测终端机配合采集数据，经GPRS/CDMA/4G通信网络上传至云服务器，基于分布式算法进行数据分析与计算，将生成的数据处理结果经Internet网络分别发送至检测中心与APP客户端，借此实现对区域范围内水温、水质、水位变化以及降水收集、排污处理等情况的实时监控。

为解决现有地表水、地下水监测环节尚未实现统一监控管理、监控点位覆盖范围有限、缺乏对现场情况的直观了解、监控管理被动性强等问题，可引入AR实景可视化技术进行智慧水利信息化管理系统的优化设计，在关键监测点位安装超高清4K摄像机，构造AR实景地图，分别在监控画面中添加静态、动态标签用于确认具体点位的坐标系，并依托画中画功能实现对不同点位、监控区域处实景画面的同步查看，系统提升监控视觉效果。在AR实景可视化系统的功能实现上，以基础视频监控功能为例，在平台中选中监控画面浏览功能，经高清视频解码后可在显示屏端查看单一或多画面组合，基于远程控制功能实现对现场摄像机镜头角度、云台的实时控制，在应用客户端提供单次抓图、单路录像等服务模式，支持对执行设备或通道进行历史图像资料的检索、回放及下载。再以GIS地图应用功能为例，基于ArcGIS引擎查看摄像头、监测点附近的地图，运用该引擎提供的实时视频功能控制多个摄像头进行轮流巡检、播放监控画面，并提供测距、截图、标注、打印等功能，从而依托智慧可视化体系提升对地表水、地下水重点监控区域的监控及管理水平。

（四）基于传感器、GPRS技术的明渠灌溉管理

导流明渠作为临时性水工建筑物，主要将其与农田灌溉区进行连通设计，辅助实现引/排水、灌溉等农业生产活动。将智慧水利信息化系统应用于明渠灌溉管理环节，通过布置水位计、流量计等检测仪器获取明渠现场水位、流量等信息，借助水文遥测终端机将采集的数据信息汇总后经通信网络上传至中心监控平台中，实现对农业灌溉渠水位调整、流量调节等功能，辅助开展各项农业生产活动。

为适应智慧农业、智慧水利发展理念指导下，对于智慧灌溉系统改造升级提出的现实需求，拟在现有智慧灌溉系统结构的基础上，针对遥测终端机结构及功能进行优化设计。在遥测终端机结构设计上，遵循小型化、智慧化理念选用STM32微处理器作为核心元件，搭配实时时钟、电源管理、USB接口、Flash存储、蓝牙、传感器接口、通信、键盘、LCD显示屏等功能模块组成系统结构，对终端机内置A/D转换器、外置石英晶振，采用低功耗电源管理模块与蓝牙模块配合，使终端机在休眠状态下功耗限制在1μA左右。在终端机工作模式设计上，遵循现有监测数据通信规约设有以下两种模式：一种是自报模式，利用遥测终端机直接将收集的监控要素数据定时上报至中心站，在测得短时间内出现异常数据时及时向中心站进行加报；另一种是查询应答模式，由中心站发出指令，终端机根据指令返回相应监测数据。将上述两种模式进行兼容设计，使遥控终端机支持运行自报、加报、定时报等多种模式，与中心站建立实时通信传输关系，根据中心站发送或返回的指令进行参数修改与控制模式的切换，实现高效率、低能耗目标。

（五）基于BIM+GIS技术辅助水利工程建设管理

在将AR实景模型应用于地表水、地下水监测的基础上，还应导入BIMserver进行微观层面信息的展示，再与GIS技术融合实现对水工建筑物及周边地理环境信息的深度融合。在数据融合方式设计上，主要涉及对水利工程几何、属性信息的集成处理，引入大数据平台框架进行水利工程数据的挖掘与分析，运用智能学习算法进行全过程信息的分析、处理与展示，满足工程建设及运维等环节的调度、管理要求。例如在分布式计算模块设计上，基于公有云平台、互联网服务体系作为基础架构，运用Hadoop、云计算技术建立分布式计算模型，完成水利工程建设数据、潜在关系数据的深入分析，实现实时监测预警、辅助现场指挥调度等功能；在大屏场景显示模块设计上，运用可视化技术在大屏端进行水利工程现场建设不同场景的切换，可直观查看电站运行、泵站运行、入库洪水、降雨量、水资源利用情况等图标，辅助功能管理、实现智慧决策。

四、结语

通过运用物联网技术完善监测点部署、扩大水质污染监测范围，引入AR实景实现地表水与地下水的水文、水位高度等变化情况的全面可视化，采用传感器、GPRS技术辅助明渠灌溉管理，配合BIM+GIS等技术手段的应用实现水利工程建设全过程管理目标，借此有效实现智慧水利信息化系统的应用功能，服务于水利工程建设与高质量发展。未来还需持续提升智慧水利建设层次、起点、标准及水平，并聚焦资金投入、协同机制等层面完善相关保障机制，进一步推动智慧水利信息化系统实现业务服务功能的升级，服务于区域水利行业可持续发展。