中牟杨桥灌区信息化系统的开发与建设

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(郑州天诚信息工程有限公司， 郑州 450008)

中牟杨桥灌区信息化系统的开发与建设

李森，苏超，李文平

(郑州天诚信息工程有限公司， 郑州 450008)

本文阐述了如何通过对引黄干渠内节制闸、进水闸、斗门测流、水雨情等测点的自动化监测，建设中牟杨桥灌区的远程测控采集体系，实现对灌区引黄干渠闸门的可视化管理与调度； 并通过信息化系统管理灌区基本数据库，提供决策支持模块，做到整个灌区的实时管理、科学灌溉、合理用水，提高灌区用水管理与调度的现代化水平。

灌区； 信息化管理； 三维GIS

1 概 述

中牟杨桥灌区位于河南省郑州市中牟县境内，是国家大型示范灌区之一。在没有介入信息化手段之前，灌区管理主要以传统的手工作业为主，灌区管理部门对管理区域不能实时、准确地掌握灌区设备运行情况及数据变化情况；其次，以往的灌溉技术造成水资源分配不合理，有的地方缺水，有的地方漫灌，让有限的水资源得不到充分的利用。而灌区信息化系统的建设，可逐步利用信息化手段科学、有效地管理和利用灌区水资源，提高整个灌区的水资源利用率，推广节水灌溉、发展节水农业，使得所投入的建设资金最大限度地发挥出工程效益。同时结合对灌区数据的管理，为水管部门提供科学的决策依据，从而提升灌区管理的效能，促进灌区管理的健康发展，为实现高效灌溉农业提供技术保障。

2 系统设计

灌区信息化系统由上而下分为应用层、服务层、数据处理层、数据传输层、数据采集层五个体系(见下页图1)。

2.1 应用层

该层即人机界面，是用户与系统的交互层。用户通过系统所提供的各种功能界面实现对基础数据的监测、控制、查询、统计、分析等功能。系统可提供给用户的应用功能包括闸门测控、视频监视、水费计收、决策支持等，还可根据用户需求进一步添加相应的应用功能模块，如：降雨量监测、土壤墒情、水质监测、工程管理等。

2.2 服务层

该层是系统资源的管理者，也是应用层各种功能模块服务的提供者，是整个信息化系统的功能平台及灌区信息资源共享和应用集成以及可视化表达的公用服务平台，是业务应用的重要支撑。其开放性表现为自身随业务应用的建立而不断拓展完善。

2.3 数据处理层

该层的主要作用是为服务层和应用层提供高可靠性、高可用性、高性能的数据共享和交换服务，包括数据存储服务等。用户可以根据应用需求建立多种类型的数据库系统，从而为不同应用功能提供相应的数据服务，同时也为外部系统提供数据接口和共享服务。

2.4 数据传输层

该层主要完成的任务就是将系统中各种信息通过一定的通信协议和能够利用的通道进行上传下达，包含两部分内容：数据传输协议和接口、数据传输通道。

目前，可利用的数据传输通道包括光纤、微波、无线移动、卫星等方式，通过这些方式的结合应用便可组成一个覆盖整个灌区的计算机网络系统，包括文字、语音、图形、图像在内的多种多媒体信息都可以高效传输，使整个灌区的管理更加方便、快捷。

2.5 数据采集层

该层主要完成的任务就是将与系统有关的各种信息通过不同的技术手段转换成计算机可辨认的信息，包括闸门测控信息、渠道水位信息、视频信息等。用户还可以根据需要添加其他信息的采集，包括流量信息、降雨量信息、土壤墒情信息、工程管理信息等。对信息从整体上系统地进行规划选择、收集和管理，注重数据采集的标准化，使数据能“一源多用”，减少重复采集，最大限度地满足调度管理及其他业务对信息的实际需要。

图1 灌区信息化系统结构

3 系统功能

中牟杨桥灌区信息化系统建设项目是基于三维的可视化信息管理系统，涵盖了灌区水位测量及水量计量、墒情监测、工情视频监视、闸门控制以及配水调度、水费征收、水务管理等应用软件子系统。灌区信息化管理系统以灌区量测水系统、闸门控制系统以及灌区墒情、工情、地下水、作物生长状况、气象信息等自动化监测为基础，融合计算机技术、通讯技术、软件技术、GIS地理信息系统技术、GPS全球卫星定位系统技术、RS遥感系统技术、GPRS技术、数据库技术等，以节水为中心，优化水资源配置，实现灌区管理、调度、运行的自动化、现代化和信息化。

灌区信息化管理系统对灌区运行的各种数据、运行状态进行实时监控，并进行远程实时遥控。各种应用软件系统之间可无缝集成，数据共享(见图2)。对初期系统建设实现的功能包括如下几方面：

3.1 三维地理信息系统平台

在三维地理信息系统平台上建设中牟区域内的数字水利三维地理信息基础平台(三维GIS电子沙盘)，实现窗口缩放、动态缩放、比例尺缩放、景深变化、视图平移等基础操作功能；实现按设定路径、视点飞行和汽车行走浏览三维景观；实现光照参数、模拟参数、各种质材参数、天空纹理等三维显示环境的设置；实现三维实体几何查询、经纬度坐标查询、投影坐标查询、地面高程查询、地面坡度和坡向查询等功能。在该平台的基础上可实现各类灌区业务应用功能的开发，如：闸门自动化监控系统、远程视频监控系统、水费征收管理系统、用水决策调度支持系统等，实现灌区资源的信息高度共享，并在该平台基础上扩充和建设标准统一、功能完善、安全可靠的基于网络的三维可视化灌区管理系统。该平台采用委托管理模式。

3.2 干渠数据库

干渠数据库是包括自然和社会经济因素的综合数据库，数据内容包含多种专题类型，可满足较多专业、部门的应用要求，用于区域地理信息系统或区域管理信息系统。考虑到系统应用并不局限于某个专门领域，故对数据库数据内容的要求相对广泛，涉及农业、土地利用、土壤、植被、水文、地形等方面。

图2 灌区信息化管理系统功能

3.3 闸门自动化控制

在闸门现场配置现场测控柜，基本配置包括PLC设备、电流电压传感设备、交流接触器、温湿度传感器、断路器、空气开关、线路隔离设备、防雷设备、电流电压显示仪表、闸门开启高度显示仪表、启闭控制按钮等，同时为启闭机配置闸门开度传感器、机械荷载传感器等，实现闸门现场的按钮启闭，并为远程控制提供自动化控制线路，其中包含自保护线路和故障自诊断线路等。

在现场管理所配置带触摸屏的测控终端设备，并配置相应的软件，实现对闸门的远程自动化控制。在水务局配置测控服务器和测控终端设备，并配置相应的软件，实现对闸门的远程自动化控制。

3.4 水位监测

在闸门现场根据测流要求选择合适断面位置安装液位水位计及附属设备，实现对现场渠道水位信息的采集，通过无线传输到数据测控系统上。在数据采集系统上，以数据库的形式分别建立系统运行参数库和实时要素库，人工输入系统运行参数，保存在系统运行参数库中，用以控制自动观测设备的数据采集和数据上传。

3.5 水费征收管理

水费征收是灌区发展和建设的重要经济来源，是灌区良性运行的基本保障。目前很多灌区还没有水费计收系统，仍采用比较落后的人工收缴水费的方式，管理方式比较落后，在实际应用中存在诸多的弊端，如：水管所不能及时准确地了解各乡镇管理站用水的情况，不能及时准确分析和比较各管理站之间的灌溉面积等，还会造成水资源、人力、财力的浪费。水费计收管理模块可提高灌区工作人员的工作效率，提高对灌区水费收缴的整个业务流程的信息化管理。

灌区水费计收系统根据每个灌区的特点，对灌区水费结收和统计的整个业务流程进行信息化管理。

用户可以通过水费管理系统实时查询放水记录，可以根据需要查询月、季、年水费征收情况并生成报表。

3.6 用水计划管理调度决策支持

该系统根据信息采集系统收集、检测到的各类农作物需水情况、土壤墒情信息、水源水文资料、灌区区域气象信息、灌区土壤资源分布及农作物种植结构、用水统计资料等生成阶段性或灌季的生产供水计划，合理确定灌区的开机时间、提引水量、不同区域的灌溉制度及各级渠系的调水调度方案，避免单纯依靠经验进行调配水可能造成的调度失误及造成的水量浪费。

提高灌区运行的经济性，还可以根据已出现的各类越限、事故报警，自动生成紧急时间的处置预案，供调度及管理人员参考，从而保证全系统的各类设施设备的安全、经济、高效运行。

4 结 语

中牟县灌区经过较大的信息化资金的投入，灌区信息化综合平台已初具规模，并发挥着良好的社会和经济效益。灌区信息化系统运行稳定，操作界面直观友好，操作方便，易于推广使用。

为满足社会发展的要求，充分发挥现有系统的功能，该系统仍需不断完善，具体做法如下：进一步完善地理信息系统内容，更深入地分析灌区种植物的分布变化、年需水量情况、灾害分布等；开发用水决策调度支持系统，根据历年气象、灌溉用水资料和农作物分布情况，建立农作物需水模型，生成精细化灌溉方案，提供辅助决策；建立气象、灌溉试验和水质监测系统，为灌区合理配水提供科学依据，从而保证生活、生产、生态用水的安全。

1 赵飞,解瑞,浅谈灌区信息化建设与发展趋势[J]. 中国西部科技, 2011(01): 61-61.

2 李晓辉,刘建印, GIS在灌区信息化中的应用[J]. 新农村(黑龙江), 2010(6): 217-217.

3 刘海涛 , 蔡学军, 基于GPRS的灌区数据传输系统在滦下灌区的应用[J]. 科技信息, 2010(24): 228-228.

4 石荣翠, 灌区管理中信息自动化的应用[J]. 工会博览：理论研究, 2011(3): 84-85.

DevelopmentandConstructionofInformation-basedSysteminZhongmuYangqiaoIrrigationArea

LI Sen, SU Chao, LI Wen-ping

(ZhengzhouTianchengInformationMeasurementamp;ControlCo.,Ltd.,Zhengzhou450008,China)

Remote control collection system of Zhongmu Yangqiao Irrigation Area is constructed by automatically monitoring the detection points such as regulation sluice, inflowing sluice, sluice gate flow measurement, water and rainfall situation, etc. in Yellow River diversion main channel. Visual management and scheduling of irrigation area Yellow River diversion main channel sluice are realized. Basic database of the irrigation area can be managed through information-based system, and decision-making support module is provided, thereby realizing real-time management, scientific irrigation and rational water consumption, raising the modernization level of water consumption management and scheduling in the whole irrigation area.

irrigation area; informatization management; three-dimensional GIS

TV11

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1005-4774(2014)03-0065-04