阿岗水库综合信息智能化管理系统关键技术研究

黄建明

（曲靖市阿岗水库工程建设管理局，云南 曲靖 655000）

0 引言

水利信息化是水利现代化的重要组成部分，水利部提出以水利信息化带动水利现代化，加强基础设施和保障环境的建设，全面推进全国水利信息化[1]。随着当前全国水库除险加固，水资源可持续利用和合理配置的需要，以及信息技术的迅猛发展，全国各大中型水库纷纷注重应用 3S、应急管理、数据挖掘、三维仿真等最新技术和理念，按标准化和规范化的要求建设水库管理信息系统[2–4]。

阿岗水库位于九龙河流域，在云南省曲靖市境内，是云南省列入国家“十二五”规划的 3 座大型水库之一，并列入水利部近 2 a 及“十三五”期间分步建设 172 件重大水利工程，重要性不言而喻。因此需要与之相匹配的综合信息化智能管理手段，保障水库安全运行。当前对于大型水库的综合信息管理系统已有一些成果，但是重硬件轻软件、重建设轻运维的问题仍然存在。尤其存在各个监测系统和多源数据的异构信息融合难度大，监测系统和管理平台智能化程度不高等问题，对综合信息的管理应用造成掣肘。因此，利用现代遥测技术、通信系统、计算机网络、大数据挖掘等手段，在高速宽带计算机一体化、可视化信息管理平台的基础上，开展多要素综合监测、数据资源集成、GIS 智能化管理等关键技术研究，建成先进实用、高效可靠、覆盖整个工程区域的阿岗水库综合信息智能化信息管理系统（以下简称智能化管理系统），将初步设计中分散独立的安全监测、水情测报、水质自动监测、生态流量在线监测、视频监控等整合到统一的综合信息化平台，将现场各类监测、监控数据进行统一采集处理，实现水库综合信息管理一体化[5]。

1 智能化管理系统总体设计

智能化管理系统是由多个监控系统集成的综合系统，采用一体化统一平台设计，综合集成各类信息化系统，打通信息孤岛，建立统一的数据中心和一体化管控平台，在统一平台上实现各类监测与调度、协同管理及决策支持等应用。智能化管理系统由基础设施层等 7 个层次构成，具体架构如图 1 所示。

1.1 总体架构设计

1.1.1 基础设施层

基础设施层运用虚拟化、服务器集群等技术构建管理系统基础平台，包括高性能服务器、工作站、移动终端，以及存储备份、网络及安全防护等设备。在一体化管控支撑体系下，用户能控制操作系统的选择、存储空间及部署的应用，也有可能获得有限制的网络组件的控制。基础设施层为监测数据及综合信息的集中存储、信息交换与数据通信网络、高效能计算分析及平台安全防护提供基础设施保障。

图 1 综合管理系统架构图

1.1.2 智能化数据采集层

利用自动化、智能化传感器及监测设备实现阿岗水库综合信息的采集，是阿岗水库综合信息管理的基础。本层主要面对的是底层智能采集终端设备的建设、管理和维护，通过网络交互技术与底层设备、传感器相连接，利用信息化基础设备为监测数据提供存储与管理介质，从平台总控的角度提供包括监测、传输、加工处理、存储和管理在内的全套智能化数据采集手段。

1.1.3 通信网络层

通信网络层的建设以阿岗水库综合信息化数据中心为核心，为主坝安全、水质、水情、图像监控、闸门控制等子系统，以及控制和会商中心提供高速稳定的通讯网络环境，并预留建设管理、办公自动化、会商等业务接口。通信网络层主要由通信传输、综合网管、电源系统及光电缆等附件组成，为一体化、可视化信息管理平台建设提供网络基础。

1.1.4 数据资源层

数据资源层主要由以下 3 个部分组成：1）数据汇集平台。数据汇集平台建设应用中间件技术，采用统一的技术架构和方法，实现对多系统异构信息的汇集，并实现基于数据分布协议的数据管理。2）综合数据库。综合数据库集成管理大坝安全、水情、水质、闸控等多系统专业数据信息，以及水库基础地理、文档数据、政策法规等基础信息，形成统一的阿岗水库综合信息管理数据库。3）数据库管理和运行维护。数据库管理满足海量数据的存储管理要求，采用数据异地备份，可保证数据的安全性；整合系统资源，降低数据管理成本；整合数据资源，保证数据的完整性和一致性。

1.1.5 应用支撑层

应用支撑平台对下管理数据汇集，实现数据资源的集成共享；对上支撑应用提供全系统信息共享服务，实现软件资源的集成重用。其中，对底层数据资源构建统一的数据交换体系，建立统一的数据共享机制，形成完善的数据管理标准；对上层应用的支撑采用统一的单点登录和身份认证、信息订阅与推送、模型访问、报表定制、异常告警、地图展示、协同流程、专业模型、统一数据访问等共用的应用组件与基于标准的服务接口，实现跨系统的数据、流程交互；提供给各应用系统共享的信息资源的集合，包括资源管理、信息交换与共享、软件构件、专业模型和数据存取等组件部分，为业务应用提供信息及软件资源支撑服务。依据系统实现的任务分工和逻辑关系将应用支撑平台分为应用、公共基础和系统资源 3 个服务层。

1.1.6 业务应用层

业务应用层包括主坝安全、水质、生态流量、水雨情、图像的监视，以及闸门控制、综合信息服务、移动应用等系统，并根据各专业应用系统数据之间的交互处理结果，支持工作站、网络浏览器、个人电脑、移动智能终端等多终端设备应用，实现防洪发电调度、安全分析评估、事故应急处理、洪水预报和工程管理等内容。

1.1.7 接入层

提供多终端访问方式，既有水库数据中心电子大屏、工作站、PC 终端的固定访问方式，又通过应用软件的研发，实现网页浏览器、手机、PAD 等移动智能终端的访问应用。在统一安全防护体系和应用权限管理的支撑下，实现无地域、时序限制的终端应用与业务接入。

1.2 功能总体设计

智能化管理系统中心站平台将现场各类监测、监控数据进行统一采集处理，并在同一平台上实现闸门、水雨情、视频图像、安全监测、生态流量、气象、水质等各类传统自动化系统的数据统一采集，综合展示，综合报警和报表等公共应用。具体功能结构如图 2 所示，智能化管理系统在统一实现各专业业务系统应用的基础上，建立 GIS 系统、数据管理、图表统计、分析评价，以及项目、业务、系统的管理等核心功能模块，实现综合专业业务分析与处理及会商等决策支持应用，为实现水库综合调度提供一体化的综合技术平台。

2 智能化管理系统关键技术

2.1 数据资源集成技术

智能化管理系统建设的基础是数据资源管理平台的设计与建立，满足海量数据的存储管理要求。智能化数据资源管理平台的总体架构包括数据库（综合数据库）、数据库维护管理系统及数据存储平台（数据存储、备份系统）等部分。

2.1.1 数据资源设计

综合数据库又分为专用和基础 2 个数据库，需建设的数据库包括大坝安全监测、闸门控制、生态流量、水质、水情测报、视频等数据库，以及政策法规库、空间地理信息库，不同的数据库建设内容不尽相同。

数据库模式结构统一采用建模工具 ERWin 进行建模，用于数据库结构的自动创建和后期数据库恢复的备档。数据库设计过程按照数据库总体设计，信息需求分析，概念、逻辑、物理等数据模型设计，以及建库实施等阶段进行。

数据资源提供以下接口或服务实现资源集成：

1）统一的数据访问接口。使应用系统能够统一、透明、高效地访问和操作位于网络环境中的各种分布式及异构数据，实现全局数据访问，加快应用开发，增强网络应用。

2）数据转换服务。通过采用统一的元数据、信息标识语言和语言结构，实现多种数据库间和各种数据格式文件间的数据转换。

3）数据字典服务。通过服务组件实现对公共、系统配置的数据字典的管理和维护。

图 2 功能总体设计图

2.1.2 数据库维护管理

数据库维护管理系统主要是对基础数据库的管理，主要功能有数据库建设、状态监测，数据维护管理，代码维护，数据资源、质量管理，以及数据库安全、归档与备份管理，是数据更新、数据库建立和维护的主要工具，也是在系统运行过程中进行原始数据处理和查询的主要手段。数据库系统设计采用实体主导型，数据库维护管理系统开发采用Web 方式，其中数据库的外部数据接口可在后期根据应用需求情况完成。

2.2 多要素综合信息监测技术

为实现水库的科学、综合、高效管理，需要获取与水库安全运行管理相关的多要素综合监测信息，自动化监测系统是全天时、天候自动观测的重要手段。因此建立包括安全监测、水情测报、洪水预报、水质自动监测、生态流量在线监测、视频监控等在内的独立自动化监测系统，并在平台数据层对来自异构系统的多要素综合信息实现在线监测、融合和综合管理。

2.2.1 水情测报

阿岗水库水情自动测报系统[8]的基本功能包括要素的实时自动采集、固态存贮，人工置数和自动传输、接收，以及进行数据处理形成各种数据文件和报表及水文测报作业。阿岗水库水情测报系统由遥测站、中心站等组成，可采用专用、公用或混合等信道组网，从功能的角度可分为水情自动测报、水库中心机房、系统防雷等子系统。

水情测报系统可长期，特别是在暴雨、洪水等恶劣天气条件下可靠稳定地工作。自动测报站能在环境温度 -15～50℃，相对湿度 ＜95% 的条件下工作，能连续可靠地工作 6 个月以上，通信畅通率应 ＞95%，系统误码率 ＜10-4。自动测报站能自动采集实时水情数据，并自动定时将水情数据发送至水库中心站，数据精度应满足相关规范要求。雨量计分辨率为 0.5 mm，测雨强度为 0.01～4.00 mm/s。由于阿岗水库的地理特性，在水库周边电信信号稳定，根据设计目标及系统的组成结构，本项目使用GPRS/4G 通信方式进行数据传输。

2.2.2 洪水预报

根据九龙河流域的气候特征及阿岗水库的流域特性，水库径流洪水的预报拟采用水位（流量）与区间降雨相结合的预报方案。

为提高区间洪水的预见期，用实时降雨资料通过产汇流及河道演进计算做出水情预报。由于测报区间降雨时空变化复杂，需根据雨量站划分成若干个单元块，各单元流域用超渗产流模型计算产、汇流，预报各单元块的流量过程，并演算至干流。为提高水情预报的精度，采用实时校正模型，利用各控制站的实时水位（流量）资料，建立各断面的误差序列，对计算值进行实时反馈校正。

根据阿岗水库的防汛调度运行，阿岗水库无防洪任务，水库洪水调度的目的是保证水库自身的安全。阿岗水库泄洪设施包括溢洪道和泄洪隧洞，正常蓄水位 1 866 m 水位时泄洪能力为 475 m³/s。为尽量减少库区淹没，在入库洪峰低于泄洪能力情况下，按入库流量与出库流量相等的方式泄流，使库水位尽量维持在正常蓄水位 1 866 m 运行。阿岗水库水情自动测报系统建设完成后，根据接收到的水（雨）情监测数据，通过预报模型的分析计算，即可得出具有一定预见期的洪水成果，进而通过控制泄洪洞闸门开启高度，使库水位尽量维持在 1 866 m运行。洪水预报流程如图 3 所示。

图 3 洪水预报流程图

2.2.3 工程安全监测

水库大坝安全监测项目主要包括渗流、大坝变形应力应变和土压力等的监测，分别用于监测坝体、坝基、绕坝的渗流，上下游水位，大坝表面水平和竖向位移，以及应力应变及所受的土压力。

数据采集采用分层分布式方式，传感器将监测参数如位移、沉降、应力应变、渗流等上传给数据采集模块，数据采集模块将各传感器电气量参数上传至数据自动采集装置，数据自动采集装置将各电气量参数转换为数字量传输至中心监测站。传感器与模块之间采用水工电缆进行传输，各观测站之间的通信介质采用屏蔽双绞线，可以提高系统防雷能力，具有较强的抗干扰能力，具有更高的可靠性，因此与中心监测站之间拟采用单模光缆进行通信。

采集数据、系统参数和其它信息数据存放在数据库中，数据库运行在服务器上以实现资源共享；能通过中心监测站的设备与上级管理部门的管理主机或 Internet 连接进行数据传输，实现监测系统的远程控制。中心监测站的工作站作为前端用户访问和处理数据库中的数据，系统管理员可以直接在监测服务器上对系统进行参数设置、数据库管理等操作，其它操作人员通过权限设置对监测系统进行数据的查询、监视等操作。

2.2.4 图像监控

图像监控系统主机设置于阿岗水库管理局，完成视频信息的传输、存储、处理、通信、报警等功能。阿岗水库枢纽区、坝前水质自动在线监测站房、坝后生态流量自动监测站，腊庄取水口水质自动在线监测站房，大寨电站 1# 拦河闸处生态流量自动监测站，下游妥者水文站及鱼类增殖站仅为图像监控点。

图像监控系统主要考虑对主要电气设备、关键设备安装地点及周围环境进行全天候的图像监视，以满足安全生产所需的监视设备关键部位的要求，同时可实现水库枢纽区安全警卫的要求。

视频监视系统应采用全数字化系统结构，包括监视上述范围及对象的视频监视系统的全套设备，主要有站端处理单元、各种类型的数字摄像机，周界防盗设备，以及相应的辅助设备、材料（包括全部连接缆线）等，其中连接电缆、光缆数量根据需要决定。

2.2.5 闸门控制

阿岗水库枢纽工程闸门数量较多，且分布在不同位置。为实现对枢纽区所有闸门设备的系统性及同一平台上监控的管理，把整套闸门监控系统纳入阿岗水库综合信息化管理中心。闸门监控系统包含主站部分和现地控制单元 LCU 设备，可对坝区各闸门进行通信、遥控，并将相应的状态及故障信号传送至水库综合信息化管理中心，且留有与电站计算机监控系统的通信接口。

闸门监控系统负责枢纽区所有闸门设备等控制对象设备的监视、控制和调节，完成从各现地 LCU和外部子系统采集数据，进行数据归档，事件记录与归档，生产报表、趋势曲线分析和语音报警，实现水库闸门的自动控制功能，同时，承担坝区计算机监控系统与水库信息化系统管理中心的通信连接功能。

2.2.6 水质、生态流量自动在线监测

水质自动监测系统由站房，仪表分析、取水、配水等单元，以及控制系统、数据采集/处理/传输系统、防雷设备组成，其中仪表分析单元由多参数（温度、pH、溶解氧、电导率、浊度）、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、铁、锰、叶绿素 a 等分析仪及采样器组成。监测系统配置智能环境监控单元，对整体安全、消防和动力配电进行智能监控[6]。

在大坝管理局设监控中心，监控中心由中心服务器、交换机等构成，对遥测站数据进行采集汇总并实时查询监测；安装生态监控管理软件，对河道水情自动测报的数据进行采集并做相应处理；通过对生态流量自动监测系统的建设，结合各监测站点的具体情况，在中心服务器上设定好相关流量监测的数据临界值，通过 GPRS/4G 通信方式，对站点发出的数据进行采集、统计、分析入库，实时进行数据值监测；在监测站点发出的数据值低于警戒值时进行报警，使业主、监管部门可以实时进行数值的监测。

2.3 基于 GIS 的综合信息智能化管理

地理信息系统 GIS 具有海量数据存储、管理、分析、展示、输出等功能，在空间数据管理、统计分析、报表制作、图形可视化等方面具有技术优势，近年来在水利行业领域应用很多。阿岗水库综合信息化管理系统充分利用 GIS 技术优势，在集成异构综合信息监测系统，实现传统信息管理的同时，在以下几个方面可提供智能化分析、管理工具与手段：

1）监测数据在线评判。在数据资源集成和多要素综合信息监测等技术支撑的基础上，对在线实时监测数据进行粗差、极值、整编等后台评判处理，严格控制原型观测数据质量。对不符合发布与分析要求的数据进行自动识别和筛查，并形成评判日志供管理人员审核。

2）综合信息地图展示。地图展示是 GIS 的一大优势功能，GIS 系统通过金字塔分层构建技术，在商用地图源的基础上建立瓦片图层。将工程安全监测、水情测报、闸门监控、水质和生态流量监测等监测系统测点分类型建立矢量图层，与地图图层相互叠加，并与空间信息管理数据库衔接，实现库区综合信息“一张图”。通过一张可缩放、平移、参数选择的电子地图，掌握水库实时监测综合信息，获取水库总体运行性态描述。

3）异常信息诊断。自动化监测系统每日获取大量的观测数据，GIS 系统通过对每个监测项目进行自动化指标判别，输出异常监测信息，并结合自动化系统传感器及监控设备实时运行指标形成可视化的异常信息图表报警，根据临近时间和相邻同类型测点的测值初步诊断异常原因，供管理人员二次分析诊断。

4）水情预报与水质评价。利用 GIS 二次开发技术及 ArcObject 自带水文、水质分析模型接口，GIS系统提供基于实测数据的参数化水情预报与水质评价功能，通过可视化参数选择，带入系统后台分析评价模型进行计算，输出评价结论和图形成果，为管理人员提供辅助决策依据。

5）智能化分析与推送。智能化管理系统为每个监测项目和任意监测测点都设置了精细化监测指标，通过后台数据分析机制对实时监测数据进行异常评判，同时结合已建模型和方法将实时监测数据与长时间序列历史数据进行信息比对和挖掘，智能分析各项监测状态，自动推送相关异常予对应管理人员，实现智能化分析与推送。

3 结语

阿岗水库综合信息智能化管理系统实现了水情、工程安全、图像监控、闸门、水质、生态流量等多要素综合监测，解决了异构系统海量数据融合共享困难，综合信息管理与分析预警水平有待提升等问题。智能化管理系统能够真实应用于阿岗水库日常运行管理工作，以自动化系统运行减轻人工管理成本，以信息化管理手段提高水库综合信息管理效率，以智能化数据采集、信息融合、综合展示、分析评价及自动预警，进一步增强水库信息化管理的科学性、先进性，创造良好的经济、生态效益。提出的数据资源集成、多要素综合信息监测及综合信息智能化管理等技术具有通用性，同样适用于其他大型水库综合信息化管理系统，具有借鉴意义。此外，水库综合信息智能化管理系统的建设除了需要对自身信息化关键技术进行提升以外，还需要对智能化分析、评判提供相应方案，需要通过大数据信息挖掘结合专家系统进一步优化补充，这是今后系统完善的重要方向。