“互联网+”技术在大型水利枢纽中的应用

伍明兆

（广东省乐昌峡水利枢纽管理处，广东 韶关 512200）

0 引言

当前，以“互联网 +”为代表的新兴技术新业态迅速兴起，推动新一代信息技术融合发展[1]。“互联网 +”技术已渗透、应用于社会各个行业，并成为当前高新技术的热门研究课题。近年来，水利信息化与业务融合发展取得长足进展，而大数据、物联网、云计算、人工智能等新技术在水利行业的应用，已吸引越来越多科研机构，并取得了大量的研究成果[2]。水利综合业务基本已构建泛在、智能感知、天地一体的信息数据采集体系，但在数据挖掘利用、人工智能等新技术应用方面存在欠缺[3]。水利枢纽是水利工程管理的综合体，在这种情况下，“互联网 +”技术在大型水利枢纽的地位显得尤为重要。目前，针对“互联网 +”技术在大型水利枢纽进行全面应用或研究存在欠缺。

基于全面感知技术，以广东省乐昌峡水利枢纽为实例，介绍水利信息数据采集、处理、应用的过程，结合工程实际，重点分析研究“互联网 +”技术在大型水利枢纽中常用先进的应用技术，为国内同类型水利枢纽进行防洪调度、发电生产、水资源管理、工程监测管理等各项工作的信息化建设提供参考。

枢纽位于广东省韶关乐昌市境内、珠江流域北江一级支流武江乐昌峡河段，集雨面积为4988 km2，坝址多年平均流量为138m2/s。枢纽为 II 等大（2）型水利工程，以防洪为主，结合发电，兼顾航运、灌溉等。

1 枢纽“互联网 +”技术应用

枢纽“互联网 +”技术应用，主要从枢纽数据采集全面感知、统一数据资源、数据挖掘与融合、构建全方位应用、业务全方位管理、统一监控展示平台等方面进行“互联网 +”技术应用的探讨。

1.1 全面感知

全面感知是指利用传感器等先进设备、手段获取物体的深度信息，是“互联网 +”数据信息获取与分析应用的基础。基于业务的全面感知（物联网）是水利数据资源的基础和技术手段，充分利用物联网、遥测遥感、新型传感器等技术，在网络层组建监测站网，建成全面覆盖乐昌峡水利枢纽的水情、雨情、工情、工程安全、险情、灾情等信息的智能感知和立体化采集监测网，实现感知任务分发与感知数据采集利用，最终完成系统整体的感知任务。

枢纽目前基本建成气象、水（雨）情、水工安全监测、设备监控等多元化信息的自动化和智能化采集网，有以下功能：

1）气象信息感知。利用气象大数据、物联网的优势，智能感知流域及相关防御范围内的气象自动站监测数据；同时，基于 GIS 的多普勒雷达资料定量预测各时段雨量情况。

2）水（雨）情信息感知。目前已在库区流域各个区域建成水（雨）情感知网，将水（雨）情信息采集延伸至各级河道；或将流域按照支流情况划分多个子流域，同步、实时采集子流域水情数据。

3）安全监测感知。在大坝及周边、地下厂房、引水隧洞和古滑坡体布控水工安全近千个监测仪器，采集渗流、应力、变形等关键信息，并通过应力计、扬压力计、渗压计、测斜仪等27种监测仪器组建成安全监测数据采集网，结合光缆/GSM 通讯技术，实现枢纽水工安全在线监测。

4）水资源监控。利用物联网、无人机等新技术，建立集水资源、水环境、水污染于一体的天地一体化监测网。

5）设备健康状态在线感知。前端通过智能传感器采集单元，并通过现地控制单元 LCU“核心大脑”对数据进行对接和信号处理，数据分析结果通过综合预测预警系统展示，实现设备状态实时监控、报警，达到在线监控的目的。

1.2 统一数据资源池

对全面感知数据进行梳理、整合，建成覆盖水（雨）情、水资源、水工安全、洪水预报与调度、电力生产等综合数据库体系，形成集约化的计算资源池服务于各应用，应用框架如图1所示。依托关联、聚合、深度神经网络等大数据分析方法和水利专业模型，构成了枢纽水利业务应用的基础，并实现数据资源的统一管理和调用，为枢纽业务融合发展提供全面、准确、可靠的信息支撑[4]。

1.3 数据挖掘与融合

为满足实现枢纽“全面感知，高速互联、充分共享、智能应用、周到服务”的目标，从感知层采集数据经数据传输层到达数据处理与计算层[4]，通过采用机器学习、数据挖掘和推理技术等实现对多源异构数据的关联，融合和理解，建立信息综合数据处理模型和数据深度挖掘与融合算法，完成数据的处理与计算层[5]。

图1 数据整合后的应用框架

1.4 构建全方位应用

乐昌峡枢纽以“一张网，一个平台，三类应用”为核心（即构建1张多元感知的信息采集传输网，打造枢纽基础信息平台，提升防洪调度、发电运行工程管理3类应用），构建以“多元高效、泛在感知的采集传输网络（物联网），集约共享、安全可靠的基础信息平台，业务协同、智能决策的综合应用体系”为核心的“互联网 +”乐昌峡信息化框架[6]，如图2所示。

枢纽统一信息平台，设计、开发并构建全方位的业务应用。目前已建防洪调度、发电监控、安全监测、综合办公4个业务类别20多个专业应用系统。这些系统基于“互联网 +”技术，深度融合与开发，是“互联网 +”技术应用的具体体现，通过对水利原始基础数据充分进行量化、挖掘与利用，应用新技术，推动枢纽业务、管理、服务的模式创新。具体系统介绍如下：

1）乐昌峡流域面雨量预报预警系统。基于WebGIS 建立气象雨量预测、水文水位预测和调度相融合的业务内容展示，利用移动技术实现集气象雨量实况监测、精细化面雨量短期和短时预报产品及水位预测和调度综合内容即时查询；同时，基于多普勒雷达资料定量降水估测技术提供库区域面雨量精细化预报[7]，实现 0～3 h 定量降水预报（QPF），以及 24～72 h 短期、0～3 h 短时面雨量精准预测预报。通过“互联网 +”技术能使流域雨量预测从被动模式转为主动模式，实现洪水主动防御。

2）常规洪水预报系统。基于新安江调度模型，通过设定实测雨量、蒸发量、张力水蓄水容、流量等参数[8]，开发智能防洪调度系统，实现多维数据可视化“一张图”展示，成果如图3所示，实现水（雨）情、出入库的动态调度。

图2 业务应用与数据总体架构

图3 枢纽24h 常规洪水调度成果图

3）发电生产管理系统。以设备全生命周期管理为核心[9]，基于大数据算法和智能感知技术，预测、感知设备状态情况，通过关键数据分析，实现设备健康状态在线诊断；同时，采用基于 RFID 技术的 GPRS 移动巡检系统进行电厂设备巡检工作，在一定范围内即可智能感知设备状态，极大提高了巡检效率。

4）工程安全监测系统。通过在大坝坝体、地下厂房和古滑坡体等埋设布控近千支/组/点温度计，渗压计，应力计等各种先进仪器组建全方位水共安全监测网，利用人工智能技术将自动化采集的数据进行智能筛选、校核、分析与处理，达到监测数据的精准监测与精确预报预警。

5）智慧乐昌峡移动应用。基于 MEID，IMEI 移动识别码和互联网技术，开发出集水（雨）情、三维全景、防洪调度、移动会商等核心功能的智慧水利移动应用 App，通过 IMEI 识别码认证后即可随时掌握枢纽运行状态[10]。

6）实时强震动监测系统。在大坝坝基、坝腰、坝顶等特征部位共布设10个三分向加速度计，9 个双分向加速度计，总计48通道，通过电缆连接组建各传感器、采集器网络，实现强震动监测信号自动化传输和采集，数据通过 VPN 传输级联共享至广东省地震监测网，进行智能比对、分析与处理，并进行预报预警，从而达到大坝实时强震动监测的目的。

7）超级 Wi-Fi 无线系统。采用有线+无线相结合的通信方式[11]，搭建覆盖大坝、地下厂房等重点区域的全方位立体式 Wi-Fi 无线系统，实现办公及生产数据的无线同步传输、无线信号无缝切换、智能终端稳定的无线连接。逐步统一 Wi-Fi 与 4G 的接入、无线与有线的接入，实现人与人、人与机器、机器与机器等互联，搭建基于超级 Wi-Fi 无线系统的物联网平台。

1.5 业务全方位管理

以全面感知、统一数据资源池、大数据挖掘与融合为基础，通过构建枢纽全方位业务应用体系，实现水情测报服务、防洪调度、水资源、发电生产运行、电调、安全、库区等业务应用的全方位管理。

1.6 统一监控展示平台

枢纽已建成集防汛调度、发电生产、工程监测于一体的枢纽安全监控中心。该中心应用了大量的先进技术，如以全息技术，GIS，RS 和三维仿真等高新技术为依托，建成乐昌峡水利枢纽工程的三维全息展示系统。结合洪水预报、调度等数学模型，实现三维环境下的河道洪水演进、淹没分析、工程运行实时数据监测。监控中心具有调度统一性与业务前瞻性，能把监控调度、业务应用与会商决策结合，实现枢纽监控一体化。

2 “互联网 +”技术总结

2.1 “互联网 +”技术在乐昌峡枢纽应用效果

以“互联网 +”融合水利业务应用，更是智慧水利具体体现，覆盖着防洪除涝减灾、水资源综合利用、水环境保护和生态修复、水利综合管理等业务领域。融合云计算、物联网、大数据、人工智能等新技术和新理念，提供全面的感知、识别、模拟、预测和预判，“互联网 +”技术重塑了信息化应用新模式，推动乐昌峡管理处业务、管理、服务等模式的创新，通过全面感知、高速互联、充分共享、智能应用、周到服务，全面提高水利枢纽的管理、决策和服务水平[12]，实现精细管理、快速响应、协同调度、科学决策和更人性化服务。

2.2 乐昌峡“互联网 +”技术应用评价

“互联网 +”技术在乐昌峡水利枢纽得到广泛的应用，在感知、互联、共享、应用和服务等领域取得了良好的效果。基于业务的全面感知实现枢纽数据智能采集，统一数据资源池为枢纽数据充分挖掘与融合奠定基础，通过大数据、人工智能等新技术开发的业务应用和统一监控平台具有前瞻性和可操作性，能全方位管理枢纽主线业务。特别是在面雨量精细化预报预测误差控制在 ± 10% 内，增强枢纽动态监控能力，发电量明显增加，并整体提升水利枢纽防洪保障水平；达到业务感知智能化、监测监控可视化，掌握设备设施状态即时化，核心业务管理移动化，极大提升整体办公效率。