水库标准化运行管理平台研发关键技术及其应用示范研究 *

2019-07-19

四川水利 2019年3期

(1.四川省武都引水工程建设管理局，四川绵阳，621000； 2. 四川省水利科学研究院，成都，610072； 3.浙江禹贡信息科技有限公司，杭州，310009)

引言

2019年1月，全国水利网信工作会议明确提出了“水利工程补短板，水利工程强监管”的水利改革发展总基调，要求尽快补齐信息化短板，在水利信息化建设上提档升级，按需构建安全实用、智慧高效的水利信息系统，以水利信息化驱动水利现代化，全面提升水利业务管理的效率，为我国水资源管理、水安全保障、水生态修复提供技术支撑。而水库运行管理是水利工程标准化管理的重中之重，结合水库安全运行管理的实际需求构建水库标准化管理平台很有必要。

武都引水工程是四川省“西水东调”总体规划中确定的大型综合利用水利工程，曾被邓小平同志誉为“第二个都江堰”。工程共分二期建设，其中第一期工程包括取水枢纽、总干渠和涪梓灌区(灌溉8.47万hm2)渠系及沉抗囤蓄水库等已建成；第二期工程包括武都水库、西梓灌区(灌溉7万hm2)等。武都水库位于四川省江油市境内的涪江干流上，是已建成的武都引水一期工程和在建的武都引水二期灌溉工程及蓬船灌区工程的水源工程，可控灌溉面积达到21.33万hm2；是一座以防洪、灌溉为主，结合发电，兼顾城乡工业、生活及环境供水的大(I)型水利枢纽工程。主要建筑物有：拦河坝、坝后式电站厂房等。拦河坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高120.34m，正常蓄水位658m；总库容5.72亿m3，装机容量为150MW，装机利用时数4064h，多年平均发电量6.1亿kW·h。工程于2012年底建成并投入运行使用。二期灌区工程于2013年全面开工建设，现仍在建设之中。随着建设不断深入和配套工程的不断完工，如何“建管并重”和“补短板、强监管”成为当前亟待解决的问题[2]。

为全面提升水库标准化管理水平，补齐水库管理信息化短板，本文通过系统分析水库运行管理存在的问题和实际需求，基于信息化理论方法研究了水库标准化运行管理云平台总体构建及其关键技术，最后以武都水库为试点进行了水库标准化运行管理平台的研发与应用示范，结果表明，水库标准化运行管理云平台是进行水库运行管理的有力工具，具有很强的实用性和可操作性。

1 总体构架

水库标准化运行管理研究内容主要包括标准化管理体系研究、标准化运行管理手册编制和水库标准化运行管理云平台的研发三部分内容[3]。

其中标准化管理体系研究主要包括了管理体系、决策体系、安全监测体系、执法体系、应急管理体系、维修养护体系、安全生产考核体系等方面；标准化管理手册主要包括组织手册、制度手册和操作手册的编制；水库标准化运行管理云平台的研发主要包括数据库建设、平台功能建设、基础环境搭建三个方面的内容，应用平台功能涵盖了水库基础管理、安全管理、运行管理、维养管理、应急管理、信息总览、办公管理、库区管理、安全生产标准化考核等[4]。结合水库日常运行管理实际，水库标准化管理平台整体架构如图1所示，由智能感知层、智能互联层、云数据中心、业务应用系统、标准规范及其安全保障体系构成。

图1 水库标准化管理平台总体设计框架

其中智能感知层主要包括水情、雨情、工情、视频监控、设备状态信息等，还包括取水枢纽、安全监测、气象监测、泥沙观测、水质监测等共享数据；智能互联层主要包括互联网、物联网、3G/4G乃至以后5G通信网等；数据中心采用云平台框架，由静态数据库、实时数据库、动态数据库、基础数据库等构成；业务系统是进行业务办理的集中服务窗口，用户可以通过登录实现包括动态业务管理、实时数据监测、安全运行评价、经济运行分析、办公统一审批等，平台服务模块涵盖信息总览、运行管理、应急管理、办公管理、生产管理、基础管理、维修养护、安全管理、库区管理、移动应用等[5-7]。

2 关键技术

水库标准化运行管理云平台的研究与开发是一个系统工程，涉及的核心技术很多，一些通用技术如互联网技术、云平台构架技术、安全加密技术、APP开发技术、流程化定制技术等本文限于篇幅不再累述。本文重点论述数据库集成开发技术、全景图技术、NFC安全巡查巡检技术[8]及其流程化引擎设计技术[9]等关键技术。

2.1 数据库集成开发技术

一个软件平台只有在拥有源源不断的数据时才有生命力，因此，有效集成水库实时数据(水位、雨情、工情等)、静态数据(工程信息、管理制度、设备档案、组织机构、岗位职责等)、动态数据(运行调度台账、巡查记录、汛前检查记录等)，形成水库标准化运行管理的统一数据库尤为重要[10]。数据库集成开发技术通过建立标准的数据存储标准和灵活可扩展的数据采集标准，对原始数据进行大量的格式化整编和标准化采集工作，最后在通信上对数据服务采用Web Service和HTTP Service协议进行有效集成[11]。

图2 数据集成

2.2 720°全景图技术

基于地理信息技术和全景图技术建立系统展示界面，全面、直观地反映工程运行管理全貌。全景图拍摄采用目前国内比较成熟的720°空中全景拍摄技术。全景实际上只是一种对周围景象以某种几何关系进行映射生成的平面图片，只有通过全景播放器的矫正处理才能成为三维全景(全景特指水平360°，上下360°全能观看的，能看到“天、地”的全景)，本次项目建设拟使用无人机机载相机完成大坝上空1处、大坝下游1处、库区2处、管理大楼1处，总计5处全景图拍摄。

(1)720°全景数据采集技术要求

无人机低空720°全景采集高度为距被拍摄物50m左右，范围涉及重要闸、坝及泵站工程全貌及其上下游河道与左右岸各100m范围，分辨率在0.2m左右。相机视角：360°(水平)×180°(垂直)。拼接后像素：≥3000万。

图4 系统集成展示系统结构

(2)全景拼接技术

使用定制的全景相机采集的数据，都需要对每一景的多幅照片进行后期的三维全景拼接处理，拼接后得到720°全景照片。最终输出的全景图片长宽比应为2∶1的固定比例，对于缺失的天空或者水面的影像需要其它图片进行补充调色、优化等处理。

2.3 NFC安全巡查巡检技术

近场通信(Near Field Communication)即NFC是一种新兴的技术[8]，使用了NFC技术的设备(比如手机)可以在彼此靠近的情况下进行数据交换，是由非接触式射频识别(RFID)及互连互通技术整合演变而来，通过在单一芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通信的功能，本系统利用该技术，结合云技术、物联网技术、移动互联网技术、GPS定位技术等国际最先进技术进行构架开发，基于SaaS互联网+架构的新型软件架构模式，流程如图3所示。

图3 NFC感应物联网技术

从图3可知，触发器1将触发登录界面，启动APP应用程序，以便登录人员完成任务，并将完成任务数据传输到云数据库[13]；触发器2将触发GPS定位，记录定位，自动绘制路径，传输到云数据库；触发器3将触发时钟，将时间信息进行记录并传输到云数据库中；所有数据将可以到达后台电脑程序进行处理。

2.4 流程化设计技术

通过工作流引擎设计的管理流程可以比较容易进行工作流程调整，利用全新的Activity引擎技术[15]，将业务处理的过程控制逻辑从业务处理操作中分离出来，通过工作流引擎技术实现过程的优化配置和重组，采用国际标准WFMC工作流引擎Activity技术对标准化流程进行了设计。

2.5 系统集成互联技术

当实时数据、动态数据、静态数据、流程化数据集成到云端后，例如视频监控系统实时监视图像、信息采集系统、安全监测系统、泵闸监控系统、标准化运行管理系统、水资源调度管理系统运行情况等，可以采用系统集成互联技术，以各种各样的模型进行分析，分析结果可以通过多种多样的方式进行展示。武都水库采用拼接屏、手机终端、电脑工作站等结合方式进行展示，如图4所示。

3 应用研究

以前期已有研究成果为业务指导，基于关键技术进行水库标准化运行管理平台的研发测试，并在武都水库进行应用示范，经过6个月不断测试，目前运行情况良好，系统信息总览界面如图5所示。

图5 信息总览界面

通过GIS开发，将各类实时数据，如水情、雨情、工情、视频和720°全景图集成到综合地图中，形成各种数据的一张图管理，即综合地图管理，如图6所示。

图6 综合地图管理界面

基于NFC安全巡查巡检技术，实现了整个库区的智能化巡检。手机端APP巡检界面如图7所示。

图7 手机APP安全巡检界面

武都水库标准化运行管理需要流程管理，依据《操作手册》定制化开发流程化数据引擎，以防洪调度模块为例，具体流程如下：水库上报请示单——防办下发指令单——水库按流程签发预警指令单(闸门预操作指令)进行开闸前各项准备工作(包括预警准备、工程设备准备等)——预警反馈——水库按流程签发操作令——操作完成后操作人员向水库反馈操作情况——向上级主管部门反馈操作情况。此外，用户还可以通过平台进行操作流程的修改完善。系统界面如图8所示。