马銮湾新城水闸群智能联合运行调度系统研究

薛国强

（厦门市国水水务咨询有限公司，福建 厦门，361015）

0 引言

2018 年以来，水利部印发《加快推进新时代水利现代化的指导意见》[1]，围绕“水利工程补短板，水利行业强监管”总基调，要求全方位推进智慧水利建设，把智慧水利建设作为促进水利现代化建设的着力点和突破口，作为创新水利管理模式的重要契机，作为推动智慧社会建设的重要实践，作为满足人民对美好生活需要的重要手段。

马銮湾新城规划片区位于厦门市西部、海沧区北部马銮湾片区，共有 9 条溪流汇入港湾，各溪流下游与灌溉渠道相通，呈现纵横交错水网[2]。马銮湾区域现状水体复杂，水质有不同程度污染，滨水空间未能形成良好格局，现状水利工程措施缺乏系统、科学的运行调度规则，不合理的调度措施会造成行洪安全与淡水资源浪费[3]。鉴此，马銮湾新城建设有（或规划建设）新阳主排洪渠 1 和 2# 闸，人工岛内湾过芸溪水闸，过芸溪 1 和 2# 翻板闸，深青溪闸、瑶山溪闸、祥露溪闸，环湾南溪 1，2 和3# 闸，马銮湾出口海堤 9 孔闸（已建），翁厝涵闸（已建）等 13 座水闸。通过在河口建闸，有效地拦蓄上游淡水水源，同时合理利用再生水配水，保持新城水生态多样性，改善水质，维持较好的水生态景观，打造水敏感宜居城市[4]。基于此大背景，为深入挖掘和广泛运用水利信息资源，全面提升水利工程管理的效率和效能，构建马銮湾水安全保障体系，提升水安全保障能力，实现马銮湾地区水利工程现代化、标准化管理。在工程补短板，行业强监管的总基调下，马銮湾片区水域进行了水闸联合运行调度系统智能化建设研究。

1 总体设计与建设原则

深入贯彻落实“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水方针，按照“强水利、美生态、富百姓、建队伍、保平安”的总体要求，按照“标准规范的管理体系、整洁美观的工程面貌、相得益彰的滨海风情、先进智能的信息系统”的目标，建设智能监控、水文预报、雨水情监测、水闸安全监测等系统，标准规范的管理体系，以及安全秀美水闸及闸群一体化信息平台。围绕“美丽厦门”战略规划，充分运用物联网、云计算、AR（增强现实）、智能视频分析等新兴信息技术，利用专业管理软件、可编程控制器、组态软件平台、通信网络、视频服务器等设备开发集成，前端控制、监控设备和后端的软件平台相结合，构建监测类型丰富、监测手段多样、信息传输稳定、控制安全可靠的全覆盖立体感控体系，建设马銮湾新城水闸智能联合运行调度系统（以下简称水闸智能调度系统）。实现“更全面的感知、更科学的决策、更智能的调度、更高效的管理”目标，促进水利信息资源的深度整合应用，提升水安全保障能力，打造产城融合的国际化智慧生态海湾新城，为建设美丽厦门提供强有力的水利支撑。

马銮湾新城区域水利信息化建设是一项规模庞大、结构复杂、功能丰富、涉及面广的系统工程，为确保工程达到预期目标，在水闸智能调度系统建设中应遵循以下原则：1）城水和谐，科学发展；2）需求导向，重点突破；3）建管并重，务求实效；4）技术先进，科技创新。

2 建设内容

2.1 生态物联感控系统

将水利工程信息化建设与马銮湾生态新城建设紧密融合，使水生态环境与城市发展和谐共处，充分保障城市的防洪安全和生态环境。为构建马銮湾新城水系联合调度控制系统，提升水闸的统一管控水平，需建设生态物联感控系统，建设内容包括以下 4 个子系统：

1）闸门远程控制子系统。为实现扁平化管理，马銮湾生态新城建设工程闸门远程控制系统按无人值班（少人值守）原则设计，采用计算机监控为主、简易常规监控为辅的控制方式，对马銮湾新城区域管辖内的水闸进行闸门远程控制系统建设，实现对所有水闸的统一调度、管理、控制。

2）视频监控子系统。通过视频监控系统可实时掌握马銮湾新城区域内的现场情况，为各管理决策者提供一种全新的、直观的、扩大视觉和听觉范围的管理工具。另外，视频监控系统作为闸门远程控制系统的辅助系统，在工作人员对闸门进行远程操作时，可利用辅助监视系统，了解现地设备的运行全貌，全天候 24 h 监控、报警联动，及时发现事故隐患，预防破坏，减少事故，最大限度地保护工程设施安全。为达到全方位、无死角的视频监控，主要布设范围包括工程类、生态环境类、安防类 3 类。

3）水文监测子系统。水文监测系统是对马銮湾新城区域水系水文信息进行采集、存储、分析、输出等操作的信息服务系统，是防汛指挥决策系统的重要组成部分。

4）水质监测子系统。入马銮湾的主要支流中过芸溪、深青溪和瑶山溪 3 条溪流流量占入湾流量的90%，马銮湾新城内湾水闸群智能联合运行调度工程考虑在 3 条溪流入口处分别布置 1 个水质监测点，共计 3 个，监测参数包括常规五参数、COD、氨氮。

2.2 数据交换共享服务系统

随着现代信息技术的日新月异，水利科技发展应坚持开发和应用物联网、云计算、大数据、移动互联等高新技术，在台风防汛、工程集控、水闸管理、水闸联合调度等重要领域能更及时客观地获得数据和信息，更准确、高效地进行预测和预警。针对马銮湾新城水利数据资源分散、数据共享及深入挖掘分析能力不足等问题，建设马銮湾新城数据交换共享服务系统，全面汇聚整合马銮湾地区水利相关数据资源，实现数据资源的统一管理和高效共享，同时利用水利专业分析计算技术，构建各类水利专题数据服务，为水利业务系统提供统一的数据服务支撑，形成资源丰富、服务专业、共享高效、管控可视的水利数据服务体系，最终实现“数据资产化、服务价值化、管控可视化”的目标。

2.2.1 水利数据资源建设

按照“一数一源”原则，对马銮湾地区水利相关数据资源进行调查与梳理，建立数据资源目录。遵循国家及水利行业数据库标准规范，建立各类标准数据库，对水利数据资源进行统一存储。通过信息的集成与存储，对相关数据资源进行整合，建立横向不同水利业务之间、纵向各级水利部门之间的数据交换共享机制，打破传统数据资源的信息孤岛，充分发挥水利、水生态数据资源效能。

2.2.2 专题数据服务建设

结合水利专业分析计算、模型和云计算等技术，通过一系列的标准化、规范化、专业化的数据服务建设，构建防汛、工程管理、水生态、地理信息等专题服务，为马銮湾地区水利业务系统提供统一的专业数据服务支撑，满足水利业务应用需求，实现水利信息服务价值化的目标。

2.2.3 数据交换共享管理建设

建立数据交换共享管理系统，构建数据资源、服务管理，数据及服务监控，以及数据可视化展示等功能，对马銮湾新城水利数据资源和专题数据服务进行统一管理，实现水利数据资源、服务的可视化全链路管控，有效维护水利信息化产品的生命周期，为水行政主管部门的数据资源管理及交换共享提供支撑。

2.3 水闸智能调度管理平台

以马銮湾新城防汛减灾、工程运行管理、水闸联合调度等核心业务需求为索引，建设马銮湾水闸智能调度管理平台，构建防汛防台综合应用、工程集控管理、水闸智能联合调度、增强现实立体防控、马銮湾综合门户等业务应用，实现马銮湾新城防汛信息全面及时掌握，区域工程集中控制管理，防洪排涝及水生态科学调度，区域信息全方位立体监控，为马銮湾新城水利工程的现代化、智慧化管理提供支撑[5]。智能调度管理平台关系图如图 1 所示。

图 1 智能调度管理平台关系图

2.3.1 防汛防台综合应用

厦门位于福建省东南部沿海，易受强热带风暴和台风袭击，洪涝灾害影响严重。采用先进的计算机、地理信息等技术，构建一个全面、完善的防汛防台综合应用系统，提供台风综合信息、综合汛情监控、精细化降雨数值预报预警、防汛分析简报等功能，实现多元防汛信息的快速汇聚、及时预警，为马銮湾新城防汛人员提供防汛防台综合信息服务，有效减轻洪涝灾情损失，全面提升防洪减灾的效率。

2.3.2 工程集控管理

厦门市小型水闸多由社区负责日常管理工作，在防洪、灌溉和生态等方面发挥着重要作用，但经过多年的运行，这些水闸在安全管理方面存在以下问题：控制运行、消防安全、值班考勤等规章制度不完整，未上墙；资金短缺；水闸调度运行方案、安全管理（防汛）预案没有针对性。为此提出“以大带小、小小联合”的区域工程集中化管理的模式，针对马銮湾新城水闸工程，利用现代信息技术，建立统一的工程集控管理系统，实现对水利工程监控、运行、维护的统一管理，保证水利工程安全可靠运行，推动工程安全生产和规范管理，为马銮湾新城水利工程管理提供完善的一体化管理体系。

2.3.3 水闸智能联合调度

实际运行过程中，洪水演进和水生态环境演变过程复杂，马銮湾闸泵工程组成联合调度工程群，可实现防洪排涝和水环境调度等功能。若水利工程群仅按照控制运行计划执行，而无专用调度指挥工具，面对非常规洪水或水环境演变等形势时，多工程优化调度实现难度大，所以需要建设统一精细协同调度的业务系统，构建多目标调度模型，实现区域水闸智能联合统一精细调度。

2.3.3.1 防汛排涝调度决策辅助子系统

1）防洪排涝调度模型建设。根据研究区域特性、下垫面条件、闸泵工程特性及城市防洪防潮特征，建设水文学及水力学耦合的防洪防潮调度模型，支撑区域防汛工作。防汛排涝调度模型包括产流、河网水动力、潮位预报、实时校正、平原淹没分析等模型。

2）洪涝演进模拟。利用防洪防潮调度模型，通过降雨时空分配、产流在线计算、潮位预报、泵站调度模拟、水流演进模拟等流程化的作业过程，进行水流演进模拟方案的计算，在系统中进行相关方案条件的配置，系统调用后台模型进行水流演进模拟。

3）洪涝计算成果分析。实现对降雨信息统计分析、产流信息计算分析、闸泵调度排水分析评估、断面水位-流量关系分析、淹没信息统计分析。

4）洪涝淹没动态仿真。根据模型计算结果，可对洪涝演进过程进行动态仿真模拟，仿真模拟洪涝演进过程中淹没水深变化，对一场洪涝的演进给以直观的感受，更迅速地了解洪涝演进情况及洪灾成因，有利于提高防汛决策工作水平。

5）洪涝灾情分析评估。基于水流演进模拟方案成果，在系统中进行洪涝计算成果分析、洪涝影响分析、灾情损失评估、在线简报生成、洪涝风险图图件制作等，相关操作均基于 WebGIS 地图进行，提供更科学精准的分析和更高效的交互及信息展示。

6）调度方案评价优选。方案评价优选是对多场洪涝计算方案进行评价对比，以优选出洪涝风险更小的方案。对不同闸、泵调度情景的方案，在系统中对洪涝淹没情况、时长等指标进行对比评价，推荐优选方案为洪涝调度执行方案。2.3.3.2 水生态环境调度决策辅助子系统

1）水环境调度模型。水质模型是水体水质变化规律的数学描述。通过数值计算模拟预测水质污染物输运规律；通过调研分析，概化区域污染源，考虑区域闸泵工程特性；通过对对流扩散方程与水流演进计算模型耦合求解，进行水环境调度模型建设。

2）水生态环境监测与评价子系统。通过水质监测收集到的基础数据、污染物排放情况及评价水体的水情，运用水环境容量计算模型，计算水体污染物分布及输移趋势、水环境容量等，按评价指标是否满足水质标准和水体所处水功能区要求，综合评价水体的水质状况。

3）水环境调度决策支持系统。一般的引清调水，由于引水时机或方式不科学，会导致清水浪费，利用效率低。引清调水决策支持系统利用水质模型，通过在线的调水方案制定与计算、分析及会商、跟踪及优化等功能可实现水环境优化调度支持。根据实时水情及工情，规划最优调水时机及路线，通过配水的稀释和置换作用，使水质较差的水体增加流动，调活水体，提高复氧、自净能力，改善水质，为提高水环境质量提供决策支持。

2.3.4 综合应用门户

利用现代化信息技术，建设统筹全局、一站式登录、多维信息融合的马銮湾综合应用门户，构建统一门户、马銮湾生态调度指挥大屏、移动工作系统，实现马銮湾新城水利和水生态综合信息分析及成果的智能化统一分析展示、管理、导航，为区域防汛防台、工程管理、水生态环境管理提供支撑。

2.4 指挥调度中心

2.4.1 数据中心

建设马銮湾新城工程数据中心和标准化机房，并配套相应的软硬件设施，避免软硬件资源的重复建设，为马銮湾新城工程的信息化建设提供安全、稳定的基础运行保障环境。

2.4.2 调度中心

为实现对马銮湾新城城区水闸的调度及水资源的优化配置，提高城区水利工程管理能力，实现对城区水闸、水资源日常的运行管理与调度，根据马銮湾新城水闸规模，初步考虑建设 1 个总调度中心，分中心则根据水闸方案进行设置，调度中心与分中心采用专网实现互联互通，专网包括工控与视频专网。调度中心系统建设包括大屏幕显示、会议扩声、集中控制及配套设施等子系统。

2.5 水闸联合调度运行计划

工程调度运行计划是在典型工况条件下制定的，为实现防洪排涝、挡潮、水环境调度等目标，用于指导工程运行调度的规则。马銮湾水闸群需要结合现状工程情况，按照典型洪水发生及水环境演变等过程，结合马銮湾水文、潮汐情况进行洪潮组合，对错峰调洪演算等进行计算，制定满足工程调度目标的控制运行计划。

3 结语

当今社会日新月异，互联网、人工智能、数字信息化突飞猛进，日行千里，近年来以互联网、大数据、物联网、人工智能为代表的新一代网络信息技术，正加速与经济社会各领域深入渗透融合。要推进新时代水利现代化的发展，必须全方位推进智慧水利建设，提升水安全保障能力，为水利改革发展提供有力支撑。马銮湾新城水闸群通过生态物联感控系统、数据交换共享服务系统、智能调度管理平台、指挥调度中心及水闸联合调度运行计划等智慧水利信息化建设，建立马銮湾片区水闸智能联合调度系统，打造福建省领先的智慧水利金名片，有力提升全局工作能力和管理效率，实现马銮湾水利工程现代化、标准化管理，正是智慧水利建设的完美典范。当然，因研究范围和投资预算等各方面原因，如何在更大范围内进行水利工程的协同智慧建设还未更多拓展研究，这些需要各方面更多的投入，更大的决心，做到更大范围水利一张图，多规合一，协同建设与智慧调度运行管理。