长距离引配水工程综合管控智慧平台的设计与实现

舒依娜，胡露骞，沈启航

（1.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏 南京 211102；2. 杭州市千岛湖原水股份有限公司，浙江 杭州 310009）

1 问题的提出

2003年，作为江南水乡的杭州、嘉兴一度面临“水乡缺水”（主要是污染引起的水质性缺水）的窘境，千岛湖作为长三角地区战略备用水源，具有一级地表饮用水的独特优势。杭州市第二水源千岛湖配水工程于2015年正式开工建设，2019年9月正式通水运行。将千岛湖水通过配水工程的全封闭输水隧洞，从淳安县金竹牌村输送至闲林水库后，再通过供水工程线路流入杭城千家万户，规划年配水量为9.78亿t，全长113.22 km，洞径6.7 m。这是关系近千万居民饮水安全及钱塘江水资源科学配置的重大民生工程，对改善杭州市区的饮用水水质、确保供水安全具有重要意义[1-2]。

面对规模如此庞大、意义如此重大的民生工程，工程建成后如何保障其安全运行并实现高效管控是亟需研究的重要课题。目前我国的类似工程虽然建设了不同规模、不同利用目的的自动化、信息化运行管理系统，积累了丰富的研究与实施经验，但多数是在各行业内部分散建立专业管理系统，缺少统一规划、协调，缺乏统一的管理平台，系统之间保持独立，不能相互支撑，无法进行高级分析、联动分析，资源无法得到优化配置[3-4]。提高长距离引配水工程的智慧化程度、实现安全高效综合管控是工程运行管理建设的方向，更是社会发展的必然要求。当今社会智能新兴技术飞速发展，智能概念正渗透到社会生产生活各方面，引发各行各业发生深刻的变革，水利和水务行业也不例外，均在开展智慧水利、智慧水务的探索实践，通过引入智能化技术助力行业创新发展。

2 工程主要特点与需求分析

千岛湖配水工程主要建筑物包括千岛湖进水口、输水隧洞、闲林出口流量调节及消能设施、闲林水库取水口、闲林水库下游输水首部，以隧洞输水为主，沿途设有多个分水口，各建筑物之间衔接段的水力过程复杂，输水过程控制难度大，相应要求也较高。工程沿线地形、地质条件复杂，运行的安全监测至关重要。由于渠线长、管线长，人工巡视工程安全较为困难。此外，因本工程为城市供水项目，对供水保障及水质要求较高，需要及时掌握水体的水质状况，预警预报重大水质污染事故，给出应急预案。

结合千岛湖配水工程特点，以保障工程安全可靠供水、科学水量调度、现代化综合管理、智能自动监控、高清晰视频监控、高效办公自动化等综合需求为出发点，充分利用数据采集、监视控制、通信、计算机网络、自动控制、云服务、GIS地理信息系统、BIM等技术，以综合信息服务、多源全景监控、水量调度管理、智能安全运行与决策支持、智能化运维管理、智能安防与行为分析、三维GIS虚拟仿真、门户与移动应用等业务应用为中心，构建涵盖千岛湖配水工程水资源信息采集、传输、处理、存储、管理、服务、应用、决策支持和远程监控等信息展现流程为一体的综合管控智慧平台，及时、准确地对全流域范围内的水情、水量、水质、图像、视频、工情等信息进行自动化汇集存储、共享分发、预测预警和决策支持，实现对水资源的实时监测、调度和管理，逐步达到“采集自动化、传输网络化、集成标准化、管控一体化、决策智能化”的目标。

3 关键技术研究

3.1 一体化管控支撑技术

对平台涉及的数据模型、应用服务、人机界面等进行一体化设计与规划，根据各个子系统或功能模块的业务特点和相互之间的内在联系，通过高速数据总线构建横向互联的数据交换服务架构，构建一个覆盖水利全业务支持的一体化平台。一是采用开放式面向服务的支撑平台体系架构、先进组件技术和集成技术，实现管控中心业务应用的集成和共享；二是研究统一的可视化图形展示技术，实现工程监视、分析、控制和辅助决策的可视化展现。

采用标准、先进、开放、可靠、安全、适应性强的一体化支撑平台，为工程提供灵活开放的信息化结构和高效可靠的技术支撑，通过综合集成现有各类信息化系统，打通信息孤岛，建立统一的数据中心和一体化应用系统，并提供统一的访问机制，实现不同权限用户的数据访问和业务应用，达到信息资源共享和业务协同的目标。

3.2 一体化运维技术

提出并构建了基于多元物联感知测控的引配水工程全线一体化实时调控，并从设备故障诊断与运维层面，提出并构建“三层五域”（现地—站（所）—中心、硬件—软件—数据—网络—安全）一体化监控。以围绕设备的全生命周期管理为理念，从设备投运建档，日常运行告警，巡视运维检修，到最终运行状态评估，实现针对设备的全方位精准运行管理。将长距离调水工程运行与运维融合，打破传统调水工程多为专业自动化系统独立构建的现状，解决工程全系统故障识别不准确、不全面、不及时、智能化程度低等难题，真正实现水利信息化系统运维工作的少人值守和智慧化。

3.3 运行调度与辅助分析决策支持技术

运行调度与辅助决策充分考虑工程本身的特点，利用各类分析手段与算法，结合长距离引配水工程运行情况，融合现有专家知识，建立适应调度管理的数据模型。提出融合电站机组模型、调流阀模型、控制理论、优化算法的“供水—发电”并联运行模式下的恒水位在线优化调度控制模式，利用分布式应用服务集成，充分融合现有各业务流，发挥智能调度决策优势，研究综合实时监视、趋势预测、报警预警、调度分析为一体的调度管理智能化功能，实现日常调度运行辅助决策及自动闭环控制。不仅确保工程运行管理智能化、一体化，而且有效提升供水与发电综合效益，使整体运行效益最大化[5]。

3.4 三维GIS与BIM虚拟仿真技术

对倾斜摄影模型、BIM、精模、矢量、地下管线、地形等多源数据进行融合，为不同应用系统之间的三维空间数据共享和互操作提供开放、标准、通用的数据基础，推动多源异构的三维数据融合。通过三维符号化技术实现点、线、面要素在三维场景中的快速构建与可视化表达，解决海量点、线、面要素在三维场景中真实再现的问题。应用逼真的场景元素、丰富的数据类型、强大的功能，以及三维特效的支持，提供一系列功能，帮助用户掌握创建场景、添加二维三维数据、设置图层属性与图层风格、绘制对象、制作专题图等实用操作。基于WebGL技术实现三维GIS场景的可视化，在各个方面都最大可能地还原真实世界中的景观，同时提供一系列三维特效，如隧洞穿透、闸阀启闭过程、泵站运行过程、取水口取水、管道水流、渠道水流特效表达等[6]。

4 平台设计与实现

4.1 平台总体框架设计

千岛湖引配水工程综合管控智慧平台系统总体框架见图1。系统开发建设采用先进、科学的信息技术，搭建系统总体框架，尽可能避免未来重复建设，为系统开发建设和运行维护打下坚实基础[7]。

图1 千岛湖引配水工程综合管控智慧平台总体框架示意图

系统内部交互实现主要包括以下核心部分：

信息采集交互平台是调度运行管理系统的基础，实现全线现场自动通信、控制、数据采集、人工上报、外系统数据接入等各类专业数据信息的采集处理与信息下发，实现与其他外部系统的通信与数据交换，并按统一数据资源管理平台接口要求写入数据资源管理平台。

数据资源管理平台通过建立统一的数据模型，建立分布式网络存储管理体系，整合系统资源，实现各类数据、信息的集中存储、管理、分析与共享，形成统一的数据存储与交换和数据共享访问机制，为一体化应用平台建设及各类智慧应用提供统一、完整、有效的数据支撑。

应用支撑平台是连接数据中心和业务应用的桥梁，为各类业务应用提供一体化支撑，是实现应用系统之间、应用系统与其他平台之间进行信息交换、传输、共享的核心。主要包括数据处理、权限管理、数据查询、报表、图形框架、综合报警、综合展示、数据通信、控制服务等功能。

4.2 平台网络架构设计

总体上采取纵向分层、横向分区的系统架构。纵向按工程特点分为3层：第一层为中心层，即会商管理中心；第二层为分中心层，即闲林水库调度中心和金竹牌备调中心；第三层为现地层，即沿线闸阀控制设备（见图2）。

图2 综合管控智慧平台纵向分层设计图

横向上，按水利信息化网络特点拟采用分区网络划分原则，分为内网和外网（见图3）。

图3 综合管控智慧平台横向分区设计图

其中生产控制区、管理信息区属于内网，两区之间通过专用物理装置进行隔离，严格控制区间流量的信息交换，保证控制区安全，管理信息区与外网通过防火墙连接。

控制区承载与水利监控和水利生产密切相关的业务，负责水量调度和自动化监测监控，通过调度指令与自动化监控的交互运行，完成日常水资源调度的主要业务，包括：水情测报、水质监测、闸阀监控、工程安全监测、电站监控等实时性要求比较高的业务。各个业务之间应采用VLAN进行网络划分，以实现各个业务之间的隔离。管理区用于承载综合信息服务、水量调度、智能化运维管理、综合会商决策、办公自动化等各类业务系统，为生产运行提供管理信息化、决策辅助等功能，为全线配水提供全方位、多维度的信息化支撑，进一步提升智能化程度与水平。

外网主要提供互联网接入业务，用于日常办公文件下载、网上信息查询等。

4.3 平台数据库设计

根据千岛湖配水工程综合管控智慧平台功能业务的要求和特性，在一体化数据库的框架下，根据业务要求设计了公用模型资源数据库、水情水质数据库、监控数据库、工程安全监测数据库等13类数据库，并设计业务专用数据存储表。设计时尽量考虑兼容传统计算机监控、水情测报、安全监测等自动化系统的相关业务模型，通过业务对象内部通信和数据对外服务机制，构建一体化的千岛湖配水工程综合管控智慧平台数据库（见图4）。

图4 综合管控智慧平台数据库设计图

4.4 平台功能设计与实现

综合管控智慧平台应用层包括系统管理、多源全景监控、水量调度管理、智能安全运行与决策支持、智能化运维管理、数字化工程管理、智能安防与作业行为分析、三维GIS虚拟仿真、综合信息服务、门户与移动应用等10大类业务应用系统。

系统管理：系统管理是对系统本身的功能、环境配置进行管理，主要指对系统用户菜单、数据字典、系统日志的管理与配置。

多源全景监控：在各类现地自动化通信服务资源、自动化监测数据源、定制监控监测视图和“一张图”的支撑下，以简洁明了的图表方式显示各类监控信息和结果。以图、文、声、像等形式，通过现地通信服务直接与自动化资源交互，面向不同层次的需求，提供实时水情、水质、闸泵阀监控、安全监测等多源全景监控。

水量调度管理：实现千岛湖配水工程自动化调度运行，提供优化调度决策服务，保障工程在多水源情况下的经济运行。具有水量调度日常业务管理、水资源配置方案编制、实时水量调度、应急水量调度、用水计量与水费征收、水量调度评价等功能。

智能安全运行与决策支持包括：智能告警、工程安全分析评估、事故应急响应与会商决策3个子模块。

智能告警可根据功能测点信息自动识别设备对象，标识关键属性，根据对象类型、关键属性和预定义的策略自动生效报警判断逻辑，能够以不同工况下数据的历史统计信息为基础进行综合判断，产生告警信息并通过各类终端形式进行推送和确认。

工程安全分析评估基于对结构物的原型监测资料，以理论知识和专家实践经验为依据，以综合分析推理为手段，获得对被测对象历史运行性态的基本认识，进而对监测对象当下的安全状况做出评估，对未来（或特定条件下）的安全状况做出预测，并将上述认识、评估和预测结果予以反馈，为工程施工、运行调度和维护管理提供决策支持。

事故应急响应与会商决策主要是提供安全支持和事故应急处理。当水质状况、气象水文条件、工程安全性状或闸阀监控系统等出现超限险情或异常等事故时，通过事故应急处理预案与决策支持系统对工程的安全运行起到重要预警、指导、保护作用。

智能化运维管理：实现对信息系统及现地监测设备等所有资源进行7×24 h全面监控，对业务系统及支撑业务系统的所有资源进行全面监控、合理配置、有效管理，保证众多基础IT设施、现地测控设备和业务应用系统安全、可靠、稳定地运行并最大程度地发挥性能。

数字化工程管理：将运行维护管理业务电子化，取代传统手工操作方式，推进工程管理流程的标准化、科学化、规范化。建立规范的工程养护资金投入、使用、管理与监督机制，实现水利工程安全运行，降低运行和管理费用，确保水利工程效益充分发挥。

智能安防与作业行为分析：借助智能安防视频监控及作业行为智能分析，进行目标检测、运动分析、行为识别等视频分析，对作业行为进行7×24 h监控，实现“无人值班、少人值守”的目标。

三维GIS虚拟仿真：通过对水利枢纽、渠道、重点设施和建筑等进行BIM建模，将其载入三维场景中，实现各类水利枢纽、设备设施等建筑的相关参数、工况数据以及各类监测数据的查询和展示；实现相关调度运行过程的动态模拟功能；实现对事故进行预警的功能；实现与生产管理相关的空间分析功能；以达到更加科学的管理目的，为用户提供辅助决策支持[8]。

综合信息服务：采用GIS等技术，依托建立的综合数据库（公共模型资源数据库、水量调度数据库、工程安全数据库、工程管理数据库、基础空间数据库和办公自动化数据库等），对各类专题信息进行组织和加工，构建满足用户需求的综合查询、统计分析、空间分析和图像监视等方面的服务功能，并采用可视化手段展现服务内容。

门户与移动应用：为工程业务系统的统一对内、对外信息整合构建发布平台、公众互动交流平台、公众业务受理平台、移动办公平台。具有为公司负责人及业务人员提供更加方便快捷的系统访问功能、快速获取相关信息功能以及移动办公能力，从而提高公司的业务处理效率，为社会公众提供公司对外公开信息、互动交流和受理公众业务等功能。

5 结 语

长距离引配水工程建设是关系民生的重大工程，其重要性不言自明。人工管理、传统自动化管理、简单信息化管理的方式已不能满足复杂引水工程的综合管理、标准化管理、多维分析、高级应用等需求，建设长距离引配水工程综合管控智慧平台意义重大。本文以千岛湖配水工程为例，结合其特点开展综合管控智慧平台需求分析，对平台架构、网络架构、数据中心、功能应用等进行全面研究与设计，为类似的长距离引配水工程智慧管控领域提供理论依据和技术参考。

社会正步入人工智能时代，新一代信息技术在水利行业得到应用，如何提高水利工程智慧化程度需要持续研究。长距离引配水工程综合管控平台的建设内容丰富，如物联网数据的接入、基于时空大数据的分析与挖掘、工作流引擎等，都是下一步需要重点研究的内容和方向。在今后的研究中，将基于当前千岛湖配水工程的建设内容，进一步高效整合和优化配置信息资源，围绕运行、调度、生产、运维、服务等5个方面，将“六智”理念与多场景应用融合，建立智能监控、智能研判、智能调度、智能管理、智能运维、智能服务等智慧应用体系，逐步实现水利工程智能化的目标。