陕西省宝鸡峡现代化灌区信息化发展与展望

张平辉，章新川

(1.陕西省宝鸡峡引渭灌溉中心，陕西 咸阳 712000；2.陕西省水利信息宣传教育中心，陕西 西安 710004)

1 宝鸡峡灌区概况

宝鸡峡灌区位于关中平原西部，西起宝鸡峡口，东止泾河右岸，东西长181 km，南北平均宽14 km，由1937年建成的渭惠渠、1958年建成的渭高抽灌区和1971年建成的宝鸡峡工程于1975年合并而成。灌区分为塬下(原渭惠渠)与塬上(原宝鸡峡)两大灌溉系统，设施灌溉面积296.56万亩，有效灌溉面积283.87万亩，设计引水95 m3/s，校核115 m3/s，承担着宝鸡、杨凌、咸阳、西安四市(区)14个县(市、区)的农业灌溉任务，目前是陕西省最大的灌区，也是全国十大灌区之一。灌区以占陕西省1/18的耕地面积，出产了占陕西省总产量1/7的粮食和1/4的商品粮，为保障陕西省粮食安全、推动经济社会发展做出了重要贡献。

2 宝鸡峡灌区信息化建设情况

近年来在中省续建配套项目建设下，为解决宝鸡峡灌区输水渠线长、灌排工程分散、配水过程复杂、工程安全检测难度大、用户多、管理手段落后、服务能力弱、管理效率低等问题，围绕通信网络、信息采集、闸门监控、视频监视、基础设施及应用系统相继开展了逐年度、分阶段信息化建设项目。

(1)通信网络：宝鸡峡灌区结合自身地理环境特点，采用专公网相结合方式，依托渭河干流整治工程2.5 G光纤环网，自建光纤、微波、租用线路相结合等方式，在帝王抽水站、大北沟水库和信邑沟水库建立60 m通信铁塔各一座，在扶风总站建立40 m通信铁塔一座，通过无线扩频和无线网桥通信系统连接礼泉总站、大北沟水库、信邑沟水库、扶风总站、泔河水库、泔河二库，租用电信链路汇接宝鸡总站、宝工局、杨凌水电总站、兴平总站，初步形成灌区通信网络，实现了管理局与管理总站之间的视频会议、多媒体信息发布和局域网业务应用。宝鸡峡灌区通信网络架构见图1。

图1 宝鸡峡灌区通信网络架构图

(2)信息采集：以GPRS传输、太阳能供电、巴歇尔量水槽、雷达水位计或电子水尺、气象传感器等，建设了渠道水位水量监测站51处、墒情监测站2处；配置基于北斗导航卫星智能巡护终端60台，用于宝鸡峡灌区98 km塬边总干渠工程巡护。

(3)闸门监控：以PLC自动监控技术建设了魏家堡渠首闸门16孔、孝母分水闸4孔、福林堡退水闸5孔、金陵河进水闸3孔、王家崖进水闸、王家崖东坝防水闸共计68孔闸门监控站，实现闸门现地、远程监控和实时信息采集传输处理。

(4)视频监视：基于视联网技术，集成视频会议、视频监控于一体，建设视频点150处、视频终端7处，视频会议和视频监视同平台管理和各种视频源接入、调用，实现了对宝鸡峡渠首、六个水库主要水利工程和各大交界断面与主要闸门泵站、六大总站和宝工局实时视频监视需求，实时掌握干渠各节制闸运行水位、机泵设备运行，科学合理调配水量，确保工程安全运行。

(5)灌区数据库

建成灌区水源、渠系、机电、灌溉、气象、行政数据库及基础数据库管理系统，初步构成了灌区的基础数据资源中心，为水情、工程、灌区管理提供基础数据支撑。

(6)灌区应用系统

针对宝鸡峡灌区需求，以一张图为基础建立了灌区业务支撑平台和灌区业务应用平台，开发了灌区门户、水情实时数据监视、闸门控制、移动巡护、作物需水预报、用水计划管理、渠道水流模拟与灌溉进度仿真、宝鸡峡微信平台和灌区办公等业务应用系统。灌区门户将管理局内部现有业务应用系统和管理信息集成为统一的浏览平台，通过单点登录和身份认证，按照权限范围查询灌区业务管理信息；水情实时数据监视基于一张图的模式下动态实时监视水情、雨情、水质、墒情、工情；闸门控制结合视频监视，实时监控泵站、闸门开启状态、运行状态，现地与远程监控结合，实时进行水量调度；移动巡护基于北斗导航巡护终端，将巡护的主要险工段、水库、闸门、斗门、断面、易毁渠道等信息汇集到巡护监督平台，实时查看巡护终端的位置、工作状态和上报信息，加强渠道、水库工程巡护安全管理，建立渠库巡护长效机制；作物需水预报以灌区种植结构信息为基础，采用Penman-Monteith方法采用单作物系数法计算作物各生育阶段的作物系数，通过作物系数和参考作物需水量，计算实际作物需水量，为灌区水资源调度提供决策依据；用水计划管理开展用水调度计划、水情日志、水量结算、数据报表，制定灌区年度配水计划、灌季配水计划、管理站配水计划、应变配水计划、水库优化调度和实际用水总结，为灌区管理单位制订科学的配水计划；渠道水流模拟与灌溉进度仿真根据实时上报的测点水情信息动态生成渠道测点水位流量模拟，根据各管理单位的灌季任务量和累计灌溉水量，动态模拟仿真灌区各管理单位灌溉进度；宝鸡峡微信平台将宝鸡峡发生的一些常规和重要的业务动态，快速推送到各级用户的微信，及时了解水调、工程、灌溉、机电等业务最新信息，为灌区三级管理体系在线互动沟通提供桥梁；灌区办公系统完成宝鸡峡灌区公文收发、工作管理、信息交流、短信、邮件发送、会议提醒与查询等。

3 宝鸡峡灌区信息化建设存在的问题

(1)感知范围小、要素不全面、感知自动化智能化程度低

目前宝鸡峡灌区信息采集技术较为传统，仍以单点为主，自动化程度不高，缺乏点、线、面协同感知，新型传感设备、智能视频监视、定位、卫星、无人机、遥感等物联网新技术应用不足。宝鸡峡灌区点线面广，现有感知通信网络覆盖不全、带宽不足，信息基础设施薄弱。

(2)信息资源共享程度不高

目前灌区信息化缺乏统一标准、规范，灌区业务流程不规范，配置兼容性差，造成灌区信息资源整合共享不到位，无法实现信息资源的有效共享、基础设施的共用、业务应用的交互协同，严重制约信息资源整体效益的发挥。

(3)应用支撑能力不足

现有的灌区业务应用系统仅仅是对现有管理模式和流程的简单复制，低水准重复，未做到流程优化再造，不能更好地支撑管理模式创新，失去了以信息化支撑业务管理模式创新的关键作用。大部分业务应用系统还停留在浏览查询、统计分析、信息服务的基础功能，不能满足应用需要，在面向灌区决策、面向业务应用、面向公众服务方面存在着缺失和缺陷。

(4)网络安全防护能力不足

仍以被动防御为主，发电厂及大型闸门泵站关键控制设施缺乏网络安全设施，缺乏完备的安全管理制度体系，无法高效完成安全评估、加固、监控等运行管理。

(5)灌区信息化保障机制不完善

对灌区信息化建设系统性、长期性和关键性认识不足，存在重建设轻管理，灌区信息化所需的资金、机构、人员等保障措施不足，给灌区信息化建设的运行和维护带来诸多问题。

4 宝鸡峡现代化灌区信息化展望

新时期赋予了灌区水利改革发展的新思维、新理念、新内涵，现代化灌区包含工程现代化、技术现代化、管理现代化，其中技术现代化主要体现在融合物联网、视联网、信息网、大数据、云计算、可视化、泛在移动互联网络、人工智能等新一代信息技术。在现代化灌区建设中，必须以灌区信息化体系为支撑，实现从传统思维→现代思维、单一模式→流程再造、被动响应→主动应对、传统人工→智能自动转变，紧扣政府决策支持、服务经济社会发展、贴近民生用水需求重要靶向，充分发挥泛在移动互联网等公共服务手段，扩展服务领域、匹配服务性需求、优化服务方式、增强服务能力。

按照智能感知(物联感知、安全监测、视频监视)、智能监控(工程监控、电站调控、泵站监控、闸门监控)、全面互联(广域网络、互联网络、业务网络、工控专网)、数据中心(大数据库、数据仓库、数据资源、数据挖掘、数据服务)、智慧大脑(大数据中台、智慧使能中台、业务应用中台)、智能应用(工程运行、安全监控、科学调度、高效管理、快速应急)、泛在服务(服务门户、运行环境)、保障体系(规范标准、管理制度、操作规程)等功能定位，宝鸡峡灌区拟以融合政务云、公有云等云服务设施为基础，建设宝鸡峡灌区“两网”(灌区立体透彻感知网、灌区通信网)，一个灌溉云大数据中心，三个中台(数据中台、智慧赋能中台、业务中台)，构建现代化灌溉服务体系，融合卫星遥感、地理信息、视频监控、工业控制、数据可视化等驱动引擎，统揽灌区全方位、多视角、全要素决策支持服务的需求，丰富大数据中心资源、扩展智慧赋能中台决策模型、增强业务中台支撑功能，提升智能化信息枢纽的支撑保障能力，实现智能感知、智能仿真、智能诊断、智能预测、智能调度、智能控制、智能处置、智能管理的灌区智慧化应用。宝鸡峡现代化灌区信息化发展框架见图2。

图2 宝鸡峡现代化灌区信息化发展框架

立体透彻感知网：是提升宝鸡峡灌区资源管控调度能力、管好水资源、解决水安全的关键。以数据智能感知、视频智能监控、遥感数据解译为获取涉水对象及其环境数据的基础，以宽带/窄带物联网通信链路为数据实时交互的通道，以感知数据汇集、视频级联集控、遥感接收处理为数据基础加工和预处理平台，构建灌区立体感知体系。从灌区渠道工程、管理活动的传统信息采集模式向卫星遥感、地面监测、空中遥测等天地空一体化智能感知模式转变，对灌区水源、地下水、土壤墒情、气象指数、作物生长、渠系配水、灌溉用水、渠道闸门状态、泵站机电运行参数实施自动监测，提高信息采集精度。利用各种感知设备、技术手段和方法，动态监测和实时采集灌区工程设施、灌区管理活动感知对象的业务特征和事件信息，提升点、线、面全面感知能力，以实现灌区智慧大脑对涉水对象及其环境信息的监测与感知。

灌区通信网：继续采用专公网相结合方式，依托渭河干流整治工程2.5G光纤环网，以自建专用的光纤、微波工程集控网、租赁公共网络(互联网、5G/宽带窄带)相结合等方式完善灌区通信网，搭建网络安全体系。充分利用现有资源，优化网络架构，以现有的灌区信息网为核心，以视频监控网、工程集控网为辅，结合泛在互联网，形成高速高效、安全可靠、互联互通的宝鸡峡网络结构体系。

灌区云数据中心：基于公共云和专有云相结合的混合弹性架构，在整合利用现有资源前提下，建立灌区云数据中心，进一步扩展计算、存储和网络服务能力，实现计算存储资源的集中共享，为宝鸡峡灌区智慧大脑提供大规模存储和计算能力。同时加强灌区云灾备中心建设，形成完备可靠的互备架构，保障数据和应用安全。通过汇集和治理灌区数据、其他行业数据和社会经济数据，满足多元化采集、主体化汇集、全域数据、“一数一源、一源多用”、数据资源存量和增量汇聚、治理、共享、服务的应用需要，经过数据融合、数据资产治理和数据标准服务，打通业务间数据壁垒，深度萃取数据价值，构建灌区云上的海量数据存储和管理体系的异构多元数据资源中心。通过分布式资源调度、分布式存储管理和分布式数据服务技术，完成结构化、半结构化和非结构化数据的统一管理和服务，从而降低计算存储成本、增长业务效率、大幅提升创新能力，为宝鸡峡灌区智慧大脑提供思考与决策的数据基础。

构建基础数据体系：按照统一的灌区数据模型和灌区对象分类编码体系，通过整合、转换、抽取源数据。形成灌区基础数据库、灌区专题空间数据、灌区对象基本属性数据；形成灌溉工程、水利管理活动实时监测数据库；形成管理数据库，重点补充水资源管理、水工程监控、水安全保障等各类业务管理数据。

构建主题数据体系：按照灌区业务应用需求，通过统计汇总分析维度设计、数据集市和仓库设计、业务分析专题设计，构建覆盖灌区业务主题的即席查询、统计汇总、预测预报、决策分析的主题数据体系，为灌区业务应用提供便捷化的数据主题分析服务。

数据中台：完成灌区数据资源的汇聚整合、清洗处理、存储入库和交换共享的管理，构建与业务应用主题相适应的数据仓库，实现数据资源与业务应用功能模块之间数据交换的调度管理与运行监控。重点需要以数据资源汇聚、大数据集群、大数据存储、多态数据库、大数据仓库、大数据安全、大数据管理为主要内容的数据中台，全面支撑灌区数据资源的广泛应用。由一系列中间件、服务、接口以及中心数据库组成，其核心组件包括数据交换引擎、数据交换过程管控、服务管理以及数据接口管理。

智慧赋能中台：利用模型、工具，围绕数据挖掘、知识运用、业务建模、融合分析、规则应用等进行视觉智能、数据智能与决策智能的开发与能力输出，形成业务支撑、服务支持、辅助决策、综合运维方面的公共服务，从而支撑上层的灌区智能应用。涉及到智慧赋能模型的原型创建、参数率定、实例存储、注册发布、应用调配的管理功能。重点需要结合灌区业务应用，在建立通用数学模型(相关、差异、方差、残差、回归、成分、因子、对应、聚类、判别、距离、逻辑、最优分析，快速聚类、回归预测)的同时，开发通用灌区水利模型(水文模型、水力学模型、水动力模型、水质模型、地下水模型、水利工程模型等)、专用水利模型(水资源配置、需水预测、旱情预测、农业灌溉、工程安全运行评估等)、人工智能算法模型(决策树、神经网络、数据挖掘、深度学习、图像识别、视频识别、语音识别等)，全面提升灌区综合决策服务的智能化水平。

业务应用中台是灌区应用的综合集成，实现大量应用基础组件和公共服务能力，涉及业务应用组件的开发、注册、发布，业务应用服务的装配、管理、运行监控、智能化服务、可视化展现、自动化监控等功能实现，如统一日志、统一用户、工作流管理、数据交换、信息集成等。融合三维可视化、地信一张图、大数据处理、赋能智慧化、监控智能化、工控自动化等专业驱动引擎，开发身份认证、数据交换、报表定制、电子印章、电子标签、安全认证等基础应用服务，全面支撑综合业务应用的开发与服务。以“灌区一张图”为现代化灌区应用提供地理信息平台和空间展示框架，构建一套标准的网格化规范支撑体系，支撑多元化、精细化、个性化的管理功能，基于大数据云平台服务总线的基础服务、核心服务、接口协议服务，融合GIS、SCADA、BIM、视频GPU、虚拟现实VR、人工智能AI、数据可视化等技术，开展灌区水源预测、土壤墒情监测、作物灌溉预报、用水计划编制、渠系优化配水与调度管理、闸门自动监控、泵站自动监控、工程安全视频监视应用，全面支撑灌区业务应用开发、部署、运行、管理。对工程运行管理、工程安全管控、在建工程监管、应急事件处置、监督考核、运行管理等方面，汇聚水雨情监测、工程运行监控、工程安全监测、视频智能监视等信息，推进工程基础数据与灌区一张图联动更新，实时掌握宝鸡峡灌区水利工程监测监控信息，提高工程运行调度管理能力。以视联网技术重构灌区视联网架构体系，全方位、多元化、智能化为动态监控、决策分析、调度指挥、应急处置提供高清视频服务，保障工程安全运行。通过视频智能监视、边缘计算、集中管控，对海量的图片、视频、音频、文字等信息进行处理与识别，对污染物、涉水非法活动等进行采集、分析、识别、搜索，并及时反馈识别结果、形成结论，实现图像识别、分析处理、监视预警，为决策者提供更加精准的决策依据。将以大数据平台监控得到的数据结果以视觉智能、数据智能的形式输出，驱动智慧“决策”，推动现代化灌区智慧化水平整体提升。

宝鸡峡现代化灌区信息化的目标应以“供水为农民服务”作为其核心价值，同时保障生活、生产、生态供水安全是现代化灌区建设的重要内容，基于透彻感知、汇聚整合行业内外信息资源、形成灌区大数据的基础上，通过建立机器学习算法模型和数据挖掘，深度解决生活、生产、生态用水的供需矛盾，提高灌区水资源利用效率和节约用水效能。因而灌溉信息化意味着科学高效地为用水户提供优质的供水服务，包括从水源取水，从干渠到支渠，支渠到斗渠，逐级向下供水，最后到用水户，农民是灌区提供供水服务的终端用户。

现代化灌区是新一代信息技术在灌区业务的高度集成应用，具备透彻感知、全面互联、深度挖掘、智能应用、泛在服务等特征，以现代化灌区为抓手，实施“灌区信息技术标准化、信息采集自动化、信息传输网络化、信息管理集约化、业务处理智能化、协同服务智慧化”，提升灌区现代化能力和社会化服务水平，加快推进新型信息技术与现代化灌区融合发展步伐，实现“工程设施配套全面、资源调配科学合理、节水管控智能高效、生态空间循环良好、城乡供水配给协调、公众服务智慧高效、机制体制创新发展”，以现代化灌区引领灌区发展新业态、增强发展新动力、释放发展新潜能。