基于物联网技术的白龟山水库综合信息化管理系统

2021-08-13田力

水资源开发与管理 2021年6期

田力

(河南省白龟山水库管理局，河南平顶山 467031)

1 工程概况

白龟山水库位于淮河流域沙颍河水系沙河干流上，坝址位于河南省平顶山市西南郊，距市中心9km，水库流域多年平均降雨量为900mm，多年平均径流量为4.03亿m3。水库设计洪水位为106.19m，兴利水位为103.00m，总库容为9.22亿m3，兴利库容为2.36亿m3，是一座以防洪为主，集城市供水、农业灌溉为一体的大(2)型综合利用水利枢纽工程。

水库枢纽主要建筑物有拦河坝、顺河坝、泄洪闸和南、北干渠渠首闸。其中，拦河坝(主坝)为均质土坝，坝长1545m，最大坝高24m，坝顶宽7m；顺河坝(副坝)坝长18016m，最大坝高16.26m，坝顶宽6m；泄洪闸设7孔11m×10m弧形钢闸门，最大泄流量为7105m3/s；北干渠渠首闸设3孔5.0m×3.5m弧形钢闸门，设计灌溉引水流量为120m3/s，并配合泄洪闸加入泄洪流量200m3/s；南干渠渠首闸设2孔2m×3m平板钢闸门，设计灌溉引水流量为35m3/s，加大引水流量50m3/s。

白龟山水库自建成以来，在淮河流域防洪减灾方面发挥了重要作用，确保了下游平顶山、漯河、周口等重要城市的安全，并为平顶山市提供了工业、农业、城市和生态用水，对平顶山市的国民经济发展起到了重要作用。

2 水库信息化建设存在问题

白龟山水库建设年代久远，水库信息化程度落后，已不能满足水库现代化管理的需要，直接影响管理的效率和效果，当前主要存在以下问题：

a.基础监测设施不完备。水库已建有水雨情、大坝安全监测、视频监控等监测设施，但监测设施覆盖面不广，数量有限，未形成一体化的自动化监控网络体系，不能适应具有较高业务需求的信息化系统要求，不能满足水库管理工作精细化需要。

b.缺乏统一信息管理平台。水库监测内容多，日常工作繁杂、涉及信息面广、各类信息分布零散，缺乏统一的集成应用平台，迫切需要建立一个统一、综合、高效的集收集、处理、查询、发布、可视化展示于一体的服务平台，提高水库综合信息的科学性、规范化管理能力。

c.缺乏信息资源共享与标准化建设。白龟山水库现有的各种信息采集基础设施分散，各基础数据未能充分共享与利用，且缺乏统一的规划，前期建设只着重于眼前需要，对于系统的标准化、规范化考虑不足，导致系统生命周期短，后期系统集成扩展不便，信息化建设的投资效益低。

d.智慧型应用基础薄弱。水库日常管理中所需的信息查询、工程监控、洪水预报、日常办公等业务应用技术落后，且各自独立开发，相互间数据不共享，未建立业务应用统一平台，且各业务应用未与新技术充分融合，难以满足新时期网络化管理的需要。目前，移动办公等多元化智能办公手段已经成为水利信息化的发展趋势，而白龟山水库目前无法实现水库管理人员的移动化办公和文件在线交互流转，办公效率低下。

3 系统构建与预期应用效果

3.1 物联网技术

物联网技术是指通过射频识别等信息传感设备，按照相关事先约定将万物与网络相连，开展数据的采集、传输、处理和控制，提供实时在线监测、定位追踪、调度指挥、远程控制、决策支持、预警预报等综合管理功能，最终实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”方面的“管、控、营”一体化[1-2]。

物联网体系结构包括感知层、传输层以及应用层3层架构体系，感知层主要负责识别物体和采集信息，传输层主要负责信息传递和处理，应用层主要负责数据融合、分析决策和应用服务[3-4]。物联网技术主要涉及传感器技术、RFID技术、嵌入式系统技术、智能技术以及纳米技术等五大关键技术，由RFID、传感网、M2M和两化融合四大支撑技术与业务群组成，已被广泛应用于农业工程、电网工程、路网工程、建筑工程等领域[5-8]。物联网体系及支撑技术架构见图1。

图1 物联网体系及支撑技术架构

3.2 系统构建

根据水库建设现状，为提高水库整体管理效率与能力，需将水库信息化服务于水库日常办公、防汛调度、供水、灌溉及建设与管理等各业务要求中，建设与水库发展相适应的综合业务信息化管理系统，用水库信息化手段实现水库管理精细化[9-11]。因此，根据以上要求，白龟山水库综合信息化管理系统主要包括以下子系统：水库综合办公管理系统(电子政务管理系统)、水库安全运行监测系统、水库调度决策支持系统、供水及灌溉用水管理系统、精细化管理系统(水库三维仿真系统)和数据信息显示系统。

水库综合办公管理系统(电子政务管理系统)：主要包含个人事务、知识管理、人力资源、工作流程、文档管理以及会议管理六大工作板块，通过该系统可以实现工作流程简化、办公透明和各部门之间的相互监督，可极大地提升工作效率和服务能力。

水库安全运行监测系统：水库安全监测主要针对坝体安全开展相关工作，通过埋设在坝体不同位置处的监测仪器并设置合理的观测点，可以实现对坝体变形、渗透压力等的实时掌握，了解和评估水库的运行状况。其主要工作流程为通过网络将监测仪器采集到的数据、图像传输到工程安全监测数据处理中心，对数据进行存储和处理，并评估工程安全状况，然后将评估结果反馈给工程管理部门和防汛调度中心，及时完成水库大坝的除险加固，保证大坝安全度汛，工作流程见图2。

图2 水库安全运行监测系统工作流程

水库调度决策支持系统：通过了解水库流域内的降雨信息数据，并根据洪水预报模型实现对流域水情的实时预报，为水库的洪水调度决策提供数据和信息支持。其工作流程为：首先将分散在水库流域各地的雨量数据进行采集并传输到水雨情数据处理中心，通过数据存储和处理，进行洪水预报模型分析，并将模型结果传到防汛调度中心，由防汛调度中心最终决定是否需要进行水库调度，工作流程见图3。

图3 水库调度决策支持系统工作流程

供水及灌溉用水管理系统：白龟山水库还承担着城市供水、农业灌溉等重要任务，为了实现信息化、科学化、节约化、增效化的用水调度目的，需要单独建立供水及灌溉用水管理系统，该系统包含供水量预测、用水量模拟、灌区配水计划以及水费征收四大功能模块，通过不同功能模块之间的相互协作可以实现水库供水及灌溉用水的智能化管理，各模块工作流程见图4。

图4 供水及灌溉用水管理系统工作流程

精细化管理系统(水库三维仿真系统)：白龟山水库库区范围较广，为了全面真实地再现库区环境，提高水库管理水平，因此建设水库虚拟现实三维仿真系统。以白龟山水库数字高程模型和高分辨率遥感影像为基础，采用三维地理信息系统、多维和多种数据融合技术以及虚拟现实技术，对白龟山水库地理信息、水库工程信息、运行管理信息及监测信息进行数字化处理。建立白龟山水库三维可视化平台，以三维交互方式展示水库地形地貌、水工建筑物结构、水库管理区及上、下游河道自然景观等，进行高分辨率的三维可视化浏览、查询、分析与模拟，实现三维虚拟环境下的水库流域三维可视化仿真、河道洪水演进、水库库容实时计算、水库下游河道洪水演进与淹没分析、工程监测信息查询、工程运行数据管理、工程CAD图档管理等工程防洪及运行管理工作的数字化管理，提高工程防洪调度和运行管理的综合自动化水平，见图5。

图5 水库三维仿真系统

数据信息显示系统：该系统主要是对水库流域不同监测断面处的流域降雨量、断面水位、流量、水闸的开度以及预警信息等实现实时的在线显示和查询，可以为各级管理部门提供可视化服务，管理人员可通过手机、平板电脑及其他移动APP等在线查看，实现移动办公和便捷办公[12]。

3.3 系统预期应用效果

a.实现水库各种数据资源的共建共享。综合信息化管理系统以数据为中心，在开发信息资源的基础上，汇集积累数据资源，实现信息资源的集中管理、安全规范、充分共享和全面服务；该系统强化信息化分类标准，在完善数据交换体系基础上，实现各数据节点之间的级联，实现数据的唯一性与共享性，确保基础信息的权威性；通过建立统一的安全体系，保证数据及业务系统的访问安全；以统一的信息管理模式及统一的技术架构为基础，能够迅速地实施部署各种IT系统，提升管理能力。

b.提高水库整体管理效率与能力。将水库信息化服务于水库日常办公、防汛调度、供水、灌溉及建设与管理等各业务要求中，建设与水库发展相适应的综合业务信息化管理系统，用水库信息化手段实现水库管理精细化，可大大节省工作流程，提高水库管理效率和能力。

c.实现水库各业务应用的集约建设。充分考虑技术平台的共享利用，坚持平台公用，接口开放，坚持统一平台、统一运行环境、统一开发接口的原则，既有利于实现应用系统之间的互联互通，又能降低建设和运行成本，为水库防汛抗旱、水库调度、工程运行管理提供技术支持，使水库有限的水资源发挥更大的综合效益。