海宁市智慧水利系统平台研究与应用

2021-11-29范小东李芝云王洁瑜杨文栋

西北水电 2021年5期

范小东,李芝云,史姣,王洁瑜，杨文栋

(1.海宁市水利局，浙江嘉兴 314400；2.中国水利水电建设工程西北咨询有限公司，西安 710100；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前言

海宁地处中国浙江北部，杭嘉湖平原南端，具有“鱼米之乡”的美誉[1]。随着海宁市人口经济的不断增长，为保障当地人口的用水安全，先后在洛塘河圩区内修建了许多泵站、阀门等水利设施，而这些水利设施建设较为分散，尚未进行统一管控[2]；同时圩区洪涝调度是一个非常复杂的过程，不但要实时监测各种汛情数据信息，而且应配置科学合理的洪涝调度方案，为管控部门提供强有力的决策支持从而在保证工程安全的前提下，充分发挥防洪工程效益，降低对环境的不利影响。因此，构建圩区水利系统平台迫在眉睫，是圩区水利智慧化发展的必然趋势。

智慧水利系统平台建设一直是国家和地区水利信息化建设的重要内容，同时圩区因其独特的地形地貌，是区域水利建设的重点，实现圩区智慧管控是区域水利信息化建设的重要环节。近年来，有不少学者在圩区信息化建设中作了较多相关的研究工作。其中，胡正松等人依据平湖市城市防洪系统南市圩区工程闸泵站的特点，设计了一套相对较为完善的自动化控制系统，实现了对闸泵站设备的实时监测和远程控制[3]。邹明忠等人以江阴市月城马甲圩圩区为研究对象，采用Delft-FEWS平台框架，集成圩区河网精细化模型和水文气象监测数据，开发设计了马甲圩防洪调度预警预报系统，实现了圩区智慧化调度管理，提升了圩区调度综合管理决策能力[4]。徐健等人以福建省沙县为例，设计开发了水利一张图、水资源管理系统、水利工程管理系统等子系统的智慧水利信息平台，并阐述了“智慧水利”的构建思路与实践经验，有效的提升了沙县的水利信息化建设水平[5]。

尽管已经有许多学者对圩区的智慧水利平台进行了研究，然而尚未形成适用于圩区的统一管控平台。本文以洛塘河圩区综合整治项目工程为依托，通过分析海宁市洛塘河圩区泵站调度，在线监测洪水预警预报等管控需求，结合物联网、数学模型、GIS(地理信息系统)等技术，形成集闸泵站综合管控、闸泵站控制、洪水预警预报等功能一体化的智慧水利系统平台，为海宁市实现水利信息化提供支撑。

1 关键技术应用

为了能够及时反映圩区的水情状况，本文在设计智慧水利系统平台时，采用了3DGIS技术，结合优化调度模型，实现了海宁市智慧水利系统平台的构建，促进了海宁市的智慧水利建设。

1.1 3DGIS-Cesium技术研究

依托开源的3DGIS-Cesium技术来实现基础数据空间可视化。该技术是基于JavaScript编写的WebGL的地图引擎，在B/S框架下可以支持绝大多数的浏览器展示3D效果，基于 Cesium并配合已有的API二次开发，来实现圩区三维场景下动态地理空间数据可视化和关键数据的空间可视化展示等应用。由于Viewer作为Cesium的核心类库，能够快速搭建虚拟地球Web应用，并且有高质量的保证精度，渲染质量等[6]。因此，本系统采用CesiumViewer来搭建圩区水情信息的三维场景，实现水情信息的空间可视化，更好地展示圩区水情和水环境等数据信息。同时在进行圩区水情信息展示时，采用了多图层服务的理念和方法，将不同的水情、水位、水质等信息数据以不同的专题图层进行表达，同时将其进行叠加处理，从而实现圩区水情信息的空间可视化展示。

1.2 优化调度模型研究

根据海宁市洛塘河圩区的实际情况与现行调度方案基础上，同时针对圩区内部较为复杂的情况，排涝泵站优化调度的影响因素较多，涉及面广，按照洪涝、联调、水环境多目标调度要求，综合考虑降雨、闸泵流量、泵站功率、河道汇水等因素，构建以泵站总排水量等为目标函数的水动力模型，利用模型定量模拟分析不同调度方案(降雨量在20 mm以下及以上2种工况)下区域排涝的影响和效益。圩区降雨后水位高于河道水位时的排涝流程见图1。

图1 降雨后圩区排涝流程图

具体模型构建过程为：目标函数。在根据海宁市洛塘河圩区的实际情况和相关的调研，将泵站最大总排水量作为优化调度的目标函数，其目标函数表达式为[7]：

(1)

式中：Qmax为泵站群的总排水量;Qi为第i个泵站机组的排水量;xi为第i个泵站群的运行状态;ti为第i个泵站群的开机运行时间;n为泵站群的个数。

圩区内河道水位必须要高于最低控制水位Zmin，高于最高控制水位Zmax，其中2种工况下的约束条件为：

(1) 降雨量在20 mm以下工况：

1) 若洛塘河圩区内河道水质满足水质标准时：视降雨强度逐步开启水闸排涝，控制圩区内河道水位Zmax为1.6 m；

2) 若洛塘河圩区内河道水质劣于标准水质时，首先，开启水闸，将圩内水位降至与外围河道水位后，关闭水闸，再开启泵站抽水，将圩内水位控制Zmin为1.0 m；其次，降雨后，当圩内水位低于外围河道水位时，开启长山河侧水闸内水位与外围河道水位一致时，关闭水闸，再开启泵站，圩内水位控制Zmax为1.6 m；当圩内水位低于外围河道水位时，关闭水闸，再开启泵站，圩内水位控制Zmax为1.6 m。

(2) 降雨量在20 mm以上工况

1) 预降：开启水闸，将圩内水位降至与外围河道水位后，关闭水闸，再开启泵站排水，将圩内水位控制Zmin为1.0 m；

2) 排涝：当圩内水位低于1.4 m时，若圩内水位高于外围河道水位，开启沿线水闸排水；若圩内水位低于外围河道水位，则保持水闸关闭。当圩内水位高于1.4 m时：保持水闸关闭，开启排涝泵站，并视降雨强度逐步加大泵站流量，以尽可能保持圩内水位在1.6 m以下。当降雨强度逐渐减弱，圩内水位控制Zmin为1.3 m时，逐步关闭排水泵站。

2 智慧水利系统平台应用

2.1 平台架构

海宁市智慧水利系统平台采用B/S+M/S架构，主要应用功能包括GIS一张图、闸泵站远程控制、实时数据监测、视频监控、预警预报、数据管理、综合运维管控等，平台总体机构如图2所示。

图2 海宁市智慧水利系统平台基本构架图

(1) 感知层。感知层的建设是智慧水利系统平台建设的基础，通过利用各种感知设备、技术手段和方法，采集水利工程设施、水利管理活动等感知对象的要素，状态，事件信息，这些数据和信息分别采用监测设备、物联传感、视频采集及内容解析等获取，经过数据信息加工处理后，为智能应用和公共服务提供必要的数据和信息支撑。

(2) 数据层。针对防洪排涝海量多源数据来源分散、存储方式不同等情况，制定统一的数据标准，实现对数据的多角度整合、分析、调用、共享。

(3) 支撑层。应用支撑层为搭建业务应用层各业务系统所需的各种服务组件，包括集成门户组件、报表工具组件、统一信息组件、分布式微服务框架、应用性能监控服务、应用服务总线、统一标准数据访问接口、统一告警服务、模型决策服务、统一用户管理与认证服务、统一GIS服务引擎服务等。

(4) 应用层。是以洛塘河流域管理已有业务系统为基础，全面覆盖业务管理过程，通过统一的平台架构以及统一的技术标准，建设GIS“一张图”、闸泵站远程控制系统、实时数据监测系统、视频监视系统、预警预报系统、优化调度、综合管控等。实现水利资源的综合监管，全面提升海宁市流域水利业务的精细管理、预测预报、分析评价与决策支持能力[8]。最终形成海宁数字信息化平台，为领导的决策提供辅助决策的能力。

(5) 用户层。海宁市智慧水利系统平台主要是给水利部门和闸泵站管理者，以及运维人员和决策人员提供数据支撑、分析决策依据，帮助决策人员做出最优的决策规划。

2.2 智慧水利系统平台应用

海宁市智慧水利系统平台主要包括GIS“一张图”、闸泵站远程控制、实时数据监测、视频监控、预警预报、优化调度、综合运维管控等应用功能。

2.2.1GIS“一张图”

对各个监测和管控对象，进行综合查询，通过智能化的方案使多个系统的实时数据在同一平台下融合，即构成GIS“一张图”，分别开展水位、水量、水质等基础数据的采集处理、工况运行监测和综合分析及评价。

2.2.2实时数据监测

实时数据监测功能模块主要实现对于降雨监测数据、水质监测数据、河道水位、流量等实时监测数据、闸泵站运行状态监测数据及水生态实时基础监测数据等信息的直观显示。

2.2.3闸泵站远程控制

闸泵站远程控制系统主要是通过系统平台来远程访问总控中心服务器上的控制系统，可以使管理者在面对突发情况时，利用优化调度模型进行调度方案的模拟评估，并将模拟评估的结果作为远程调度依据，及时对闸泵站进行远程操作，同时，通过集成SCADA系统，来实现对闸泵站的自动化远程控制，实现对闸泵站的实时监控。

2.2.4视频监控

视频监控系统通过利用在河道沿岸、堤坝、闸泵站处建设的监控摄像，达到无人值班、少人值守的目的，在管理平台上可以对各处闸泵站进行远程监看、能方便、迅速地对远程监控点地图像、声音、各种报警信号等进行云长访问和控制。同时，还可以查看过往河道沿岸的视频回放，为管理者提供了一种扩大视觉和听觉的直观管理工具，实现了可视化监控和调度，使生产、调控运行更安全、更高效。

2.2.5预警预报

预警预报功能系统是基于3DGIS技术，结合各项预警预报指标，实现了对洛塘河圩区河道水位、泵站设施工况运行等预警信息的可视化展示，帮助决策者能快速、准确地评估城市安全情势，辅助降低城市洪涝风险。

2.2.6优化调度

优化调度系统主要是通过基于广域网的实时监测系统，利用水闸、泵站等监测设备，并通过分析处理水文、水质、气象、设备运行等各种信息数据，然后根据优化调度模型来模拟分析得出最优的闸泵站调度方案，并通过调度圩区沿线水闸、泵站的运行，实现圩内河道换水，同时此模块将优化调度方案可视化展示，为水资源的科学调度和优化配置提供现代化管理手段。

2.2.7综合运维管控

该系统主要包括设施设备资产管理、巡检养护监管及水利工况问题管理3个子功能模块。设施设备资产管理主要是通过监理设备台账管理信息，实现闸泵站设备的全生命周期管理，对设备的出场、维修、配件更换等进行全面记录，同时也对临近检修期的设备进行设备检修的提醒；巡检养护监管主要是通过利用巡检设备，以及给运维人员分派巡检任务等实现对水利设备的养护监管，确保水利设施的正常运转；水利工况问题管理主要是运维人员在进行设备日常巡检和维护时，将存在的工况问题通过系统平台进行记录，然后专业人员针对存在的工况问题进行及时解答处理，保证水利设备的正常有效运转，为实现区域的水利信息化建设提供最有力的保障。