深圳河流域防洪潮调度管理平台开发与应用

汪振松

(深圳市深圳河湾流域管理中心，广东 深圳 518020)

对流域水文要素包括相关工程、下游影响区的气象、水情、工情以及自然环境因素等信息进行自动化采集，构建一体化信息管理平台，并嵌入优化调度模型和算法，实现防洪调度信息采集、数据处理、调度方案的自动化、科学化、实时化是实现流域防洪优化调度的重要手段，专家学者已开展了一些有益的探索，取得了一定的成果[1-3]。但随着人工智能和信息技术的进一步成熟与发展，数据采集、数据处理等的智能化，实现智慧调度已成为河流及流域工程管理的必然需求[4-5]。如流域洪水存在潮位顶托影响时，需考虑洪潮相互作用，通过潮位监测和预报，合理调度以减小洪潮叠加影响，实现防洪最优调度和智慧调度[6]。因此，本文以深圳河流域防洪、防潮联合调度为研究对象，结合智慧水务建设需求，从宏观层面研究分析防洪潮调度信息化目标，提出并建立管理平台框架，实现平台建设及应用，对未来沿海地区重点区域防洪潮调度与管理起到了一定的探索作用。

1 研究背景

为适应深圳水务智慧化管理要求，实现深圳河流域的科学调度管理，针对深圳河流域内重要防洪设施，包括笋岗滞洪区和深圳水库等，构建一体化调度管理平台。

深圳市智慧水务方案中提出要建设深圳河流域智慧管理系统，本平台研究可为其提供前期基础性成果，作为深圳市智慧水务中的一部分接入智慧水务系统。深圳河流域防洪潮调度管理平台利用智能感知和数据融合两大体系，对深圳河雨情、水情、视频监控等信息进行实时采集与处理，结合气象预报和水文预报模型，整合城市分布式水文、城市水动力学等基础模型，纳入工程安全、水质模拟、防洪调度等专业模型，实现提前预估预判、科学合理调度。

2 平台总体框架

深圳河流域防洪潮调度管理平台包括采集层、数据层、支撑层、应用层、优化层5个层次，平台总体框架见图1。

图1 深圳河流域防洪潮调度管理平台总体框架

a.采集层：通过测站(包括在线或遥测等)配置的传感设备、遥测终端机、通信模块、供电系统、防雷系统采集各重要河段干流及支流水位、雨量、流量及视频等信息并进行存储、加密。通过有线或无线的方式，实时或定时地发送到服务器。

b.数据层：实时接收遥测终端机发送的数据并入库。要求能快速、稳定、准确地处理、解析实时水雨情、图像等数据，且在宏量终端(大于3000个)并发传输时仍能保证性能不明显下降。数据库是系统核心，除图像外的所有数据，包括水利工程基础数据、实时水雨情数据、历史水雨情数据、地理信息数据、历史调度数据等均存储在数据层。

c.支撑层：提供系统运行必需的应用服务，包括Web服务器、模型服务(产汇流模型和水动力模型等)、数据访问等。其中，Web应用系统(业务管理系统)可以监测、查询、分析、统计水利工程运行状况。

d.应用层：主要包括信息共享系统、实时监控系统、洪水预报系统(洪水预报系统和洪水演进预报系统)和洪水调度系统(防洪潮调度、泥沙冲淤调度和应急指挥调度)。

e.用户层：为三防办、河湾中心和粤港供水公司提供深圳水库、深圳河实时水雨情信息，供其进行实时查看或调度决策。

平台监测内容包括水雨情、潮流量、视频图像等。该平台联合深圳市三防办的三防决策支持平台、河湾中心的笋岗滞洪区水闸监控平台以及粤港供水公司的深圳水库洪水预报调度系统，实现各平台之间数据共享和互联合作，实现水情调度、抢险调度、命令发布等自动化，从而为深圳河流域防洪潮调度提供科学、准确的决策依据。平台共享机制见图2。

图2 平台共享机制

3 平台系统结构

目前，我国防洪潮调度体系中，广泛采用客户端/服务器(C/S)模式，该模式具有较优的数据处理能力和操作能力、数据安全性和完整性，能够较好地进行防洪调度集成，很大程度上提高了防洪调度的科学性，实现了局域网范围内的多用户操作。但随着系统升级和应用程序复杂程度提高，C/S模式出现了如可移植性差、后台维护工作难等弊端，而通过以Web技术为支撑的B/S模式则可以较好地解决这些问题。B/S模式防洪调度系统基于浏览器通过客户端显示Web页面，进行降雨预报和洪水调度，以及水域数据库的管理，同时保证数据的完整性、唯一性和准确性，保证系统实用性和一致性，具有系统集成和数据共享等优势。因此，本管理平台拟采用B/S模式，建立深圳河流域防洪潮调度体系，为该流域调度提供有力的技术支持。该防洪潮调度系统以水资源优化配置、洪水预报、洪水调度、洪水风险分析研究为核心，利用计算机通信技术、地理信息系统、数据库、数值计算等现代信息技术，进行洪水预测预报与风险评估，为深圳河流域洪水调度提供及时、准确的决策依据，提升深圳河流域的防洪能力。

深圳河流域防洪潮调度管理平台系统结构分为两个层次：上层是位于河湾中心的监测中心站，下层是信息采集的遥测采集站，见图3。在深圳河各个汇流入口、典型河段等汛情易发处建设遥测采集站，通过有线通信将水雨情、流量、视频图像等信息传送到监测中心站。监测中心站通过建立局域网络，将各信息采集站得到的水雨情、流量、视频图像等原始数据进行分类，通过数据库进行保存并提供给相关应用单位。平台可实现数据采集、整合、分析、预警预报等功能，通过强大的人机交互支持，实现多部门异地多媒体会商，为深圳市三防办、河湾中心、粤港供水等单位提供实时信息查询、统计和分析，为深圳河防洪潮调度提供科学、准确的决策依据。

图3 平台系统结构

4 平台建设

4.1 监测中心站

监测中心站配置数据库服务器、应用服务器、视频服务器、工作站、网络设备等硬件设备，建立计算机局域网络，将各遥测采集站得到的水雨情、流量、视频图像等原始数据进行分类(划分为视频监控系统、水雨情及流量监测系统)及保存，并提供相关应用。

4.1.1 视频监控系统功能

a.远程图像监视：三防办、河湾中心和粤港供水公司可实时查看深圳河流域的监控画面及图像。

b.多点监视一点：多个监控终端可同时监视同一前端。采用组播方式，该路视频码流在网络中只占用1路视频带宽。

c.一点监控多点：一个监控终端可同时监控多个前端，即在监测站监视器屏幕上进行多画面分割显示，且每个画面实时活动。

d.摄像机预置：可采用带预置功能的摄像机，预先将监视目标的方位、聚焦、变焦等参数存入，从而方便监视，也可利用这些预置点进行自动扫描巡视。

e.图像抓拍：对活动图像进行自动抓拍。

f.自动巡视：在监控终端上，可选择加入自动巡视的前端、前端摄像机、摄像机预置点，设定间隔时间，进行自动巡视。可选择单画面、四画面、九画面等进行远程图像监控或安防监控，可实现上下翻页，可针对每个画面选择不同端站或同一端站的不同摄像机进行查看。

g.满屏和正常显示两种方式切换，实现一用户同时多点遥视、多用户同时一点遥视、多用户同时多点遥视。用户可进行满足自己工作需要的多摄像机轮巡(可为多个端站)，也可设定切换时间。

h.可对摄像机进行通道锁定。自动轮巡中，若需关注某个画面，可对指定摄像机进行锁定不参与轮巡，便于用户监视和控制，也可以进行画面锁定，实现图像定格。

4.1.2 水雨情及流量监测系统功能

监测中心站通过软硬件平台提供水情预报和信息服务，负责信息接收处理和数据库管理。主要由水情信息接收处理系统、数据库、计算机网络3部分组成，可实现以下功能：

a.数据接收处理：实时接收遥测站的水位、雨量、流量等信息。

b.应答、查询：定时或人工查询下属站点水位、雨量数据及工作状态。可按指定时段指定通信方式批量传送遥测站记录信息，可对遥测站进行时钟校正、开关机等。

c.数据库管理：包括对原始、历史、预报或成果数据库的形成、检索、查询等。

d.联网通信：可接入局域网或广域网实现数据共享。

e.接收、分析、处理、存储有关气象部门、水文部门、应急管理部门发布的信息。

f.状态警告：在雨量或水位、流量等超过规定限值时进行报警；当设备供电不足、电压下降，遥测站电源能力低于设定值时进行报警。除屏幕显示外，还可采用声、光等方式报警。

g.数据维护功能：提供安全、保密的数据备份，确保数据安全。

4.2 遥测采集站

4.2.1 视频监控站

结合工程实际需要，在深圳河沿线关键断面、已建测站断面和典型河段布设视频监控点，为深圳河防洪潮调度提供实时监控画面，作为工程运行管理的辅助手段。深圳河沿河共设置9个视频监控站点，分别为深圳河口、皇岗河口、福田河口、上步码头、鹿丹村、梧桐河口、罗湖、三叉河口、平原河口，具体布置情况见图4。视频监控系统包括摄像机、供电系统、防雷系统、网络传输系统、控制系统、显示系统。

图4 深圳河流域视频监控点布置

4.2.2 水雨情遥测站

深圳河现有5个水雨情遥测站点，拟在深圳河干流新建4个水雨情遥测站，分别为皇岗河口站、福田河口站、上步码头站和平原河口站。皇岗河口、福田河口、平原河口均位于支流与干流的汇入口处。上步码头段是深圳河堤防(深圳侧)防洪能力较低段，故在此处增设水雨情遥测站点，各监测点布置情况见图5。

图5 深圳河水雨情监测点布置

水雨情遥测站由水位、雨量传感设备，遥测采集终端，供电系统，网络传输系统，防雷系统等组成。通过传感设备将现场采集的水位、雨量数据信息接入数据采集遥测终端(RTU)进行接收并保存，终端按系统预先设置的发送时间，通过有线网络将信息发送到监测中心站，并保存在数据库服务器上。

4.2.3 潮流量遥测站

深圳河现有5个潮流量遥测站点(平原河口站于2015年撤站)，拟在深圳河干流新建3个潮流量遥测站，分别为皇岗河口站、福田河口站、平原河口站，站址均位于支流与干流的汇入口处，有利于监测汇流后潮流量，各站点布置情况见图6。

图6 深圳河潮流量监测点布置

潮流量遥测站由流量传感设备、遥测采集终端设备、供电系统、网络传输系统、防雷系统等组成。与水雨情遥测站类似，潮流量遥测站通过遥测终端(RTU)接收并保存现场采集的流量数据信息，按照设置时间将监测的信息数据通过有线网络传输到监测中心站，同时保存在数据库服务器上。

5 平台应用

以深圳河流域防洪潮调度管理平台为抓手，可实现以下5个重要场景的应用：

a.信息共享：该平台通过定制接口，实现了与市三防决策支持平台、笋岗滞洪区水闸监控平台和深圳水库洪水预报调度系统的信息共享。可结合水情、雨情及流域内其他控制性工程边界参数实现互联合作下的智慧化调度，大大提升了深圳河防洪潮调度的科学性和合理性。

b.实时监控：通过实时数据采集及传输，较好地实现了流域内重点河段、重要节点的监测和自动化管理。降雨、水位、流量等环境量的采集与处理，为防洪潮提供了及时准确的数据支持。现场状态如图像、视频等可实时传输到监控大屏和分析模型中，为更直观地进行河道管理及执法行动、发布预警等提供了最准确、最直接的参考依据。

c.洪水预报：内置的洪水预报系统可结合降雨、潮汐、台风等预报信息，及时准确地开展洪水分析和计算，模拟预报洪水灾害范围，大大减轻了技术管理人员的工作强度。

d.洪水调度：结合上述洪水预报，根据深圳河流域水动力模型、产汇流模型，可计算分析不同泄流条件下的河道水位、河道冲淤条件，提供合理、安全的调度方案，削减其对于河道及周边居民生产生活的不利影响。

e.应急指挥调度：可模拟极端气象条件下(如极端暴雨或超强台风等)深圳河流域产汇流情况，计算分析对于深圳水库的影响，并模拟各种泄洪方案对流域内各节点的影响，以便采取相应的管理措施。

6 结 语

随着城市化进程，深圳市已基本建成一个生态型、现代化、园林化的“巨型”城市，但城市发展与地域狭小的矛盾仍比较突出，而深圳河流域位于深圳市城区中心，进一步通过大型防洪工程建设提升防洪潮标准的难度较大，必须通过合理的工程调度，挖掘流域内现有水利工程的潜力，实现削峰错峰错潮，削减洪涝的不利影响。而实施深圳河流域防洪工程的统一合理优化调度是现有条件下降低洪、涝、潮风险的有效手段，通过建立深圳河流域防洪潮调度管理平台，实现调度的信息化、智慧化，可提升调度决策的科学性和合理性。

本文充分考虑深圳河与周边条件及各方关系，从总体框架、平台结构、数据共享与互联机制、测站设置、功能体系等方面对防洪潮调度管理平台进行了较为全面的总结和分析。该平台在深圳河防洪潮调度管理工作中得到了有效实施，工程运行效果良好，极大地提升了深圳河流域调度管理水平，有利于后续进一步优化工程调度，为深圳市建设社会主义先行示范区奠定基础。