输电工程建设过程中水土保持管理信息系统研究

郑树海，雷 磊，夏烨瑞，霍春平，刘 涛，万 昊，樊 创

(1.国家电网有限公司直流建设分公司，北京 100032； 2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西 西安 710100； 3.国网(西安)环保技术中心有限公司，陕西 西安 710100； 4.西安理工大学电气工程学院，陕西 西安 710048； 5.西安市水利水土保持工作总站，陕西 西安 710018； 6.陕西省东庄水利枢纽工程建设有限责任公司，陕西 咸阳 713208)

0 引言

为了调节我国能源分布不均匀，适应需求逆向的分布，特高压输电工程的建设现在被国网公司高度重视[1]，但在工程施工建设过程中往往会对原地貌进行改造，容易导致水土流失，并且由于特高压输电工程往往具有跨度较大、传输距离长等特点，横跨省份较多，并且往往都会经过黄土高原的风蚀地区和南方的水蚀地区，会进一步加剧其水土流失情况。随着人们环境保护意识和国家对水土保持监测工作要求的提高，国网正在大力推进水土保持监测信息化，积极利用现代技术和仪器设备，以及卫星遥感和无人机等先进手段，实现监测数据获取、传输和处理的自动化，提高水土保持监测能力和水平。 因此，加强特高压输电工程建设项目的管理和监控，可以有效解决建设后期生态破坏的问题[2-6]。

近年来，水土保持管理信息系统的发展十分迅速[7-12]，而在输电工程建设过程中，水土保持管理信息系统却没有得到足够的重视，导致水土流失数据来源不稳定，管理混乱。因此，本文开发了一套应用于特高压输电工程建设中的水土保持管理信息系统，以陕北—湖北特高压直流输电工程为例来研究输电工程建设沿路的水土流失情况。该系统以传感器作为基础设备，集成全自动化监测设备和光敏测钎传感器，针对输电工程水土保持业务的需求，构建了用户管理子系统、数据监测子系统、数据分析子系统、视频监控子系统，对输电线工程沿路的水土流失情况进行高效、全面的监测。该信息管理系统可以很好地对输电工程建设中水土流失数据和现场信息量进行管理和搜集，提高了水土流失量计算和处理的效率，在工程中已经得到较好的应用。

1 系统结构与功能

1.1 系统结构设计

根据水土保持工作要求，输电工程水土保持管理信息系统划分为5大模块，分别是系统设置模块、实时数据模块、信息分析模块、现场监控模块、新闻展示模块。各个模块内部信息互相联系，功能相互独立，共同协调构成整个系统。输变电工程水土保持管理信息系统结构如图1所示。

图1 输变电工程水土保持管理信息系统结构Fig.1 Structure of water and soil conservation management information system for power transmission and transformation project

1.2 系统构架

水土保持信息管理系统全面考虑输电工程建设过程中水土保持各项业务的数据采集、存储、传输、应用，按需求的不同构建不同子系统，搭建高效、统一的整体系统。系统总体构架分为3层，最底层用来存放最基本的数据库信息；中间层用来传递数据库信息，并进行转化处理；最上层用来接受处理过的信息，并且向用户或需求方进行展示。

1.3 系统功能

系统功能是由系统的结构来进行确定的，根据上文确定的系统结构，可以得到的系统功能主要有：系统管理、数据监测、数据分析、视频监测、新闻管理等，如图2所示。

图2 输变电工程水土保持管理信息系统功能Fig.2 Functiuns of an on-line monitoring system for soil and water conservation in power transmission and transformation projects

1)系统设置模块：分为用户设置和主板设置。用户可以对系统账户进行设置，如新建账户、修改密码、删除账户等。用户可以通过主板管理对主板电压进行校正，对主板存储进行格式化，对测钎零点进行更正等。

2)实时数据模块：系统可以实现对温度等气象数据和土壤流失高度等数据的实时在线监测，同时可将监测到的数据通过4G网络传到本地，以供存储。

3)信息分析模块：系统可以通过存储在本地的数据对过去的某一年、月、日的气象进行折线图显示，为用户提供监测点最近的气象变化情况。系统还可通过光敏传感器收集的数据，运用先进的算法针对工程中的各个站点进行土壤流失量的计算，为用户提供现场精确的水土流失情况。

4)视频监控子系统：系统可以通过高清摄像头远程对施工现场进行实时监控，用户可通过操作系统实现摄像头的云台移动，全方位地对监测点进行监控，摄像头还可以将监控的内容通过网络传输到本地存储。

5)新闻管理子系统：用户可以对监测线路的工程和水土流失的相关新闻、报道进行查看，追踪国内最新的水土流失消息，提高对水土流失的关注度。

2 数据管理系统构建

数据管理系统是信息系统构建过程中最基础和关键的模块，是要达到一个确定的目标，以一定的组织形式存储相互联系的数据集合，将现实世界中具体实物和与之相关的抽象信息转换成计算机存储里面的信息[14]。因此构建一个逻辑清晰、效率高的数据管理系统，才能让信息系统被用户高效、可靠地利用。

2.1 建设原则

数据管理系统是信息管理系统最基本的构成，它的主要功能是对信息管理系统中的数据进行存储、更新、处理等。数据管理系统的内容、结构、效率对搭建一个完备、先进、合适的信息系统十分重要。数据管理系统建设方法如下。

1)多层级数据信息传递。输电工程建设过程中的水土保持管理是一个从点到线、由现场环境到水土保持手段逐渐过渡的过程，因此决定了从监测站点到监测整个线路工程，业务图册精度会逐渐降低，而图层范围会逐渐扩大。因此，数据管理系统可以通过移动网络来实现上位机和下位机的信息传递和交流，不仅站点本地可以获取信息，监管总部也可以直接获取信息，减少数据在传递过程中的丢包，提高准确性，并减少了驻站员工的工作量。

2)有效地存储、管理不同监测点的数据、图片、视频等数据。通过采用属性数据库的方法对系统采集的多种类型的数据进行分类存储，视频和图片与数据分别处理。

3)实现管理信息系统(MIS)、办公自动化(OA)等的接入。由于系统将在以后进一步推广和修正，加上水土保持行业自动化程度会不断提高，系统留有接口，支持与MIS和OA的集成。

2.2 数据采集和处理

2.2.1 数据获取方式

1)气象数据：系统包含的气象数据有降水量、气温、大气湿度、当前风速和风向。通过安装在监测点的传感器，每半个小时采集一次现场的数据，并发送到下位机中。

2)土壤流失量：对于土壤流失量的数据采集主要是土壤流失的高度，通过光敏测钎传感器，采集土壤流失的高度，每30 min采集一次现场数据，并发送到下位机中。

3)现场视频，图像：现场视频采用定时开关机模式，每天有固定的4个时间点，摄像头自动打开，工作30 min，记录现场的状况。

2.2.2 数据处理方式

为了更直观地表征区域的水土流失情况，本文利用土壤侵蚀量来描述水土流失的严重程度，以下是本文给出的几种土壤侵蚀量计算模型。

1)考虑到特高压输电工程的输电杆塔大部分布设在山坡中，因此给出坡面土壤流失量计算公式：

(1)

通过在监测区域布设测钎，并记录每个测钎的原始坡面刻度，以此为基准判断后续获得的数据是否合理。

2)土壤多年平均侵蚀量计算公式，即土壤流失方程为：

A=R×K×L×S×C×P

其中，A为土壤流失量(单位：m3)；R为降雨侵蚀力指标；K、L、S、C、P分别表示土壤可侵蚀因子、坡长因子、坡度因子、作物经营因子及土壤保持因子。土壤流失方程仅适用于当地多年土壤平均侵蚀量。

3)进一步细化，按照时间长度，土壤侵蚀模数可分为日土壤侵蚀模数、月土壤侵蚀模数以及年土壤侵蚀模数，土壤侵蚀模数可以表征土壤侵蚀强度，模数越大代表土壤侵蚀越严重。

日土壤侵蚀模数Di(单位：t/km2)：

(2)

式中，ρ为每个测点土壤容重(单位：kg/m3)；hi为第i个测钎的日侵蚀深度(单位：mm)。每个测点9个测钎。

月土壤侵蚀模数Mk(单位：t/km2)：

(3)

式中，Mk为每个月中日土壤侵蚀强度Di的和。

年土壤侵蚀模数T(单位：t/(km2·a))：

(4)

式中，T为每个月土壤侵蚀强度Mk的和。

3 应用实例

本文以陕北—湖北±800 kV特高压直流工程为例，构建了一个管理信息系统，命名为陕北—湖北±800 kV特高压直流工程水土保持监测系统软件。

3.1 用户界面

运行陕北—湖北±800 kV特高压直流工程水土保持监测系统软件V1.0，显示登录界面(见图3)，输入用户名以及密码后登录，便可跳转至陕北—湖北±800 kV特高压直流工程水土保持监测系统软件V1.0界面，如图4所示。

图3 陕北—湖北±800 kV特高压直流工程水土保持监测系统软件登录界面Fig.3 Software login interface of soil and water conservation monitoring system for ±800 kV UHVDC project in Northern Shaanxi Hubei

图4 陕北—湖北±800 kV特高压直流工程水土保持监测系统运行界面截图Fig.4 Software operation interface of soil and water conservation monitoring system for ±800 kV UHVDC project from northern Shaanxi to Hubei

3.2 新闻界面

新闻管理界面可以阅读近期发生在水土保持方面以及与本行业相关的新闻，在界面的底部还增设了“国家电网有限公司”“中国水土保持监测网”“水利部”“国网陕西省电力公司”“北极星电力网“国家能源局” “黄河网” “电力设计规划总院” “中国电力招标网” “中国水土保持学会”等官网的链接，以便及时查阅与输变电以及水土保持相关的新闻资讯。

图5是位于首页的新闻资讯滚动窗口，可以点击滚动窗口中的文字链接，并且跳转到相应的新闻网页，以便管理员及时阅读相关的新闻资讯。例如点击滚动窗口中深色实线标出的“陕北至湖北特高压直流工程“链接后，即可跳转至如图6所示的相应新闻资讯，以便管理人员阅读。

在后期的软件使用过程中，管理员可以以此方式实现新闻资讯模块的管理，并且获得与该工程紧密相关的新闻资讯，以便更高效地服务于该水土保持工程的管理和维护运营工作。提高了工作效率，节约了时间成本。

陕北—湖北±800 kV特高压直流工程水土保持监测系统总图以地图样貌展示，可以精确展示水土保持工程监测站点的所在位置。

工程总图的全貌图可以更好地让系统操作人员以及数据管理人员对整个特高压交流工程有直观的掌控，极大地方便了系统管理人员统筹兼顾整条特高压交流输电线路工程，并监测站点的水土流失量以及环境因子变动情况。

图5 新闻资讯滚动窗口截图

图6 新闻资讯跳转

监测点显示为红色，以便系统数据管理员管理该监测站点的监测数据(水土流失量、温度、湿度、风速等)，并且也可以进行数据下载以及数据报表的制作，提高数据管理员数据报表的汇总效率。站点选择之后，就会自动在首页显示该站点的数据内容，并且在数据模块一栏中以图表的形式形象直观地展示出来，如图7所示。在数据栏表头可以点击“按天显示”“按月显示”按键，实现监测数据分别以小时为单位和以天为单位，进行一天24 h的数据变化情况展示，或者进行一个月的数据变化情况展示。点击“按天显示”之后可以点击“前一天”或者“后一天”来选择需要查看的日期；或者点击中间的日期，会跳转出日历，就可以选择需要查看的日期，如图8所示。

由于一天的土壤流失量的变化波动很小，绘制曲线来进行展示的意义不大，所以直接以数据的方式显示出来，如图9所示。

图7 数据显示模块

图8 日期选择

图9 土壤流失量日数据显示

在选择了“按月显示”数据之后，就会展示所选月份的水土流失量数据展示，例如选择2020年7月之后，就会显示2020年7月的水土流失量的数据变化情况。

图10 土壤流失量日数据显示

图10形象直观地反映了2020年7月的土壤流失量数据变化情况，点击右上角的数据保存按键，可以将该月土壤流失量数据以Excel文件形式保存。在主界面点击“数据下载”按键之后，数据下载子系统将会弹出，界面如图11所示。

图11 月水土流失量 Excel表

在测站列表一栏选择站点1(见图12)，之后点击“打开”按键，则数据下载子系统与有人虚拟串口会建立链接。在下方下载一栏处(见图13)，可以选择下载整天或者整月，选择完时间之后，点击“刷新”按钮，所选择日期即被选定，点击下载即可将所选择数据下载到本地。在当前已下载一栏处(见图12)，点击“刷新”，即可查看已经下载到本地的数据。

在主界面点击“视频”按键之后(图14黑框所示处)，视频监控子系统将会弹出，界面如图15所示。

点击“设备列表”按键，该账号上所有的萤石摄像头将会出现在界面右侧的设备列表一栏中。点击“分享设备列表”按键，其他账号分享给已登录账号的萤石摄像头会出现在界面右侧的分享设备列表一栏中。点击“更新设备详情”按键，会显示增加最近添加的设备。点击“单设备获取”按键，可手工添加不属于该账号的其他萤石设备。在预览一栏，点击“预览”按钮，在播放一栏将会显示站点的实时视频，在“预览”按钮左侧选项框处可选择视频的清晰度(见图16)。点击“结束”按钮，将会停止观看实时视频；点击“截图”按钮，设备会将当前画面拍下，然后传输到上位机中。

图12 监测点测站选择截图

图13 监测点数据下载截图

图14 主页面中的视频监控模块截图

图15 视频监控显示界面截图

图16 现场检测视频图像

在回放一栏，选择搜索时间，点击“设备录像搜索”，将会搜索选择日期的录像；点击“云录像”搜索，将会搜索上传到萤石云的录像；点击“开始回放”将会展示所选择的录像；点击“暂停”，界面将会暂停播放；点击“停止”，界面将会结束播放；点击“恢复”，界面将会恢复当前实时视频。在“回放倍速”一栏可以选择查看录像的速度；在云台控制一栏，可以选择控制摄像头的方位的移动和焦距的变化。

4 结语

本文针对输变电工程中水土保持信息数据混乱、管理不稳定的问题构建了水土保持管理信息系统来管控输电线路建设过程中的水土保持的信息和数据。并以陕北—湖北±800 kV特高压直流输电工程为例，搭建了一个管理信息系统，可以看出，该系统的架构和功能能够很好地满足输变电工程建设中的水土保持数据管理的需求。