水利工程智慧化管理系统设计探究

叶纪刚

(四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都，610072)

1 水利工程实行智慧化管理的必要性

1.1 水利工程现状

我国水利工程多建于20世纪五六十年代，没有配置自动化采集控制系统。大型引水工程、水库目前还普遍存在管理能力与水平相对落后的问题，工程管理和行业管理仍以开放式管理和手工作业为主，导致水利工程管理信息杂乱，无法统一管理。各级行业主管部门难以及时、准确、全面地了解水利工程运行管理状况，更无法对现有水资源进行科学调配。随着水利工程各级管理单位和用水单位对水利信息要求的日趋提高，建设水利工程智慧化就显得非常迫切和必要。水利信息化工程的建设可以有效提高水利工程管理水平，做到管理水资源科学化、合理化、实时化、精细化，做到合理调配水资源，提高供水安全性，实现供水效益最大化。随着信息化技术的发展，国家对水利信息化提出了更加具体的建设目标和措施。包括水利信息化“十三五”规划提出，基本建成国家水利监测系统，实现对灌溉排水的宏观管理。同时，2016-2017年度全国冬春农田水利基本建设实施方案提出，因地制宜普及推广管道输水等高效节水灌溉技术。水利信息化正处于开展水利信息化、现代化、智慧化建设期，要求基本建成国家水利监测系统，实现对灌溉排水的宏观管理；灌溉水有效利用系数提高到0.55以上，推广喷灌、管道输水等高效节水灌溉技术；采用新兴信息技术结合水利工程精细化管理需求，打造绿色、生态、人文、环保型的智慧水利工程。

1.2 水利工程智慧化建设的必要性

水利工程智慧化建设还停留在第一阶段和第二阶段之间，离“十三五”建设规划中要求的信息化、现代化、智慧化还有比较大的差距，存在的主要问题如下：

(1)缺乏整体规划：信息化规划、设计和建设没有完整的建设目标和思路，虽然有一些信息化系统，但缺乏统一的管理平台。

(2)信息化程度低：主要表现在配套建设不完善，自动化程度低、传输手段落后，网络承载能力低、量测水手段落后，尚未实现精细化管理等。

(3)系统运维困难：主要表现在运维资金落实困难，没有专业的运维人员，运维水平偏低，设备正常运行无法保证等。

(4)业务管理水平有待提高：主要表现在水利工程还停留在手工控制，众多业务数据未数字化、可视化，管理工作未流程化等。

根据水利部《全国水利信息化“十三五”规划》，以及《2017年水利信息化工作要点》关于推动“数字水利”向“智慧水利”转变的总体工作要求，迫切需要进行水利工程数字化、智慧化建设。

2 智慧化管理系统建设目标与任务

2.1 建设目标

智慧水利建设围绕“物联感知、互联互通、科学决策、智能管理”开展，主要目标为：

(1)基于现代通讯和网络技术建立水位、雨量、水量、水质、闸门集中调控、工程安全监测等在内的全方位、全过程水利工程监测监控系统。

(2)采用智慧水利平台架构整合各类信息，并以水资源调配、数据挖掘以及移动互联等为支撑，完成物理工程与数字工程的无缝集成。

(3)采用科学合理的方式组建通信系统构架。

(4)整合包括气象信息、国土信息、农业信息、水文信息等在内的多领域数据，建设水利工程调度管理中心。

(5)建立调度中心、分中心、现地站的三级管理模式。建设会商系统和视频监控监测系统，构建先进、快捷、准确的会商和调度监控系统。

(6)建设/集成专业水利工程管理平台，实现自动化控制、工程建设管理、防汛预警等多业务智能管理功能。

2.2 建设任务

2.2.1 通信系统

通信系统是水利工程智慧化数据的传输通道。结合各区域通信现状，可构建专网和公网、有线和无线相结合的方式。充分利用运营商现有资源，在保障通信安全可靠的基础上，最大程度提高通信效率。

2.2.2 计算机网络及控制系统

根据水利工程实际特点，建设计算机网络和控制系统。计算机网络应覆盖调度中心、分中心和各现地站的计算机广域网以及局域网；建立计算机网络系统的管理体系；建立访问控制、网段隔离、认证授权、入侵检测、漏洞扫描和安全评估、病毒防范、安全管理平台等安全防护体系；实现工程范围内泵站、闸门和阀门等设施远程监控。利用计算机、通信、自动控制技术，实现整个工程智能化调度。

2.2.3 监测系统

监测系统包括水文监测系统和工程安全监测系统。其中水文监测系统包括水位、流量、雨量、水质等数据采集系统。水文监测系统能实现量测点水位、流量、雨量及水质等水文数据自动采集和分析，并为泵站、闸门、阀门等设备联合控制提供基本数据。工程安全监测系统包括水工建筑物安全监测数据采集、分析、处理、预警等功能。工程安全监测系统通过对监测数据的分析处理，能对水工建筑物安全状态进行整体监测，及时对有安全隐患的建筑物进行预警。

2.2.4 视频系统

(1)图像监视系统主要任务是实时监视泵站、闸门、引水渠道管线以及库区环境等工程关键部位的工作状况，实现关键部位可视化管理，提高水利工程安全运行水平。

(2)视频会议系统能实现建设管理局、直属管理单位以及相关部门的视频会议功能，便于快速会商决策。系统包括中心会场设备和各分会场的视频会议终端，利用视频会议系统，能对应急事件进行快速了解，通过远程会商，大大提高工作效率，有效调度各方资源，及时处理应急事件。

2.2.5 UPS系统

调度管理中心、分中心(灾备中心)、管理站、闸站等处，分别设置UPS系统，为用电设备供电，保障用电设备不间断供电。

2.2.6 应用平台软件

构建统一的智慧水利数字集成平台，实现信息采集、传输、处理、存储、交换、挖掘、再利用和信息共享。根据项目不同的需求及应用进行模拟、分析和研究，充分完善“一张图”功能，构建符合水利业务需求的应用软件系统，完成水利工程的智慧运行与管理。

3 智慧化管理系统设计探究

3.1 设计思路

根据水利工程运行管理特点，分析研究系统设计的关键问题，以工程业务为核心，以全线自动控制为重点，统筹考虑工程运行管理、办公业务要求，进行数据采集、传输、分析、控制、存储，做到采集数据全面、传输及时、控制精准、信息共享，为调度决策提供功能强大的支持。充分考虑系统的开放性、可靠性和可维护性，设计方案要体现：实用、可靠、先进、经济，具有前瞻性和扩展性。

3.1.1 分区分层设计

根据水利工程管理的组织机构和调度控制特点，采用分区分层设计。智慧水利系统从业务上可分为控制区、管理区和外网区。控制区主要用于支撑信息采集和自动控制；管理区主要用于支撑各项业务应用和工程管理；外网区主要用于支撑管理部门信息发布。控制区、管理区、外网区均通过网闸联通，既能满足信息传输，又能实现有效隔离。分层从纵向上划分为：第一层调度中心、第二层管理站、第三层现地站。其中，第一层调度中心：对项目范围内的工程设施集中统一管理、调度和监视；第二层管理站：对管辖范围内的设施进行管理、调度和监视；第三层现地站：水工建筑物安全监测、闸站、泵站、放水阀、水雨情、图像等信息的采集、处理、控制和传输。

3.1.2 统一平台设计

随着计算机技术发展，数据存储、硬件平台、操作系统、不同时期不同来源的数据资源共享的问题越来越突出，为了使系统具有良好的适应性、扩展性、高度的资源共享，避免出现信息孤岛，系统设计应采用统一的平台化设计思路。计算机平台技术对解决上述问题是行之有效的，面对业务需求变化表现出的适应性、新应用表现出的扩展性和资源方面表现出的高度共享，展现出了平台的强大生命力，同时也验证了平台技术的有效性。

3.1.3 标准化设计

标准和规范是设计的基础，也是系统资源共享、开发集成、安全运行、更新完善的重要保证。智慧水利系统的建设、业务处理和技术方案应符合国家、地方和行业有关信息化标准的规定，数据指标体系及代码体系统一化、标准化，符合国家标准及行业标准。

3.1.4 开放性设计

智慧水利系统在体系结构、硬件平台、软件平台的确定、设备选型、设计、开发都要充分考虑“标准和开放”的原则。参照通用标准，建成开放信息系统，所开发的系统应能与异种数据库交换信息，并保证多种应用软件能在同一操作平台上兼容。这样才能保证今后系统升级或者数据库更换时能够使系统平滑移植到新的环境。在应用系统的设计与开发方面，依据标准化和模块化的设计思想，采用面向对象设计技术、组件开发技术等，保证系统的灵活组装和扩展。在此基础上建立具有一定灵活性和可扩展性的应用平台，使系统不仅在体系结构上保持很大的开放性，同时提供各种灵活可变的接口，系统内部也保持相当程度的可扩充性。

3.2 总体框架

根据总体方案的基本思路，借鉴目前国内外同类系统开发经验，系统设计应采用先进的、科学的信息技术。设计系统总体框架，尽可能地避免重复建设，为系统开发建设和运行维护打下坚实基础。总体框架包括五大部分：应用平台软件、调度中心、传输网络、物联感知、保障体系。

3.3 系统划分

3.3.1 应用平台软件

应用系统是管理者直接使用的与业务有关的各子系统集合，主要业务应用包括：闸门监控、水量调度管理、工程建设管理、防汛预警、运行维护和信息发布等。上述应用系统为不同的应用模块。应用模块的添加、卸载不影响整个软件系统的运行，为以后的系统维护和系统扩展奠定了基础。

3.3.2 调度中心

智慧水库调度中心建设主要包括了机房建设、支撑平台建设、网络及设备和数据平台建设等内容。调度中心的建设作为调度中心的基础保障，需遵循标准规范体系和安全保障体系，结合水利业务的实际需要进行建设。制定一套符合水利业务管理需求的标准，包括硬件环境、软件平台环境、数据库等，方便系统运行和数据的统一管理。

3.3.3 传输网络

传输网络是在充分估算智慧水利系统各类信息量，分析节点信息流量的基础上，利用现有网络和公网资源，建立智慧水利通信传输网络，将在线监测、自动化监控、视频及其他相关数据传输到调度中心，以便进行数据处理和应用。

3.3.4 物联感知

物联感知是完成各类信息采集、传输、处理等过程中的软硬件设备以及运行所需要的实体环境的有机结合，是智慧水利系统建设的基础。主要包括水文监测、闸门控制、工程安全监测、图像监视。

3.3.5 保障体系

智慧水库的保障体系主要包括三个辅助服务：

(1)标准规范体系：为整个系统提供统一的业务标准、技术标准和管理标准。主要体现在智慧水库系统的建设、业务处理和技术方案要符合国家、地方和行业有关信息化标准的规定，实现数据指标体系及代码体系统一化、标准化。

(2)信息安全体系：负责系统的安全保证。为基础设施层、应用支撑平台和应用系统平台提供统一的信息安全服务，包括网络信任服务系统、基本安全防护系统和故障恢复等。

(3)运维管理体系：为系统提供性能、日志、监控等运行保障。同时，建立科学有效的融合组织、制度、流程、技术的IT运维管理体系，将原来对网络、设备、系统、管理者的粗放和分散式管理，过渡到科学、规范和专业化管理，使IT运维管理体系成为系统日常工作的重要组成部分。

3.4 信息安全设计

对于智慧水利数据网络，应根据网络安全等保的要求，建立主动、开放、有效的信息安全体系，实现网络安全状况可知、可控和可管理，形成集防护、检测、响应、恢复于一体的安全防护体系。

4 结语

水利是农业的命脉，更是国家的命脉。由于全球气候变化，可用淡水资源越来越紧缺，未来世界争夺最激烈的资源，将是淡水资源。我国幅员辽阔，水资源分布极不均匀。科学管理和调控现有水资源，对国民经济发展具有极其重要的作用。建设一套科学、可靠、完善、实用的水利信息化系统，能从根本上解决目前水资源粗放式管理的现状，做到精细化、合理化调配水资源，最大限度提高供水效率，为国民经济发展做出贡献。目前，水利工程智慧化系统建设，还没有相对完善的标准和范本，本文通过武都引水二期工程“智慧武引”信息化工程的实施，对水利工程智慧化系统建设方案设计提出了基本框架和构想，希望对国内同行提供些许借鉴，为我国水利工程智慧化建设提供参考。