水库运行管理智慧化系统设计

霍建伟，张军珲，李永胜

1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.云河（河南）信息科技有限公司，河南 郑州 450003

0 引言

党的十九大围绕互联网与信息化战略明确提出要建设网络强国、数字中国、智慧社会。2021 年全国两会通过的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出构建智慧水利体系，以流域为单位提升水情测报和智能调度能力。水利部将智慧水利作为新时代水利高质量发展的显著标志，把推进智慧水利建设作为重要抓手和平台，要求加快构建智慧水利体系，提高“四预”能力，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑与强力驱动。文章结合青海省水库运行管理工作实际，在分析186座水库运行管理及信息化现状的基础上，结合流域治理管理和水利信息化建设需求，提出了省级水库运行管理信息化建设的总体目标和框架，探讨了系统的建设内容，以期为地方管理水库运行管理信息化系统设计和建设提供思路和参考。

1 水库运行管理现状及存在问题

1.1 水库运行管理现状

省级水库运行管理多采用省、市、县、所四级管理模式，省级水库主管部门对全省水库进行统筹管理，市水行政主管部门对市管辖范围内的水库进行统筹管理，县水行政主管部门对县管辖范围内的水库进行统筹管理，各水库管护所（或水库产权所有者）履行基层水库管理单位的职责，对各个水库进行直接管理，包括对水库的巡检养护、运行调度、安全生产、应急处置、工程管理、防洪防汛等相关工作。按照水库防汛“三个责任人”和“三个重点环节”的要求，有效落实水库防汛行政责任人、技术责任人、巡查责任人的管理职责，着力抓好水雨情测报、水库调度运用方案编制、水库大坝安全管理（防汛）应急预案编制重点环节的工作。以青海省水库为例，省域内186座（含在建9座）水库，主要分布在东部地区的湟水流域、大通河流域，以及黄河干流尖扎、循化段，这些具有不同规模、不同管理类型、不同地域特征、不同兴利目标的特点，其中大部分水库建于20世纪80年代前，建成时间较早、地处偏远、地域分布广、自然条件较差，日常管理相对粗放，管理水平参差不齐，监管力度有待加强。

1.2 信息化现状及存在问题

近年来，各地加大了水利信息化建设力度，完成了山洪灾害监测预警平台、防汛抗旱指挥系统、水情测报系统、工程管理系统等业务应用建设，切实提升了水利管理工作的管理水平。但对照水利高质量发展要求仍然存在一些突出短板。

数字化方面，监测要素和覆盖范围不全，感知设备的自动化智能化水平不高。统计分析范围内的186座水库，其中自动水位、雨量监测覆盖率为83.30%，视频监控覆盖率为70.40%，大坝安全监测（渗流、渗压、位移）不足50%。

网络化方面，信息基础设施薄弱，计算机网络覆盖的“深度”和“广度”不足。在水利部门注册登记的186 座水库中，其中68 座水库已接入有线网络或光纤、101 座水库有4G 无线覆盖，17座水库4G信号差或无信号。目前覆盖各级水库主管单位的水利专网带宽已经满负荷运转，急需进行网络扩容或借助运营商的网络进行数据传输。

智能化方面，应用和业务智能化支撑不足，高新技术应用不够。目前部分水库建设了和水库运行管理相关的信息化系统，如：东大滩水库委托建设了大坝控制和安全监测系统，以数据可视化为主；小南川、香沟、黄茨滩等多个水库建设了工业物联网云监控平台，以雨水情数据展示管理为主。总体来看，仍有94%的水库缺少业务应用或管理系统。

2 总体框架

2.1 总体目标

充分运用物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术，以“水利信息化驱动水利治理体系和治理能力现代化”为主线，按照智慧水利建设的总体要求，围绕水库运行管理三个重点环节，采用“省级统建、多级应用”模式，集成水库雨水情、大坝安全监测感知数据和不同预见期降水预报信息，构建融合多种先进模型算法的水库运行管理信息化平台，建成大通河流域水库联合调度典型应用，促进水库运行管理由粗放模式向标准化、精细化管理转变，推动大坝安全管理由人工巡查养护向动态物联感知、智能诊断、主动消除安全隐患转变，引领水库调度由单库规则调度向流域防洪调度、多目标优化调度转变，全面提升水库运行管理智能化水平。

2.2 总体框架

按照“大系统设计，分系统建设，模块化链接”的建设原则，水库运行管理信息化系统由物联感知层、基础设施层、数据资源层、支撑层、应用层及保障体系构成。见图1。

图1 总体框架图

物联感知层采用整合已建、按需新建的方式，对于水库已建感知设备自动采集到的运行管理相关监测数据“应接尽接”，将其统一集成到水库监测感知系统；基础设施层依托水利专网开展网络通信传输，基于政务云平台提供的云资源构建系统运行环境；数据资源层通过构建水库大数据平台，汇聚整合已有水库相关数据，开展数据提取、清洗、关联等数据治理，形成标准规范的水库大数据体系；应用支撑层构建基础地理信息服务、水库管理一张图、模型算法、基础应用支撑等，形成连接水库大数据体系和应用系统的桥梁和纽带；应用层包括水库运行管理系统、流域多目标联合调度系统等业务应用。

3 主要建设内容

3.1 建设水库监测感知系统

整合利用各水库现有监测感知设备资源，包括雨量监测站、水位监测站、入库流量、出库流量、视频监控、渗流量、水平位移、垂直位移以及渗压监测等，实现水库重要监测感知信息的接入与汇聚；配置AR全景摄像监控、无人机巡查、三维高密度电法仪等新型设备，基于水库大数据平台，构建全域水库监测感知系统。

3.2 建设水库大数据平台

基于水库运行管理业务需求，依托物联网、云计算、大数据等技术手段，基于信息资源规划框架全面构建全方位获取、全网络汇聚、全维度整合的数据资源治理体系，提供对海量异构数据的存储与分析计算功能，形成“全面汇聚融合、安全可控访问、全省逻辑一体”的水库大数据平台，满足精细治理、分类组织、精准服务、安全可控的水库数据资源管理目标，提升对水库雨水情测报、大坝安全诊断分析、流域联合优化调度等运行管理业务的支撑能力。大数据平台建设包括信息资源规划、数据资源池、数据接入系统、数据处理系统、数据管控系统、数据服务系统建设等内容。

3.3 建设水库运行管理系统

构建涵盖标准化管理、综合监控、巡查养护、安全管理、应急管理、雨水情预测预报、水库运行调度、洪水风险图管理、移动应用等功能及服务的水库运行管理应用体系，实现水库标准化、规范化、智能化管理，提升水库监督及服务能力。

3.3.1 标准化管理

以水库管理对象台账及管理任务清单为抓手，以落实水库管理责任为主线，构建水库标准化运行管理体系，将水库管理责任落实到人、细化到点。

3.3.2 综合监控

基于水库管理一张图展示全省水库分布情况，可在图上查看水库相关数据，实现所有水库的水情、雨情、视频、大坝安全监测、水库洪水预报等关键信息的实时监测预警与多维可视化展示，以及关键水利工程设施运行工况的综合监控。

3.3.3 巡查养护

依据相关规程，对水库日常巡查、防汛检查、特别检查等信息进行管理；针对水库主管部门给水库管理单位下达维修养护项目，提供水库大坝的维修、养护规划、信息填报、审核等功能。

3.3.4 安全管理

整合利用现有水库雨水情监测、大坝安全监测（渗流、渗压、位移、视频监视）、视频监控系统等，全面诊断水库大坝安全健康状况，及时发送预警信息；通过典型水库闸门、启闭机等水工机械装备运行监测与智能预警、故障智能诊断和预测维护、虚拟运维智能仿真等远程应用，打造水工机械装备远程运维的标准化。

3.3.5 应急管理

以大坝安全管理应急预案数字化管理为主线，实现水库大坝突发事件应急组织、监测预警、应急响应，宣传演练等应急信息的管理功能。

3.3.6 预测预报

整合山洪灾害预警系统、水文气象观测站点等雨情数据，开展水库水位流量、控制流域面积内降雨量的观测与报送等工作。

3.3.7 运行调度

包括调度规程管理、控制运行计划管理、调度令管理、防洪兴利调度管理、应急调度管理、水库调度运行方案管理等功能。

3.3.8 风险图管理

实现洪水风险图的阅览、查询、统计功能。

3.3.9 移动应用

包括水库地图、综合信息、智能导航、巡视检查、数据上报、险情报送、维修养护等功能，为水库管理“三个责任人”提供移动工作平台。

3.4 建设多目标联合优化调度系统

按照强化流域治理管理工作要求，建设流域多目标联合优化调度系统，实现水库“四预”典型应用。基于中长期水文预报模型、水库群联合调度模型，针对来水状态、近期规划年外调水量、实际外调水量和梯级水库群结构变化等实际情况，在防洪、供水、发电和生态等调度目标的基础上，通过方案制定、模型预演等功能，以实现“预报、预警、预演、预案”的目标，为调度方案及调度决策提供技术支撑。

来水预报是以气象高分辨率网格降水预报、实测雨水情等数据为基础，预报分析典型流域降雨、产流、汇流及河道演进过程；多目标联合调度是结合前期形势预判情况，设置相关参数，联合多水库联合调度模型，进行多目标调度计算，并结合数字化场景在一张图上进行调度方案的预演及可视化展示。

3.5 水库运管数字化平台研发及应用

围绕省级多水库监管及大型水库工程管理需求，研发基于数字化场景的水库运管平台，以BIM+GIS数字化孪生场景为基础，集成了综合监控、巡查养护、安全管理、应急管理、预测预报、水库运行调度等功能，在典型水库进行了试点和应用实践。见图2。

图2 水库运行管理数字化平台图

4 结语

推进物联网、大数据、人工智能等新一代信息化技术与水利业务深度融合，是水利高质量发展的客观要求，是现代水利发展的必经之路。通过水库运行管理智慧系统建设与应用，构建了省级水利系统管辖水库雨情、水情、工情等信息的自动化集成，实现了省级水库运行状况实时监控、动态交互和仿真数字模拟，构建具有预报、预警、预演、预案的水库运行管理信息化体系。水库运行管理系统将为水库运行管理提供重要的信息化手段，赋能防御水旱灾害、水资源保护和流域多目标联合调度等水利业务工作，对于提升水利现代化管理能力具有重要支撑作用。