大沽河数字化枢纽系统设计方案初探

2024-01-01宋晓冉徐洪庆赵凌云

山东水利 2023年9期

宋晓冉，徐洪庆，赵凌云

（1.青岛市水文中心，山东青岛 266000；2.山东省调水工程运行维护中心青岛分中心，山东青岛 266100）

智慧水利是水利进入新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局的需要，数字赋能是推动调水事业高质量发展的必然选择。要实现水利事业的高质量发展，需要不断提高水利工程数字化、信息化程度。

1 方案背景

胶东调水工程是山东省远距离、跨流域、跨区域大型水资源调配工程，是优化水资源配置、缓解水资源区域性不平衡的重大战略举措，是国家水网的重要组成部分。大沽河枢纽工程是胶东调水工程的重要节点工程，工程等别为Ⅲ等，包含泄洪闸、冲沙闸、引水闸、穿堤涵闸等永久性水工建筑物，冲沙闸同时作为交通桥连接大沽河两岸。本文以胶东调水大沽河枢纽工程为例构建了基于功用性需求的数字化大沽河枢纽设计方案，旨在探索调水事业高质量发展路径，为系统性开发、利用、保护水资源提供借鉴。

2 功能性设计与业务应用

数字化大沽河枢纽平台系统架构包括感知层、通讯层、决策层、控制层，业务应用功能分为调度运行、水质检测、视频监控、变形监测4 个部分。

2.1 数字化枢纽平台系统架构

1）感知层。感知层包括一切现地感应及数据采集装置，如水质在线监测系统采水检测单元、水情监测单元、计算机监控系统现地感应单元、变形监测及视频监控系统等，其主要作用是采集工程运行实施数据并监控工程运行情况，其监测内容包括水质（COD、NH4+-N、TN、TP、常规5 参数等）、工程变形（水平位移、沉降位移、渗透压等）、调度运行情况（水位、流量、流速、闸门开度、过闸流速、倒虹流速、倒虹管压力等）、运行环境（视频监控）。感知层是数字化枢纽平台的数据来源和基础，对监测结果的准确性及设备稳定性有较高要求。

2）通讯层。通讯层是实现感知层向决策层、决策层向控制层双向信息传输的通道，需具备带宽高、稳定性强、抗干扰能力强等特点。感知层采集的现地运行数据通过通讯层传输至决策层进行存储、处理、运算、决策，同时，将决策结果传递至控制层实现现地控制。通讯层在这一流程中起到纽带作用。

3）决策层。决策层是数字化枢纽平台系统的“大脑”，担任数据存储、处理、运算、决策的角色。决策层接收通讯层传递的现地数据，根据系统设置的阈值进行智能分析处理，根据水质、工程变形、调度运行情况、运行环境等现地数据，分析汛情、水质污染情况、设备运行情况、是否存在危险因素等，决策弃水、闸门启闭、无人机或喊话音柱启动等相应的调度措施。

4）控制层。控制层是数字化枢纽平台自动化控制的执行者，接受决策层的指令并直接作用于启闭机、无人机、喊话音柱等工程设施，实现大沽河枢纽的无人值守、少人值守。

2.2 数字化枢纽平台业务应用

1）调度运行。调度运行模块通过实时监控流域和输水渠道的水情，控制水闸开度等参数，是数字化平台的核心。监控区域包括大沽河上下游和输水干线2 部分，监控内容包括流域水情和调度运行两部分。流域水情部分主要监控降雨情况，河流渠道水位、流量、流速等实时数据，调度运行部分实时传输启闭机房内启闭机设备情况（有无卡顿、振动、过载等），大沽河冲沙闸、引水闸、穿堤涵闸、倒虹闸闸门开度、过闸流速，大沽河倒虹内流速、压力，并通过监测数据实现闸门的控制。

闸门的控制除已有的现地手动、远程自动控制外，还可进行智能化自动控制。操作人员根据调度计划输入调水运行流量，闸门可根据渠道内水位等数据自动判断并调节闸门开度，使渠道内水位、流量满足调度要求，特别是在冬季结冰期，自动控制水位保持稳定，达到无人值守的目的。同时，在需要向大沽河弃水或从大沽河引水时，平台根据实测数据给出合理调度建议，由操作人员在平台远程确认、下达指令，以实现大沽河天然河道和输水干线的综合调度。

2）水质监测。水质监测模块对枢纽内水质各项指标进行监测，是数字化平台重要的数据收集模块。目前，胶东调水工程大沽河渠道已设置水质在线监测设备，并计划在大沽河自然河道内增设水质在线监测设备，在固定点位，固定时间进行水质监测，监测内容包括TN、TP、COD 等11 项指标。

水质监测方面在输水渠道和自然河道双管齐下，存在两方面的意义：一是能够连续、及时、准确地监测输水渠道水环境状况以及发展趋势；二是通过对大沽河天然河道进行水质监测掌握大沽河水质变化情况，并在此基础上确定引水、弃水方案，为大沽河天然河道和输水干线的综合调度提供科学依据。数字化枢纽平台在储存水质监测数据的同时，对水质监测数据进行统计、分析，深度挖掘水质监测数据，并将分析处理结果可视化，降低数据的可读难度。

3）视频监控。视频监控模块是数字化平台重要的图像收集模块。数字化大沽河平台视频监控系统配备无人机和数据分析软件。平台通过计算机视觉和视频图像分析技术，自行分析处理帧图像，对监控场景中的目标进行检测、发现与跟踪，并进一步对目标行为进行分析和理解。

识别内容包括区域入侵、穿越围栏、下河游泳、水面漂浮物等，针对监视目标进行实时监测并按照设置触发报警。游客或行人行走范围超过安全区域、翻越围栏时，系统对非法目标实现移动跟踪，并将信号传输至监控室，同时，喊话音柱自动喊话提醒。如发现诸如破坏公共设施、倾倒垃圾、偷水等违法事件时，数据分析软件平台会将事发地点的违法照片或视频第一时间发送至平台，并启动无人机飞往事发地进行取证，喊话音柱发出喊话警告。

除接收平台指令外，无人机可定时按设定路线巡逻，扩大监控范围，避免监控盲区。视频监控数据作为非结构化数据，根据图像帧是否存在活动对象，制定不同的存储策略：普通帧的短时存储和关键帧的长时存储并行。例如，针对区域入侵、穿越围栏和下河游泳等有活动轨迹的关键帧，进行长时间存储，可以做到有迹可循，坚决有效打击违法活动，为还原现场提供精准有效的证据。对于经常出现入侵、穿越围栏等活动的区域做数据分析，可以采取积极有效的防护措施，将不法活动频率由高变低，由低变无。值得注意的是，结构化数据的存储需要较大的服务器资源，采用合理的存储策略可以有效降低开销，在实现数字化智能化的同时维持长久运营。

4）变形监测。变形监测模块是数字化大沽河平台另一数据信息采集模块。数字化大沽河平台接入变形监测系统，监测系统利用不同的监测方法检测大沽河枢纽各闸水平、垂直位移以及渗透压，监测系统发现枢纽上大坝及闸门的变形幅度超过系统中设置的阈值时，第一时间发出报警信息，提醒水利设备绑定的相关责任人进行核查，及时发现异常变化，对其稳定性、安全性做出科学判断，以便采取有效措施，防止事故的发生。

此外，系统积累监测资料，分析变形原因，解释变形机理，检验工程质量，验证设计数据，为制定设计规范、完善设计流程提供了科学依据。对于变形监测历史数据，需进行有效地统计、分析。对于渗压数据超阈值频率较高的监测点，需针对该监测点及其周边的水利设备作出补救方案，防患于未然。对于渗压数据超阈值频率较低的监测点，需要对变形监测设备本身进行维修养护，以排除由于监测设备本身损坏引起的误报错报，从而减少监测设备损坏带来的人工成本。