中型水庫信息化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

姚真凱 金富炳??

摘要：隨著水利工程逐步從建設(shè)為主轉(zhuǎn)變?yōu)楣芾頌橹?，信息化對工程運行管理支撐作用越來越重要，本文探討了水庫信息化工程建設(shè)的技術(shù)路線、總體框架和構(gòu)成，并對相應(yīng)單元工程做了簡要建設(shè)說明，最后介紹了筆者負責和參與實施的相關(guān)項目的設(shè)計案例。

關(guān)鍵詞：水庫平臺；體系結(jié)構(gòu)；運行管理

1 研究概述

1.1 研究背景

隨著水利工程逐步從建設(shè)為主轉(zhuǎn)變?yōu)楣芾頌橹鳎畔⒒瘜こ踢\行管理的支撐作用越來越重要，加大水利工程信息化建設(shè)力度，對提高工程管理效率，實現(xiàn)工程標準化管理，保證工程安全運行都有著十分重要的意義。

作為水利工程典型代表的水庫工程，是水利系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)工程，其信息化建設(shè)也是水利信息化的重要實施對象。隨著計算機與信息技術(shù)的快速發(fā)展，采用新技術(shù)、新裝備對整個水庫進行現(xiàn)代化改造和信息化建設(shè)，可以進一步挖掘水庫潛力，加強水庫運行管理的科學性，充分發(fā)揮水庫工程的功能和效益。

1.2 水庫信息化現(xiàn)狀與主要問題

隨著信息技術(shù)的不斷普及和工程管理理念的進步，浙江省大中型水庫普遍建成了由現(xiàn)場自動化量測設(shè)施、遠程無線通訊、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息處理查詢及發(fā)布等組成的完整信息化系統(tǒng)，有效實現(xiàn)了水庫的雨量、水位、工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控圖像等數(shù)據(jù)的自動采集和監(jiān)控，為水庫的安全管理與運行調(diào)度提供了及時準確的信息，提高了管理效率。[1]但是，對照新時期水庫工程管理的需求、正在開展的水利工程標準化工作的創(chuàng)標要求，還存在不少問題，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

1）部分管理數(shù)據(jù)采集、傳輸手段仍顯落后。

2）自動化設(shè)備需加快標準化建設(shè)和有序維護。

3）工程管理數(shù)據(jù)匯集和共享水平有待進一步提高

4）工程管理軟件系統(tǒng)功能和架構(gòu)設(shè)計需更加契合用戶實際需要。

5）工程管理數(shù)據(jù)、信息系統(tǒng)智慧決策功能需強化深度應(yīng)用。

1.3 基本措施

針對當前水庫信息化工程存在的問題及發(fā)展前景，本文提出如下思路與措施，嘗試對這些問題進行修正和完善。

1）研究在水庫管理范圍內(nèi)設(shè)計并建立一套快速及時、準確可靠、先進實用、高度自動化的水雨情信息、工程安全信息、閘門監(jiān)控信息、實時圖像信息的采集、監(jiān)測（控）與管理自動化系統(tǒng)，并通過采用新興的數(shù)據(jù)微服務(wù)架構(gòu)，搭建水庫軟件平臺從底層實現(xiàn)工程管理數(shù)據(jù)實時交換，達到資源共享的目的。

2）通過研究基于水庫主體工程配套建設(shè)的信息化軟件系統(tǒng)，能為流域防洪減災(zāi)、水資源優(yōu)化配置等提供決策支持，進一步提高管理決策速度和水平，提高工程的運行效益。

3）在水庫管理區(qū)按需配備必要的信息化基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)對水庫工程信息的立體可視化管理，做到洪水科學調(diào)度、大壩實時安全監(jiān)控，有效預警大壩未來的安全性態(tài)，合理控制壩前水位，提高水資源利用率，充分發(fā)揮工程效益，進一步增強“三分建設(shè)、七分管理”的水利工程理念。

4）研究并提出一套典型的水庫信息化工程的系統(tǒng)框架和子系統(tǒng)構(gòu)成方案，達到合理選用、因庫制宜、發(fā)揮效益的目標。[2]

2 技術(shù)路線

水庫信息化系統(tǒng)是實現(xiàn)對水庫工程信息一體化的管理。提出的信息化系統(tǒng)解決方案涵蓋水庫工程的安全管理、運行管理及綜合管理。通過對信息資源的整合，可實現(xiàn)信息共享、數(shù)據(jù)智能分析及優(yōu)化決策，實現(xiàn)對工程各類指標的實時監(jiān)測、實時調(diào)度和實時運維。

以數(shù)據(jù)采集技術(shù)、視頻技術(shù)、通信計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)、GIS技術(shù)等技術(shù)為支持，以“采集自動化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、集成標準化、管控一體化、決策智能化”為目標，通過采用功能層次劃分的方法，實現(xiàn)各分項系統(tǒng)的建設(shè)與整合，并形成完整的水庫工程運行管理信息化平臺，支撐工程標準化運行管理系統(tǒng)建設(shè)，并提供標準化數(shù)據(jù)接口，兼容其他深度應(yīng)用系統(tǒng)的續(xù)建和數(shù)據(jù)共享。

3 總體技術(shù)框架

水庫工程運行管理信息化平臺按功能層次劃分為信息采集與監(jiān)控、水庫專題數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用支撐與工程業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件平臺、工程信息化系統(tǒng)運行環(huán)境、信息安全等五部分。[3]

以上五個組成部分之間相互依存，缺一不可，共同組成了水庫工程信息化綜合體系。信息采集與工程監(jiān)控是水利信息的主要來源之一；專題數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用支撐平臺是實現(xiàn)水利信息資源共享與利用的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺；業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺是業(yè)務(wù)管理信息化的主要窗口，是業(yè)務(wù)信息化水平的重要衡量標準；水利信息系統(tǒng)運行環(huán)境是業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施；水利信息安全是業(yè)務(wù)系統(tǒng)安全運行和通訊的基本保證。

4 分項研究

4.1 信息采集與工程監(jiān)測

水庫信息采集是指利用遙測、通訊、數(shù)據(jù)接收與處理終端等技術(shù)，完成水庫工程測區(qū)內(nèi)固定及移動點位的雨量、水位、流量、水質(zhì)等要素數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸和處理。水庫信息自動采集系統(tǒng)通常由前端傳感器、遙測終端、通訊網(wǎng)絡(luò)、中心站等組成，其中各類要素采集傳感器差異最大，而中心站、通訊網(wǎng)絡(luò)及遙測終端機建設(shè)較為類似。因此，信息采集自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)、中心站等共性部分應(yīng)與前端傳感器分開，采用分段模塊化思路進行分段設(shè)計和集成。

水庫工程監(jiān)監(jiān)測要側(cè)重于工程建筑物、實時工況信息的監(jiān)測與監(jiān)控，并在獲得授權(quán)后，能對監(jiān)控系統(tǒng)實施遠程操控。主要由閘門監(jiān)控、大壩安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控、電站監(jiān)控等組成。

4.2 水庫專題數(shù)據(jù)庫

基于資料整編和信息采集成果，并根據(jù)水庫工程管理和相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)需求，需建設(shè)的數(shù)據(jù)庫為：水利工程數(shù)據(jù)庫、水利空間數(shù)據(jù)庫、水文數(shù)據(jù)庫、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫、水利法規(guī)數(shù)據(jù)庫、行政管理數(shù)據(jù)庫、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫、實時水雨情數(shù)據(jù)庫、歷史大洪水數(shù)據(jù)庫、實時工情數(shù)據(jù)庫、水利工程建設(shè)管理數(shù)據(jù)庫等。

4.3 水庫軟件平臺

水庫軟件平臺分為應(yīng)用支撐平臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺，分述如下。

應(yīng)用支撐平臺，主要提供水庫工程的管理數(shù)據(jù)資源服務(wù)和基本業(yè)務(wù)處理功能，為信息共享和水庫工程業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。較為完整的應(yīng)用支撐系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)共享與交換、綜合信息展示與檢索、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)發(fā)布、專題服務(wù)等，水庫工程應(yīng)根據(jù)運用需要，適時開展建設(shè)。

業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺，包括符合浙江省水利工程標準化管理要求的運行管理系統(tǒng)和水庫管理提升之用的決策支持類系統(tǒng)。運行管理系統(tǒng)主要包括用戶首頁、綜合信息、組織管理、工程檢查、維修養(yǎng)護、監(jiān)測監(jiān)控、調(diào)度運行、應(yīng)急管理、值班管理、檔案管理和考核管理等功能模塊。決策支持類系統(tǒng)主要包括三維可視化、工程實體影像、洪水預報、工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析等功能模塊。

軟件平臺應(yīng)充分考慮整體架構(gòu)的先進性、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的合理性、核心算法的科學性，確保平臺的整體性能合理，并精心選擇功能模塊組成，滿足工程業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

4.4 信息化基礎(chǔ)運行環(huán)境

信息化基礎(chǔ)運行環(huán)境主要建設(shè)目標為滿足管理人員在工程管理房的日常信息化設(shè)施設(shè)備的使用需求，保證水庫軟件平臺的正常部署和運行，保障日常水庫管理數(shù)據(jù)的安全存儲。

基于上述目標，運行環(huán)境建設(shè)主要包括庫區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器與存儲設(shè)施配備配置、中心機房、工程會商系統(tǒng)、集中監(jiān)控系統(tǒng)和安防系統(tǒng)。

4.5 信息安全

信息安全建設(shè)可建立由服務(wù)器安全、網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用安全、實體安全以及安全管理等組成的具有防護、檢測、應(yīng)急響應(yīng)的安全保障體系，同時采用先進的安全管理平臺，提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。

5 研究實例

永寧水庫位于浙江省諸暨市楓橋鎮(zhèn)境內(nèi)，壩址位于浦陽江流域楓橋江上，地處永寧村石砩自然村附近，距諸暨市縣城約26km，距楓橋鎮(zhèn)約9km。

永寧水庫是一座以防洪為主，結(jié)合供水，兼顧灌溉等綜合利用的水庫。壩址以上集水面積73.6km2，水庫正常蓄水位為44.00m，正常蓄水位以下庫容為1332萬m3，校核洪水位為49.45m，總庫容為2308萬m3，防洪庫容1028萬m3。工程建成后，可以使下游直接防洪保護區(qū)防洪標準提高到20年一遇，多年平均供水量為1159萬m3，多年平均灌溉水量為69萬m3。

永寧水庫初設(shè)報告對本工程的調(diào)度運用、工程監(jiān)測、工程安全運行和充分發(fā)揮工程效益提出了具體的意見，根據(jù)這些意見和要求，利用先進的計算機技術(shù)和信息技術(shù)，提高水庫安全運行管理能力和效率已十分迫切。以此為契機，于2016年初完成了永寧水庫信息化系統(tǒng)專題方案編制，設(shè)計并建設(shè)一套以水雨工情采集、安全監(jiān)測、視頻監(jiān)視、自動化控制、會商會議為基礎(chǔ)，以基于WEB架構(gòu)的水庫安全運行管理平臺為載體，將水庫的防汛信息服務(wù)、洪水預報調(diào)度、水庫在線安全監(jiān)測、綜合業(yè)務(wù)管理等系統(tǒng)，進行一體化數(shù)字集成管理，實現(xiàn)信息化條件下的水庫安全運行管理。

6 結(jié)語

水庫信息化工程是水庫管理非工程措施的重要組成部分，在水庫信息化工程的架構(gòu)設(shè)計和單元工程組織上必須把握“因庫制宜、合理設(shè)定”的宗旨，精心設(shè)計技術(shù)框架和各單元工程的建設(shè)內(nèi)容。對于信息化建設(shè)內(nèi)容多、投資額大的部分水庫，可以分批、分階段實施，但應(yīng)優(yōu)先保障基礎(chǔ)功能的建設(shè)，以期通過信息技術(shù)手段，穩(wěn)步提高水庫管理水平和信息化應(yīng)用深度，充分發(fā)揮水庫的綜合效益。

參考文獻：

[1]何建寧.淺談水庫信息化發(fā)展及應(yīng)用[J].技術(shù)與市場，2013（20）：227228.

[2]楊杰.水庫管理信息化的相關(guān)問題分析[J].科技資訊，2015（25）：9.

[3]詹全忠，蔡陽.水利關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施保護的思考[J].水利信息化，2017（3）：6366.

作者簡介：姚真凱（1982），男，漢族，浙江杭州人，工作單位為浙江省水利水電勘測設(shè)計院研發(fā)中心，本科，工程碩士學位，工程師，研究方向：水利信息化；金富炳（1983），男，漢族，浙江玉環(huán)人，工作單位為浙江省水利水電勘測設(shè)計院，本科，工程師，研究方向為水利信息化。