智慧水利在城市防洪工程上的應(yīng)用

唐 潮，劉海洋，張 寧

（吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021）

0 引言

智慧水利體系的研究成為構(gòu)建中國數(shù)字化建設(shè)的重要一環(huán)，這不僅是國家給予水利新發(fā)展的要求，也是水利事業(yè)的新挑戰(zhàn)，也是建設(shè)水利前行中遇到的新難題[1]。

我國水利事業(yè)始終貫徹“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”這一治水思路，推進(jìn)水利的全面數(shù)字化、信息網(wǎng)絡(luò)化、工作智慧化。現(xiàn)階段水利發(fā)展依靠智慧水利為水旱災(zāi)害防御賦能、優(yōu)化水資源管理配置，實(shí)現(xiàn)全面的網(wǎng)絡(luò)化信息與水利事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，整體推動智慧水利的高度契合[2]。

信息化數(shù)字技術(shù)為智慧水利的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為智慧水利的發(fā)展空間提供了技術(shù)支持，并且在開發(fā)過程中得到了新的思路和發(fā)展機(jī)遇[3]。但是智慧水利與國家全面進(jìn)行的數(shù)字化基礎(chǔ)建設(shè)相比，仍然是眾多行業(yè)領(lǐng)域中的短板，這些薄弱的方面主要體現(xiàn)在，水利各項(xiàng)指標(biāo)信息基礎(chǔ)建設(shè)能力水準(zhǔn)不高、資源開發(fā)建設(shè)與信息的轉(zhuǎn)換利用水平偏低、實(shí)際業(yè)務(wù)智能應(yīng)用的協(xié)同能力顯著不足，這幾點(diǎn)問題較突出。為此，調(diào)整水利信息化的建設(shè)發(fā)展能力和提高發(fā)展水平是水利信息化事業(yè)的重要環(huán)節(jié)[4]。以智慧水利的智能為基本點(diǎn)，對數(shù)字化模擬智慧算法，精準(zhǔn)地構(gòu)建預(yù)測、預(yù)警、預(yù)備、預(yù)案的智能化全面的水利智慧工程。

1 智慧水利系統(tǒng)

1.1 概念

智慧水利是集合了很多先進(jìn)技術(shù)的集合體，其中包括了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)等。智慧水利的核心在于可以模擬人類的智慧，通過對各種實(shí)時數(shù)據(jù)的分析，模仿人類的邏輯來判斷和解決水利相關(guān)工作中出現(xiàn)的各種問題。目前智慧水利在輔助人類決策方面起到了很大的作用，隨著其技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，最終將達(dá)到用數(shù)據(jù)分析能力模擬人類邏輯做出更加科學(xué)決策的水平。

建設(shè)智慧水利工程是我國水利事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)我國水利改革和發(fā)展的必要途徑。通過將水利設(shè)施智慧化管理，加快了水利行業(yè)的升級，降低了管理水利設(shè)施的時間成本，大幅度地提高了調(diào)控能力和效率，更好地促進(jìn)了水資源的合理利用，保證了水利資源的可持續(xù)發(fā)展，同時也更有效地平衡人與水資源的關(guān)系，創(chuàng)造和諧生活。研究和探索智慧水利，已經(jīng)成為水利事業(yè)的主流。

1.2 主要技術(shù)的應(yīng)用

信息物聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能和移動互聯(lián)網(wǎng)是智慧水利發(fā)展技術(shù)中的重要組成部分。信息物聯(lián)的應(yīng)用在水利領(lǐng)域發(fā)展和實(shí)踐中更精準(zhǔn)地稱之為“水聯(lián)網(wǎng)”，信息物聯(lián)技術(shù)水平的進(jìn)步更有利于加快水利事業(yè)的數(shù)字化進(jìn)程；網(wǎng)絡(luò)云計(jì)算是利用數(shù)據(jù)的處理分析，演變的一種新型且高效計(jì)算方式，在專業(yè)領(lǐng)域中，網(wǎng)絡(luò)云計(jì)算的操作形式主要通過分區(qū)分組結(jié)算的方式分解復(fù)雜問題；水利領(lǐng)域的發(fā)展與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，在工作中體現(xiàn)的得心應(yīng)手，因?yàn)樗墓芾頂?shù)據(jù)雜亂無章，沒有規(guī)律，特立獨(dú)行，不能構(gòu)建系統(tǒng)化的全面管理，但是大數(shù)據(jù)的融合彌補(bǔ)了傳統(tǒng)管理的缺失，可以快速提高管理能力、提升工作效率，所以大數(shù)據(jù)是水利事業(yè)發(fā)展中的新突破；移動互聯(lián)網(wǎng)繼承了移動的即時性和互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)通性，是一個大范圍的、開放性的分享溝通渠道，因此，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水利管理發(fā)展中能夠補(bǔ)充在常規(guī)管理業(yè)務(wù)中解決問題需要實(shí)地勘察、時間滯后的短板，成為水利工作特殊情況的重要解決方案[5]。

1.3 智慧水利在城市防洪中的作用

1）智能預(yù)報(bào)。通過氣象部門預(yù)測的降水量、蒸發(fā)量、徑流量等歷史數(shù)據(jù)的多渠道水文資料信息作為基本數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的高質(zhì)量篩查和多種信息的相關(guān)條件整合，全面考量模擬算法得出基于真實(shí)數(shù)據(jù)推定的水文信息模型，實(shí)現(xiàn)多種因素影響下的復(fù)雜情況智能監(jiān)測、預(yù)測，實(shí)現(xiàn)水利工程的精準(zhǔn)細(xì)分。

2）智能預(yù)警。在智能預(yù)報(bào)的工程演算，能夠更高效準(zhǔn)確地檢測風(fēng)險(xiǎn)事件，提前分析水安全事故。通過智能信息模擬，直觀系統(tǒng)地對安全事故進(jìn)行規(guī)律分析，對事故的定量、影響因素、影響范圍提供更系統(tǒng)的依據(jù)。保證預(yù)警信息的準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)對危害程度和地區(qū)危險(xiǎn)程度的精確預(yù)警。

3）防汛數(shù)據(jù)中心。結(jié)合數(shù)字化模擬預(yù)報(bào)和預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，建立實(shí)現(xiàn)模擬、運(yùn)算、實(shí)時監(jiān)測的共享信息數(shù)據(jù)中心。提高預(yù)判水安全的時效性，快速精準(zhǔn)地保證預(yù)警有效性，彌補(bǔ)了現(xiàn)階段監(jiān)測不足的短板。因此，建立防汛數(shù)據(jù)庫，是推動科技管控的重要技術(shù)支持。

2 防洪工程智慧水利設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目背景

永吉縣位于吉林省中東部，地處松嫩平原向長白山過渡地帶，縣城四面環(huán)山，山體相對較高，地勢則相對低洼。流經(jīng)永吉縣城的河流共有5條河，在洪水短時間內(nèi)極易形成河水暴漲，導(dǎo)致部分橋梁被沖壞，致使河堤防全線漫溢，讓永吉縣受到內(nèi)澇和外洪雙重夾擊，出現(xiàn)“全城被淹”的狀況，因此，著手建立永吉縣智慧水利監(jiān)測系統(tǒng)是很有必要的。

2.2 建設(shè)目標(biāo)

建立智慧水利城市防洪信息化系統(tǒng)需結(jié)合實(shí)際情況和以往洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，主要對永吉縣城區(qū)段河道敏感區(qū)域設(shè)置監(jiān)測設(shè)施，整合現(xiàn)有水雨情信息資源。流域范圍內(nèi)現(xiàn)有雨量監(jiān)測站103處、水位監(jiān)測站65處、3處水文監(jiān)測站、4座大中型水庫和87座?。?）、?。?）型水庫水文站及1座待建四間河水庫等，建立智慧預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以達(dá)到輔助預(yù)報(bào)、預(yù)警的功能，為抵御洪水及保障河道安全提供技術(shù)支撐，同時也為提高永吉縣水利局管理河道的能力，使之運(yùn)行管理更智能化，安全決策更加可靠。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建立

根據(jù)河道工程現(xiàn)狀及永吉縣水利局機(jī)房等實(shí)際情況，整合現(xiàn)有水雨情監(jiān)測點(diǎn)資源，結(jié)合河道工程運(yùn)行監(jiān)控、防汛防洪、日常管理等方面的總體要求，從河道管理、預(yù)警預(yù)報(bào)等方面入手，實(shí)施信息化系統(tǒng)建設(shè)。系統(tǒng)的供電方式采用市電供電方式，同時搭配風(fēng)光互補(bǔ)太陽能供電系統(tǒng)，在市電斷電的應(yīng)急情況下介入供電。

2.3.1 水雨情信息采集系統(tǒng)

實(shí)時水文信息匯集體系建設(shè)是將各單位實(shí)時水文數(shù)據(jù)、遙測水文數(shù)據(jù)及相關(guān)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一合并，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫同步機(jī)制，合并后數(shù)據(jù)庫遵循SL 323-2011《實(shí)時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識符》標(biāo)準(zhǔn)。

開發(fā)并建設(shè)氣象信息提取軟件，數(shù)據(jù)源從氣象臺Web網(wǎng)址提取氣象信息，數(shù)據(jù)保存到氣象信息數(shù)據(jù)庫中。主要數(shù)據(jù)來源包括衛(wèi)星云圖、天氣形勢報(bào)告、中長期天氣預(yù)報(bào)、雷達(dá)拼圖、降雨預(yù)報(bào)、臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)等，氣象臺的氣象信息通過Web方式下載到本地并保存，充分利用這些氣象信息，納入系統(tǒng)進(jìn)行分析、預(yù)報(bào)、預(yù)警，提高洪水遇見期。

氣象數(shù)據(jù)匯集內(nèi)容要求包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、臺風(fēng)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、氣象雨量站要素實(shí)況數(shù)據(jù)等。

2.3.2 工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

此次項(xiàng)目范圍主要針對經(jīng)過城區(qū)段河道范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，該段河道兩側(cè)建筑物、地形相對復(fù)雜，人口密度集中，為直觀地觀察河道情況及實(shí)時地對河道和河道周邊進(jìn)行維管，此次設(shè)計(jì)建立永吉城區(qū)段工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由前端設(shè)備及后臺機(jī)組成，監(jiān)控區(qū)域?yàn)楹拥烂舾袇^(qū)域處。

前端系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成前端的音視頻信息和告警信息的采集、緩存、編碼及發(fā)送等功能，并可接受來自網(wǎng)絡(luò)的控制指令，設(shè)備包括攝像機(jī)、語音對講設(shè)備、報(bào)警、輸入輸出設(shè)備、門禁控制等。

在前端攝像機(jī)的聲音輸出接口連接室外音柱設(shè)備，當(dāng)有人員、車輛進(jìn)入警戒區(qū)域時，觸發(fā)報(bào)警，中心管理人員可通過監(jiān)控室麥克風(fēng)進(jìn)行喊話警告，也可播放事先錄制的警告錄音。

2.3.3 通訊系統(tǒng)

根據(jù)永吉縣城區(qū)段河道堤防管理的實(shí)際需要，采用先進(jìn)的通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在已建水利信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，逐步擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，提升網(wǎng)絡(luò)性能、效能。此次擬在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步拓展網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)層次與服務(wù)內(nèi)容。布設(shè)網(wǎng)絡(luò)均須滿足國家、地方網(wǎng)絡(luò)安全法規(guī)及要求配置。

由于永吉縣城洪澇災(zāi)害發(fā)生期間存在運(yùn)行商信號中斷的情況，此次設(shè)計(jì)組網(wǎng)擬采用“自建為主、租用為輔”的設(shè)計(jì)原則，自主建設(shè)無線通信網(wǎng)絡(luò)即Mesh系統(tǒng)，并同時布設(shè)2用1備共計(jì)3點(diǎn)光纖接入點(diǎn)即公用有線網(wǎng)絡(luò)。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一個新無線局域網(wǎng)類型。與傳統(tǒng)WLAN不同的是，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的AP可以采用無線連接的方式進(jìn)行互連，并且AP之間可以建立多跳的無線鏈路。

2.3.4 中心站建設(shè)

中心站設(shè)在永吉縣水利局內(nèi)，各級網(wǎng)絡(luò)通過內(nèi)部專線進(jìn)行互通，并通過防火墻系統(tǒng)和入侵防御系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)邊界進(jìn)行防護(hù)?？偪刂行膬?nèi)部網(wǎng)絡(luò)通過抗DDOS系統(tǒng)和漏洞掃描系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)，保護(hù)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行。

2.3.5 軟件應(yīng)用平臺

利用無人機(jī)遙感、GIS+BIM等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)永吉縣城區(qū)段河道敏感區(qū)域信息化建設(shè)，主要任務(wù)包括結(jié)合BIM+GIS技術(shù)，構(gòu)建高精度三維立體模型；實(shí)現(xiàn)永吉縣城區(qū)三維場景可視化；實(shí)現(xiàn)河道水位、流量的實(shí)時顯示；實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)與分析；開發(fā)城市防洪信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各個功能的融合。

利用采集的DOM，DEM，水下地形數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)構(gòu)建三維立體模型，并在平臺上實(shí)現(xiàn)三維立體實(shí)景模擬。將水位監(jiān)測設(shè)備獲取的水位信息傳輸?shù)狡脚_上，實(shí)現(xiàn)河道全范圍的水位實(shí)時顯示功能，并在三維場景中進(jìn)行任意區(qū)段水位的搜索和查看。利用大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，構(gòu)建多種分析模型，結(jié)合已有、待建水庫信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水位、流量等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析功能。能夠結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，較準(zhǔn)確地對未來幾小時內(nèi)的降雨量進(jìn)行預(yù)測，大幅提高洪水預(yù)警能力。利用平臺三維仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)未來某一時段的洪水演進(jìn)過程，計(jì)算出下游淹沒范圍、深度、時間等數(shù)據(jù)，最大可能減少洪澇災(zāi)害造成的損失。

3 結(jié)語

隨著我國現(xiàn)代化事業(yè)的不斷發(fā)展，水利系統(tǒng)的要求也越來越高，智慧水利系統(tǒng)的建設(shè)是人類與自然和諧統(tǒng)一的具體體現(xiàn)。本文介紹了智慧水利在城市防洪中的作用，并具體介紹了智慧水利在防洪工程中的設(shè)計(jì)，希望能為我國水利現(xiàn)代化事業(yè)的發(fā)展提供參考。