蔣 力，馬福恒，汪建宏

(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3.水文水資源及水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

基于物聯(lián)網(wǎng)的灌區(qū)智能管理系統(tǒng)研發(fā)

蔣 力1，馬福恒2，3，汪建宏1

(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3.水文水資源及水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

針對(duì)灌區(qū)建筑物和信息點(diǎn)分散、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)散亂、信息孤島嚴(yán)重、時(shí)效性差等問(wèn)題，結(jié)合河南省人民勝利渠及浙江省銅山源水庫(kù)等大型灌區(qū)實(shí)際，將智能化的物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)引入灌區(qū)智能信息感知和管理系統(tǒng)研發(fā)中，利用短距離無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立以ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的灌區(qū)各水利設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，分析不同層次特征信息的融合需求，制定各級(jí)數(shù)據(jù)融合及其控制方法，研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的灌區(qū)智能管理系統(tǒng)，對(duì)提高灌區(qū)高效、安全管理具有重要的實(shí)用價(jià)值。

物聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；智能信息感知；管理系統(tǒng)；大型灌區(qū)

1 問(wèn)題的提出

我國(guó)是世界上從事農(nóng)業(yè)灌溉、興修水利最早的國(guó)家，都江堰、鄭國(guó)渠等水利工程至今仍在發(fā)揮重大灌溉效益。作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)的灌溉面積大，灌區(qū)是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基本保障，在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。20世紀(jì)70年代初，我國(guó)已開(kāi)始研發(fā)農(nóng)業(yè)灌區(qū)自動(dòng)控制技術(shù)，并對(duì)自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)也進(jìn)行了探索，但由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等條件的制約，原本粗放的灌區(qū)自動(dòng)化技術(shù)一直停留在初期階段。隨著灌區(qū)信息化技術(shù)的高速發(fā)展，相對(duì)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的灌區(qū)目前仍存在管理手段落后、信息化建設(shè)投入不足、信息化系統(tǒng)建設(shè)缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及接口、信息采集傳輸水平較低等問(wèn)題。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的灌區(qū)信息化建設(shè)發(fā)展較早，信息化建設(shè)水平也高于我國(guó)，如美國(guó)、澳大利亞、以色列、日本等，在灌區(qū)水管理領(lǐng)域中大量采用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化技術(shù)來(lái)調(diào)控渠系輸水與配水，集信息采集、處理、決策、信息反饋、監(jiān)控為一體，從而實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置和灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度[1]。2002年，我國(guó)啟動(dòng)了全國(guó)大型灌區(qū)信息化建設(shè)試點(diǎn)工作，至今已有多座大型灌區(qū)實(shí)現(xiàn)了信息化管理，提高了灌溉保證率，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。但由于灌區(qū)建筑物和信息點(diǎn)的分散、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)散亂等現(xiàn)狀，造成已建灌區(qū)的信息化系統(tǒng)信息采集效率低、資源共享能力弱、軟件通用化程度不高等，需要采用物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，研發(fā)可靈活配置且擴(kuò)展性強(qiáng)的灌區(qū)信息管理系統(tǒng)。

為加強(qiáng)灌區(qū)水資源統(tǒng)一管理，合理配置、高效利用水資源，科學(xué)協(xié)調(diào)供需矛盾，提高灌區(qū)工作人員業(yè)務(wù)水平及現(xiàn)代化管理水平，進(jìn)一步提高用水調(diào)度水平和灌溉保證率，拓寬信息共享程度，增強(qiáng)灌區(qū)信息化程度，保障灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，有必要研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算平臺(tái)的灌區(qū)智能化管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)目標(biāo)及架構(gòu)

2.1 灌區(qū)信息化目標(biāo)及業(yè)務(wù)流

依據(jù)灌區(qū)現(xiàn)代化管理的需求，信息化應(yīng)用系統(tǒng)是一種集灌區(qū)水利信息管理、現(xiàn)代化辦公和灌溉決策支持于一體的綜合信息系統(tǒng)[2]。水利信息管理包括實(shí)時(shí)采集灌區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)的水雨情、水資源、水利工程運(yùn)行等信息，處理后存入綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，保證反映水雨情、工情、墑情、水質(zhì)、地理信息等數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)；現(xiàn)代化辦公包括信息發(fā)布、費(fèi)用征收、辦公自動(dòng)化、檔案數(shù)字化等業(yè)務(wù)； 灌溉決策支持主要依據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，從用水和工程安全的角度出發(fā)，開(kāi)展防汛抗旱預(yù)警、灌區(qū)工程安全預(yù)警、水資源配置調(diào)度等綜合決策，以實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置、提高灌區(qū)管理效率的現(xiàn)代化管理目標(biāo)，構(gòu)成具有日常工作處理能力、知識(shí)管理能力、科學(xué)決策支持及集成綜合業(yè)務(wù)處理能力。灌區(qū)的信息化業(yè)務(wù)流程見(jiàn)圖1。

圖1 灌區(qū)信息化業(yè)務(wù)流程圖

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的灌區(qū)智能管理系統(tǒng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）技術(shù)將感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代化控制技術(shù)緊密結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[3]，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)（傳輸）層、應(yīng)用層（決策支持與信息發(fā)布）。感知層是智能管理系統(tǒng)的神經(jīng)末梢，主要功能是識(shí)別物體，獲取信息。由感知渠道閘門開(kāi)度、水位、流量、水質(zhì)，灌區(qū)水雨情、墑情、建筑物安全監(jiān)測(cè)、視頻等信息的感知終端（如水位計(jì)、閘位計(jì)等），以及閘門、排澇設(shè)備、提水設(shè)備、電動(dòng)機(jī)、光源等控制設(shè)備構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳遞感知層獲取的數(shù)據(jù)信息、視頻監(jiān)測(cè)信息至決策層，并將服務(wù)層信息、指令下達(dá)到感知設(shè)備，由光纖、同軸、網(wǎng)線等有線傳輸線路及傳輸設(shè)備，微波、ZigBee、GPRS、3G、4G等無(wú)線傳輸鏈路、網(wǎng)絡(luò)安全管理系統(tǒng)等組成。應(yīng)用層包括云計(jì)算平臺(tái)（信息融合與決策）、信息發(fā)布和系統(tǒng)管理等，是灌區(qū)管理信息化系統(tǒng)的集中體現(xiàn)。云計(jì)算平臺(tái)是信息管理系統(tǒng)的中樞，可實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)處理、交換及共享，并將決策結(jié)果向下發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層和感知層；信息發(fā)布分為公眾發(fā)布和業(yè)務(wù)發(fā)布，前者面向社會(huì)公眾，后者僅對(duì)灌區(qū)管理機(jī)構(gòu)和上級(jí)主管部門開(kāi)放，實(shí)現(xiàn)資源共享和按需服務(wù)，避免“信息孤島”?；谖锫?lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的灌區(qū)智能信息感知和管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 灌區(qū)智能信息感知和管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)信息感知及云融合

3.1 信息感知組織方法

由于灌區(qū)建筑物和信息點(diǎn)的分散、數(shù)據(jù)散亂，單一的感知方法已不能滿足信息采集的準(zhǔn)確性，需要對(duì)不同類型傳感器進(jìn)行分類。灌區(qū)信息可分為建筑物安全監(jiān)測(cè)、水雨情和墑情監(jiān)測(cè)、閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)等信息。針對(duì)不同信息源采取相應(yīng)的感知方法。

3.1.1 建筑物安全監(jiān)測(cè)

建筑物安全監(jiān)測(cè)包括取水閘、節(jié)制閘、泵站等建筑物的變形、滲流和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，傳感器的類型有振弦式、差阻式等，其數(shù)據(jù)采集可通過(guò)現(xiàn)地測(cè)控單位（MCU）自動(dòng)召測(cè)獲得，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 安全監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 水雨情、墑情等監(jiān)測(cè)

水雨情、墑情監(jiān)測(cè)主要包括渠首水位、渠道流量、灌區(qū)降雨量、地下水位、含水量、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)內(nèi)容，監(jiān)測(cè)儀器有水位計(jì)、流量計(jì)、滲壓計(jì)、土壤水分監(jiān)測(cè)儀、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀等，這些區(qū)域的電力保障差，主要利用太陽(yáng)能供電，利用RTU采集裝置進(jìn)行自動(dòng)召測(cè)獲得，其站點(diǎn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 遙測(cè)站點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

3.1.3 閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由站控級(jí)和遠(yuǎn)控級(jí)協(xié)作完成。站控級(jí)的各現(xiàn)地控制單元（LCU）負(fù)責(zé)對(duì)閘門進(jìn)行現(xiàn)地測(cè)量、監(jiān)視，并向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送各種測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)接受監(jiān)控主機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令和參數(shù)，完成控制邏輯的實(shí)施；遠(yuǎn)控級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全局（分局）的運(yùn)行監(jiān)視、事件報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和記錄、與上級(jí)系統(tǒng)的通信等功能，并向各現(xiàn)地控制單元發(fā)出控制、調(diào)節(jié)命令。系統(tǒng)采用開(kāi)放式分級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，分成遠(yuǎn)控級(jí)和站控級(jí)。遠(yuǎn)控級(jí)由監(jiān)控主機(jī)兼操作員工作站、數(shù)據(jù)管理服務(wù)器及打印機(jī)等設(shè)備組成。站控級(jí)由各現(xiàn)地控制單元、各種智能測(cè)控裝置、傳感元件組成。

3.1.4 實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視系統(tǒng)

實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視系統(tǒng)由前端設(shè)備、傳輸設(shè)備、控制設(shè)備、記錄和顯示設(shè)備4部分組成。前端設(shè)備由高分辨率彩色攝像機(jī)、全方位云臺(tái)、控制解碼器、室內(nèi)外防護(hù)罩等組成，負(fù)責(zé)圖像和數(shù)據(jù)的采集及信號(hào)處理。所有的視頻信號(hào)和數(shù)據(jù)復(fù)接在一起，選擇合適的信道進(jìn)行傳輸。

3.2 信息傳輸方式及特征分類

灌區(qū)基礎(chǔ)信息監(jiān)視點(diǎn)分散，若全部采用有線通訊不僅造價(jià)高，維護(hù)也較困難，這就需要探索多種傳輸模式。目前無(wú)線傳輸分為短距離無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（如ZigBee、WiFi、RFID等）、遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)（如GPRS、CDMA、3G、4G、超短波等）。由于灌區(qū)基礎(chǔ)信息的多樣性，如閘門遠(yuǎn)程控制需要可靠性高，視頻監(jiān)視需要流量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。灌區(qū)信息傳輸初步分為以下幾類。

（1）渠首樞紐與管理局通訊采用光纖連接，光纖沿主干渠敷設(shè)，中途與各分水（節(jié)制閘）樞紐連接，傳輸各樞紐的閘控、視頻、建筑物安全監(jiān)測(cè)信息，以及辦公自動(dòng)化系統(tǒng)。

（2）灌區(qū)墑情、地下水、降雨量等水文信息的數(shù)據(jù)量小，單獨(dú)建設(shè)微波或其它無(wú)線方式費(fèi)用高，且維護(hù)困難，可采用GPRS技術(shù)將信息發(fā)送至管理局監(jiān)控中心。

（3）各樞紐建筑物自成分中心，采用ZigBee技術(shù)將閘控、視頻、建筑物安全監(jiān)測(cè)、水位等信息傳輸?shù)椒种行谋O(jiān)控主機(jī)，通過(guò)主干光纖傳輸至管理局監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)資源共享。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、容量大的雙向無(wú)線通訊技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

灌區(qū)基礎(chǔ)信息是表征灌區(qū)排灌建筑物的結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)、用戶類型、區(qū)域經(jīng)濟(jì)與環(huán)境、地理特征、灌區(qū)水源特征等的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。整體上包括灌區(qū)管理系統(tǒng)、用水系統(tǒng)、灌區(qū)排灌系統(tǒng)3個(gè)大方面，經(jīng)聚類分析與E - R分析，得出數(shù)據(jù)分類體系見(jiàn)圖5。

圖5 灌區(qū)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)特征分類體系圖

3.3 信息融合處理方法

由于灌區(qū)基礎(chǔ)信息的多樣性、隨機(jī)性、復(fù)雜性，目前信息融合處理過(guò)程中信息的一致性、融合感知系統(tǒng)的容錯(cuò)性和穩(wěn)健性等關(guān)鍵技術(shù)亟待解決[4]。為此，首先針對(duì)灌區(qū)多源信息的隨機(jī)性、模糊性、盲性等特征進(jìn)行研究，建立信息融合層、特征融合層、決策融合層的3層梯度結(jié)構(gòu)的多源信息融合框架體系。在此基礎(chǔ)上，對(duì)渠首閘、節(jié)制閘等水利設(shè)施的基礎(chǔ)屬性信息，灌渠流量、水位、雨情、墑情、水質(zhì)、氣象等多源信息進(jìn)行功能辨識(shí)、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分離，按系統(tǒng)需求對(duì)收集整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)采用Microsoft SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，再采用改進(jìn)的融合算法（聚類分析、貝葉斯估計(jì)等）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，確定多源信息度量函數(shù)、有效數(shù)據(jù)提取準(zhǔn)則，建立灌區(qū)多源信息最優(yōu)特征融合模型，保證融合處理過(guò)程中信息的一致性。研究統(tǒng)計(jì)決策理論、專家系統(tǒng)、SD證據(jù)推理、自適應(yīng)決策，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理等理論和方法，選擇最優(yōu)決策方法，建立智能決策感知模型，對(duì)灌區(qū)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、科學(xué)預(yù)測(cè)、應(yīng)急調(diào)度、綜合決策，并及時(shí)發(fā)布。采用的主要技術(shù)路線見(jiàn)圖6。

圖6 信息數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)路線圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及功能

4.1 工程概況

人民勝利渠灌區(qū)位于黃河北岸，是解放初期在黃河中下游興建的第一個(gè)大型引黃灌溉工程，1951年開(kāi)工興建，1952年開(kāi)閘放水。主要承擔(dān)焦作市、新鄉(xiāng)市、安陽(yáng)市3市的9個(gè)縣(市、區(qū))、47個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的農(nóng)田灌溉、以及新鄉(xiāng)市城市供水等任務(wù)，是河南省糧食主產(chǎn)區(qū)之一[5]。自建成以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)與管理，為我國(guó)引黃事業(yè)的發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為社會(huì)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。人民勝利渠灌區(qū)由灌溉、排水、機(jī)井、沉沙4套工程系統(tǒng)組成。灌溉系統(tǒng)由總干、干、支、斗、農(nóng)5級(jí)渠道組成，總干渠1條，長(zhǎng)52.70 km，干渠5條，長(zhǎng)82.50 km，各種建筑物4 767座；灌區(qū)排水系統(tǒng)以衛(wèi)河為總承泄區(qū)，內(nèi)有東孟姜女河、西孟姜女河2條干排；井灌系統(tǒng)由機(jī)井13 000多眼和相應(yīng)的田間工程組成；沉沙系統(tǒng)有沉沙池、引水渠、退水渠及建筑物組成，自流沉沙，1987年后開(kāi)始渾水灌溉。已逐步形成“以自流灌溉為主、井渠結(jié)合為輔”的灌溉網(wǎng)絡(luò)和干、支、斗齊全的排水體系，成為當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

銅山源水庫(kù)灌區(qū)位于浙江省西部、金衢盆地西端、衢江北岸，受益范圍為衢江縣、龍游縣、柯城區(qū)的16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及十里豐農(nóng)場(chǎng)的7個(gè)農(nóng)業(yè)大隊(duì)，灌溉農(nóng)田2萬(wàn)多公頃（30.00多萬(wàn)畝）、經(jīng)濟(jì)林1.67萬(wàn)hm2（25.00萬(wàn)畝）。灌區(qū)土質(zhì)肥沃，雨量充沛，平原主要種植雙季水稻，黃土丘陵主要種植柑桔等經(jīng)濟(jì)林果，是衢州市的主要產(chǎn)糧區(qū)，同時(shí)也是浙江省最大的自然灌區(qū)之一。由于低地山丘陵區(qū)，常年枯旱，大面積黃土丘陵水源缺乏，長(zhǎng)期得不到開(kāi)發(fā)利用。該灌區(qū)建設(shè)始于20世紀(jì)70年代，其骨干工程銅山源水庫(kù)是一座以灌溉為主的綜合性大型水利工程，于1958年10月動(dòng)工，1974年主體工程完成，1978年配套工程建成通水。水庫(kù)建成后，使衢江區(qū)、龍游縣和柯城區(qū)的14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和十里豐農(nóng)場(chǎng)的7個(gè)農(nóng)業(yè)大隊(duì)的1.56萬(wàn)hm2（23.46萬(wàn)畝）耕地實(shí)現(xiàn)自流灌溉。受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)條件限制，灌區(qū)內(nèi)量水設(shè)施極少且落后，水量的計(jì)量采用經(jīng)驗(yàn)估算法，水量的控制基本采用人工方式。銅山源水庫(kù)灌區(qū)節(jié)水續(xù)建配套項(xiàng)目自1998年8月通過(guò)國(guó)家立項(xiàng)并批復(fù)實(shí)施。目前，灌區(qū)內(nèi)有大型水庫(kù)1座（銅山源水庫(kù)），中型水庫(kù)1座，小(1)型水庫(kù)14座，小(2)型及以下水庫(kù)山塘2 341個(gè)，總庫(kù)容23 831萬(wàn)m3。其渠系分為東干渠和西干渠2條主線，干渠總長(zhǎng)65.29 km，大小建筑物979處。另有支渠25條，總長(zhǎng)277.00 km，引水堰壩416處，提水工程608處。

由于灌區(qū)管理范圍大、工程多、渠系復(fù)雜，管理工作仍依靠人工管理，任務(wù)繁重，手段落后，嚴(yán)重影響了灌區(qū)效益的發(fā)揮。有必要建設(shè)一套基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的信息化管理平臺(tái)。

4.2 系統(tǒng)研發(fā)

結(jié)合河南省人民勝利渠及浙江省銅山源2個(gè)灌區(qū)的實(shí)際需求，利用物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，研發(fā)了灌區(qū)智能管理系統(tǒng)，包括信息采集系統(tǒng)（水位、雨量、流量、墑情、地下水位、閘門開(kāi)度、視頻等）、決策支持系統(tǒng)（灌區(qū)配水優(yōu)化方案、灌區(qū)配水測(cè)控與在線調(diào)度系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻會(huì)商系統(tǒng)）、水費(fèi)征收管理系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)和綜合信息管理平臺(tái)等系統(tǒng)組成。人民勝利渠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 人民勝利渠灌區(qū)智能感知和管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

考慮到軟件功能模塊的定制性和復(fù)用性，本系統(tǒng)基于B/S模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該模式是目前軟件開(kāi)發(fā)的主流結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)技術(shù)可采用JAVA的J2EE技術(shù)[6 - 8]，其邏輯關(guān)系見(jiàn)圖8。該系統(tǒng)已通過(guò)有關(guān)部門審批，近期將組織實(shí)施。

圖8 智能感知和管理系統(tǒng)軟件邏輯關(guān)系圖

4.3 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資，利用云計(jì)算技術(shù)對(duì)各類信息進(jìn)行感知和融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌區(qū)基礎(chǔ)信息的采集與處理，建筑物安全測(cè)控與仿真，調(diào)水及防汛抗旱的決策支持、優(yōu)化調(diào)度，以及灌區(qū)管理局的辦公自動(dòng)化，人事、財(cái)務(wù)、工程、檔案等管理的電子化。其主要功能有：

（1）根據(jù)灌區(qū)建筑物基礎(chǔ)信息的表征，建立了反映灌區(qū)水雨情、墑情、工情、用戶數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、情報(bào)資料等的公共數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，保證系統(tǒng)感知信息共享，消除了“信息孤島”。

（2）從用水需求角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)配水計(jì)劃、防汛抗旱優(yōu)化調(diào)度的實(shí)時(shí)決策支持，提升了灌區(qū)管理局對(duì)水資源的監(jiān)管能力，便捷及時(shí)地為企業(yè)和公眾提供灌區(qū)綜合信息服務(wù)，充分發(fā)揮灌區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

（3）按照用水計(jì)劃和其它相關(guān)計(jì)劃與要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的實(shí)時(shí)調(diào)控與監(jiān)視，完成對(duì)設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)報(bào)警等。

（4）實(shí)現(xiàn)灌區(qū)管理局、管理分局、管理站的辦公自動(dòng)化，包括人事管理、財(cái)務(wù)管理、工程管理、物資管理等職能部門專項(xiàng)管理的信息化；實(shí)現(xiàn)水費(fèi)管理信息化和網(wǎng)上視頻會(huì)議功能。通過(guò)WEB網(wǎng)站向外部展現(xiàn)灌區(qū)風(fēng)采。

(5)實(shí)現(xiàn)檔案的數(shù)字化管理，包括工程資料、視頻資料、相關(guān)管理文件、科技情報(bào)以及科技資料，形成全灌區(qū)的多媒體數(shù)字檔案系統(tǒng)，方便檔案的保存與利用。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)灌區(qū)運(yùn)行現(xiàn)狀，采用物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建了灌區(qū)信息智能管理系統(tǒng)，系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)體系進(jìn)行分層，采用云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行信息感知和融合，分析不同層次特征信息的融合需求，研究各級(jí)數(shù)據(jù)的融合及控制方法，實(shí)現(xiàn)信息管理、決策支持和辦公自動(dòng)化的共享。結(jié)合河南省人民勝利渠灌區(qū)和浙江省銅山源灌區(qū)的實(shí)際，研發(fā)了灌區(qū)信息智能管理系統(tǒng)，科學(xué)配置水資源、優(yōu)化供水和防汛調(diào)度方案，為灌區(qū)水資源的管理、節(jié)水灌溉、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等的正確決策提供科學(xué)依據(jù)，該系統(tǒng)的建立對(duì)提高灌區(qū)高效、安全管理，充分發(fā)揮灌區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益等具有重要意義。

[1] 湯明玉，馬巨革.淺談我國(guó)灌區(qū)信息化建設(shè)存在問(wèn)題及對(duì)策[J].華北國(guó)土資源,2015(1)：69 - 70.

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（責(zé)任編輯 黃 超）

Research and Development of Irrigation Intelligent Management System Based on the Internet of Things

JIANG Li1，MA Fu - heng2，3，WANG Jian - hong1

（1.Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power（ZDWP）Hangzhou310002，Zhejiang，China；2.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，Jiangsu，China；3.State Key Laboratory of Hydrology - Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing 210098，Jiangsu，China）

To solve the problems of scattered buildings，scattered monitoring data，serious information island and poor timeliness in irrigation district，etc., combining with the actual situation of People's Victory Canal in Henan Province and Tongshanyuan Reservoir in Zhejiang Province，and other large irrigation areas，this paper introduced intelligent internet of things and cloud computing technology into the research and development of irrigation intelligent information perception and management system. Water conservancy facilities IOT (Internet of Things) system architecture of irrigation regions was established by using short - range wireless networking technology，which is based on ZigBee wireless network technology. The study analyzed the integration needs of feature information in different levels，formulated data fusion in different grades and its control method，developed the intelligent management system in irrigation areas based on the IOT， which have important practical value for the irrigation areas in improving efficiency and safety management.

internet of things；clouding computing；intelligent information perception；management system；large - scale irrigation area

S274

A

1008 - 701X(2016)06 - 0059 - 05

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2016.06.019

2016-01-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51139001、51409167)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（201401022、201501036）

蔣 力(1963 - )，男，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事水利規(guī)劃與信息化工作。E-mail：jllnjjs@aliyun.com