(1.四川省武都引水工程建設管理局，四川 綿陽，621000； 2. 四川省水利科學研究院，成都，610072； 3.浙江禹貢信息科技有限公司，杭州，310009)

引言

2019年1月，全國水利網(wǎng)信工作會議明確提出了“水利工程補短板，水利工程強監(jiān)管”的水利改革發(fā)展總基調(diào)，要求盡快補齊信息化短板，在水利信息化建設上提檔升級，按需構(gòu)建安全實用、智慧高效的水利信息系統(tǒng)，以水利信息化驅(qū)動水利現(xiàn)代化，全面提升水利業(yè)務管理的效率，為我國水資源管理、水安全保障、水生態(tài)修復提供技術(shù)支撐。而水庫運行管理是水利工程標準化管理的重中之重，結(jié)合水庫安全運行管理的實際需求構(gòu)建水庫標準化管理平臺很有必要。

武都引水工程是四川省“西水東調(diào)”總體規(guī)劃中確定的大型綜合利用水利工程，曾被鄧小平同志譽為“第二個都江堰”。工程共分二期建設，其中第一期工程包括取水樞紐、總干渠和涪梓灌區(qū)(灌溉8.47萬hm2)渠系及沉抗囤蓄水庫等已建成；第二期工程包括武都水庫、西梓灌區(qū)(灌溉7萬hm2)等。武都水庫位于四川省江油市境內(nèi)的涪江干流上，是已建成的武都引水一期工程和在建的武都引水二期灌溉工程及蓬船灌區(qū)工程的水源工程，可控灌溉面積達到21.33萬hm2；是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧城鄉(xiāng)工業(yè)、生活及環(huán)境供水的大(I)型水利樞紐工程。主要建筑物有：攔河壩、壩后式電站廠房等。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高120.34m，正常蓄水位658m；總庫容5.72億m3，裝機容量為150MW，裝機利用時數(shù)4064h，多年平均發(fā)電量6.1億kW·h。工程于2012年底建成并投入運行使用。二期灌區(qū)工程于2013年全面開工建設，現(xiàn)仍在建設之中。隨著建設不斷深入和配套工程的不斷完工，如何“建管并重”和“補短板、強監(jiān)管”成為當前亟待解決的問題[2]。

為全面提升水庫標準化管理水平，補齊水庫管理信息化短板，本文通過系統(tǒng)分析水庫運行管理存在的問題和實際需求，基于信息化理論方法研究了水庫標準化運行管理云平臺總體構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)，最后以武都水庫為試點進行了水庫標準化運行管理平臺的研發(fā)與應用示范，結(jié)果表明，水庫標準化運行管理云平臺是進行水庫運行管理的有力工具，具有很強的實用性和可操作性。

1 總體構(gòu)架

水庫標準化運行管理研究內(nèi)容主要包括標準化管理體系研究、標準化運行管理手冊編制和水庫標準化運行管理云平臺的研發(fā)三部分內(nèi)容[3]。

其中標準化管理體系研究主要包括了管理體系、決策體系、安全監(jiān)測體系、執(zhí)法體系、應急管理體系、維修養(yǎng)護體系、安全生產(chǎn)考核體系等方面；標準化管理手冊主要包括組織手冊、制度手冊和操作手冊的編制；水庫標準化運行管理云平臺的研發(fā)主要包括數(shù)據(jù)庫建設、平臺功能建設、基礎環(huán)境搭建三個方面的內(nèi)容，應用平臺功能涵蓋了水庫基礎管理、安全管理、運行管理、維養(yǎng)管理、應急管理、信息總覽、辦公管理、庫區(qū)管理、安全生產(chǎn)標準化考核等[4]。結(jié)合水庫日常運行管理實際，水庫標準化管理平臺整體架構(gòu)如圖1所示，由智能感知層、智能互聯(lián)層、云數(shù)據(jù)中心、業(yè)務應用系統(tǒng)、標準規(guī)范及其安全保障體系構(gòu)成。

圖1 水庫標準化管理平臺總體設計框架

其中智能感知層主要包括水情、雨情、工情、視頻監(jiān)控、設備狀態(tài)信息等，還包括取水樞紐、安全監(jiān)測、氣象監(jiān)測、泥沙觀測、水質(zhì)監(jiān)測等共享數(shù)據(jù)；智能互聯(lián)層主要包括互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、3G/4G乃至以后5G通信網(wǎng)等；數(shù)據(jù)中心采用云平臺框架，由靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成；業(yè)務系統(tǒng)是進行業(yè)務辦理的集中服務窗口，用戶可以通過登錄實現(xiàn)包括動態(tài)業(yè)務管理、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、安全運行評價、經(jīng)濟運行分析、辦公統(tǒng)一審批等，平臺服務模塊涵蓋信息總覽、運行管理、應急管理、辦公管理、生產(chǎn)管理、基礎管理、維修養(yǎng)護、安全管理、庫區(qū)管理、移動應用等[5-7]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

水庫標準化運行管理云平臺的研究與開發(fā)是一個系統(tǒng)工程，涉及的核心技術(shù)很多，一些通用技術(shù)如互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云平臺構(gòu)架技術(shù)、安全加密技術(shù)、APP開發(fā)技術(shù)、流程化定制技術(shù)等本文限于篇幅不再累述。本文重點論述數(shù)據(jù)庫集成開發(fā)技術(shù)、全景圖技術(shù)、NFC安全巡查巡檢技術(shù)[8]及其流程化引擎設計技術(shù)[9]等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)庫集成開發(fā)技術(shù)

一個軟件平臺只有在擁有源源不斷的數(shù)據(jù)時才有生命力，因此，有效集成水庫實時數(shù)據(jù)(水位、雨情、工情等)、靜態(tài)數(shù)據(jù)(工程信息、管理制度、設備檔案、組織機構(gòu)、崗位職責等)、動態(tài)數(shù)據(jù)(運行調(diào)度臺賬、巡查記錄、汛前檢查記錄等)，形成水庫標準化運行管理的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫尤為重要[10]。數(shù)據(jù)庫集成開發(fā)技術(shù)通過建立標準的數(shù)據(jù)存儲標準和靈活可擴展的數(shù)據(jù)采集標準，對原始數(shù)據(jù)進行大量的格式化整編和標準化采集工作，最后在通信上對數(shù)據(jù)服務采用Web Service和HTTP Service協(xié)議進行有效集成[11]。

圖2 數(shù)據(jù)集成

2.2 720°全景圖技術(shù)

基于地理信息技術(shù)和全景圖技術(shù)建立系統(tǒng)展示界面，全面、直觀地反映工程運行管理全貌。全景圖拍攝采用目前國內(nèi)比較成熟的720°空中全景拍攝技術(shù)。全景實際上只是一種對周圍景象以某種幾何關(guān)系進行映射生成的平面圖片，只有通過全景播放器的矯正處理才能成為三維全景(全景特指水平360°，上下360°全能觀看的，能看到“天、地”的全景)，本次項目建設擬使用無人機機載相機完成大壩上空1處、大壩下游1處、庫區(qū)2處、管理大樓1處，總計5處全景圖拍攝。

(1)720°全景數(shù)據(jù)采集技術(shù)要求

無人機低空720°全景采集高度為距被拍攝物50m左右，范圍涉及重要閘、壩及泵站工程全貌及其上下游河道與左右岸各100m范圍，分辨率在0.2m左右。相機視角：360°(水平)×180°(垂直)。拼接后像素：≥3000萬。

圖4 系統(tǒng)集成展示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(2)全景拼接技術(shù)

使用定制的全景相機采集的數(shù)據(jù)，都需要對每一景的多幅照片進行后期的三維全景拼接處理，拼接后得到720°全景照片。最終輸出的全景圖片長寬比應為2∶1的固定比例，對于缺失的天空或者水面的影像需要其它圖片進行補充調(diào)色、優(yōu)化等處理。

2.3 NFC安全巡查巡檢技術(shù)

近場通信(Near Field Communication)即NFC是一種新興的技術(shù)[8]，使用了NFC技術(shù)的設備(比如手機)可以在彼此靠近的情況下進行數(shù)據(jù)交換，是由非接觸式射頻識別(RFID)及互連互通技術(shù)整合演變而來，通過在單一芯片上集成感應式讀卡器、感應式卡片和點對點通信的功能，本系統(tǒng)利用該技術(shù)，結(jié)合云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPS定位技術(shù)等國際最先進技術(shù)進行構(gòu)架開發(fā)，基于SaaS互聯(lián)網(wǎng)+架構(gòu)的新型軟件架構(gòu)模式，流程如圖3所示。

圖3 NFC感應物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

從圖3可知，觸發(fā)器1將觸發(fā)登錄界面，啟動APP應用程序，以便登錄人員完成任務，并將完成任務數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫[13]；觸發(fā)器2將觸發(fā)GPS定位，記錄定位，自動繪制路徑，傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫；觸發(fā)器3將觸發(fā)時鐘，將時間信息進行記錄并傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫中；所有數(shù)據(jù)將可以到達后臺電腦程序進行處理。

2.4 流程化設計技術(shù)

通過工作流引擎設計的管理流程可以比較容易進行工作流程調(diào)整，利用全新的Activity引擎技術(shù)[15]，將業(yè)務處理的過程控制邏輯從業(yè)務處理操作中分離出來，通過工作流引擎技術(shù)實現(xiàn)過程的優(yōu)化配置和重組，采用國際標準WFMC工作流引擎Activity技術(shù)對標準化流程進行了設計。

2.5 系統(tǒng)集成互聯(lián)技術(shù)

當實時數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)、流程化數(shù)據(jù)集成到云端后，例如視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)視圖像、信息采集系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、泵閘監(jiān)控系統(tǒng)、標準化運行管理系統(tǒng)、水資源調(diào)度管理系統(tǒng)運行情況等，可以采用系統(tǒng)集成互聯(lián)技術(shù)，以各種各樣的模型進行分析，分析結(jié)果可以通過多種多樣的方式進行展示。武都水庫采用拼接屏、手機終端、電腦工作站等結(jié)合方式進行展示，如圖4所示。

3 應用研究

以前期已有研究成果為業(yè)務指導，基于關(guān)鍵技術(shù)進行水庫標準化運行管理平臺的研發(fā)測試，并在武都水庫進行應用示范，經(jīng)過6個月不斷測試，目前運行情況良好，系統(tǒng)信息總覽界面如圖5所示。

圖5 信息總覽界面

通過GIS開發(fā)，將各類實時數(shù)據(jù)，如水情、雨情、工情、視頻和720°全景圖集成到綜合地圖中，形成各種數(shù)據(jù)的一張圖管理，即綜合地圖管理，如圖6所示。

圖6 綜合地圖管理界面

基于NFC安全巡查巡檢技術(shù)，實現(xiàn)了整個庫區(qū)的智能化巡檢。手機端APP巡檢界面如圖7所示。

圖7 手機APP安全巡檢界面

武都水庫標準化運行管理需要流程管理，依據(jù)《操作手冊》定制化開發(fā)流程化數(shù)據(jù)引擎，以防洪調(diào)度模塊為例，具體流程如下：水庫上報請示單——防辦下發(fā)指令單——水庫按流程簽發(fā)預警指令單(閘門預操作指令)進行開閘前各項準備工作(包括預警準備、工程設備準備等)——預警反饋——水庫按流程簽發(fā)操作令——操作完成后操作人員向水庫反饋操作情況——向上級主管部門反饋操作情況。此外，用戶還可以通過平臺進行操作流程的修改完善。系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 興利調(diào)度流程界面

4 結(jié)論

實踐表明，水庫標準化運行管理平臺有效提升了武都水庫標準化運行管理的水平，具有很強應用價值和示范作用，武都水庫標準化運行管理平臺研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)及其應用示范研究，對下一步開展全省水庫現(xiàn)代化管理意義重大，具體體現(xiàn)在以下三個方面：

(1)平臺基本滿足了水庫標準化運行管理的功能需求，通過平臺進行水庫運行管理實現(xiàn)了水庫的規(guī)范化管理；

(2)平臺實現(xiàn)了水庫管理涉及數(shù)據(jù)的有效集成，完成了武都水庫水雨情、工情閘門、流量、機組運行數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、集水井數(shù)據(jù)整合，并已形成綜合數(shù)據(jù)庫，并且可以通過平臺對已有數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)服務進行管理；

(3)平臺實現(xiàn)了水庫現(xiàn)代化管理的需要。該平臺將先進的NFC技術(shù)、VR技術(shù)、APP技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)、移動通信技術(shù)、云技術(shù)、云數(shù)據(jù)庫技術(shù)等結(jié)合在一起，滿足水庫現(xiàn)代化管理需求。

水庫的運行管理也是一個不斷改革的過程，因此，水庫標準化運行管理平臺建設不能止步當前，還需要結(jié)合實際管理進行優(yōu)化升級。此外，還要擴大研究范圍，研究基于信息化技術(shù)方法的水利工程標準化管理方法。