俞揚(yáng)峰,馬福恒, 2,霍吉祥, 2,李涵曼
(1. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029;2. 水利部大壩安全管理中心,江蘇 南京 210029)
大型灌區(qū)具有覆蓋范圍廣、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)多、數(shù)據(jù)分散等特點(diǎn),涉及信息種類繁多且數(shù)量巨大[1]。在大型灌區(qū)管理中,灌區(qū)多個(gè)部門之間的信息及數(shù)據(jù)無法及時(shí)傳遞,給灌區(qū)管理帶來極大不便。為保證工程安全運(yùn)行、合理配置水資源、充分發(fā)揮工程效益,隨著大型灌區(qū)工程續(xù)建配套的進(jìn)一步深入,其信息化水平得到顯著提高,尤其是GIS技術(shù)被廣泛應(yīng)用于灌區(qū)生態(tài)監(jiān)測、地下水管理、需水量等方面。虎海燕等設(shè)計(jì)了一個(gè)基于WebGIS的灌區(qū)生態(tài)監(jiān)測與決策支持系統(tǒng),用于監(jiān)測疏勒河灌區(qū)內(nèi)的植被和作物[2];徐斌等采用GIS技術(shù)應(yīng)用于涇惠渠灌區(qū)的地下水儲量分析和污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[3- 4];劉照等將GIS結(jié)合RS技術(shù)和智能算法,對灌區(qū)渠系優(yōu)化配水工作進(jìn)行研究,并分別在甘肅省張掖市甘州區(qū)盈科灌區(qū)和人民勝利渠得到應(yīng)用[5- 6];張嘉星等基于GIS技術(shù)分別于人民勝利渠和河套灌區(qū)內(nèi)研究了井渠結(jié)合灌溉方式下用水比和分布區(qū)布置等的確定方法[7- 8];李增煥等基于B/S模式設(shè)計(jì)了一套灌區(qū)工情管理信息系統(tǒng)[9]。
綜上可見,目前大多數(shù)存在的灌區(qū)監(jiān)測和信息查詢途徑多是通過計(jì)算機(jī)獲取,而移動管理平臺相對較少。當(dāng)前移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給人們提供了許多高速與便捷的服務(wù),同時(shí)大量高性能智能手機(jī)已普及,各種移動應(yīng)用已滲透至日常工作生活及工程應(yīng)用中[10- 11]。鑒于此,基于GIS的大型灌區(qū)移動智慧管理系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)屬必要。在分析大型灌區(qū)監(jiān)測與管理特點(diǎn)基礎(chǔ)上,本文擬構(gòu)建基于GIS的大型灌區(qū)移動智慧管理系統(tǒng)框架,對其主要模塊和功能進(jìn)行規(guī)劃。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)一套基于GIS的大型灌區(qū)移動智慧管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)傳遞,同時(shí)可將灌區(qū)工程信息、監(jiān)測信息等內(nèi)容進(jìn)行展示。該系統(tǒng)的研發(fā)旨在提高大型灌區(qū)移動管理信息化水平。
為能在所構(gòu)建的系統(tǒng)中更全面、有效地反映大型灌區(qū)綜合信息,首先分析其監(jiān)測與管理的主要特點(diǎn),從而為基于GIS的大型灌區(qū)移動智慧管理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。大型灌區(qū)監(jiān)測與管理的特點(diǎn)主要有:
(1) 工程對象種類眾多。大型灌區(qū)監(jiān)測的工程對象從類型上總體可分為遙測站和樞紐點(diǎn)兩大類,其中前者又包括水位站、氣象站、雨量站、風(fēng)速風(fēng)向站、流量站、水質(zhì)站等,而后者又包括樞紐、泵站、閘門等。
(2) 傳感器類型多樣。由于不同工程對象具有不同監(jiān)測項(xiàng)目,因此其傳感器類型也較為多樣。如水質(zhì)站主要監(jiān)測指標(biāo)包括pH值、電導(dǎo)率、水溫、溶解氧及濁度等,閘門監(jiān)測主要包括閘前后水深、提閘高度、流量等,而泵站則主要涉及三相電壓、電流以及運(yùn)行狀態(tài)等。因此,需要多種類型的傳感器對這些監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行感知。
(3) 不同協(xié)議與公約。由于傳感器類型較多,其需滿足的數(shù)據(jù)通信協(xié)議也有所不同。對于閘門、泵站等現(xiàn)地控制單元,其智能傳感器與遙測終端間需滿足MODBUS通訊協(xié)議,而對于水位、流量、水質(zhì)、墑情等水文監(jiān)測系統(tǒng),其傳感器與遙測RTU間數(shù)據(jù)通信協(xié)議需滿足水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約(SL 651—2014)。
(4) 實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測。由于大型灌區(qū)一般需承擔(dān)灌溉、抗旱補(bǔ)源、城市供水等任務(wù),因此流量、水質(zhì)及閘門狀態(tài)等參數(shù)指標(biāo)極為重要,需實(shí)時(shí)顯示其動態(tài)變化,同時(shí),當(dāng)此類監(jiān)測參數(shù)低于或高于警戒值時(shí)需及時(shí)發(fā)出警報(bào),以便管理人員根據(jù)應(yīng)急預(yù)案采取相應(yīng)措施。
(5) 視頻輔助管理。通過圖像及影像信息的采集可實(shí)時(shí)監(jiān)測工程建筑物(如閘門等)運(yùn)行狀態(tài)[12- 13]。大型灌區(qū)包括各級渠道數(shù)百千米及各種建筑物上千座,具有范圍大、工程多、渠線長等特點(diǎn),單靠人工巡視管理任務(wù)極其繁重。因此在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及部位需布置視頻監(jiān)視點(diǎn),通過實(shí)時(shí)視頻,管理人員可以在任何時(shí)刻觀察灌區(qū)及工程建筑的狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能危害工程安全的異常情況等。
移動智慧管理系統(tǒng)以移動數(shù)字地圖作為灌區(qū)平面圖底圖,并將灌區(qū)空間信息與樞紐點(diǎn)、測站等的屬性、監(jiān)測數(shù)據(jù)等相融合,用戶通過該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大型灌區(qū)各類信息查詢與實(shí)時(shí)監(jiān)測,操作方便,管理能力增強(qiáng)。同時(shí),對灌區(qū)進(jìn)行空間細(xì)化使查詢和分析快速便捷,有利于灌區(qū)供水、配水、防汛的決策。
系統(tǒng)可采用開源地圖API構(gòu)建GIS模塊,數(shù)據(jù)通過HTTP訪問數(shù)據(jù)層,將訪問數(shù)據(jù)以JSON格式返回。移動智慧管理系統(tǒng)包含視圖層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層,視圖層主要用于用戶操作及數(shù)據(jù)渲染,通過用戶操作訪問控制層,控制層對網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行HTTP請求,網(wǎng)絡(luò)層通過Volley發(fā)送HTTP請求并解析JSON數(shù)據(jù)返回到控制層,控制層組裝數(shù)據(jù)后返回到視圖層,如圖1所示。同時(shí)移動智慧管理系統(tǒng)自動更新及bug自動收集上報(bào)通過Bugly實(shí)現(xiàn),圖形報(bào)表采用混合架構(gòu),通過內(nèi)嵌瀏覽器調(diào)用本地Html+JS,如圖1所示。
移動智慧管理系統(tǒng)接口發(fā)布在IIS上,采用基于MVC架構(gòu)開發(fā)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、移動智慧管理系統(tǒng)(見圖2)。移動智慧管理系統(tǒng)采用Android Studio 2.0平臺進(jìn)行開發(fā)和測試,采集、數(shù)據(jù)管理、發(fā)布等,服務(wù)器系統(tǒng)采用Microsoft Server 2008 R2。
圖1 移動管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程Fig.1 Structural diagram of mobile management system
圖2 大型灌區(qū)移動智慧管理系統(tǒng)框架Fig.2 Framework of mobile intelligence management system
數(shù)據(jù)采集:利用各類專業(yè)軟件對現(xiàn)地監(jiān)控單元/RTU解析報(bào)文并通過局域網(wǎng)/GPRS傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。
數(shù)據(jù)層:灌區(qū)監(jiān)測信息種類繁多,建立數(shù)據(jù)層可統(tǒng)一管理、存儲不同類別的空間、屬性等數(shù)據(jù)。包含視頻、閘門、泵站、遙測、預(yù)警等多元數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)灌區(qū)數(shù)據(jù)的整體化管理、存儲和服務(wù)。
應(yīng)用層:建立在數(shù)據(jù)層上,在應(yīng)用層利用諸如WebAccess和BootStrap等軟件或組件構(gòu)建不同領(lǐng)域的專業(yè)軟件和工具,提供信息查詢管理維護(hù)、圖形報(bào)表、統(tǒng)計(jì)分析等功能服務(wù)。
移動智慧管理系統(tǒng):通過HTTP訪問數(shù)據(jù)接口,將灌區(qū)各類監(jiān)測信息實(shí)時(shí)反饋到APP中的百度平面圖上,用戶可遠(yuǎn)程訪問和遠(yuǎn)程管理。智慧管理系統(tǒng)通過應(yīng)用集成、數(shù)據(jù)集成、成果集成等在灌區(qū)平面圖上集成視頻、閘門、泵站、遙測、預(yù)警等多元數(shù)據(jù)和信息,并基于這些信息進(jìn)行空間的定位、查詢、分析等。
由以上分析,可將基于GIS的大型灌區(qū)移動智慧管理系統(tǒng)分為4大模塊,其中共包括8個(gè)小的功能模塊,如圖3所示。
圖3 大型灌區(qū)移動智慧管理系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
以下主要對8個(gè)模塊的功能進(jìn)行討論。
(1) 基礎(chǔ)信息管理模塊 針對大型灌區(qū)工程對象種類繁多的特點(diǎn),需對遙測站、閘門、泵站、視頻監(jiān)測點(diǎn)等基本信息進(jìn)行管理,工程對象不同,其基本信息也有所不同。如遙測站主要包括測站名稱、河流、水系及流域名稱、經(jīng)緯度、站址、水位基值、測站類型(水位站、氣象站、雨量站、風(fēng)速站、流量站或水質(zhì)站等)、建站時(shí)間、信息管理單位等;閘門信息主要包括閘門名稱、經(jīng)緯度、水位預(yù)警值、監(jiān)測方式、操作時(shí)間和操作人員等;泵站則主要包括泵站名稱、機(jī)組數(shù)、經(jīng)緯度、操作時(shí)間和操作人員等信息;視頻點(diǎn)基本信息包括名稱、IP地址、端口、經(jīng)緯度等。
(2) 水情墑情模塊 水情墑情信息是灌區(qū)重要監(jiān)測指標(biāo),需根據(jù)水文、氣象、土壤墑情及作物生長期灌溉需求,方可提出灌區(qū)需水計(jì)劃。因此,在水情墑情模塊中包括水位信息(測量時(shí)間及對應(yīng)水位值、水位報(bào)警)、雨情信息(測量時(shí)間及對應(yīng)降雨量和報(bào)警信息)、風(fēng)情信息(測量時(shí)間、風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)力等級及風(fēng)速報(bào)警等)、氣溫信息(測量時(shí)間、氣溫值、氣溫報(bào)警等)以及土壤墑情信息(包括測量時(shí)間、表層含水量、淺層含水量、深層含水量及各層對應(yīng)的報(bào)警信息)。
(3) 流量及流量系數(shù)模塊 流量是最直觀反映灌區(qū)供水量的一項(xiàng)重要指標(biāo),除可通過流量站直接監(jiān)測獲得外,還可通過閘門上、下游水位、閘門開度以及流量系數(shù)計(jì)算獲得。其中流量系數(shù)需根據(jù)累積的一定實(shí)測流量及相應(yīng)的水位資料計(jì)算獲得,同時(shí)考慮到其隨上、下游水位、開閘高度等因素變化而變化,可通過曲線(公式)法或分級處理法進(jìn)行率定,在獲得其率定值基礎(chǔ)上即可進(jìn)行推流。
(4) 水質(zhì)模塊 由于大部分灌區(qū)承擔(dān)著灌溉、供水等功能,因此對水質(zhì)有一定要求,常布置有水質(zhì)站對pH值、電導(dǎo)率、水溫、溶解氧、濁度等水環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測及預(yù)警。
(5) 閘門監(jiān)測模塊 閘門調(diào)節(jié)是灌區(qū)工程中經(jīng)常采用的手段, 研究閘門控制對于節(jié)約能源、確保水利工程正常運(yùn)行、提高水資源利用效率和節(jié)約用水具有重要意義。閘門監(jiān)測包括遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)和人工監(jiān)測兩種,參數(shù)主要包括測量時(shí)刻、上下游水位、閘門開啟高度、實(shí)測流量、計(jì)算流量及方式等。
(6) 泵站監(jiān)測模塊 灌區(qū)泵站主要用于提水灌溉,其監(jiān)測指標(biāo)參數(shù)主要包括機(jī)組編號、監(jiān)測時(shí)刻、三相電壓、電流、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)(運(yùn)行或停止)以及是否存在故障等。
(7) 視頻點(diǎn)監(jiān)測模塊 由于大型灌區(qū)具有范圍大、工程多、渠線長的特點(diǎn),僅靠人工巡視檢查無法滿足安全運(yùn)行需求,因此需在閘門等關(guān)鍵部位布置視頻監(jiān)視點(diǎn),通過實(shí)時(shí)視頻了解閘門等運(yùn)行情況。因此,視頻模塊中需包括視頻點(diǎn)名稱、實(shí)時(shí)視頻等信息。
(8) 預(yù)警模塊 通過模型對現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分析出理論的預(yù)警值并在預(yù)警管理中進(jìn)行配置,同時(shí)用戶可自行配置多級預(yù)警閾值,通過配置可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的預(yù)警。
在以上各模塊中主要包括數(shù)據(jù)采集、信息查詢、統(tǒng)計(jì)分析等功能,各功能簡介如下。
(1) 數(shù)據(jù)采集 通過自主開發(fā)C/S結(jié)構(gòu)的客戶端及WebAccess組件二次開發(fā)的監(jiān)測平臺實(shí)現(xiàn)遙測、閘門等監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送,將不同類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送到數(shù)據(jù)中心,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的一體化集成和瀏覽查詢。
(2) 信息查詢 信息查詢按業(yè)務(wù)需求分為基本情況、預(yù)警、專業(yè)監(jiān)測信息查詢,按照查詢方式分為區(qū)域查詢、類型查詢、點(diǎn)查詢和條件查詢:① 區(qū)域查詢,按區(qū)域查詢可任意對同一個(gè)區(qū)域內(nèi)不同監(jiān)測類型的監(jiān)測項(xiàng)目查詢,查詢結(jié)果以列表形式顯示;② 類型查詢,針對同一類型監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì),之后進(jìn)行圖形繪制,統(tǒng)計(jì)分析,報(bào)表輸出;③ 點(diǎn)查詢,針對單點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行特征統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)比對、曲線擬合等;④ 條件查詢,根據(jù)用戶給定的條件進(jìn)行查詢,靈活性較強(qiáng),可根據(jù)給定的條件將滿足條件的圖元及其屬性查詢出來。不同監(jiān)測類型的數(shù)據(jù)查詢條件也不同。
(3) 統(tǒng)計(jì)分析 統(tǒng)計(jì)分析對各種類型的灌區(qū)數(shù)據(jù),以區(qū)域性來查詢統(tǒng)計(jì)出監(jiān)測點(diǎn)的分布情況、監(jiān)測情況、預(yù)警情況等內(nèi)容。具有單區(qū)域查詢以及集中查詢統(tǒng)計(jì)兩種方式。根據(jù)查詢條件可生成配水計(jì)劃、水量統(tǒng)計(jì)、水損統(tǒng)計(jì)、曲線擬合、預(yù)警預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)等報(bào)表,通過選擇年月時(shí)等報(bào)表類型,輸出Word,Excel等多格式報(bào)表,同時(shí)可繪制不同條件下的統(tǒng)計(jì)圖形。
統(tǒng)計(jì)分析接口可供GIS調(diào)用,在GIS平面地上可進(jìn)行集中查詢及統(tǒng)計(jì)分析,可定位到不同區(qū)域,同時(shí)也可在定位區(qū)域查詢并瀏覽出其他類型監(jiān)測信息。
統(tǒng)計(jì)分析主要功能如下:① 根據(jù)統(tǒng)計(jì)條件計(jì)算出相關(guān)結(jié)果,供領(lǐng)導(dǎo)層決策支持;② 自定義查詢統(tǒng)計(jì)條件,方便靈活;③ 采用報(bào)表組件,可將統(tǒng)計(jì)結(jié)果輸出到不同類型文件中,方便快捷;④ 在GIS平臺上,定位不同區(qū)域,展示不同區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù);⑤ 能對不同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行水量統(tǒng)計(jì)、水損統(tǒng)計(jì)、曲線擬合、預(yù)報(bào)等分析,同時(shí)對統(tǒng)計(jì)出來的數(shù)據(jù)以折線圖方式直觀展現(xiàn);⑥ 可進(jìn)行預(yù)警,不同監(jiān)測類型設(shè)置不同預(yù)警方式,監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可在GIS平臺上以不同標(biāo)記進(jìn)行預(yù)警,方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測灌區(qū)內(nèi)異常情況。
人民勝利渠位于河南省北部黃河北岸,工程跨新鄉(xiāng)、焦作、安陽三市,控制面積1 486.84 km2,設(shè)計(jì)灌溉面積992 km2,主要承擔(dān)焦作、新鄉(xiāng)、安陽3市9個(gè)縣(市、區(qū))、47個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的農(nóng)田灌溉、抗早補(bǔ)源、新鄉(xiāng)市城市供水等任務(wù)。
人民勝利渠監(jiān)測與管理系統(tǒng)涉及的主要監(jiān)測點(diǎn)包括樞紐(含閘門和視頻點(diǎn))、泵站、水情遙測站、流量站以及水質(zhì)站等,如表1所示。
表1 人民勝利渠監(jiān)管系統(tǒng)主要監(jiān)測點(diǎn)Tab.1 Main monitoring points of People’s Victory Canal monitoring and management system
圖4 基于GIS的灌區(qū)信息系統(tǒng)界面Fig.4 System interface of irrigation district information based on GIS
在系統(tǒng)模塊與功能設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,結(jié)合人民勝利渠工程實(shí)際,開發(fā)了一個(gè)基于GIS的大型灌區(qū)移動智慧管理系統(tǒng)。通過開發(fā)C/S客戶端系統(tǒng)對各種類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心,移動智慧管理系統(tǒng)通過部署在IIS上的接口程序進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問,通過HTTP對各類監(jiān)測點(diǎn)、樞紐點(diǎn)的基本信息、視頻信息、閘門信息、泵站信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)等內(nèi)容進(jìn)行維護(hù)和管理。
移動智慧管理系統(tǒng)GIS模塊采用開源的百度地圖API進(jìn)行二次開發(fā)而成。百度地圖API是一套由JavaScript語言編寫的應(yīng)用程序接口,能構(gòu)建功能豐富、交互性強(qiáng)的地圖應(yīng)用程序。百度地圖API不僅包含構(gòu)建地圖的基本接口,同時(shí)具有搜索、定位等功能,具有低消耗、應(yīng)用控件化、數(shù)據(jù)接口豐富、二次開發(fā)程度高等技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢。通過對數(shù)據(jù)接口的訪問,將處理結(jié)構(gòu)送至Web層,并進(jìn)一步發(fā)送到移動智慧管理系統(tǒng)。
GIS平臺可分為樞紐點(diǎn)、遙測點(diǎn)、泵站監(jiān)測點(diǎn)等?;贕IS的人民勝利渠信息系統(tǒng)界面如圖4所示,不同工程對象采用不同圖例展示,同時(shí)根據(jù)顏色的不同對工程對象狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分。以閘門為例,藍(lán)色為運(yùn)行正常,紅色為報(bào)警(流程超過預(yù)警值),黃色為空值(采集系統(tǒng)可能故障,未獲得有效值)。
訪問不同類型監(jiān)測項(xiàng)目的數(shù)據(jù)接口,通過JSON格式返回查詢數(shù)據(jù)。對于樞紐點(diǎn)、泵站等又包括若干子項(xiàng),以樞紐點(diǎn)為例,其展示信息主要包括基本信息、視頻監(jiān)控、閘門監(jiān)測以及水量統(tǒng)計(jì),如圖5所示;而對于遙測站等,主要對其最新監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行展示,如圖6所示。
圖5 樞紐點(diǎn)信息展示界面
圖6 遙測站與泵站查詢界面
同時(shí)移動智慧管理系統(tǒng)可以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制以及水損等分析,如圖7所示。
圖7 圖形繪制與水損分析
在對大型灌區(qū)監(jiān)測與管理特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析基礎(chǔ)上,構(gòu)建了基于GIS的大型灌區(qū)移動智慧管理系統(tǒng)框架,對其模塊和功能進(jìn)行了劃分。然后以人民勝利渠為例,基于開源的百度地圖搭建了人民勝利渠灌區(qū)移動智慧管理平臺,證明了系統(tǒng)的可行性。通過該系統(tǒng)可及時(shí)、準(zhǔn)確地了解灌區(qū)遙測站及樞紐點(diǎn)各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)的變化,從而達(dá)到保證工程安全運(yùn)行、合理配置水資源、充分發(fā)揮工程效益的目的。
目前系統(tǒng)功能側(cè)重于灌區(qū)信息監(jiān)測。智慧管理功能以輔助決策為主,如在對已有監(jiān)測信息分析的基礎(chǔ)上,預(yù)測未來一段時(shí)期水量變化趨勢;根據(jù)水量供需關(guān)系可對不同節(jié)點(diǎn)處閘門開度給出建議值;并可在預(yù)警模塊中設(shè)置水量、閘門等預(yù)警閾值。在以后的系統(tǒng)開發(fā)過程中,通過人工智能模型等對已有監(jiān)測信息進(jìn)行分析并為取水、調(diào)水、配水等提供決策是今后研究的重點(diǎn)。