施達棟，張仁貢

（1.天臺縣龍溪水庫事務中心，浙江 天臺 317200；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

1 引言

浙江省天臺縣龍溪水庫建于1990 年，它是一座綜合性中型水庫，具有防洪、灌溉、供水和發(fā)電等功能，水庫集雨面積35.5 km2，水庫正常蓄水位為398 m，電站裝機容量為2×8 000 kW。由于水庫運行時間較長，存在水庫視頻監(jiān)控老化、水庫人工調度不科學，大壩安全監(jiān)測未實現(xiàn)自動化、管理手段和模式不符合現(xiàn)代化的要求等缺點，為此開展水庫綜合信息管理系統(tǒng)平臺的研發(fā)與實踐，主要內容包括：

（1）視頻監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求在原來系統(tǒng)基礎上建設為全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，原來的攝像頭改為高清視頻監(jiān)控，對水庫管理區(qū)域和主要設施實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)視，更好地掌握水庫的運行情況。

（2）大壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將原來人工監(jiān)測和半人工監(jiān)測，改為全自動監(jiān)測，實現(xiàn)大壩位移、沉降、滲漏等全自動數(shù)據(jù)采集、匯總到平臺。

（3）洪水預警預報系統(tǒng)。依據(jù)上游的水雨情、集雨面積的計算，實現(xiàn)洪水預警預報模型的建設。

（4）綜合信息化管理平臺。將視頻監(jiān)視系統(tǒng)、大壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)和洪水預警預報系統(tǒng)等匯集到平臺，同時實現(xiàn)水雨情、工情、管理流程等在平臺上綜合實現(xiàn)，并與上級管理平臺無縫對接。

2 核心技術

2.1 大壩安全自動化監(jiān)測技術

龍溪水庫的大壩安全監(jiān)測是半自動加人工模式，本次研究和建設主要針對大壩表面變形、水平位移和垂直位移、壩體內部變形、裂縫和滲流等方面的監(jiān)測。表面變形監(jiān)測實現(xiàn)了39 個點的自動化監(jiān)測，其中2 個為水準基點，分布在大壩的左右岸；21個點為一般監(jiān)測點，位于壩頂下游側和兩條馬道處；6 個為校核基點，位于壩頂?shù)南掠蝹龋? 個為工作基點，位于兩條馬道兩頭的積巖上；位移監(jiān)測為4 個點，分別為2 個大壩下游兩處觀測房位移測點和2個起測基點。壩體內部的變形監(jiān)測包括內部垂直沉降和水平位移兩個方面的監(jiān)測，其中壩體內部的垂直沉降監(jiān)測有10 個監(jiān)測點，分別位于385 m 高程（2個點），372.1 m 高程（4 個點）和361.5 m 高程（4 個點）；壩體的水平位移監(jiān)測位在373.042 m 高程（1 個點）。大壩面板的周邊縫位移監(jiān)測共有5 個點，監(jiān)測采用三向測縫計，位于TS1、TS2、TS4、TS5 位置，其中TS3 采用二向測縫計，位于水庫的河谷底；而TS2 和TS4 位置的監(jiān)測點位于水庫死水位以下位置。滲流監(jiān)測在壩體下游測量水堰三角堰板處，如圖1 所示。

圖1 龍溪水庫量水堰儀安裝示意圖

從圖1 可知，下游測量水堰三角堰板處增加安裝滲流監(jiān)測儀，通過RS485 接口，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綁雾敼芾矸康腞TU，然后通過RTU 光纖傳輸?shù)郊刂行募霸贫斯芾砥脚_數(shù)據(jù)庫。

2.2 視頻監(jiān)控技術及系統(tǒng)升級

龍溪水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用了4.8 G 全數(shù)字網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程建網和視頻信號傳輸，在庫區(qū)通過4.8 G 立桿基站聯(lián)網，實現(xiàn)了完全覆蓋無死角。4.8 G 通信具有頻率高，傳播距離長的特點，采用鋪設光纖網絡，可在庫區(qū)范圍內布設數(shù)字攝像頭，新的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備了很好的擴展性、靈活性和可拓性。整套監(jiān)控系統(tǒng)主要由3 個部分組成：前端部分、傳輸部分、中心部分，如圖2 所示。

圖2 4.8 G 網絡監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

從圖2 可知，視頻監(jiān)控與喇叭通過無線基站，傳輸?shù)娇偦?，總基站可以通過光纖專線與交換機鏈接，由路由器接入云數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)平臺和移動端的視頻監(jiān)控。在管理中心配置一臺視頻錄像和監(jiān)控服務器，用于存儲視頻圖像數(shù)據(jù)，便于存儲、跟蹤和回放等功能。

2.3 洪水預報與調度系統(tǒng)

本次洪水預警預報與調度系統(tǒng)采用新安江模型和垂直方向改進型遺傳算法進行構架，實現(xiàn)了實時洪水調度、出庫流量調度、給定最高控制水位調度和歷史洪水調度分析等功能。新安江模型是一個成熟的模型，本文不作累述，重點介紹垂直方向改進型遺傳算法。垂直方向改進型遺傳算法在傳統(tǒng)的遺傳算法基礎上進行垂直方向的改進，采用垂直干擾變量，實現(xiàn)在某點上目標函數(shù)值產生最大的變化，使得染色體在進化過程中按照垂直方向進行群體搜索，以便能夠加快算法的收斂速度，而不影響其精確性。

該方法需構造螺旋函數(shù)G(x)，用以垂直干擾函數(shù)逼近求解結果。針對優(yōu)化最小值求解：min f（x）X=[x1，x2，…xn]，設在第t次遺傳迭代時，在xt處產生λ個服從均值為0、計算其標準方差為σt/n0.5的隨機矢量高斯分布Zi（i=1，…，λ）。令Ti=Xt+Zi，定義：

稱g（Xt）為函數(shù)f（X）在點Xt的垂直方向改進型逼近函數(shù)。

采用新安江模型和垂直方向改進型遺傳算法實現(xiàn)龍溪水庫洪水預警預報系統(tǒng)如下一些功能：

（1）實時洪水調度。根據(jù)龍溪水庫的入庫流量過程線，進行自動洪水調節(jié)計算；再依據(jù)批復的防洪調度原則，計算出庫流量過程、最高洪水水位、最高洪水位發(fā)生的時間、入庫洪水總量和出庫洪水總量等，并進行入庫處理。

（2）出庫流量調度。當給定出庫流量的過程，以人機交互的方式，系統(tǒng)可以進行洪水調節(jié)計算，從而得到最高洪水水位、入庫洪水總量、最高洪水位發(fā)生的時間和出庫洪水總量等。

（3）最高控制水位調度。當給定需要控制的最高水位時，以人機交互的方式，進行洪水計算調節(jié)，從而得到出庫流量過程、入庫洪水總量、最高洪水位發(fā)生的時間和出庫洪水總量等。

（4）歷史洪水調度分析。系統(tǒng)可以將歷史洪水調度結果以圖、表方式輸出進出庫流量、庫水位、最大洪峰流量、最高水位、洪水總量等特征值，并將本次特征值與以前洪水進行分析比較，找出歷時洪水的洪峰、洪量、洪水位、頻率、重現(xiàn)期，對洪水洪峰的大小、洪水傳播的路徑、洪水的危害程度進行更為準確的分析，分析界面如圖3 所示。

圖3 歷史洪水調度分析主界面

2.4 數(shù)據(jù)庫技術

本次數(shù)據(jù)庫集成可開發(fā)包括數(shù)據(jù)收集及整理、數(shù)據(jù)集成及綜合數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)服務等方面，數(shù)據(jù)庫總體流程如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫流程框架圖

從圖4 可知，數(shù)據(jù)庫感知體系上傳的數(shù)據(jù)通過網絡進入ETL數(shù)據(jù)采集平臺，經過接收、清洗、轉換、加載等流程，進入Hadoop 大數(shù)據(jù)平臺，通過存儲或計算進入數(shù)據(jù)訪問SQLAPI 數(shù)據(jù)訪問引擎。針對龍溪水庫綜合平臺的數(shù)據(jù)庫構架，實現(xiàn)下列功能：

（1） 數(shù)據(jù)采集與整編。包括水情和雨情的監(jiān)測、視頻監(jiān)控、閘門工情的監(jiān)控等各類實時數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，按照數(shù)據(jù)庫標準接口寫入綜合數(shù)據(jù)庫。

（2） 數(shù)據(jù)集成及綜合數(shù)據(jù)庫。綜合集成新建和歷史系統(tǒng)，打破數(shù)據(jù)孤島，建立綜合型統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問機制。新建的信息系統(tǒng)采用了不同用戶權限配置、不同權限數(shù)據(jù)訪問機制和多個不同應用業(yè)務的協(xié)同機制，達到了信息數(shù)據(jù)資源共享和業(yè)務應用協(xié)同的目標。對各歷史系統(tǒng)依據(jù)一定數(shù)據(jù)處理規(guī)則，對數(shù)據(jù)開展同步、協(xié)調、抽取、分析和處理，并進入綜合數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)。

（3） 數(shù)據(jù)倉庫管理和數(shù)據(jù)協(xié)同服務。建立了數(shù)據(jù)倉庫管理和數(shù)據(jù)協(xié)同服務統(tǒng)一管理平臺，實現(xiàn)了監(jiān)控網絡與管理信息之間的總線數(shù)據(jù)交換，形成了數(shù)據(jù)倉庫管理和數(shù)據(jù)協(xié)同服務的統(tǒng)一平臺。通過對實時數(shù)據(jù)倉庫、歷史數(shù)據(jù)倉庫、關聯(lián)數(shù)據(jù)倉庫、文件數(shù)據(jù)倉庫、模型數(shù)據(jù)倉庫、中間件數(shù)據(jù)庫倉庫等標準接口的訪問，實現(xiàn)了對水庫基本數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、全景圖數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)的管理、存儲、分析、處理及各個平臺的數(shù)據(jù)交互。

2.5 綜合信息管理軟件系統(tǒng)

龍溪水庫綜合信息管理平臺包括信息總覽、基礎管理、運行管理、安全管理、應急管理、維養(yǎng)管理、庫區(qū)管理、安全生產標準化考核、移動應用等功能模塊。該平臺基于云計算架構搭建，與上級監(jiān)管平臺無縫對接，基于地理信息技術對水雨情、工情、視頻等各類信息的一張圖展示。基于JAVA 技術實現(xiàn)移動巡查應用支撐，實現(xiàn)責任管理與權限、運行管理與維護、安全鑒定和評估、安全監(jiān)督與檢查、維修養(yǎng)護與管理、隱患治理與排查、教育培訓與咨詢、應急管理與響應、制度與規(guī)章建設、標準考核與驗收等各環(huán)節(jié)的流程化管理。基于移動APP 技術實現(xiàn)移動巡檢與巡查，包括巡查任務的制定、巡檢內容的分配、巡查路線和時間的制定、巡查節(jié)點和檢查項目的配置以及完善巡查日志。移動OA 可以實現(xiàn)信息上傳、信息通知、綜合監(jiān)視、指揮調度、工程復核、應急通訊等功能。

3 結束語

通過本項目的研究與實踐，對水庫的管理進行信息化提升，實現(xiàn)了水庫管理的標準化和現(xiàn)代化。本研究實現(xiàn)了龍溪水庫的視頻全覆蓋、大壩安全自動化監(jiān)測、洪水預警預報與調度、數(shù)據(jù)庫集成與服務以及綜合信息平臺的研發(fā)工作，提升了龍溪水庫的安全運行管理水平和發(fā)電效率，充分發(fā)揮了水庫的社會效益與經濟效益。