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        衛(wèi)星灌區(qū)信息化建設(shè)及應(yīng)用

        2021-08-31 02:24:32張愛民
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年11期
        關(guān)鍵詞:建設(shè)

        張愛民

        (黑龍江省衛(wèi)星運(yùn)河管護(hù)中心,黑龍江 齊齊哈爾 161635)

        1 灌區(qū)信息化概況

        1.1 灌區(qū)概況

        黑龍江省訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)位置在嫩江左岸支流訥謨爾河中下游,是黑龍江省跨齊齊哈爾市和黑河市的大型自流引水灌區(qū)。灌區(qū)渠首引水樞紐工程建于1958 年,灌區(qū)取水模式為攔河壩取水,設(shè)計(jì)灌溉規(guī)模為2.17 ×104hm2。

        1.2 初期建設(shè)目標(biāo)

        2012 年,依據(jù)水利部關(guān)于大型灌區(qū)信息化建設(shè)的要求,將灌區(qū)建成自動化采集、傳輸、監(jiān)控、處理的信息化灌區(qū),實(shí)現(xiàn)水量、雨量等數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、接收、處理、存儲;實(shí)現(xiàn)水量、雨量等信息資源共享的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理及現(xiàn)代通信傳輸系統(tǒng);為逐步實(shí)現(xiàn)灌區(qū)輸水和灌溉工程的自動監(jiān)測和自動控制,全面實(shí)現(xiàn)灌區(qū)自動化的遠(yuǎn)景目標(biāo)及可持續(xù)發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)、奠定基礎(chǔ)[1]。

        1.3 初期建設(shè)要求

        灌區(qū)信息化建設(shè)要求覆蓋灌區(qū)的各站點(diǎn),設(shè)備要采用實(shí)用、可靠、先進(jìn)、高效、自動化的水情及雨量等信息采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及閘門現(xiàn)地與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

        1.4 初期建設(shè)內(nèi)容

        到2019 年底,灌區(qū)建設(shè)1 個(gè)信息中心及其辦公局域網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)信息中心與信息采集點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信;建設(shè)采集水情遙測點(diǎn)16 個(gè)點(diǎn),配備手持式流速設(shè)備6 套;建設(shè)閘門自動控制1 處3 孔閘門;建設(shè)2 處5 個(gè)視頻監(jiān)視點(diǎn);建設(shè)雨情遙測點(diǎn)1 處;明渠流量監(jiān)測點(diǎn)13 處;田間水情監(jiān)測點(diǎn)3 處;開發(fā)水雨情采集軟件和閘門遠(yuǎn)程控制軟件;開發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng),主要包括灌區(qū)量測水信息管理系統(tǒng)、灌區(qū)信息采集處理系統(tǒng)、灌區(qū)工情GIS 管理系統(tǒng)、殺毒軟件等[2]。

        2 灌區(qū)初期信息化建設(shè)實(shí)施

        2.1 灌區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

        通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)指建設(shè)信息傳輸、交換、存儲的網(wǎng)絡(luò)平臺。

        通過對灌區(qū)各水、雨情遙測點(diǎn)、視頻點(diǎn)、閘控點(diǎn)等的方案設(shè)計(jì)的分析,灌區(qū)需要建設(shè)高帶寬、安全、穩(wěn)定可靠的通信網(wǎng)絡(luò),組建灌區(qū)自己的局域網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。其中通信鏈路設(shè)計(jì)為有線傳輸采用租用電信運(yùn)營商公網(wǎng)及協(xié)同電信運(yùn)營商自建光纖來實(shí)現(xiàn),無線通信部分采用GPRS 公網(wǎng)通信,通信協(xié)議采用RS485、RS232、TCP/IP 等通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的具體內(nèi)容包括管理站與灌區(qū)管理中心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通過租用運(yùn)營商ADSL+VPN 互聯(lián)互通;渠首工程站點(diǎn)、總干進(jìn)水閘采用配合電信運(yùn)營商自建光纖到最近的村鎮(zhèn)再租用ADSL+VPN的方式與管理中心互聯(lián)互通。水、雨情采集通信數(shù)據(jù)使用GPRS 通信方式來傳輸水情、雨情等。

        2.2 信息中心

        灌區(qū)信息中心是灌區(qū)的控制和決策中心。灌區(qū)信息中心建設(shè)通信機(jī)房1 處、會議室1 處、及配備相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)備等。

        使用帶寬20MB/s 互聯(lián)網(wǎng)滿足灌區(qū)互聯(lián)網(wǎng)辦公;申請2 個(gè)公網(wǎng)IP 地址滿足互聯(lián)網(wǎng)IP 地址要求;實(shí)現(xiàn)灌區(qū)局域網(wǎng)辦公及局域網(wǎng)資源共享,并通過局域網(wǎng)聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng);提供可支持應(yīng)用軟件系統(tǒng)安全、可靠的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行平臺;與當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商合作,租用專網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)組建灌區(qū)專用虛擬網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)灌區(qū)各站點(diǎn)視頻、閘控信息傳輸,實(shí)現(xiàn)灌區(qū)網(wǎng)絡(luò)集中管理功能。

        2.3 水情采集系統(tǒng)簡介

        建設(shè)采集水情遙測點(diǎn)16 個(gè),主要分布在各引水干、分干、支渠上。測站點(diǎn)采集以RTU 為核心單元,使用超聲波式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)2 種方式采集水位,傳送數(shù)據(jù)采用GPRS 網(wǎng)絡(luò)公網(wǎng),供電系統(tǒng)利用太陽能供電。測站主要設(shè)備為通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電壓檢測模塊、太陽能電池板、蓄電池。灌區(qū)水位采集工作點(diǎn)工作方式為隨機(jī)自報(bào)、定時(shí)自報(bào)相結(jié)合方式。水位監(jiān)測由現(xiàn)場和接收端設(shè)備組成。建設(shè)明渠流量監(jiān)測點(diǎn)13 處;建設(shè)田間水情監(jiān)測點(diǎn)3 處。

        2.4 閘門自動控制系統(tǒng)

        2.4.1 閘門自動控制系統(tǒng)概述

        閘門自動監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)檢測閘門上下游水位、閘門啟閉狀態(tài)與開度;在信息中心遠(yuǎn)程控制閘門啟閉、閘門自動控制和系統(tǒng)正常運(yùn)行;通過視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)圖像直觀了解閘門的運(yùn)行狀況以及周邊環(huán)境;現(xiàn)場通過PLC(可編程邏輯控制器)來控制閘門啟閉設(shè)備;通過閘位計(jì)實(shí)時(shí)確定閘門的開度;保護(hù)裝置對執(zhí)行過程中發(fā)生的意外情況進(jìn)行技術(shù)處理。

        2.4.2 閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        根據(jù)目前灌區(qū)閘門現(xiàn)狀,灌區(qū)閘門絕大多數(shù)都在郊區(qū)野外,條件復(fù)雜,因此,灌區(qū)的閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),在控制方式上不設(shè)計(jì)閉環(huán)的自動閘門控制系統(tǒng)。根據(jù)水利閘門現(xiàn)代化的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)現(xiàn)場手動控制、現(xiàn)地集中控制、遠(yuǎn)程遙控等,其控制優(yōu)先級為現(xiàn)場手動最高,現(xiàn)地集中控制次之,遠(yuǎn)程遙控最低??刂撇僮髑昂蟮乃弧㈤l門開度、運(yùn)行是否正常、采用何種控制方式等運(yùn)行結(jié)果信息傳回控制中心,存儲到數(shù)據(jù)庫中,形成運(yùn)行日志,作為系統(tǒng)運(yùn)行狀況分析的依據(jù)。

        2.4.3 控制軟件設(shè)計(jì)

        2.4.3.1 開發(fā)工具

        監(jiān)控軟件采用“組態(tài)王”工控組態(tài)軟件,并對畫面、變量、非線性表加以改進(jìn)。

        2.4.3.2 應(yīng)用軟件功能

        應(yīng)用軟件功能系統(tǒng)管理、主控窗口、數(shù)據(jù)管理功能。其中主控窗口功能包括3 個(gè):1)閘控站地理位置分布圖,各站點(diǎn)旁顯示水位、閘位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),鼠標(biāo)可點(diǎn)擊選擇進(jìn)入各閘控站具體控制窗口。2)閘控站閘位數(shù)據(jù)、電源信息、閘門上下限、控制方式、通信狀態(tài)等狀態(tài)集中實(shí)時(shí)顯示。3)閘控站具體控制窗口,由鼠標(biāo)點(diǎn)擊選擇打開和關(guān)閉,包括閘門運(yùn)動動畫模擬顯示、通信狀態(tài)指示、閘門上限、下限、電源指示。數(shù)據(jù)管理功能包括數(shù)據(jù)查詢、操作記錄、報(bào)警記錄等。

        2.4.4 通信設(shè)計(jì)

        水閘系統(tǒng)組網(wǎng)采用聯(lián)合當(dāng)?shù)仉娦胚\(yùn)營商合作架設(shè)光纖租用公網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。該網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還考慮了閘房內(nèi)及閘下游視頻監(jiān)控系統(tǒng)。其主要功能是對閘門運(yùn)行過程的重要工位和閘室的安全進(jìn)行監(jiān)視管理。視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)由服務(wù)器采集來的圖像經(jīng)過租用的公網(wǎng)傳回信息中心,以供遠(yuǎn)程遙控監(jiān)視??刂菩盘栐陂l位、水位計(jì)之間傳送,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換??刂茊卧捎肞LC 在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

        2.4.5 電源設(shè)計(jì)

        2.4.5.1 電源設(shè)計(jì)

        控制設(shè)備工作電壓:DC 11.5V~13.8V、AC 220V;待機(jī)電流:<1A;電機(jī)工作電壓:AC380V;電機(jī)額定功率:1.1kW~20kW;采用螺桿閘門啟閉機(jī)型,最大啟力:1 kN~200 kN,最大閉力:0.5 kN~100 kN。

        2.4.5.2 過壓保護(hù)設(shè)計(jì)

        為了保護(hù)閘門控制系統(tǒng)設(shè)備,采用穩(wěn)壓器來保護(hù)設(shè)備用電。

        2.4.6 閘門現(xiàn)地控制單元設(shè)備參數(shù)

        2.4.6.1 設(shè)備實(shí)現(xiàn)的功能

        閘門的現(xiàn)場手動控制;閘門的現(xiàn)地集中自動控制;閘門的遠(yuǎn)程控制;閘門監(jiān)控站站號和本控制臺控制的閘門路數(shù)的監(jiān)控;閘門開度的監(jiān)控;閘門上限、下限、予置到位狀態(tài)的監(jiān)控;控制臺電源狀態(tài)的監(jiān)控;啟閉機(jī)工作狀態(tài)(升、降、停)的監(jiān)控;開度超越上下限狀態(tài)的監(jiān)控;各啟閉機(jī)電動機(jī)過載、缺相狀態(tài)的監(jiān)控;控制方式選擇開關(guān)(遠(yuǎn)程遙控、現(xiàn)地集控、現(xiàn)場手動)狀態(tài)的監(jiān)控;各個(gè)(升、停、降)按鈕狀態(tài)的監(jiān)控;實(shí)現(xiàn)啟動報(bào)警、過流報(bào)警、缺相報(bào)警、超數(shù)字限位報(bào)警、超機(jī)械限位報(bào)警[3]。

        2.4.6.2 設(shè)備工作條件

        輸入電源:三相380VAC±10%;工作環(huán)境溫度:0~40℃;相對濕度:40%~90%;污染等級:三級。

        2.5 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

        2.5.1 視頻監(jiān)視系統(tǒng)概述

        視頻監(jiān)視系統(tǒng)將現(xiàn)場攝像裝置錄攝的實(shí)時(shí)圖象傳輸?shù)浆F(xiàn)地控制室和遠(yuǎn)程的管理部門。管理人員根據(jù)視頻圖象所反映的現(xiàn)場情況,異地控制建筑物的運(yùn)行以及事故處理。

        2.5.2 功能要求

        視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要由前端設(shè)備、傳輸設(shè)備、控制設(shè)備、記錄及監(jiān)視設(shè)備4 個(gè)部分組成。前端設(shè)備由安裝在監(jiān)視點(diǎn)的高分辨率彩色攝像機(jī)、全方位云臺、變焦鏡頭和室外專業(yè)防護(hù)設(shè)備等組成。它主要負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的采集和信號處理。傳輸設(shè)備將視頻信號傳輸?shù)浆F(xiàn)地監(jiān)控中心的工業(yè)控制微機(jī)(IPC)上,再傳到監(jiān)控點(diǎn)信息中心。集中控制設(shè)備負(fù)責(zé)完成前端設(shè)備和圖像的切換控制、全方位云臺和三維可變鏡頭的控制。集中控制設(shè)備還可以對監(jiān)視圖像進(jìn)行分區(qū)控制和分組同步控制,借助軟件還可以提供圖像檢索和處理功能。

        2.5.3 技術(shù)方案

        采用數(shù)字方式傳輸視頻信息,視頻壓縮算法采用H.264 對數(shù)字化的視頻圖像進(jìn)行壓縮,閘站房安裝視頻編碼器,與閘站房內(nèi)的工業(yè)交換機(jī)相連。視頻編碼器輸出的信號遠(yuǎn)距離采用光纖的方式進(jìn)行傳輸,近距離采用RVVP(視頻線)傳輸。

        2.5.4 視頻信息的處理

        視頻圖像信息數(shù)字化后,進(jìn)行壓縮處理適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸,采用H.264 視頻壓縮算法的處理設(shè)備。

        2.5.5 視頻處理設(shè)備

        視頻處理設(shè)備是視頻監(jiān)視系統(tǒng)的核心設(shè)備,數(shù)字視頻領(lǐng)域一般采用數(shù)字硬盤錄像機(jī)DVR(Digital Video Recorder)和獨(dú)立的視頻編解碼器。

        2.5.5.1 DVR

        DVR 分為基于PC 架構(gòu)的PC 式 DVR 和基于MCU 架構(gòu)的嵌入式DVR。

        采用嵌入式DVR 就是基于嵌入式處理器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的信息處理系統(tǒng),采用專用芯片對圖像進(jìn)行壓縮及解壓回放,嵌入式操作系統(tǒng)主要對整機(jī)進(jìn)行控制及管理。系統(tǒng)集成度高,不僅可以壓縮,也可以解壓縮顯示。

        2.5.5.2 獨(dú)立的視頻編碼器

        采用最先進(jìn)的H.264視頻壓縮算法和高性能DSP處理器。

        2.5.6 通信設(shè)計(jì)

        視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸使用光纖及RVVP(視頻線)傳輸。現(xiàn)場的監(jiān)控?cái)z像機(jī)采集到的視頻信號通過視頻線送入視頻服務(wù)器,視頻服務(wù)器將視頻信號壓縮成視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包,通過光纖網(wǎng)絡(luò)或虛擬局域網(wǎng)絡(luò)傳送至信息中心的視頻服務(wù)器上,視頻服務(wù)器再將接收的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包解壓還原成動態(tài)視頻圖像送至監(jiān)視器上,主控中心便可監(jiān)視到前端視頻監(jiān)控的圖像。

        2.5.7 設(shè)備參數(shù)

        2.5.7.1 視頻視頻編碼器

        產(chǎn)品為1U 機(jī)架式多路視頻服務(wù)器,采用Linux 操作系統(tǒng),Davinci 處理器。采用標(biāo)準(zhǔn)H.264 壓縮算法,支持多種分辨率實(shí)時(shí)編碼,支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,可以應(yīng)用于多種不同領(lǐng)域的安防防范。

        2.5.7.2 智能化球型攝像機(jī)

        采用1/4"索尼高性能CCD,圖像清晰。精密電機(jī)驅(qū)動,反應(yīng)靈敏,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),精度偏差少于0.1°,在任何速度下圖像無抖動。支持RS-485 控制下對HIKVISION、Pelco-P/D 協(xié)議的自動識別。支持三維智能定位功能,配合DVR 和客戶端軟件可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊跟蹤和放大。

        2.6 雨情監(jiān)測系統(tǒng)簡介

        雨量監(jiān)測系統(tǒng)利用傳感、通信、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),完成灌區(qū)流域或測區(qū)內(nèi)的降水量和水質(zhì)等水文要素。采用翻斗式雨量計(jì)。雨情測站由RTU、雨量計(jì)、傳輸單元、供電單元等本地設(shè)備和通信控制機(jī)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、軟件工作站等接收端設(shè)備組成。通信方式結(jié)合灌區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用無線GPRS 通信的方式實(shí)現(xiàn)。

        2.7 軟件系統(tǒng)簡介

        軟件平臺分為4 層結(jié)構(gòu)?;A(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘設(shè)計(jì),包括灌區(qū)信息采集處理系統(tǒng)、灌區(qū)量測水信息系統(tǒng)、灌區(qū)工情管理GIS 系統(tǒng)。

        3 信息化工程運(yùn)行管理及應(yīng)用

        3.1 運(yùn)行管理

        灌區(qū)信息化系統(tǒng)是集自動測報(bào)技術(shù)、遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、管理軟件系統(tǒng)等高新技術(shù)于一體的工程。信息化系統(tǒng)的運(yùn)行管理遵循統(tǒng)一的原則。灌區(qū)管理信息中心為信息系統(tǒng)運(yùn)行的直接管理機(jī)構(gòu),運(yùn)維管理由專業(yè)的技術(shù)人員負(fù)責(zé),建立完整的運(yùn)行管理體制和日常管理制度,保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

        3.2 應(yīng)用及效果

        灌區(qū)水利信息化建設(shè),開發(fā)應(yīng)用灌區(qū)的信息資源,通過對灌區(qū)雨情、渠道水情等監(jiān)測與應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了對灌區(qū)關(guān)鍵部位水、雨情實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警,在總干進(jìn)水閘建設(shè)視頻監(jiān)控點(diǎn),實(shí)時(shí)監(jiān)控總干渠進(jìn)水水量,提高了水資源優(yōu)化配置及水利工程的科學(xué)管理水平,增強(qiáng)了訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)能力。

        4 灌區(qū)目前存在的主要問題和解決途徑

        4.1 存在的主要問題

        灌區(qū)發(fā)展存在7 個(gè)方面的主要問題。1)來水量測量不精確:訥謨爾河缺乏有效的監(jiān)測手段,無法精準(zhǔn)掌握訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)的來水量,目前能通過歷史水量數(shù)據(jù)進(jìn)行推算獲得。2)用水量測量不精確:自動化量測設(shè)備覆蓋不全面,灌區(qū)實(shí)際用水量測量不精準(zhǔn)。3)水費(fèi)和水資源費(fèi)收繳不精確:灌區(qū)各計(jì)量點(diǎn)缺乏有效的精確計(jì)量設(shè)備,用水量計(jì)量不精確,兩費(fèi)收繳不精確。4)水質(zhì)監(jiān)測能力不足:缺少對水環(huán)境的在線監(jiān)測能力,對突發(fā)、惡性水污染事件的預(yù)警預(yù)報(bào)、快速反應(yīng)能力亟待提高。5)缺少工程臺賬與巡檢維護(hù)的信息化管理手段:缺少全灌區(qū)水利工程分布電子地圖,對水利工程尚無法做到工程位置和確權(quán)劃界上電子圖,屬性數(shù)據(jù)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的臺賬式數(shù)字化管理;水利工程設(shè)施巡檢缺少信息化手段提高巡檢效率和監(jiān)管。6)管理站安防能力不足:訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)有5 處管理站,缺乏有效的安防系統(tǒng),存在水安全、工程安全和管理站所的安全隱患。7)工作效率不高:灌區(qū)缺少高安全性、高可用性的智能移動終端辦公系統(tǒng)和辦公新模式,導(dǎo)致辦公效率不高。

        4.2 解決問題途徑

        隨著灌區(qū)受益地方社會經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代科技的快速發(fā)展,針對加強(qiáng)水節(jié)約、強(qiáng)化水治理、保障水安全方面建設(shè),系統(tǒng)解決灌區(qū)目前存在的主要問題,為灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展考慮,最有效的途徑是通過先進(jìn)的信息技術(shù)手段建設(shè)有效的管理體系來提高灌區(qū)的綜合治水與服務(wù)能力。具體的方案為開展灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造,建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)水利工程,規(guī)劃實(shí)施智慧水管理體系建設(shè)。

        5 灌區(qū)智慧水管理體系規(guī)劃

        5.1 規(guī)劃原則

        統(tǒng)一規(guī)劃,分步實(shí)施。從訥謨爾河河源、渠首及干、支渠系,在全灌區(qū)范圍內(nèi)統(tǒng)一規(guī)劃涉及來水、引水、用水、排水、保護(hù)等各個(gè)過程全范圍的立體感知體系、智能感知體系、信息服務(wù)體系和支撐保障體系。統(tǒng)一整合,優(yōu)化資源。利用訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)已建的信息化成果,整合水文、氣象、墑情、遙感、國土等信息資源;優(yōu)化灌區(qū)建設(shè)的雨情、水情、閘控、視頻、墑情等物聯(lián)網(wǎng)感知能力。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),充分共享。依據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃統(tǒng)一編碼、統(tǒng)一名稱、統(tǒng)一數(shù)據(jù)指標(biāo)、統(tǒng)一存儲類型、統(tǒng)一發(fā)布形式、二次開發(fā)接口和數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)等支撐保障體系,實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)集成能力和數(shù)據(jù)信息橫向縱向的共享能力。安全高效,科技引領(lǐng)。圍繞規(guī)劃的目標(biāo)和任務(wù),以安全為前提、實(shí)用為方向,充分應(yīng)用新技術(shù)新科技,通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范接口、整合集成、升級再造,提高訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)信息化應(yīng)用水平。

        5.2 規(guī)劃目標(biāo)

        依托現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、3S 技術(shù)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能、區(qū)塊鏈、電子簽章、5G、BIM、3R(VR、AR、MR)技術(shù)和軟件應(yīng)用技術(shù)與灌區(qū)業(yè)務(wù)深度融合,構(gòu)建現(xiàn)實(shí)灌區(qū)與數(shù)字灌區(qū)深度融合的可視化新世界;建立較為完善的立體感知體系、自動控制體系、智能應(yīng)用體系、信息服務(wù)體系、支撐保障體系;實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源管理、工程管理、取用水管理、運(yùn)行管理、防災(zāi)減災(zāi)管理、水生態(tài)水文化管理的智能化處理和人工輔助決策等功能;搭建訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)信息化云中心,建設(shè)訥謨爾河衛(wèi)星智慧灌區(qū)信息化平臺系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)灌區(qū)管理信息化覆蓋率70%以上的目標(biāo)。

        2025 年目標(biāo)達(dá)到“信息化建設(shè)二級標(biāo)準(zhǔn)”;2030 年目標(biāo)達(dá)到“信息化建設(shè)三級標(biāo)準(zhǔn)”。

        5.3 總體架構(gòu)

        根據(jù)灌區(qū)信息化規(guī)劃原則,按照《大型灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造規(guī)劃編制技術(shù)指南》的要求,總體架構(gòu)設(shè)計(jì)為以政策、制度、標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),以網(wǎng)絡(luò)安全為保障,搭建“立體感知”、“自動控制”、“智能應(yīng)用”、“信息服務(wù)”和“支撐保障”5 個(gè)體系。

        立體感知體系:采用空、天、地多樣化的監(jiān)測手段,自動采集與人工采集相結(jié)合,直接監(jiān)測與相關(guān)行業(yè)來源間接監(jiān)測整合相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水情、雨情、墑情、水環(huán)境等要素的廣泛動態(tài)感知,為自動控制體系、智能應(yīng)用體系、信息服務(wù)體系提供高效、可靠的數(shù)據(jù)支持。

        自動控制體系:結(jié)合立體感知體系,采用自動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)閘門的現(xiàn)地、遠(yuǎn)程、自動控制功能。達(dá)到灌溉、排水、引水、防洪、水資源等優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)自動優(yōu)化處理、集中控制、有人值班、無人值守。

        智能應(yīng)用體系:在立體感知體系和自動控制體系的基礎(chǔ)上打造智能應(yīng)用體系,實(shí)現(xiàn)灌區(qū)用水管理、工程管理、安全運(yùn)行、防洪管理、水費(fèi)水權(quán)、灌溉管理等業(yè)務(wù)橫向聯(lián)動和縱向協(xié)同精準(zhǔn)治水管理新模式。

        信息服務(wù)體系:通過建設(shè)系統(tǒng)融合服務(wù)、決策支持服務(wù)和二次開發(fā)服務(wù)打造信息服務(wù)體系;系統(tǒng)融合服務(wù)將多業(yè)務(wù)系統(tǒng)分散數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合共享;決策支持服務(wù)將各層級、各專業(yè)和相關(guān)行業(yè)的大數(shù)據(jù)分析成果以服務(wù)的形式提供決策支持。二次開發(fā)服務(wù)提供規(guī)范化的二次開放框架,實(shí)現(xiàn)“開放擴(kuò)展”,滿足后續(xù)發(fā)展要求。

        支撐保障體系:以政策、制度、標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),以網(wǎng)絡(luò)安全保障,對數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)、支撐平臺、立體感知、自動控制、智能應(yīng)用、信息服務(wù)全范圍全過程構(gòu)建多維并重的支撐保障體系。

        6 灌區(qū)智慧水管理體系主要任務(wù)

        訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)智慧水管理體系建設(shè)遵循規(guī)劃目標(biāo)和總體框架,構(gòu)件5 個(gè)體系,主要建設(shè)任務(wù)如下。

        6.1 建設(shè)立體感知體系

        建設(shè)水情監(jiān)測系統(tǒng),對已有測站進(jìn)行改建,補(bǔ)充完善灌區(qū)的量測水監(jiān)測站點(diǎn)。建設(shè)雨情監(jiān)測系統(tǒng),新增雨量站,完善雨量站分布,有計(jì)劃地增加雨量站密度。建設(shè)墑情監(jiān)測系統(tǒng),完成灌區(qū)對土壤含水量信息的收集。建設(shè)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),對灌區(qū)內(nèi)來水、引水、排水的水質(zhì)信息進(jìn)行采集。建設(shè)氣象監(jiān)測系統(tǒng),補(bǔ)充訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)在氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)上的短板。建設(shè)無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)。

        6.2 建設(shè)自動控制體系

        建設(shè)閘門控制系統(tǒng),增加現(xiàn)有閘站的自動控制功能,提高灌區(qū)的自動化水平。建設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng),保證灌區(qū)閘門控制系統(tǒng)的正常啟閉,為渠首和管理站房等重要的水工建筑物、人員值班居住區(qū)保駕護(hù)航。

        6.3 建設(shè)智能應(yīng)用體系

        從灌區(qū)實(shí)際需求出發(fā),建設(shè)與灌區(qū)配水調(diào)度、水費(fèi)計(jì)收、水權(quán)交易、工程檔案、巡檢巡查、工程安全等相關(guān)的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

        6.4 建設(shè)信息服務(wù)體系

        在灌區(qū)智能應(yīng)用體系的基礎(chǔ)上,建設(shè)一個(gè)能為灌區(qū)提供多維信息融合、全面決策服務(wù)支持和可持續(xù)可擴(kuò)展的應(yīng)用信息服務(wù)平臺。

        6.5 建設(shè)支撐保障體系

        建設(shè)調(diào)度指揮中心,增加機(jī)房設(shè)備,增加大屏顯示設(shè)備,增加視頻會議系統(tǒng)。建設(shè)調(diào)度指揮分中心,在灌區(qū)管理站建設(shè)調(diào)度室、會商室,配套視頻會議系統(tǒng)。建設(shè)灌區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)水雨情、閘門控制和視頻信息的傳輸和共享,完善灌區(qū)整體的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,提升互聯(lián)網(wǎng)及專線的帶寬。增加網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè),提升灌區(qū)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等級。構(gòu)建灌區(qū)統(tǒng)一用戶、統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)等支撐平臺,支撐配水調(diào)度、水費(fèi)計(jì)收、水權(quán)交易、工程檔案、巡檢巡查、工程安全等智能應(yīng)用業(yè)務(wù)。

        7 灌區(qū)智慧水管理體系建設(shè)

        該文以無人機(jī)的應(yīng)用為例,簡述無人機(jī)在智能感知和智能巡檢管理建設(shè)中的規(guī)劃。

        7.1 無人機(jī)智能感知建設(shè)

        7.1.1 規(guī)劃思路

        訥謨爾河河道、灌區(qū)渠首、總干渠、分干渠等安全巡查、非法采砂、岸線管理、生態(tài)基流、灌溉面積調(diào)查等工作目前主要的常態(tài)化巡檢手段是人工巡檢調(diào)查。為提高灌區(qū)安全管理與灌溉服務(wù)能力,規(guī)劃采用高端無人機(jī)進(jìn)行智能自動化巡檢和調(diào)查。

        7.1.2 建設(shè)內(nèi)容

        結(jié)合灌區(qū)工程布置情況與安全管理工作需要,規(guī)劃建設(shè)一套無人機(jī)智能感知系統(tǒng)。

        7.1.3 工作原理及功能劃分

        7.1.3.1 工作原理

        根據(jù)指揮中心下達(dá)的任務(wù)信息,形成工作方案并轉(zhuǎn)化為飛行計(jì)劃,實(shí)施工作計(jì)劃并與中心信息實(shí)時(shí)交流溝通,完成一次工作任務(wù),工作原理如圖1。指令下發(fā):指揮調(diào)度中心下發(fā)任務(wù)指令為任務(wù)目標(biāo)、任務(wù)區(qū)域/目標(biāo)概略信息。人員/系統(tǒng)整備:根據(jù)任務(wù)指令安排執(zhí)行人員并檢查設(shè)備完整性。制定任務(wù)方案:根據(jù)任務(wù)概略信息制定任務(wù)方案,任務(wù)時(shí)間安排、地點(diǎn)、環(huán)境等要素。空域協(xié)調(diào):協(xié)調(diào)空管部門批復(fù)飛行計(jì)劃。趕赴起飛點(diǎn):常態(tài)化固定點(diǎn)位部署不涉及該問題,機(jī)動部署選擇車輛轉(zhuǎn)運(yùn)/艦艇轉(zhuǎn)運(yùn)等方式。系統(tǒng)展開:設(shè)備組裝和布置。任務(wù)裝訂:將任務(wù)方案轉(zhuǎn)為飛行計(jì)劃。系統(tǒng)自檢:根據(jù)提示檢查系統(tǒng)狀態(tài)是否達(dá)到待命狀態(tài)。任務(wù)執(zhí)行:無人機(jī)升空自主執(zhí)行任務(wù),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判讀、回傳并轉(zhuǎn)發(fā),非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲后拷貝,最終匯聚至?xí)r空數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用中心處理、分析、歸檔。系統(tǒng)撤收:系統(tǒng)檢查、補(bǔ)給、養(yǎng)護(hù)、拆解與轉(zhuǎn)運(yùn)/存放。

        圖1 無人機(jī)工作原理圖

        7.1.3.2 功能劃分

        預(yù)先設(shè)定軌跡,固定翼垂直起降;遠(yuǎn)程一鍵巡檢;巡檢狀況管控中心實(shí)時(shí)感知。高清視頻實(shí)時(shí)回傳指揮大屏;在云/邊緣實(shí)時(shí)智能分析視頻,自動發(fā)現(xiàn)非法采砂、岸線占地、工程破壞等違法事件以及工程安全風(fēng)險(xiǎn)等問題。

        7.1.3.3 重要指標(biāo)

        巡航速度:100km/h;續(xù)航時(shí)間:4h~5h;任務(wù)半徑:50km/100km;續(xù)航里程:400km;單架次任務(wù)面積:80km2;復(fù)合翼垂直起降。

        7.2 無人機(jī)智能巡檢管理建設(shè)

        7.2.1 總體思路

        灌區(qū)智能應(yīng)用體系建設(shè)是在對訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行充分梳理分析的基礎(chǔ)之上,圍繞訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)在水費(fèi)計(jì)收、工程管理、防洪調(diào)度3 個(gè)方面核心業(yè)務(wù)展開,結(jié)合當(dāng)前最為先進(jìn)的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、微服務(wù)、區(qū)塊鏈、移動應(yīng)用、地理信息等技術(shù),致力于打造一個(gè)以“智能化、平臺化、組件化、微服務(wù)化、個(gè)性化”為總體思路的訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)智能應(yīng)用平臺。

        7.2.2 技術(shù)路線

        訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)智能應(yīng)用平臺采用大集中式部署并向用戶提供服務(wù),以彼此相對獨(dú)立又兼具邏輯關(guān)聯(lián)的4 層架構(gòu)為主要技術(shù)架構(gòu)模式,使灌區(qū)智能應(yīng)用平臺具備良好的負(fù)載均衡和高并發(fā)處理能力,同時(shí)又兼具高效的可擴(kuò)展性。4層架構(gòu)由應(yīng)用層、路由層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層組成,各層之間處于物理隔離,通過定義的標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)訪問響應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸。

        7.2.3 規(guī)劃功能

        通過分析,灌區(qū)智能應(yīng)用平臺根據(jù)業(yè)務(wù)類型和應(yīng)用場景的不同,劃分為灌區(qū)配水調(diào)度管理、灌區(qū)水費(fèi)計(jì)收管理、灌區(qū)水權(quán)交易管理、灌區(qū)工程檔案管理、灌區(qū)巡檢巡查管理、無人機(jī)智能巡檢管理、遙感影像智能分析、智能移動終端應(yīng)用8 個(gè)功能模塊。

        7.2.4 無人機(jī)智能巡檢軟件主要功能

        無人機(jī)智能巡檢軟件主要功能如下。1)飛行計(jì)劃與任務(wù)規(guī)劃。飛行計(jì)劃工具欄包括操作飛行計(jì)劃的各種指令。2)飛行前檢查。飛行前檢查是一系列飛機(jī)起飛前必須進(jìn)行的重要步驟,若不執(zhí)行飛前檢查,地面站將無法發(fā)送起飛指令。飛前檢查應(yīng)在設(shè)置好控制器參數(shù)和應(yīng)急參數(shù)之后進(jìn)行。3)機(jī)務(wù)檢查。機(jī)務(wù)檢查的內(nèi)容是檢查機(jī)體連接器是否安裝牢固,各舵機(jī)是否安裝良好,螺絲機(jī)構(gòu)是否緊固等。4)常規(guī)檢查:常規(guī)檢查包括遙控器檢查、姿態(tài)檢查、磁羅盤檢查、飛行任務(wù)檢查和相機(jī)參數(shù)檢查。5)姿態(tài)檢查:轉(zhuǎn)動飛機(jī)機(jī)身,檢查地面站顯示的姿態(tài)角是否與實(shí)際姿態(tài)一致。6)磁羅盤檢查:轉(zhuǎn)動機(jī)身,檢查顯示的磁羅盤角度是否和實(shí)際的一致等。7)飛行任務(wù)檢查:檢查航路點(diǎn)個(gè)數(shù)和高度是否正確。8)航電檢查。航點(diǎn)檢查的目的主要是檢查飛機(jī)的電子設(shè)備和關(guān)鍵參數(shù)是否正常,檢查內(nèi)容包括應(yīng)急參數(shù)檢查、備份GPS 檢查、動靜壓檢查和舵面自動檢查。9)應(yīng)急參數(shù)檢查。檢查飛機(jī)的各項(xiàng)應(yīng)急參數(shù)設(shè)置是否正確合理,若不合理,可在該界面直接更正。10)備份GPS 檢查。查看備份GPS 的定位狀態(tài)。11)路徑跟蹤顯示。顯示吊艙跟蹤路徑。12)光電吊艙顯示。顯示光電吊艙實(shí)時(shí)指向位置。13)吊艙視點(diǎn)。實(shí)時(shí)顯示吊艙視點(diǎn)的位置。14)手動環(huán)視。飛機(jī)將立即以目標(biāo)點(diǎn)為圓心,默認(rèn)半徑400 m 盤旋,同時(shí)吊艙鎖定目標(biāo)點(diǎn),進(jìn)行環(huán)繞監(jiān)視。15)自動環(huán)視。飛機(jī)將立即以當(dāng)前吊艙所觀察的目標(biāo)點(diǎn)為圓心,默認(rèn)半徑400 m 盤旋,同時(shí)吊艙鎖定目標(biāo)點(diǎn),進(jìn)行環(huán)繞監(jiān)視。16)自動實(shí)時(shí)追蹤:當(dāng)?shù)跖撴i定移動目標(biāo)時(shí),使用該功能可以使飛機(jī)持續(xù)跟蹤移動目標(biāo)。17)巡線模式。用于進(jìn)行管線巡視類任務(wù)。首先讓飛機(jī)進(jìn)入路徑航線,開始沿線巡視。18)視頻快速拼接:提高應(yīng)急響應(yīng)速度和能力,通過實(shí)時(shí)回傳的視頻關(guān)鍵幀進(jìn)行整個(gè)任務(wù)區(qū)域的全局態(tài)勢圖是核心和關(guān)鍵;通過拼圖算法,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)拼圖。

        7.3 灌區(qū)信息化智慧水體系建設(shè)內(nèi)容

        在灌區(qū)初期信息化建設(shè)基礎(chǔ)上,續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造信息化建設(shè)內(nèi)容主要包括智慧水管理5 個(gè)方面體系建設(shè),詳細(xì)規(guī)劃項(xiàng)目細(xì)分如表1。

        表1 灌區(qū)智慧水體系建設(shè)內(nèi)容表

        8 結(jié)語

        該文對衛(wèi)星灌區(qū)信息化工程的建設(shè)及應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹,探討灌區(qū)信息化運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展方向,綜合研究新時(shí)代灌區(qū)發(fā)展面臨的問題,為促進(jìn)灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展,必須加快推進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化改造步伐。按照水利改革發(fā)展總基調(diào),灌區(qū)改革最有效的途徑是在配套完善工程的基礎(chǔ)上,積極開展灌區(qū)智慧水管理體系規(guī)劃建設(shè),實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)灌溉水利工程、現(xiàn)代化灌區(qū),灌區(qū)建設(shè)的同時(shí)進(jìn)行灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化管理,全面提升灌區(qū)管理水平,保證灌區(qū)工程安全運(yùn)行和持續(xù)發(fā)揮效益,服務(wù)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。

        該文介紹的衛(wèi)星灌區(qū)信息化建設(shè)及智慧水體系規(guī)劃供灌區(qū)同行交流探討。

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