鄭樹海，雷 磊，夏燁瑞，霍春平，劉 濤，萬 昊，樊 創(chuàng)

(1.國家電網(wǎng)有限公司直流建設分公司，北京 100032； 2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學研究院，陜西 西安 710100； 3.國網(wǎng)(西安)環(huán)保技術中心有限公司，陜西 西安 710100； 4.西安理工大學電氣工程學院，陜西 西安 710048； 5.西安市水利水土保持工作總站，陜西 西安 710018； 6.陜西省東莊水利樞紐工程建設有限責任公司，陜西 咸陽 713208)

0 引言

為了調節(jié)我國能源分布不均勻，適應需求逆向的分布，特高壓輸電工程的建設現(xiàn)在被國網(wǎng)公司高度重視[1]，但在工程施工建設過程中往往會對原地貌進行改造，容易導致水土流失，并且由于特高壓輸電工程往往具有跨度較大、傳輸距離長等特點，橫跨省份較多，并且往往都會經(jīng)過黃土高原的風蝕地區(qū)和南方的水蝕地區(qū)，會進一步加劇其水土流失情況。隨著人們環(huán)境保護意識和國家對水土保持監(jiān)測工作要求的提高，國網(wǎng)正在大力推進水土保持監(jiān)測信息化，積極利用現(xiàn)代技術和儀器設備，以及衛(wèi)星遙感和無人機等先進手段，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取、傳輸和處理的自動化，提高水土保持監(jiān)測能力和水平。 因此，加強特高壓輸電工程建設項目的管理和監(jiān)控，可以有效解決建設后期生態(tài)破壞的問題[2-6]。

近年來，水土保持管理信息系統(tǒng)的發(fā)展十分迅速[7-12]，而在輸電工程建設過程中，水土保持管理信息系統(tǒng)卻沒有得到足夠的重視，導致水土流失數(shù)據(jù)來源不穩(wěn)定，管理混亂。因此，本文開發(fā)了一套應用于特高壓輸電工程建設中的水土保持管理信息系統(tǒng)，以陜北—湖北特高壓直流輸電工程為例來研究輸電工程建設沿路的水土流失情況。該系統(tǒng)以傳感器作為基礎設備，集成全自動化監(jiān)測設備和光敏測釬傳感器，針對輸電工程水土保持業(yè)務的需求，構建了用戶管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，對輸電線工程沿路的水土流失情況進行高效、全面的監(jiān)測。該信息管理系統(tǒng)可以很好地對輸電工程建設中水土流失數(shù)據(jù)和現(xiàn)場信息量進行管理和搜集，提高了水土流失量計算和處理的效率，在工程中已經(jīng)得到較好的應用。

1 系統(tǒng)結構與功能

1.1 系統(tǒng)結構設計

根據(jù)水土保持工作要求，輸電工程水土保持管理信息系統(tǒng)劃分為5大模塊，分別是系統(tǒng)設置模塊、實時數(shù)據(jù)模塊、信息分析模塊、現(xiàn)場監(jiān)控模塊、新聞展示模塊。各個模塊內(nèi)部信息互相聯(lián)系，功能相互獨立，共同協(xié)調構成整個系統(tǒng)。輸變電工程水土保持管理信息系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 輸變電工程水土保持管理信息系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of water and soil conservation management information system for power transmission and transformation project

1.2 系統(tǒng)構架

水土保持信息管理系統(tǒng)全面考慮輸電工程建設過程中水土保持各項業(yè)務的數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、應用，按需求的不同構建不同子系統(tǒng)，搭建高效、統(tǒng)一的整體系統(tǒng)。系統(tǒng)總體構架分為3層，最底層用來存放最基本的數(shù)據(jù)庫信息；中間層用來傳遞數(shù)據(jù)庫信息，并進行轉化處理；最上層用來接受處理過的信息，并且向用戶或需求方進行展示。

1.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能是由系統(tǒng)的結構來進行確定的，根據(jù)上文確定的系統(tǒng)結構，可以得到的系統(tǒng)功能主要有：系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)測、新聞管理等，如圖2所示。

圖2 輸變電工程水土保持管理信息系統(tǒng)功能Fig.2 Functiuns of an on-line monitoring system for soil and water conservation in power transmission and transformation projects

1)系統(tǒng)設置模塊：分為用戶設置和主板設置。用戶可以對系統(tǒng)賬戶進行設置，如新建賬戶、修改密碼、刪除賬戶等。用戶可以通過主板管理對主板電壓進行校正，對主板存儲進行格式化，對測釬零點進行更正等。

2)實時數(shù)據(jù)模塊：系統(tǒng)可以實現(xiàn)對溫度等氣象數(shù)據(jù)和土壤流失高度等數(shù)據(jù)的實時在線監(jiān)測，同時可將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡傳到本地，以供存儲。

3)信息分析模塊：系統(tǒng)可以通過存儲在本地的數(shù)據(jù)對過去的某一年、月、日的氣象進行折線圖顯示，為用戶提供監(jiān)測點最近的氣象變化情況。系統(tǒng)還可通過光敏傳感器收集的數(shù)據(jù)，運用先進的算法針對工程中的各個站點進行土壤流失量的計算，為用戶提供現(xiàn)場精確的水土流失情況。

4)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)：系統(tǒng)可以通過高清攝像頭遠程對施工現(xiàn)場進行實時監(jiān)控，用戶可通過操作系統(tǒng)實現(xiàn)攝像頭的云臺移動，全方位地對監(jiān)測點進行監(jiān)控，攝像頭還可以將監(jiān)控的內(nèi)容通過網(wǎng)絡傳輸?shù)奖镜卮鎯Α?/p>

5)新聞管理子系統(tǒng)：用戶可以對監(jiān)測線路的工程和水土流失的相關新聞、報道進行查看，追蹤國內(nèi)最新的水土流失消息，提高對水土流失的關注度。

2 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構建

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是信息系統(tǒng)構建過程中最基礎和關鍵的模塊，是要達到一個確定的目標，以一定的組織形式存儲相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)集合，將現(xiàn)實世界中具體實物和與之相關的抽象信息轉換成計算機存儲里面的信息[14]。因此構建一個邏輯清晰、效率高的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，才能讓信息系統(tǒng)被用戶高效、可靠地利用。

2.1 建設原則

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是信息管理系統(tǒng)最基本的構成，它的主要功能是對信息管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行存儲、更新、處理等。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的內(nèi)容、結構、效率對搭建一個完備、先進、合適的信息系統(tǒng)十分重要。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設方法如下。

1)多層級數(shù)據(jù)信息傳遞。輸電工程建設過程中的水土保持管理是一個從點到線、由現(xiàn)場環(huán)境到水土保持手段逐漸過渡的過程，因此決定了從監(jiān)測站點到監(jiān)測整個線路工程，業(yè)務圖冊精度會逐漸降低，而圖層范圍會逐漸擴大。因此，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以通過移動網(wǎng)絡來實現(xiàn)上位機和下位機的信息傳遞和交流，不僅站點本地可以獲取信息，監(jiān)管總部也可以直接獲取信息，減少數(shù)據(jù)在傳遞過程中的丟包，提高準確性，并減少了駐站員工的工作量。

2)有效地存儲、管理不同監(jiān)測點的數(shù)據(jù)、圖片、視頻等數(shù)據(jù)。通過采用屬性數(shù)據(jù)庫的方法對系統(tǒng)采集的多種類型的數(shù)據(jù)進行分類存儲，視頻和圖片與數(shù)據(jù)分別處理。

3)實現(xiàn)管理信息系統(tǒng)(MIS)、辦公自動化(OA)等的接入。由于系統(tǒng)將在以后進一步推廣和修正，加上水土保持行業(yè)自動化程度會不斷提高，系統(tǒng)留有接口，支持與MIS和OA的集成。

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理

2.2.1 數(shù)據(jù)獲取方式

1)氣象數(shù)據(jù)：系統(tǒng)包含的氣象數(shù)據(jù)有降水量、氣溫、大氣濕度、當前風速和風向。通過安裝在監(jiān)測點的傳感器，每半個小時采集一次現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，并發(fā)送到下位機中。

2)土壤流失量：對于土壤流失量的數(shù)據(jù)采集主要是土壤流失的高度，通過光敏測釬傳感器，采集土壤流失的高度，每30 min采集一次現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并發(fā)送到下位機中。

3)現(xiàn)場視頻，圖像：現(xiàn)場視頻采用定時開關機模式，每天有固定的4個時間點，攝像頭自動打開，工作30 min，記錄現(xiàn)場的狀況。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理方式

為了更直觀地表征區(qū)域的水土流失情況，本文利用土壤侵蝕量來描述水土流失的嚴重程度，以下是本文給出的幾種土壤侵蝕量計算模型。

1)考慮到特高壓輸電工程的輸電桿塔大部分布設在山坡中，因此給出坡面土壤流失量計算公式：

(1)

通過在監(jiān)測區(qū)域布設測釬，并記錄每個測釬的原始坡面刻度，以此為基準判斷后續(xù)獲得的數(shù)據(jù)是否合理。

2)土壤多年平均侵蝕量計算公式，即土壤流失方程為：

A=R×K×L×S×C×P

其中，A為土壤流失量(單位：m3)；R為降雨侵蝕力指標；K、L、S、C、P分別表示土壤可侵蝕因子、坡長因子、坡度因子、作物經(jīng)營因子及土壤保持因子。土壤流失方程僅適用于當?shù)囟嗄晖寥榔骄治g量。

3)進一步細化，按照時間長度，土壤侵蝕模數(shù)可分為日土壤侵蝕模數(shù)、月土壤侵蝕模數(shù)以及年土壤侵蝕模數(shù)，土壤侵蝕模數(shù)可以表征土壤侵蝕強度，模數(shù)越大代表土壤侵蝕越嚴重。

日土壤侵蝕模數(shù)Di(單位：t/km2)：

(2)

式中，ρ為每個測點土壤容重(單位：kg/m3)；hi為第i個測釬的日侵蝕深度(單位：mm)。每個測點9個測釬。

月土壤侵蝕模數(shù)Mk(單位：t/km2)：

(3)

式中，Mk為每個月中日土壤侵蝕強度Di的和。

年土壤侵蝕模數(shù)T(單位：t/(km2·a))：

(4)

式中，T為每個月土壤侵蝕強度Mk的和。

3 應用實例

本文以陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程為例，構建了一個管理信息系統(tǒng)，命名為陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)軟件。

3.1 用戶界面

運行陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)軟件V1.0，顯示登錄界面(見圖3)，輸入用戶名以及密碼后登錄，便可跳轉至陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)軟件V1.0界面，如圖4所示。

圖3 陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)軟件登錄界面Fig.3 Software login interface of soil and water conservation monitoring system for ±800 kV UHVDC project in Northern Shaanxi Hubei

圖4 陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)運行界面截圖Fig.4 Software operation interface of soil and water conservation monitoring system for ±800 kV UHVDC project from northern Shaanxi to Hubei

3.2 新聞界面

新聞管理界面可以閱讀近期發(fā)生在水土保持方面以及與本行業(yè)相關的新聞，在界面的底部還增設了“國家電網(wǎng)有限公司”“中國水土保持監(jiān)測網(wǎng)”“水利部”“國網(wǎng)陜西省電力公司”“北極星電力網(wǎng)“國家能源局” “黃河網(wǎng)” “電力設計規(guī)劃總院” “中國電力招標網(wǎng)” “中國水土保持學會”等官網(wǎng)的鏈接，以便及時查閱與輸變電以及水土保持相關的新聞資訊。

圖5是位于首頁的新聞資訊滾動窗口，可以點擊滾動窗口中的文字鏈接，并且跳轉到相應的新聞網(wǎng)頁，以便管理員及時閱讀相關的新聞資訊。例如點擊滾動窗口中深色實線標出的“陜北至湖北特高壓直流工程“鏈接后，即可跳轉至如圖6所示的相應新聞資訊，以便管理人員閱讀。

在后期的軟件使用過程中，管理員可以以此方式實現(xiàn)新聞資訊模塊的管理，并且獲得與該工程緊密相關的新聞資訊，以便更高效地服務于該水土保持工程的管理和維護運營工作。提高了工作效率，節(jié)約了時間成本。

陜北—湖北±800 kV特高壓直流工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)總圖以地圖樣貌展示，可以精確展示水土保持工程監(jiān)測站點的所在位置。

工程總圖的全貌圖可以更好地讓系統(tǒng)操作人員以及數(shù)據(jù)管理人員對整個特高壓交流工程有直觀的掌控，極大地方便了系統(tǒng)管理人員統(tǒng)籌兼顧整條特高壓交流輸電線路工程，并監(jiān)測站點的水土流失量以及環(huán)境因子變動情況。

圖5 新聞資訊滾動窗口截圖

圖6 新聞資訊跳轉

監(jiān)測點顯示為紅色，以便系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理員管理該監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)(水土流失量、溫度、濕度、風速等)，并且也可以進行數(shù)據(jù)下載以及數(shù)據(jù)報表的制作，提高數(shù)據(jù)管理員數(shù)據(jù)報表的匯總效率。站點選擇之后，就會自動在首頁顯示該站點的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并且在數(shù)據(jù)模塊一欄中以圖表的形式形象直觀地展示出來，如圖7所示。在數(shù)據(jù)欄表頭可以點擊“按天顯示”“按月顯示”按鍵，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)分別以小時為單位和以天為單位，進行一天24 h的數(shù)據(jù)變化情況展示，或者進行一個月的數(shù)據(jù)變化情況展示。點擊“按天顯示”之后可以點擊“前一天”或者“后一天”來選擇需要查看的日期；或者點擊中間的日期，會跳轉出日歷，就可以選擇需要查看的日期，如圖8所示。

由于一天的土壤流失量的變化波動很小，繪制曲線來進行展示的意義不大，所以直接以數(shù)據(jù)的方式顯示出來，如圖9所示。

圖7 數(shù)據(jù)顯示模塊

圖8 日期選擇

圖9 土壤流失量日數(shù)據(jù)顯示

在選擇了“按月顯示”數(shù)據(jù)之后，就會展示所選月份的水土流失量數(shù)據(jù)展示，例如選擇2020年7月之后，就會顯示2020年7月的水土流失量的數(shù)據(jù)變化情況。

圖10 土壤流失量日數(shù)據(jù)顯示

圖10形象直觀地反映了2020年7月的土壤流失量數(shù)據(jù)變化情況，點擊右上角的數(shù)據(jù)保存按鍵，可以將該月土壤流失量數(shù)據(jù)以Excel文件形式保存。在主界面點擊“數(shù)據(jù)下載”按鍵之后，數(shù)據(jù)下載子系統(tǒng)將會彈出，界面如圖11所示。

圖11 月水土流失量 Excel表

在測站列表一欄選擇站點1(見圖12)，之后點擊“打開”按鍵，則數(shù)據(jù)下載子系統(tǒng)與有人虛擬串口會建立鏈接。在下方下載一欄處(見圖13)，可以選擇下載整天或者整月，選擇完時間之后，點擊“刷新”按鈕，所選擇日期即被選定，點擊下載即可將所選擇數(shù)據(jù)下載到本地。在當前已下載一欄處(見圖12)，點擊“刷新”，即可查看已經(jīng)下載到本地的數(shù)據(jù)。

在主界面點擊“視頻”按鍵之后(圖14黑框所示處)，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)將會彈出，界面如圖15所示。

點擊“設備列表”按鍵，該賬號上所有的螢石攝像頭將會出現(xiàn)在界面右側的設備列表一欄中。點擊“分享設備列表”按鍵，其他賬號分享給已登錄賬號的螢石攝像頭會出現(xiàn)在界面右側的分享設備列表一欄中。點擊“更新設備詳情”按鍵，會顯示增加最近添加的設備。點擊“單設備獲取”按鍵，可手工添加不屬于該賬號的其他螢石設備。在預覽一欄，點擊“預覽”按鈕，在播放一欄將會顯示站點的實時視頻，在“預覽”按鈕左側選項框處可選擇視頻的清晰度(見圖16)。點擊“結束”按鈕，將會停止觀看實時視頻；點擊“截圖”按鈕，設備會將當前畫面拍下，然后傳輸?shù)缴衔粰C中。

圖12 監(jiān)測點測站選擇截圖

圖13 監(jiān)測點數(shù)據(jù)下載截圖

圖14 主頁面中的視頻監(jiān)控模塊截圖

圖15 視頻監(jiān)控顯示界面截圖

圖16 現(xiàn)場檢測視頻圖像

在回放一欄，選擇搜索時間，點擊“設備錄像搜索”，將會搜索選擇日期的錄像；點擊“云錄像”搜索，將會搜索上傳到螢石云的錄像；點擊“開始回放”將會展示所選擇的錄像；點擊“暫停”，界面將會暫停播放；點擊“停止”，界面將會結束播放；點擊“恢復”，界面將會恢復當前實時視頻。在“回放倍速”一欄可以選擇查看錄像的速度；在云臺控制一欄，可以選擇控制攝像頭的方位的移動和焦距的變化。

4 結語

本文針對輸變電工程中水土保持信息數(shù)據(jù)混亂、管理不穩(wěn)定的問題構建了水土保持管理信息系統(tǒng)來管控輸電線路建設過程中的水土保持的信息和數(shù)據(jù)。并以陜北—湖北±800 kV特高壓直流輸電工程為例，搭建了一個管理信息系統(tǒng)，可以看出，該系統(tǒng)的架構和功能能夠很好地滿足輸變電工程建設中的水土保持數(shù)據(jù)管理的需求。