□ 吳家梅

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

引言

近年來國家有關(guān)部委陸續(xù)出臺一系列政策推動智慧水利發(fā)展，截至2021年末已累計安排中央水利建設(shè)投資計劃1482億元，全年國家水網(wǎng)骨干工程資金到位率達(dá)89.1%。在此背景下，我國水利工程建設(shè)與運(yùn)行發(fā)展過程中仍暴露出一系列問題，如水污染常態(tài)化治理機(jī)制不健全、缺乏應(yīng)對突發(fā)水情的成熟防控措施等，亟需在現(xiàn)有信息化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上面向應(yīng)用實(shí)踐層面進(jìn)行功能豐富與技術(shù)革新，更好地完善智慧水利架構(gòu)建設(shè)，為水利工程行業(yè)管理工作實(shí)踐提供現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

一、智慧水利現(xiàn)有基礎(chǔ)

2021年10月召開的水利部部務(wù)會議明確指出“推進(jìn)智慧水利建設(shè)”成為指導(dǎo)當(dāng)前水利行業(yè)發(fā)展的核心目標(biāo)。2022年1月，水利部印發(fā)《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》，強(qiáng)調(diào)以“建成智慧水利體系1.0版”作為現(xiàn)階段我國水利建設(shè)的主要發(fā)展方向［1］。在上述政策、意見實(shí)施背景下，我國智慧水利各項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已初具規(guī)模，信息采集點(diǎn)、視頻監(jiān)控點(diǎn)以及通信衛(wèi)星設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施云、水利視頻會議系統(tǒng)等均已實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)覆蓋，加之物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)的應(yīng)用普及，在不斷提升水利業(yè)務(wù)應(yīng)用水平的同時，進(jìn)一步推動水利行業(yè)實(shí)現(xiàn)由數(shù)字水利向智慧水利的順利轉(zhuǎn)型［2］。

二、智慧水利信息化系統(tǒng)在水利工程中的具體應(yīng)用

（一）在水環(huán)境資源污染狀況監(jiān)測中的應(yīng)用

在水質(zhì)監(jiān)測過程中，各地水務(wù)部門利用部分重點(diǎn)區(qū)域的測控終端等設(shè)備，對水資源量進(jìn)行綜合管控。主要部位安裝監(jiān)測儀表，通過軟件平臺進(jìn)行自動測控，確認(rèn)水流量、泵/閥狀態(tài)等。這些裝置是時代發(fā)展的產(chǎn)物，可以顯著提高水環(huán)境資源監(jiān)測效果，明確污染狀況。與以往的人工控制方式相比，高科技的形式不僅充分保證了監(jiān)控效率，而且保證了監(jiān)控質(zhì)量。目前，已通過無線網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)和智能監(jiān)控軟件對水資源進(jìn)行多次檢測，包括水體中的PH值、氯化物、固體等，都實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)監(jiān)測。一旦污染超標(biāo)，可立即采取有效治理措施，避免水環(huán)境污染超出可控范圍，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。通過對污染狀況的實(shí)時監(jiān)測，有利于改善水環(huán)境質(zhì)量，保障人類正常的生活和生產(chǎn)。

（二）在地表水文、水位高度監(jiān)測中的應(yīng)用

我國幅員遼闊，擁有許多大大小小的河流湖泊。通過在江湖新建水利工程、堤壩等建筑，可以有效控制水位，避免洪水的發(fā)生。通過實(shí)時監(jiān)測，在可能發(fā)生災(zāi)害時，可以利用傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)及時預(yù)警，從而減少經(jīng)濟(jì)損失，避免自然災(zāi)害造成人員傷亡等負(fù)面影響。通過新建水利工程，可以實(shí)現(xiàn)對水流速度和水位的實(shí)時監(jiān)測，也可以避免因自然氣候條件變化而引起的水位突然上升。一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，可通過及時報警、采取排水等方式解決自然災(zāi)害問題。通過使用高科技設(shè)備，對不同系統(tǒng)環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合調(diào)度，可以對洪澇災(zāi)害進(jìn)行合理的規(guī)劃和預(yù)防。在檢測各種數(shù)據(jù)時，可以借助GPRS、CDMA、4G等通信技術(shù)對地表水文、水位進(jìn)行高效監(jiān)測，從而提高相關(guān)工作的處理效果，綜合決策，確保決策-制作精度。

三、智慧水利信息化系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐策略

（一）案例項目概況

以某地區(qū)的智慧水利信息化體系建設(shè)情況為例，該地區(qū)早在20世紀(jì)80～90年代起建成一批水質(zhì)污染監(jiān)測、地表水位變化監(jiān)測、防汛抗旱等水利工程項目，圍繞區(qū)域范圍內(nèi)的河流、湖泊等設(shè)置11852處信息采集點(diǎn)、超過4000個水雨情監(jiān)測點(diǎn)，并部署數(shù)據(jù)采集中心站5個、共享接入點(diǎn)3408個，配置水利服務(wù)器135臺。目前該地區(qū)建有1∶250000比例的水利基礎(chǔ)電子地圖，支持對區(qū)域雨情、水情進(jìn)行實(shí)時反饋，并提供歷史水文數(shù)據(jù)查詢、防汛抗旱工作方案等信息，配合多種傳感器、通信傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)污染情況、水情與墑情的全面監(jiān)測預(yù)警［3］。依據(jù)現(xiàn)階段智慧水利建設(shè)指導(dǎo)意見及相關(guān)要求，擬引入物聯(lián)網(wǎng)、AR、傳感器、BIM、GIS等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行智慧水利信息化系統(tǒng)應(yīng)用功能的完善與升級，為區(qū)域水利信息管理及相關(guān)問題的解決提供技術(shù)支持。

（二）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水環(huán)境污染狀況監(jiān)測

在水資源監(jiān)測工作中，以水質(zhì)污染狀況監(jiān)測為系統(tǒng)主要應(yīng)用范疇，由水務(wù)部門將水資源遙測終端機(jī)、濁度傳感器等裝置部署在區(qū)域范圍內(nèi)的江河、湖泊、水庫等領(lǐng)域，獲得水資源可利用量、水質(zhì)等指標(biāo)數(shù)據(jù)。同時，利用軟件平臺進(jìn)行取水流量計算，獲取閥門、水泵流量狀態(tài)，支持對設(shè)備供電情況進(jìn)行自動調(diào)試，并實(shí)現(xiàn)對取水量計量的遠(yuǎn)程控制［4］。例如針對區(qū)域內(nèi)某一湖泊進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，在湖泊覆蓋范圍內(nèi)設(shè)置若干取水點(diǎn)，引入WiFi技術(shù)建立通信網(wǎng)絡(luò)，利用水質(zhì)采樣機(jī)與智能應(yīng)用軟件配合進(jìn)行水環(huán)境中pH值、溫度、色度、濁度、懸浮物、COD、BOD等指標(biāo)的監(jiān)測，根據(jù)各指標(biāo)的超標(biāo)情況判斷水污染程度與等級，并采取相應(yīng)干預(yù)、治理措施進(jìn)行管控。

目前為將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效應(yīng)用于智慧水利信息化系統(tǒng)設(shè)計中，采用STM32單片機(jī)與傳感器配合進(jìn)行水的流量、濁度、pH值等參數(shù)指標(biāo)的采集，將獲取的直流電壓轉(zhuǎn)換為電信號，利用LCD液晶屏進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示，選用串口調(diào)試工具進(jìn)行PC端數(shù)據(jù)采集模塊的調(diào)試，經(jīng)主機(jī)實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)采集數(shù)據(jù)的展示；當(dāng)利用單片機(jī)MCU單元將采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳遞至串行端口后，利用GPRS模塊接收數(shù)據(jù)并上傳至數(shù)據(jù)中心平臺，執(zhí)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析、處理、存儲等功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作。在系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)上，主要圍繞以下三個方面入手：

1.水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

在STM32單片機(jī)中設(shè)有若干寄存器、定時器，根據(jù)實(shí)際處理需求設(shè)置寄存器模塊單次或多次掃描模式，以左、右對齊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。該系統(tǒng)對于不同水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)指標(biāo)設(shè)有獨(dú)立通道，如指定11通道采集水環(huán)境資源的濁度數(shù)據(jù)，指定12通道采集pH值數(shù)據(jù)等，整合傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞至轉(zhuǎn)換器，并基于存儲規(guī)則在寄存器內(nèi)存儲數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集功能，引入一種數(shù)據(jù)連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，先開啟寄存器時鐘、設(shè)置具體參數(shù)，運(yùn)用兩個不同通道進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集與模擬信號的轉(zhuǎn)換，即可實(shí)現(xiàn)對水pH值、濁度等數(shù)據(jù)的采集功能。

2.水流量數(shù)據(jù)監(jiān)控

通常水的流量變化將影響周圍傳感器等裝置的磁性，因此選用霍爾傳感器進(jìn)行水流量變化的動態(tài)監(jiān)測，利用傳感器裝置內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路將輸出脈沖信號轉(zhuǎn)換為電路，經(jīng)由數(shù)據(jù)線輸出，并完成渦輪轉(zhuǎn)速、水流量、電壓值等指標(biāo)的計算，最終確認(rèn)水的流速及其對應(yīng)的頻率值。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，利用定時器TIM2進(jìn)行脈沖時刻計數(shù)，借助TIM_CCR捕獲脈沖方波信號，并利用TIM_CNT計數(shù)器記錄信號反轉(zhuǎn)次數(shù)，最終生成總體脈沖數(shù)值。

3.中心數(shù)據(jù)管理功能

在采用軟件編程設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，引入SQL技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，運(yùn)用C#軟件優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲模塊與存儲周期設(shè)計，保證實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互性、人性化設(shè)計，提高軟件開發(fā)效率。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，預(yù)先參考數(shù)據(jù)完成軟件閾值的設(shè)置，當(dāng)測得采集數(shù)據(jù)超出閾值后，將向用戶發(fā)出告警。基于NET平臺、VS環(huán)境進(jìn)行中心數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程上傳的無線數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時接收與顯示，用戶可通過Chart窗口觀察到某一天、某一地點(diǎn)的水質(zhì)、水流量變化曲線，有效提升水環(huán)境監(jiān)測效率。

（三）基于AR實(shí)景的水文、水位高度變化監(jiān)測

在地表水監(jiān)測環(huán)節(jié)，水利部門通過在河流、湖泊上修建水壩一類擋水建筑物，在日常運(yùn)行過程中獲取河流水位高度、流速變化、水流量以及單位時間內(nèi)降水量等數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)超出限值后將發(fā)出自動報警，控制壩體開啟排水端口，起到調(diào)節(jié)水位作用，以此降低洪澇災(zāi)害發(fā)生概率［5］。在地表水文、水位監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計上，預(yù)先在河流范圍內(nèi)設(shè)置水文監(jiān)測點(diǎn)，使用靜壓式水位計、超聲波水位計與雨量筒等裝置獲取監(jiān)測點(diǎn)處的水位高度、水文監(jiān)測值等信息，經(jīng)水文遙測終端機(jī)、北斗通信終端將采集信息整合，通過北斗衛(wèi)星或GPRS/CDMA/4G等通信網(wǎng)絡(luò)傳遞至監(jiān)測中心網(wǎng)絡(luò)平臺中，生成決策意見、指導(dǎo)相關(guān)處理工作。

在地下水監(jiān)測環(huán)節(jié)，主要以地下水開采量、水溫、水位高度、水質(zhì)變化情況等作為監(jiān)測指標(biāo)，利用不同類型的傳感器與地下水遙測終端機(jī)配合采集數(shù)據(jù)，經(jīng)GPRS/CDMA/4G通信網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器，基于分布式算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與計算，將生成的數(shù)據(jù)處理結(jié)果經(jīng)Internet網(wǎng)絡(luò)分別發(fā)送至檢測中心與APP客戶端，借此實(shí)現(xiàn)對區(qū)域范圍內(nèi)水溫、水質(zhì)、水位變化以及降水收集、排污處理等情況的實(shí)時監(jiān)控。

為解決現(xiàn)有地表水、地下水監(jiān)測環(huán)節(jié)尚未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控管理、監(jiān)控點(diǎn)位覆蓋范圍有限、缺乏對現(xiàn)場情況的直觀了解、監(jiān)控管理被動性強(qiáng)等問題，可引入AR實(shí)景可視化技術(shù)進(jìn)行智慧水利信息化管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，在關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)位安裝超高清4K攝像機(jī)，構(gòu)造AR實(shí)景地圖，分別在監(jiān)控畫面中添加靜態(tài)、動態(tài)標(biāo)簽用于確認(rèn)具體點(diǎn)位的坐標(biāo)系，并依托畫中畫功能實(shí)現(xiàn)對不同點(diǎn)位、監(jiān)控區(qū)域處實(shí)景畫面的同步查看，系統(tǒng)提升監(jiān)控視覺效果。在AR實(shí)景可視化系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)上，以基礎(chǔ)視頻監(jiān)控功能為例，在平臺中選中監(jiān)控畫面瀏覽功能，經(jīng)高清視頻解碼后可在顯示屏端查看單一或多畫面組合，基于遠(yuǎn)程控制功能實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場攝像機(jī)鏡頭角度、云臺的實(shí)時控制，在應(yīng)用客戶端提供單次抓圖、單路錄像等服務(wù)模式，支持對執(zhí)行設(shè)備或通道進(jìn)行歷史圖像資料的檢索、回放及下載。再以GIS地圖應(yīng)用功能為例，基于ArcGIS引擎查看攝像頭、監(jiān)測點(diǎn)附近的地圖，運(yùn)用該引擎提供的實(shí)時視頻功能控制多個攝像頭進(jìn)行輪流巡檢、播放監(jiān)控畫面，并提供測距、截圖、標(biāo)注、打印等功能，從而依托智慧可視化體系提升對地表水、地下水重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)控及管理水平。

（四）基于傳感器、GPRS技術(shù)的明渠灌溉管理

導(dǎo)流明渠作為臨時性水工建筑物，主要將其與農(nóng)田灌溉區(qū)進(jìn)行連通設(shè)計，輔助實(shí)現(xiàn)引/排水、灌溉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。將智慧水利信息化系統(tǒng)應(yīng)用于明渠灌溉管理環(huán)節(jié)，通過布置水位計、流量計等檢測儀器獲取明渠現(xiàn)場水位、流量等信息，借助水文遙測終端機(jī)將采集的數(shù)據(jù)信息匯總后經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)上傳至中心監(jiān)控平臺中，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)灌溉渠水位調(diào)整、流量調(diào)節(jié)等功能，輔助開展各項農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。

為適應(yīng)智慧農(nóng)業(yè)、智慧水利發(fā)展理念指導(dǎo)下，對于智慧灌溉系統(tǒng)改造升級提出的現(xiàn)實(shí)需求，擬在現(xiàn)有智慧灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對遙測終端機(jī)結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在遙測終端機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計上，遵循小型化、智慧化理念選用STM32微處理器作為核心元件，搭配實(shí)時時鐘、電源管理、USB接口、Flash存儲、藍(lán)牙、傳感器接口、通信、鍵盤、LCD顯示屏等功能模塊組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對終端機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器、外置石英晶振，采用低功耗電源管理模塊與藍(lán)牙模塊配合，使終端機(jī)在休眠狀態(tài)下功耗限制在1μA左右。在終端機(jī)工作模式設(shè)計上，遵循現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約設(shè)有以下兩種模式：一種是自報模式，利用遙測終端機(jī)直接將收集的監(jiān)控要素數(shù)據(jù)定時上報至中心站，在測得短時間內(nèi)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時及時向中心站進(jìn)行加報；另一種是查詢應(yīng)答模式，由中心站發(fā)出指令，終端機(jī)根據(jù)指令返回相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)。將上述兩種模式進(jìn)行兼容設(shè)計，使遙控終端機(jī)支持運(yùn)行自報、加報、定時報等多種模式，與中心站建立實(shí)時通信傳輸關(guān)系，根據(jù)中心站發(fā)送或返回的指令進(jìn)行參數(shù)修改與控制模式的切換，實(shí)現(xiàn)高效率、低能耗目標(biāo)。

（五）基于BIM+GIS技術(shù)輔助水利工程建設(shè)管理

在將AR實(shí)景模型應(yīng)用于地表水、地下水監(jiān)測的基礎(chǔ)上，還應(yīng)導(dǎo)入BIMserver進(jìn)行微觀層面信息的展示，再與GIS技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)對水工建筑物及周邊地理環(huán)境信息的深度融合。在數(shù)據(jù)融合方式設(shè)計上，主要涉及對水利工程幾何、屬性信息的集成處理，引入大數(shù)據(jù)平臺框架進(jìn)行水利工程數(shù)據(jù)的挖掘與分析，運(yùn)用智能學(xué)習(xí)算法進(jìn)行全過程信息的分析、處理與展示，滿足工程建設(shè)及運(yùn)維等環(huán)節(jié)的調(diào)度、管理要求。例如在分布式計算模塊設(shè)計上，基于公有云平臺、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)體系作為基礎(chǔ)架構(gòu)，運(yùn)用Hadoop、云計算技術(shù)建立分布式計算模型，完成水利工程建設(shè)數(shù)據(jù)、潛在關(guān)系數(shù)據(jù)的深入分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測預(yù)警、輔助現(xiàn)場指揮調(diào)度等功能；在大屏場景顯示模塊設(shè)計上，運(yùn)用可視化技術(shù)在大屏端進(jìn)行水利工程現(xiàn)場建設(shè)不同場景的切換，可直觀查看電站運(yùn)行、泵站運(yùn)行、入庫洪水、降雨量、水資源利用情況等圖標(biāo)，輔助功能管理、實(shí)現(xiàn)智慧決策。

四、結(jié)語

通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完善監(jiān)測點(diǎn)部署、擴(kuò)大水質(zhì)污染監(jiān)測范圍，引入AR實(shí)景實(shí)現(xiàn)地表水與地下水的水文、水位高度等變化情況的全面可視化，采用傳感器、GPRS技術(shù)輔助明渠灌溉管理，配合BIM+GIS等技術(shù)手段的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)水利工程建設(shè)全過程管理目標(biāo)，借此有效實(shí)現(xiàn)智慧水利信息化系統(tǒng)的應(yīng)用功能，服務(wù)于水利工程建設(shè)與高質(zhì)量發(fā)展。未來還需持續(xù)提升智慧水利建設(shè)層次、起點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)及水平，并聚焦資金投入、協(xié)同機(jī)制等層面完善相關(guān)保障機(jī)制，進(jìn)一步推動智慧水利信息化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)服務(wù)功能的升級，服務(wù)于區(qū)域水利行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。