摘要：針對南涑河水系閘壩群調度不合理、配合有效性不高等問題進行軟件架構，設計閘壩智能調度輔助決策模型，并建立包含多功能模塊的軟件管理平臺，對閘門的實時運行狀態(tài)進行監(jiān)控、調控，實現閘壩智能化管理，充分利用水資源，確保發(fā)揮水利工程的綜合效益。

關鍵詞：物聯(lián)網技術；閘壩智能調度；智能管理；自動控制；智慧水利

0 引言

為了保證可持續(xù)發(fā)展，從傳統(tǒng)的水資源保護到以可持續(xù)發(fā)展為目標的水資源保護是必要的，這也必將帶來水利工程職能的轉變。因此，除了滿足社會發(fā)展和經濟發(fā)展的需要，還必須考慮保護和改善環(huán)境的功能。水量和水質的聯(lián)合規(guī)劃是實現社會經濟和生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展的有效措施，同時也是國內外水科學研究的前沿和熱點之一。其目的是對現有的水利工程或擬建的水利工程進行修改、規(guī)劃和行動，發(fā)揮水利工程的功能和綜合效益，充分利用所有可利用的水資源，增加可用于生產和生活的水量，同時兼顧河流水質、水生態(tài)、水環(huán)境和水景觀的恢復、改善和保護，確保水資源的可持續(xù)利用，保證社會和經濟發(fā)展[1]。

南涑河水系屬于沂河流域，其大多數水閘和水壩在旱季時關閉儲存，在汛期時開放泄洪。這種不合理的水閘和大壩作業(yè)安排，往往會導致污染物群的集中排放。閘壩群的隨意安排，相互之間缺乏有效的協(xié)調，加劇了污染事件的發(fā)生。因此，有必要實施基于物聯(lián)網的智能閘壩調度技術，以保證水質和水量。

1 系統(tǒng)總體架構設計

本研究針對南涑河水系進行軟件架構，設計閘壩智能調度輔助決策模型，建立包含多功能模塊的軟件管理平臺，實現閘壩的智能化管理[2]。

1.1 軟件架構

采取前后端分離模式，前端系統(tǒng)：Saber（基于Vue、Element UI），后端使用SpringCloud全家桶并執(zhí)行核心組件的高級封裝，單獨開源出BladeTool框架，減少項目工程復雜度，更專注于業(yè)務開發(fā)。與Sentinel的整合以各種方式保護服務的穩(wěn)定性，如流量控制、熔斷器降級和系統(tǒng)負載。Nacos被選作日志中心和配置中心，以簡化設計并加強各模塊之間的連接。對多租戶底層進行極簡的封裝，用更少的代碼實現更多可擴展的多租戶SaaS系統(tǒng)[3]。

為了實現多終端的認證，借鑒OAuth2，控制子系統(tǒng)令牌權限，使之相互隔離；在封裝Secure模塊時，借鑒Security，使用JWT進行令牌認證，并使用Redis等細粒度控制方案。部署方案采用k8s+jenkins的部署架構。該項目是為了實現規(guī)范微服務的開發(fā)模式，使項目的各分包之間有明確的分工[4]。

1.2 閘壩智能調度輔助決策模型

圖1顯示了用于閘壩智調度的智能決策模型的框架。該框架由三部分構成，分別是水閘的調度模型、水閘調度算法、預案庫。該算法模擬并測試了一個假設的調度方案，所產生的調度方案被存儲在一個預案庫中。經過廣泛訓練的水閘調度模型根據水閘實時監(jiān)測到的水質和水量數據創(chuàng)建水閘預調度計劃，之后由水閘調度算法對該調度計劃進行模擬[4]。當模擬結果符合預期目標時，規(guī)劃方案被認為是合適的，并被發(fā)布；當模擬結果無法滿足預期時，便需要人工對其進行干預，具體做法是先修正原有的調度方案，然后通過算法對修改后的方案進行模擬，直到實現符合調度目標的方案。該方案可以作為一個提案加入預案庫，用于未來的深度學習訓練。

2 系統(tǒng)軟件功能模塊

2.1 三維可視化管理平臺

2.1.1 閘壩三維模型

基于閘壩設施對建模更精細化的要求，利用傾斜攝影技術與三維協(xié)同設計的配合，通過GIS平臺的三維可視化，融合工程設計模型和真實的三維模型，不僅可以將工程設計和物理環(huán)境的概況相融合，還可以提供直觀和強大的模擬感。

2.1.2 水閘開放水模擬

可借助水閘三維模型，實現水閘的開放水動態(tài)模擬過程。可根據放水速度、水閘大小、閘口開關控制，實現水閘放水的動態(tài)模擬效果。水閘開放水模擬如圖2所示。

2.1.3 水位/水文設施在線監(jiān)測

對接展示各類水利監(jiān)測信息，如水文、氣象、環(huán)保、水位、運營商的相關數據異常告警；通過對雨情、水情（河道）、衛(wèi)星云圖、氣象雷達、降雨分布、天氣實況、臺風信息、積水等重點領域的實時物聯(lián)數據、報警預警信息、風險呈現態(tài)勢的智慧感知，為日常監(jiān)管、預測預警、搶險救援、災后評估等提供及時、精準和高效的感知信息。在線監(jiān)測預警過程為預警信息發(fā)布及現場實時狀況的掌握提供了關鍵的數據支持。

2.1.4 基礎數據資源管理

數據資源的建設主要包括靜態(tài)數據、動態(tài)數據、實時數據三種數據類型的數據資源建設。靜態(tài)數據主要包括地理信息、管理單位信息、人員信息等。靜態(tài)數據可以通過文檔、電子表格等形式從各相關負責單位獲取，并及時更新。動態(tài)數據主要包括工程建設過程中的建設項目、除險加固、巡查信息、工程檢查信息、維護養(yǎng)護信息、人員工作臺賬、人員培訓臺賬、安全生產臺賬、系統(tǒng)日志等。實時數據主要通過感知體系進行自動采集。在數據資源建設過程中，要優(yōu)先利用已有感知體系資源，在合理布局并滿足工程運行管理需要的基礎上按照相關規(guī)范及技術標準進行建設完善。

2.2 閘壩智能調度

智能化的閘壩調度主要涉及閘壩運行的實時監(jiān)測和控制。在閘壩群數量多、地域分散，對實時運行、管理和可靠性要求高的情況下，構建智能水利云平臺，實時收集河道的水位情況信息，并結合內部洪水預警系統(tǒng)數據和河湖巡查數據進行綜合分析，對各閘門進行智能調節(jié)和管理。

該系統(tǒng)以GIS平臺為基礎，構建共享服務平臺和基于SOA的運營管理平臺，實現資源共享功能。該系統(tǒng)包括基本的地理現場數據，可顯示攝像機、泄洪閘、泵站和監(jiān)測站的位置，快速定位管理目標，快速查看和檢索歷史信息和實時預報。該系統(tǒng)還可以從每個閘和站收集實時數據，供調度員隨時了解最新情況[6]。

2.2.1 閘門實時狀態(tài)監(jiān)測

總體監(jiān)測以GIS為底圖，標注各閘壩的地理位置，點擊可進入對應閘壩運行監(jiān)測界面，實時顯示閘門開閉狀態(tài)，閘前、閘后水位，以及閘門啟閉的整個過程。閘門操作時，可調出視頻監(jiān)控窗口，結合實時采集的閘門開度、電機電流、電壓等實時參數，實現遠程操作的可視化，確保系統(tǒng)安全[7]。

2.2.2 閘門視頻監(jiān)控

查看閘壩實時運行情況，實現安防功能。有云臺控制的攝像機可進行云臺控制，所有視頻畫面均可進行抓圖、保存。利用各種多媒體進行展示，通過多模式可視化實現對閘壩的實時監(jiān)控，并通過輪巡計劃、區(qū)域分組計劃的實施獲取閘壩的實時動態(tài)情況。

2.2.3 指令調度

指令調度是系統(tǒng)依據水位監(jiān)測數據的更新和內澇預警系統(tǒng)閘壩動作策略發(fā)送調度指令。根據閘壩、河道監(jiān)測點監(jiān)測到的水位信息，天氣預報的降水、風力等情況，同時兼顧水閘的防汛、放水、攔污等功能，生成相關調度指令，以實現對水閘的聯(lián)合調度，達到防洪、排澇的目的[8]。

2.2.4 閘門調度

根據監(jiān)測的水位信息設置三種水位信號：低水位、中水位、高水位。水閘根據河道、湖泊水位或接收調度指令可實現全開、全關及開到設定開度位置等，通過水閘開度儀實時監(jiān)測閘門的開啟程度，水泵根據水位的不同自動啟動、停止及開關水閘閥門。在正常水位情況下，每個水泵自動運行；在危水位情況下，必要數量的水泵自動啟動。

2.2.5 閘門設施電子檔案

由于閘壩中包含大量設備，管理有一定的難度，必須建立電子檔案用于相關信息管理，如設備的建成及投入時間、地理位置、檢修次數、檢修時間等。

2.2.6 閘門物資管理

主要是促進閘門防汛物資、維修物資、河道管理相關物資的管理走上標準化、規(guī)范化、信息化的軌道，提高相關資料的管理水平，做到相關數據共享度高、信息反饋迅速及時，實現對物資的數據整合、統(tǒng)計查詢及分析應用。

2.3 設施巡檢、養(yǎng)護、維修管理

設施巡檢可以工作責任區(qū)為基礎單位、區(qū)域內市水務局設施為檢查目標制訂周期性計劃，結合具有GPS功能的移動終端，提供“計劃制訂—任務下達—問題上報—結果核查”全過程、精細化的管理模式[9]。系統(tǒng)具備設施地圖、巡檢計劃、任務派發(fā)、巡檢軌跡功能。

設施養(yǎng)護管理可提供日常養(yǎng)護、年度養(yǎng)護、養(yǎng)護計劃管理，對月度任務單進行分解并對每個任務安排養(yǎng)護人員，支持接收巡檢問題或其他報修事件，以養(yǎng)護人員提報的量化工作單作為工作考核依據[10]。

設施維修管理是指提供維修任務接收、工單派發(fā)、維修工作單管理，可接收巡檢問題或者養(yǎng)護轉派、其他渠道維修案件，支持設定工單時長期限、工單處理時限，記錄派發(fā)人、派發(fā)時間等信息，派發(fā)給指定維修負責人，現場維修人員提報量化工作單作為核實依據[11]。

2.4 考核評價與系統(tǒng)管理

2.4.1 考核評價

考核評價是針對設施養(yǎng)護質量、進度等方面進行養(yǎng)護任務的分層管理考核，提供對任務考評得分錄入功能，形成綜合排名，最終得分將作為養(yǎng)護工程量安排、人員勞務結算、工作質量考核的依據?？己嗽u價主要包括檢查反饋、綜合考評、考核標準管理三部分。

檢查反饋按照市水務局設施養(yǎng)護維修質量考核辦法，系統(tǒng)提供對養(yǎng)護維修任務進行考核的功能，通過對正在執(zhí)行和已經結束維修任務的復查、抽查、回訪的方法，對養(yǎng)護維修施工質量進行分層管理考核，可以評價設施養(yǎng)護質量、進度等方面是否合格。

綜合考評是根據月度或年度質量檢查情況和考核辦法，提供任務考評得分錄入功能，系統(tǒng)自動計算確定最終考核得分，形成綜合排名，最終得分將作為養(yǎng)護工程量安排、人員勞務結算、工作質量考核的依據。

考核標準管理是指針對設施養(yǎng)護考核內容制定指標分類，對工作標準進行界定。系統(tǒng)提供考核標準設定、修改功能，可設定各類標準的級別分類、分值比重，建立考核的指標體系。

2.4.2 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理的主要功能包括用戶管理、部門管理、角色管理、日志管理、菜單管理和字典管理。用戶管理是指對系統(tǒng)用戶的增、刪、改、查操作。部門管理是對系統(tǒng)用戶所屬部門的增、刪、改、查操作。角色管理意味著系統(tǒng)用戶可以根據所分配的角色定制對系統(tǒng)的使用，因為不同的角色有不同的功能表現。日志管理指記錄用戶對系統(tǒng)的訪問情況，包括日志編號、訪問人員、訪問時間等，并可通過搜索查詢方便地獲取這些日志條目。系統(tǒng)功能菜單是用戶對系統(tǒng)功能的訪問點，擁有功能訪問權限的用戶可以訪問與該功能對應的頁面。詞典管理包括業(yè)務數據詞典管理和系統(tǒng)數據詞典管理，用于配置與系統(tǒng)管理和流程運行密切相關的數據元素。

3 結語

本文針對南涑河閘壩群調度無序、無效配合等特點，設計基于物聯(lián)網技術的水質水量聯(lián)合智能閘壩調度技術，構建閘壩智能調度輔助決策模型，建立包含閘壩智能調度、閘壩設備管理、閘壩運行監(jiān)測等多功能模塊的軟件管理平臺，實現閘壩的智能調度，對閘壩進行實時監(jiān)測與控制，保障閘壩的準確運行，提升閘壩運行的安全性、可靠性和科學性，可實現水資源的充分利用，保障社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，同時可為其他相似閘壩群實現智能化管理提供參考。

參考文獻

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[11]李珍明.上海市水閘泵站計算機智能控制系統(tǒng)初步探索[J].微型電腦應用，2005（7）：9-11，38.

收稿日期：2023-02-03

作者簡介：

王憲芳（1980—），男，研究方向：信息化。

高遠（1996—），男，研究方向：水利工程。

馮玉龍（1988—），男，研究方向：大數據。

董坤明（1987—），男，研究方向：水利工程。

王富霖（1992—），男，研究方向：信息化。