智慧灌區(qū)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

(1.成都市萬江港利科技有限公司，成都，610015，2.四川大學(xué)智能控制研究所，成都，610065，3.四川大學(xué)水利信息化聯(lián)合實驗室，成都，610065)

1 引言

水資源作為人類生產(chǎn)生活的重要資源，隨著社會經(jīng)濟和人口的快速增長，其短缺問題日益突出[1]。農(nóng)業(yè)作為用水大戶，水資源供需問題不斷加重。灌區(qū)作為農(nóng)業(yè)用水主體，其水資源的合理優(yōu)化配置對提高水資源利用率，促進農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)開發(fā)利用，權(quán)衡灌區(qū)水資源經(jīng)濟和風(fēng)險之間的關(guān)系具有重要作用[2]。

傳統(tǒng)的灌區(qū)管理主要以手工管理為主，灌區(qū)自動化水平低，信息化設(shè)備缺失，灌區(qū)管理部門不能實時、準(zhǔn)確地掌握灌區(qū)水資源情況和設(shè)備運行情況[3-5]。灌區(qū)在用水管理工作中存在時效性差，處理手段落后，信息分享機制不健全，使用效率低等問題。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在灌區(qū)水資源調(diào)配方面，一些學(xué)者提出了基于智能優(yōu)化算法、3S技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的灌區(qū)水資源配置系統(tǒng)，為灌區(qū)信息化建設(shè)提供了思路[6-9]。其中，安徽省淠史杭灌區(qū)首先提出智慧灌區(qū)概念，并構(gòu)建集防汛抗旱、灌溉調(diào)度、水質(zhì)監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理為一體的智慧灌區(qū)探索[10]。

為全面提高水利工程的自動化水平，供水管理的精準(zhǔn)化水平及對水資源的調(diào)控能力，本文設(shè)計了一套智慧灌區(qū)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)、通信傳輸系統(tǒng)為保障、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托、決策支持系統(tǒng)為核心，用戶可通過WEB平臺實現(xiàn)對灌區(qū)硬件基礎(chǔ)設(shè)施進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，為水資源調(diào)配分析決策提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)在都江堰灌區(qū)人民渠一處的實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)有效提高了灌區(qū)水資源利用率和管理水平，實現(xiàn)了灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

2 智慧灌區(qū)管理系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 智慧灌區(qū)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

智慧灌區(qū)管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、硬件層、軟件層、門戶層5層。其中，數(shù)據(jù)采集層是信息管理平臺數(shù)據(jù)的來源，包括水位計、視頻監(jiān)控設(shè)施、閘門控制設(shè)施、外部數(shù)據(jù)等。傳輸層負(fù)責(zé)整個平臺中數(shù)據(jù)的傳輸，本次項目中使用到的傳輸方式包括：4G無線傳輸、光纖傳輸。硬件層是整個軟件系統(tǒng)運行的物理基礎(chǔ)，包括服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換和路由等設(shè)備。本系統(tǒng)中，硬件平臺利用萬江科技的云平臺。軟件層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、處理和維護的功能層，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等支撐軟件及業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件，可根據(jù)實際項目需求定制開發(fā)。門戶層給系統(tǒng)的內(nèi)部用戶如人民渠的管理者、工作人員，外部用戶如灌區(qū)農(nóng)戶提供一個統(tǒng)一的訪問入口。

圖1 智慧灌區(qū)系統(tǒng)總體架構(gòu)

本管理系統(tǒng)為保障以后軟件功能模塊能很好地接入平臺，核心的數(shù)據(jù)庫建設(shè)將采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫方案，系統(tǒng)應(yīng)用采用B/S及多層體系結(jié)構(gòu)并存的結(jié)構(gòu)模型。

管理系統(tǒng)建設(shè)時建設(shè)遵循SOA體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)平臺設(shè)計充分考慮數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用和服務(wù)的各方面需求，利用擴展和封裝的hadoop平臺分布式文件管理和離線情況下的海量數(shù)據(jù)計算性能優(yōu)勢，解決結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的全量存儲和計算的伸縮性、分布性的問題。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為無線傳輸加光纖傳輸?shù)姆绞剑呵淄ㄟ^光纖專線接入云平臺；險工險段處的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)通過4G無線接入云平臺；一體化閘門通過4G信號接入云平臺。管理中心通過互聯(lián)網(wǎng)訪問云平臺。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2。

圖2 智慧灌區(qū)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.3 GIS應(yīng)用支撐平臺

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，灌區(qū)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)通常在不同時間開發(fā)，彼此相對獨立，業(yè)務(wù)流程往往封裝在一個獨立的應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)。為便于后期系統(tǒng)整合，本管理系統(tǒng)設(shè)計有GIS應(yīng)用支撐平臺，該平臺通過服務(wù)建模，根據(jù)業(yè)務(wù)提煉出服務(wù)功能，實現(xiàn)跨部門的、統(tǒng)一的應(yīng)用信息交換和業(yè)務(wù)協(xié)同處理功能，徹底統(tǒng)一各方的交互方式，規(guī)范化交互內(nèi)容，使新建的系統(tǒng)和舊的應(yīng)用更容易交互。平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。

軟件架構(gòu)采用B/S(Web GIS)和C/S(組件式GIS)相結(jié)合的模式?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括人民渠一處所轄灌區(qū)范圍內(nèi)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，包括矢量地圖(DLG)、正射遙感影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)等；實時數(shù)據(jù)由傳感器通過互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)總線加工后進入本系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)。

圖3 GIS平臺總體架構(gòu)

3 系統(tǒng)主要功能及實踐應(yīng)用

根據(jù)實際需求，系統(tǒng)功能主要包括水資源管理、監(jiān)控預(yù)警、防汛抗旱、運維管理4個模塊。考慮到系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用于四川省都江堰灌區(qū)人民渠一處，本文結(jié)合系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用對其主要功能做簡要介紹。

3.1 水資源管理

水資源管理是智慧灌區(qū)管理系統(tǒng)的核心內(nèi)容。為實現(xiàn)對用水過程的全程監(jiān)控，加強對水資源的管理、控制，系統(tǒng)在具有傳統(tǒng)的渠道計量功能的同時，增加了水質(zhì)檢測功能，并創(chuàng)新性地使用了新型的測控一體化閘門，構(gòu)建了一套量、測、控一體的水資源管理系統(tǒng)。

3.1.1 渠道計量

渠道計量功能是水資源管理的基礎(chǔ)功能。在該功能中，用戶可以查看渠道的實時水位、流量及今日水量，同時，超閾值的渠道站點將被置頂并標(biāo)紅顯示。其界面如圖4所示。

圖4 渠道計量界面

3.1.2 水質(zhì)檢測

隨著工業(yè)的發(fā)展，我國的水環(huán)境污染問題也愈發(fā)嚴(yán)峻。對此，本系統(tǒng)增加了水質(zhì)檢測功能。系統(tǒng)可對高錳酸鉀指數(shù)、氨氮、總磷進行監(jiān)測，并據(jù)此給出相應(yīng)的水質(zhì)等級，其中超閾值的水質(zhì)站點將被置頂并將數(shù)據(jù)標(biāo)紅顯示。此外，以上數(shù)據(jù)還可長久保存，方便日后查詢。水質(zhì)檢測模塊界面如圖5。

圖5 水質(zhì)檢測模塊界面

3.1.3 測控一體化閘門

在灌區(qū)中，閘門是控制水量分配的主要手段。傳統(tǒng)的閘門多是手動啟閉類型，操作不便，且過閘流量無法準(zhǔn)確控制。針對上述問題，本智慧灌區(qū)系統(tǒng)采用了測控一體化閘門。一體化閘門控制采用WEB端和手機端控制模式，用戶可在管理平臺上實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制閘門開度，查看過閘流量，閘前水位等操作。閘門控制模塊界面如圖6。

3.2 監(jiān)控預(yù)警

監(jiān)控系統(tǒng)使用智慧視頻識別技術(shù)，使系統(tǒng)具有水位視頻數(shù)據(jù)整合和險工險段智能監(jiān)控功能。

在水位視頻數(shù)據(jù)整合方面，在水利機器視覺系統(tǒng)的支持下，實現(xiàn)了水位標(biāo)尺自動測讀、水色的自動檢測、水面漂浮物自動檢測等功能。測得的相應(yīng)視頻數(shù)據(jù)將會在監(jiān)控中心實時播放。當(dāng)緊急情況出現(xiàn)時，預(yù)警視頻將有聲光提示效果，預(yù)警消息將輪番顯示，并可根據(jù)需求查詢一定時間范圍內(nèi)的預(yù)警列表和圖標(biāo)。此外，用戶還可根據(jù)所屬工程、監(jiān)控類型、狀態(tài)、時間范圍篩選查詢視頻點。智慧監(jiān)控頁面如圖7所示。

圖7 智慧監(jiān)控界面

險工險段智能監(jiān)控方面，系統(tǒng)采用智能攝像頭對險工險段地段24h實時在線進行監(jiān)控，攝像頭自動對工程進行位移和形變分析、關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)人員監(jiān)控，檢測到可能發(fā)生渠堤塌方、有偷倒或偷采情況時告警并傳輸視頻數(shù)據(jù)到云平臺，云平臺上部署視頻智能分析軟件模塊。管理處可調(diào)取指定時段內(nèi)的視頻數(shù)據(jù)。

3.3 防汛抗旱

防汛抗旱模塊主要包含兩個子模塊。子模塊1為天氣信息模塊，該子模塊顯示了各個管理站的氣象信息和預(yù)測，氣象數(shù)據(jù)采用各管理單位對應(yīng)縣市天氣公網(wǎng)系統(tǒng)。子模塊2為河道水情信息模塊，用戶在該模塊中通過列表查看河道水位站所在區(qū)域、水位、1h水位變幅，預(yù)警狀態(tài)，設(shè)備狀態(tài)、測站編碼及數(shù)據(jù)上報時間等。并置頂標(biāo)紅顯示超閾值的數(shù)值。同時，水情信息將被保存在服務(wù)器中，可通過河道水情統(tǒng)計界面中查看某個河道某段時間的水位數(shù)據(jù)列表及過程線圖表。防汛抗旱模塊，如圖8所示。

圖8 防汛抗旱模塊界面

3.4 運維管理

運維管理模塊用于對系統(tǒng)的后臺管理。主要對系統(tǒng)中的用戶信息、權(quán)限控制、管理結(jié)構(gòu)、消息通知和突發(fā)狀況進行統(tǒng)一管理。主要功能有：

(1)用戶管理。對系統(tǒng)中的用戶進行統(tǒng)一維護。如添加、編輯、刪除用戶目錄，對用戶進行權(quán)限配置，對所查用戶模糊搜索。并附帶通訊錄，方便用戶之間聯(lián)系。

(2)結(jié)構(gòu)管理。根據(jù)需求對行政區(qū)劃，組織機構(gòu)和機構(gòu)人員添加、編輯和刪除。

(3)消息通知。當(dāng)有需要時，管理單位可在系統(tǒng)中發(fā)布消息通知，便于重要信息的快速傳達。

(4)異常處理。當(dāng)一些突發(fā)狀況發(fā)生時，顯示相應(yīng)的錯誤信息，方便日后的排查與問題處理。

4 結(jié)語

本文闡述了灌區(qū)智慧管理系統(tǒng)的總體設(shè)計思路，并介紹了系統(tǒng)的工程實現(xiàn)以及在四川省都江堰灌區(qū)人民渠一處的應(yīng)用。該系統(tǒng)在灌區(qū)信息化的基礎(chǔ)上，引入物聯(lián)網(wǎng)，云平臺和人工智能技術(shù)，依據(jù)以水定需、量水而行、因水制宜的原則，實現(xiàn)了灌區(qū)的智慧預(yù)警、智慧調(diào)度和智慧決策，推動了灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。