河北省智慧灌區(qū)建設(shè)研究

□張彥宏 付銀環(huán) 賈兆賓 張 爽

河北省水資源嚴(yán)重短缺，而用水需求卻日益擴(kuò)大，且地下水超采嚴(yán)重，充分高效的利用地表水，既是保護(hù)地下水，也是我省水資源永續(xù)利用的有力措施之一。2018年全國(guó)水利廳局長(zhǎng)會(huì)議要求，全面加快智慧水利建設(shè)，將灌區(qū)信息化建設(shè)作為今后主要任務(wù)之一。河北省有大中型灌區(qū)140余處，如何建設(shè)現(xiàn)代化與智慧化灌區(qū)，高效利用地表水，成為全省目前急需解決的實(shí)際問(wèn)題。河北省建設(shè)智慧化灌區(qū)，一是可提高灌區(qū)水資源優(yōu)化配置水平、提高工程運(yùn)行管理水平、提高灌溉用水利用效率與效益、降低管理成本、改善生態(tài)環(huán)境、方便用水戶(hù)用水和繳費(fèi)；二是可提高灌區(qū)管理者和決策者信息采集和處理的準(zhǔn)確性、傳輸?shù)臅r(shí)效性、應(yīng)用的可靠性，有利于管理者做出及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和決策，降低管理難度，提高管理精度，為用水戶(hù)提供更加安全可靠高效靈活公平和可持續(xù)的供水服務(wù)。所以，研究河北省智慧灌區(qū)建設(shè)，對(duì)提高灌區(qū)水利用效率，保護(hù)全省水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水資源永續(xù)利用具有十分重要。

1.建設(shè)內(nèi)涵

智慧灌區(qū)是在灌區(qū)信息化的基礎(chǔ)上，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、3S技術(shù)、灌區(qū)用水全過(guò)程模擬仿真技術(shù)等，在實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲取灌區(qū)的水雨情、土壤墑情、氣象信息、渠道水位、渠道流量、閘門(mén)和泵站運(yùn)行狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)視頻等基礎(chǔ)信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)所有上傳的視頻、音頻、數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析、處理，為管理者和決策者實(shí)施各種決策提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)智慧化管理，推進(jìn)灌區(qū)與水資源承載力相協(xié)調(diào)，建立灌區(qū)水資源保障制度，發(fā)展灌區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)。

2.建設(shè)現(xiàn)狀

目前，河北省地表水灌區(qū)在信息化建設(shè)方面普遍存在以下幾個(gè)問(wèn)題：一是灌區(qū)對(duì)水情、雨情、墑情以及用水情況、用水量等信息收集不及時(shí)、不全面，信息化管理僅限于對(duì)信息的采集、儲(chǔ)存和簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析，不能對(duì)信息進(jìn)行深度處理，信息化建設(shè)程度總體偏低；二是管理局、管理站、管理所等部門(mén)相對(duì)孤立，部門(mén)之間信息整合難、共享難；三是信息化建設(shè)至今沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各灌區(qū)軟件平臺(tái)重復(fù)開(kāi)發(fā)，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

3.建設(shè)框架

建設(shè)智慧灌區(qū)，應(yīng)從灌區(qū)實(shí)際出發(fā)，通過(guò)建設(shè)灌區(qū)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)“建設(shè)管理規(guī)范化、系統(tǒng)應(yīng)用制度化、信息管理標(biāo)準(zhǔn)化、業(yè)務(wù)管理智慧化”。根據(jù)灌區(qū)信息流程、業(yè)務(wù)流程，從保障系統(tǒng)安全性，提高灌區(qū)管理的高效性和操作性出發(fā)，對(duì)信息化系統(tǒng)實(shí)施總體架構(gòu)層次化、應(yīng)用架構(gòu)扁平化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)分6層，自下而上分別為：數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層和人機(jī)交互層。各部分建設(shè)內(nèi)容共同形成標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、資源共享、相互支撐、協(xié)同工作的有機(jī)整體。見(jiàn)圖1。

3.1 數(shù)據(jù)采集層

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層包括智能傳感器和其他輔助設(shè)備，可以通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)/互聯(lián)網(wǎng)與其他設(shè)備進(jìn)行通信和交互，可根據(jù)安裝在信息采集端的傳感器和智能設(shè)備達(dá)到實(shí)時(shí)智能感知，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行、灌水管理等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、監(jiān)測(cè)，形成立體化的感知系統(tǒng)。主要包括：水情監(jiān)測(cè)、雨情監(jiān)測(cè)、流量監(jiān)測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、土壤墑情、閘門(mén)控制、水泵控制、視頻監(jiān)控、圖像以及人工數(shù)據(jù)輸入等。

3.2 傳輸層

傳輸層主要是將采集、儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)正確無(wú)誤的傳給管理平臺(tái)數(shù)據(jù)層，同時(shí)接受來(lái)自管理平臺(tái)的各類(lèi)命令，是連接整個(gè)系統(tǒng)的紐帶。目前較為實(shí)用的通訊方式包括：有線(xiàn)接入方式：光纖接入、雙芯電纜接入、公網(wǎng)接入等；無(wú)線(xiàn)接入方式：GPRS/3G/4G等公用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、自建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方式等。方案的選擇應(yīng)根據(jù)灌區(qū)具體業(yè)務(wù)管理工作的需求、通信技術(shù)的特點(diǎn)、所在地區(qū)地形條件、運(yùn)行維護(hù)條件、建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用等綜合分析，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較后，從網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)靈活性、安全性考慮，進(jìn)行選擇。

3.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是平臺(tái)整體建設(shè)的基礎(chǔ)部分，是灌區(qū)信息化的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，儲(chǔ)存著各種應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。它不僅包括各種數(shù)據(jù)庫(kù)，而且包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)起管理作用的軟件。主要通過(guò)云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和交換，以服務(wù)的形式為灌區(qū)提供各種應(yīng)用服務(wù)。在數(shù)據(jù)層，可以接收不同驅(qū)動(dòng)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時(shí)可以在應(yīng)用層支持各種不同的協(xié)議，支持虛擬數(shù)據(jù)源，可根據(jù)用戶(hù)需求或規(guī)則增添新的協(xié)議。根據(jù)灌區(qū)管理需求，一般可將數(shù)據(jù)資源信息分為基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、空間地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)四大類(lèi)。其中，基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，包括灌區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、灌區(qū)水利工程數(shù)據(jù)，管理單位、管理人和用水戶(hù)基本信息、工程運(yùn)行維護(hù)情況、灌區(qū)水行政管理數(shù)據(jù)等；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括監(jiān)控點(diǎn)水位、閘位、流量、水量統(tǒng)計(jì)信息以及水雨情、視頻監(jiān)測(cè)信息等；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括水資源現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、調(diào)度數(shù)據(jù)、管理情況等于灌區(qū)管理有關(guān)的評(píng)價(jià)結(jié)果，調(diào)度方案等數(shù)據(jù)；空間地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，包括與應(yīng)用相關(guān)的所有的地理空間數(shù)據(jù)。

圖1 智慧灌區(qū)建設(shè)框架

3.4 支撐層

應(yīng)用支撐平臺(tái)在資源管理層與業(yè)務(wù)應(yīng)用層之間架起了數(shù)據(jù)獲取、處理、共享、交換、應(yīng)用展示的橋梁，為系統(tǒng)應(yīng)用提供服務(wù)平臺(tái)，主要包括各種監(jiān)測(cè)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的接入、流程管理、報(bào)表服務(wù)、GIS/WebGIS服務(wù)、數(shù)據(jù)集成和交換、系統(tǒng)監(jiān)控等。

3.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層通過(guò)數(shù)據(jù)層提供的服務(wù)，使用模塊化結(jié)構(gòu)，以軟件系統(tǒng)的方式，根據(jù)灌區(qū)管理需要，開(kāi)發(fā)泵和閘門(mén)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、灌溉用水計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水費(fèi)收繳管理系統(tǒng)、工程運(yùn)維管理系統(tǒng)、水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水權(quán)管理系統(tǒng)、配水調(diào)度管理系統(tǒng)、應(yīng)急指揮決策系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)、GIS水資源管理系統(tǒng)等不同業(yè)務(wù)平臺(tái)，并集成整合成統(tǒng)一的服務(wù)平臺(tái)。然后根據(jù)授權(quán)級(jí)別，實(shí)現(xiàn)分級(jí)業(yè)務(wù)管理和灌區(qū)工程運(yùn)行監(jiān)控管理。

3.6 人機(jī)交互層

人機(jī)交互是指人與計(jì)算機(jī)之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設(shè)備的接口，是計(jì)算機(jī)同人機(jī)交互設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)目刂齐娐?，主要完成信息形式的轉(zhuǎn)換、信息傳輸?shù)目刂?個(gè)任務(wù)，可設(shè)置PC端、手機(jī)APP、微信公眾號(hào)、微信小程序等多種形式的人機(jī)交互方式。

4.建設(shè)建議

4.1 做好示范引領(lǐng)

智慧灌區(qū)建設(shè)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，河北省目前地表水灌區(qū)的管理多數(shù)以傳統(tǒng)方式為主，目前多數(shù)灌區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)仍采用人工測(cè)報(bào)，調(diào)度管理和決策指揮多按經(jīng)驗(yàn)實(shí)施，智慧灌區(qū)建設(shè)基礎(chǔ)差，仍處于起步探索階段。因此，需要做好灌區(qū)示范建設(shè)工作，通過(guò)強(qiáng)化智慧灌區(qū)理論指導(dǎo)，加快灌區(qū)信息化建設(shè)力度，加大核心技術(shù)研發(fā)，完善示范灌區(qū)的管理制度，積累豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，力爭(zhēng)形成體系完整的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及模式，為全省推進(jìn)大中型灌區(qū)的智慧化建設(shè)提供依據(jù)和參考。

4.2 建設(shè)人才梯隊(duì)

智慧灌區(qū)建設(shè)需要堅(jiān)實(shí)的人才和智力支撐，而實(shí)際中，懂水利的多，懂信息化的少，復(fù)合型人才數(shù)量嚴(yán)重不足。因此應(yīng)加強(qiáng)人才培養(yǎng)，建立人才培訓(xùn)計(jì)劃，加強(qiáng)對(duì)職工的信息化知識(shí)培訓(xùn)，把掌握信息化知識(shí)的程度和計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平納入職工的考核內(nèi)容。通過(guò)多種形式，培養(yǎng)能夠跟蹤國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平、掌握信息系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)、精通信息系統(tǒng)管理、熟悉灌區(qū)信息化知識(shí)的高素質(zhì)的專(zhuān)業(yè)復(fù)合型人才，為推進(jìn)灌區(qū)信息化、智慧化建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.3 做好頂層設(shè)計(jì)

建設(shè)智慧灌區(qū)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，子系統(tǒng)多、覆蓋面廣、技術(shù)更新快，一次投資不可能完善所有的設(shè)備和功能，因此在建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)做好頂層設(shè)計(jì)，避免一次投入解決一個(gè)問(wèn)題。首先，從系統(tǒng)的實(shí)用性出發(fā)，按照管理的輕重緩急程度，做好系統(tǒng)需求分析，采“需要”信息，控“可控”工程，建“合適”平臺(tái)，構(gòu)“好用”系統(tǒng)；其次，軟硬件規(guī)范化設(shè)計(jì)，各子系統(tǒng)軟硬件標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，為系統(tǒng)的擴(kuò)展升級(jí)、系統(tǒng)間的互聯(lián)互通提供良好的基礎(chǔ)；再次，系統(tǒng)應(yīng)可預(yù)見(jiàn)未來(lái)需求，即有一定擴(kuò)展性，保證建設(shè)完成后的系統(tǒng)可在本次建設(shè)基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。