衛(wèi)星灌區(qū)信息化建設(shè)及應(yīng)用

張愛(ài)民

（黑龍江省衛(wèi)星運(yùn)河管護(hù)中心，黑龍江 齊齊哈爾 161635）

1 灌區(qū)信息化概況

1.1 灌區(qū)概況

黑龍江省訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)位置在嫩江左岸支流訥謨爾河中下游，是黑龍江省跨齊齊哈爾市和黑河市的大型自流引水灌區(qū)。灌區(qū)渠首引水樞紐工程建于1958 年，灌區(qū)取水模式為攔河壩取水，設(shè)計(jì)灌溉規(guī)模為2.17 ×104hm2。

1.2 初期建設(shè)目標(biāo)

2012 年，依據(jù)水利部關(guān)于大型灌區(qū)信息化建設(shè)的要求，將灌區(qū)建成自動(dòng)化采集、傳輸、監(jiān)控、處理的信息化灌區(qū)，實(shí)現(xiàn)水量、雨量等數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸、接收、處理、存儲(chǔ)；實(shí)現(xiàn)水量、雨量等信息資源共享的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理及現(xiàn)代通信傳輸系統(tǒng)；為逐步實(shí)現(xiàn)灌區(qū)輸水和灌溉工程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，全面實(shí)現(xiàn)灌區(qū)自動(dòng)化的遠(yuǎn)景目標(biāo)及可持續(xù)發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)、奠定基礎(chǔ)[1]。

1.3 初期建設(shè)要求

灌區(qū)信息化建設(shè)要求覆蓋灌區(qū)的各站點(diǎn)，設(shè)備要采用實(shí)用、可靠、先進(jìn)、高效、自動(dòng)化的水情及雨量等信息采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及閘門現(xiàn)地與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

1.4 初期建設(shè)內(nèi)容

到2019 年底，灌區(qū)建設(shè)1 個(gè)信息中心及其辦公局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息中心與信息采集點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信；建設(shè)采集水情遙測(cè)點(diǎn)16 個(gè)點(diǎn)，配備手持式流速設(shè)備6 套；建設(shè)閘門自動(dòng)控制1 處3 孔閘門；建設(shè)2 處5 個(gè)視頻監(jiān)視點(diǎn)；建設(shè)雨情遙測(cè)點(diǎn)1 處；明渠流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)13 處；田間水情監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 處；開發(fā)水雨情采集軟件和閘門遠(yuǎn)程控制軟件；開發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，主要包括灌區(qū)量測(cè)水信息管理系統(tǒng)、灌區(qū)信息采集處理系統(tǒng)、灌區(qū)工情GIS 管理系統(tǒng)、殺毒軟件等[2]。

2 灌區(qū)初期信息化建設(shè)實(shí)施

2.1 灌區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)指建設(shè)信息傳輸、交換、存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

通過(guò)對(duì)灌區(qū)各水、雨情遙測(cè)點(diǎn)、視頻點(diǎn)、閘控點(diǎn)等的方案設(shè)計(jì)的分析，灌區(qū)需要建設(shè)高帶寬、安全、穩(wěn)定可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，組建灌區(qū)自己的局域網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。其中通信鏈路設(shè)計(jì)為有線傳輸采用租用電信運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)及協(xié)同電信運(yùn)營(yíng)商自建光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)線通信部分采用GPRS 公網(wǎng)通信，通信協(xié)議采用RS485、RS232、TCP/IP 等通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的具體內(nèi)容包括管理站與灌區(qū)管理中心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)租用運(yùn)營(yíng)商ADSL+VPN 互聯(lián)互通；渠首工程站點(diǎn)、總干進(jìn)水閘采用配合電信運(yùn)營(yíng)商自建光纖到最近的村鎮(zhèn)再租用ADSL+VPN的方式與管理中心互聯(lián)互通。水、雨情采集通信數(shù)據(jù)使用GPRS 通信方式來(lái)傳輸水情、雨情等。

2.2 信息中心

灌區(qū)信息中心是灌區(qū)的控制和決策中心。灌區(qū)信息中心建設(shè)通信機(jī)房1 處、會(huì)議室1 處、及配備相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)備等。

使用帶寬20MB/s 互聯(lián)網(wǎng)滿足灌區(qū)互聯(lián)網(wǎng)辦公；申請(qǐng)2 個(gè)公網(wǎng)IP 地址滿足互聯(lián)網(wǎng)IP 地址要求；實(shí)現(xiàn)灌區(qū)局域網(wǎng)辦公及局域網(wǎng)資源共享，并通過(guò)局域網(wǎng)聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)；提供可支持應(yīng)用軟件系統(tǒng)安全、可靠的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行平臺(tái)；與當(dāng)?shù)剡\(yùn)營(yíng)商合作，租用專網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)組建灌區(qū)專用虛擬網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)各站點(diǎn)視頻、閘控信息傳輸，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)網(wǎng)絡(luò)集中管理功能。

2.3 水情采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介

建設(shè)采集水情遙測(cè)點(diǎn)16 個(gè)，主要分布在各引水干、分干、支渠上。測(cè)站點(diǎn)采集以RTU 為核心單元，使用超聲波式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)2 種方式采集水位，傳送數(shù)據(jù)采用GPRS 網(wǎng)絡(luò)公網(wǎng)，供電系統(tǒng)利用太陽(yáng)能供電。測(cè)站主要設(shè)備為通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電壓檢測(cè)模塊、太陽(yáng)能電池板、蓄電池。灌區(qū)水位采集工作點(diǎn)工作方式為隨機(jī)自報(bào)、定時(shí)自報(bào)相結(jié)合方式。水位監(jiān)測(cè)由現(xiàn)場(chǎng)和接收端設(shè)備組成。建設(shè)明渠流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)13 處；建設(shè)田間水情監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 處。

2.4 閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.4.1 閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

閘門自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)閘門上下游水位、閘門啟閉狀態(tài)與開度；在信息中心遠(yuǎn)程控制閘門啟閉、閘門自動(dòng)控制和系統(tǒng)正常運(yùn)行；通過(guò)視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)圖像直觀了解閘門的運(yùn)行狀況以及周邊環(huán)境；現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)PLC（可編程邏輯控制器）來(lái)控制閘門啟閉設(shè)備；通過(guò)閘位計(jì)實(shí)時(shí)確定閘門的開度；保護(hù)裝置對(duì)執(zhí)行過(guò)程中發(fā)生的意外情況進(jìn)行技術(shù)處理。

2.4.2 閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)目前灌區(qū)閘門現(xiàn)狀，灌區(qū)閘門絕大多數(shù)都在郊區(qū)野外，條件復(fù)雜，因此，灌區(qū)的閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在控制方式上不設(shè)計(jì)閉環(huán)的自動(dòng)閘門控制系統(tǒng)。根據(jù)水利閘門現(xiàn)代化的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、現(xiàn)地集中控制、遠(yuǎn)程遙控等，其控制優(yōu)先級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)最高，現(xiàn)地集中控制次之，遠(yuǎn)程遙控最低?？刂撇僮髑昂蟮乃?、閘門開度、運(yùn)行是否正常、采用何種控制方式等運(yùn)行結(jié)果信息傳回控制中心，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成運(yùn)行日志，作為系統(tǒng)運(yùn)行狀況分析的依據(jù)。

2.4.3 控制軟件設(shè)計(jì)

2.4.3.1 開發(fā)工具

監(jiān)控軟件采用“組態(tài)王”工控組態(tài)軟件，并對(duì)畫面、變量、非線性表加以改進(jìn)。

2.4.3.2 應(yīng)用軟件功能

應(yīng)用軟件功能系統(tǒng)管理、主控窗口、數(shù)據(jù)管理功能。其中主控窗口功能包括3 個(gè)：1）閘控站地理位置分布圖，各站點(diǎn)旁顯示水位、閘位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，鼠標(biāo)可點(diǎn)擊選擇進(jìn)入各閘控站具體控制窗口。2）閘控站閘位數(shù)據(jù)、電源信息、閘門上下限、控制方式、通信狀態(tài)等狀態(tài)集中實(shí)時(shí)顯示。3）閘控站具體控制窗口，由鼠標(biāo)點(diǎn)擊選擇打開和關(guān)閉，包括閘門運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫模擬顯示、通信狀態(tài)指示、閘門上限、下限、電源指示。數(shù)據(jù)管理功能包括數(shù)據(jù)查詢、操作記錄、報(bào)警記錄等。

2.4.4 通信設(shè)計(jì)

水閘系統(tǒng)組網(wǎng)采用聯(lián)合當(dāng)?shù)仉娦胚\(yùn)營(yíng)商合作架設(shè)光纖租用公網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。該網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還考慮了閘房?jī)?nèi)及閘下游視頻監(jiān)控系統(tǒng)。其主要功能是對(duì)閘門運(yùn)行過(guò)程的重要工位和閘室的安全進(jìn)行監(jiān)視管理。視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)由服務(wù)器采集來(lái)的圖像經(jīng)過(guò)租用的公網(wǎng)傳回信息中心，以供遠(yuǎn)程遙控監(jiān)視。控制信號(hào)在閘位、水位計(jì)之間傳送，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換?？刂茊卧捎肞LC 在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

2.4.5 電源設(shè)計(jì)

2.4.5.1 電源設(shè)計(jì)

控制設(shè)備工作電壓：DC 11.5V～13.8V、AC 220V；待機(jī)電流：<1A；電機(jī)工作電壓：AC380V；電機(jī)額定功率：1.1kW～20kW；采用螺桿閘門啟閉機(jī)型，最大啟力：1 kN～200 kN，最大閉力：0.5 kN～100 kN。

2.4.5.2 過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)

為了保護(hù)閘門控制系統(tǒng)設(shè)備，采用穩(wěn)壓器來(lái)保護(hù)設(shè)備用電。

2.4.6 閘門現(xiàn)地控制單元設(shè)備參數(shù)

2.4.6.1 設(shè)備實(shí)現(xiàn)的功能

閘門的現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制；閘門的現(xiàn)地集中自動(dòng)控制；閘門的遠(yuǎn)程控制；閘門監(jiān)控站站號(hào)和本控制臺(tái)控制的閘門路數(shù)的監(jiān)控；閘門開度的監(jiān)控；閘門上限、下限、予置到位狀態(tài)的監(jiān)控；控制臺(tái)電源狀態(tài)的監(jiān)控；啟閉機(jī)工作狀態(tài)（升、降、停）的監(jiān)控；開度超越上下限狀態(tài)的監(jiān)控；各啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)過(guò)載、缺相狀態(tài)的監(jiān)控；控制方式選擇開關(guān)（遠(yuǎn)程遙控、現(xiàn)地集控、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)）狀態(tài)的監(jiān)控；各個(gè)（升、停、降）按鈕狀態(tài)的監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)報(bào)警、過(guò)流報(bào)警、缺相報(bào)警、超數(shù)字限位報(bào)警、超機(jī)械限位報(bào)警[3]。

2.4.6.2 設(shè)備工作條件

輸入電源：三相380VAC±10%；工作環(huán)境溫度：0～40℃；相對(duì)濕度：40%～90%；污染等級(jí)：三級(jí)。

2.5 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

2.5.1 視頻監(jiān)視系統(tǒng)概述

視頻監(jiān)視系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)攝像裝置錄攝的實(shí)時(shí)圖象傳輸?shù)浆F(xiàn)地控制室和遠(yuǎn)程的管理部門。管理人員根據(jù)視頻圖象所反映的現(xiàn)場(chǎng)情況，異地控制建筑物的運(yùn)行以及事故處理。

2.5.2 功能要求

視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要由前端設(shè)備、傳輸設(shè)備、控制設(shè)備、記錄及監(jiān)視設(shè)備4 個(gè)部分組成。前端設(shè)備由安裝在監(jiān)視點(diǎn)的高分辨率彩色攝像機(jī)、全方位云臺(tái)、變焦鏡頭和室外專業(yè)防護(hù)設(shè)備等組成。它主要負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的采集和信號(hào)處理。傳輸設(shè)備將視頻信號(hào)傳輸?shù)浆F(xiàn)地監(jiān)控中心的工業(yè)控制微機(jī)（IPC）上，再傳到監(jiān)控點(diǎn)信息中心。集中控制設(shè)備負(fù)責(zé)完成前端設(shè)備和圖像的切換控制、全方位云臺(tái)和三維可變鏡頭的控制。集中控制設(shè)備還可以對(duì)監(jiān)視圖像進(jìn)行分區(qū)控制和分組同步控制，借助軟件還可以提供圖像檢索和處理功能。

2.5.3 技術(shù)方案

采用數(shù)字方式傳輸視頻信息，視頻壓縮算法采用H.264 對(duì)數(shù)字化的視頻圖像進(jìn)行壓縮，閘站房安裝視頻編碼器，與閘站房?jī)?nèi)的工業(yè)交換機(jī)相連。視頻編碼器輸出的信號(hào)遠(yuǎn)距離采用光纖的方式進(jìn)行傳輸，近距離采用RVVP（視頻線）傳輸。

2.5.4 視頻信息的處理

視頻圖像信息數(shù)字化后，進(jìn)行壓縮處理適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸，采用H.264 視頻壓縮算法的處理設(shè)備。

2.5.5 視頻處理設(shè)備

視頻處理設(shè)備是視頻監(jiān)視系統(tǒng)的核心設(shè)備，數(shù)字視頻領(lǐng)域一般采用數(shù)字硬盤錄像機(jī)DVR（Digital Video Recorder）和獨(dú)立的視頻編解碼器。

2.5.5.1 DVR

DVR 分為基于PC 架構(gòu)的PC 式 DVR 和基于MCU 架構(gòu)的嵌入式DVR。

采用嵌入式DVR 就是基于嵌入式處理器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的信息處理系統(tǒng)，采用專用芯片對(duì)圖像進(jìn)行壓縮及解壓回放，嵌入式操作系統(tǒng)主要對(duì)整機(jī)進(jìn)行控制及管理。系統(tǒng)集成度高，不僅可以壓縮，也可以解壓縮顯示。

2.5.5.2 獨(dú)立的視頻編碼器

采用最先進(jìn)的H.264視頻壓縮算法和高性能DSP處理器。

2.5.6 通信設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸使用光纖及RVVP（視頻線）傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)采集到的視頻信號(hào)通過(guò)視頻線送入視頻服務(wù)器，視頻服務(wù)器將視頻信號(hào)壓縮成視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)或虛擬局域網(wǎng)絡(luò)傳送至信息中心的視頻服務(wù)器上，視頻服務(wù)器再將接收的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包解壓還原成動(dòng)態(tài)視頻圖像送至監(jiān)視器上，主控中心便可監(jiān)視到前端視頻監(jiān)控的圖像。

2.5.7 設(shè)備參數(shù)

2.5.7.1 視頻視頻編碼器

產(chǎn)品為1U 機(jī)架式多路視頻服務(wù)器，采用Linux 操作系統(tǒng)，Davinci 處理器。采用標(biāo)準(zhǔn)H.264 壓縮算法，支持多種分辨率實(shí)時(shí)編碼，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以應(yīng)用于多種不同領(lǐng)域的安防防范。

2.5.7.2 智能化球型攝像機(jī)

采用1/4"索尼高性能CCD，圖像清晰。精密電機(jī)驅(qū)動(dòng)，反應(yīng)靈敏，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，精度偏差少于0.1°，在任何速度下圖像無(wú)抖動(dòng)。支持RS-485 控制下對(duì)HIKVISION、Pelco-P/D 協(xié)議的自動(dòng)識(shí)別。支持三維智能定位功能，配合DVR 和客戶端軟件可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊跟蹤和放大。

2.6 雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用傳感、通信、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成灌區(qū)流域或測(cè)區(qū)內(nèi)的降水量和水質(zhì)等水文要素。采用翻斗式雨量計(jì)。雨情測(cè)站由RTU、雨量計(jì)、傳輸單元、供電單元等本地設(shè)備和通信控制機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、軟件工作站等接收端設(shè)備組成。通信方式結(jié)合灌區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用無(wú)線GPRS 通信的方式實(shí)現(xiàn)。

2.7 軟件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

軟件平臺(tái)分為4 層結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘設(shè)計(jì)，包括灌區(qū)信息采集處理系統(tǒng)、灌區(qū)量測(cè)水信息系統(tǒng)、灌區(qū)工情管理GIS 系統(tǒng)。

3 信息化工程運(yùn)行管理及應(yīng)用

3.1 運(yùn)行管理

灌區(qū)信息化系統(tǒng)是集自動(dòng)測(cè)報(bào)技術(shù)、遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、管理軟件系統(tǒng)等高新技術(shù)于一體的工程。信息化系統(tǒng)的運(yùn)行管理遵循統(tǒng)一的原則。灌區(qū)管理信息中心為信息系統(tǒng)運(yùn)行的直接管理機(jī)構(gòu)，運(yùn)維管理由專業(yè)的技術(shù)人員負(fù)責(zé)，建立完整的運(yùn)行管理體制和日常管理制度，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.2 應(yīng)用及效果

灌區(qū)水利信息化建設(shè)，開發(fā)應(yīng)用灌區(qū)的信息資源，通過(guò)對(duì)灌區(qū)雨情、渠道水情等監(jiān)測(cè)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌區(qū)關(guān)鍵部位水、雨情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，在總干進(jìn)水閘建設(shè)視頻監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控總干渠進(jìn)水水量，提高了水資源優(yōu)化配置及水利工程的科學(xué)管理水平，增強(qiáng)了訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)能力。

4 灌區(qū)目前存在的主要問(wèn)題和解決途徑

4.1 存在的主要問(wèn)題

灌區(qū)發(fā)展存在7 個(gè)方面的主要問(wèn)題。1）來(lái)水量測(cè)量不精確：訥謨爾河缺乏有效的監(jiān)測(cè)手段，無(wú)法精準(zhǔn)掌握訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)的來(lái)水量，目前能通過(guò)歷史水量數(shù)據(jù)進(jìn)行推算獲得。2）用水量測(cè)量不精確：自動(dòng)化量測(cè)設(shè)備覆蓋不全面，灌區(qū)實(shí)際用水量測(cè)量不精準(zhǔn)。3）水費(fèi)和水資源費(fèi)收繳不精確：灌區(qū)各計(jì)量點(diǎn)缺乏有效的精確計(jì)量設(shè)備，用水量計(jì)量不精確，兩費(fèi)收繳不精確。4）水質(zhì)監(jiān)測(cè)能力不足：缺少對(duì)水環(huán)境的在線監(jiān)測(cè)能力，對(duì)突發(fā)、惡性水污染事件的預(yù)警預(yù)報(bào)、快速反應(yīng)能力亟待提高。5）缺少工程臺(tái)賬與巡檢維護(hù)的信息化管理手段：缺少全灌區(qū)水利工程分布電子地圖，對(duì)水利工程尚無(wú)法做到工程位置和確權(quán)劃界上電子圖，屬性數(shù)據(jù)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的臺(tái)賬式數(shù)字化管理；水利工程設(shè)施巡檢缺少信息化手段提高巡檢效率和監(jiān)管。6）管理站安防能力不足：訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)有5 處管理站，缺乏有效的安防系統(tǒng)，存在水安全、工程安全和管理站所的安全隱患。7）工作效率不高：灌區(qū)缺少高安全性、高可用性的智能移動(dòng)終端辦公系統(tǒng)和辦公新模式，導(dǎo)致辦公效率不高。

4.2 解決問(wèn)題途徑

隨著灌區(qū)受益地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，針對(duì)加強(qiáng)水節(jié)約、強(qiáng)化水治理、保障水安全方面建設(shè)，系統(tǒng)解決灌區(qū)目前存在的主要問(wèn)題，為灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展考慮，最有效的途徑是通過(guò)先進(jìn)的信息技術(shù)手段建設(shè)有效的管理體系來(lái)提高灌區(qū)的綜合治水與服務(wù)能力。具體的方案為開展灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造，建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)水利工程，規(guī)劃實(shí)施智慧水管理體系建設(shè)。

5 灌區(qū)智慧水管理體系規(guī)劃

5.1 規(guī)劃原則

統(tǒng)一規(guī)劃，分步實(shí)施。從訥謨爾河河源、渠首及干、支渠系，在全灌區(qū)范圍內(nèi)統(tǒng)一規(guī)劃涉及來(lái)水、引水、用水、排水、保護(hù)等各個(gè)過(guò)程全范圍的立體感知體系、智能感知體系、信息服務(wù)體系和支撐保障體系。統(tǒng)一整合，優(yōu)化資源。利用訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)已建的信息化成果，整合水文、氣象、墑情、遙感、國(guó)土等信息資源；優(yōu)化灌區(qū)建設(shè)的雨情、水情、閘控、視頻、墑情等物聯(lián)網(wǎng)感知能力。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，充分共享。依據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃統(tǒng)一編碼、統(tǒng)一名稱、統(tǒng)一數(shù)據(jù)指標(biāo)、統(tǒng)一存儲(chǔ)類型、統(tǒng)一發(fā)布形式、二次開發(fā)接口和數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)等支撐保障體系，實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)集成能力和數(shù)據(jù)信息橫向縱向的共享能力。安全高效，科技引領(lǐng)。圍繞規(guī)劃的目標(biāo)和任務(wù)，以安全為前提、實(shí)用為方向，充分應(yīng)用新技術(shù)新科技，通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范接口、整合集成、升級(jí)再造，提高訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)信息化應(yīng)用水平。

5.2 規(guī)劃目標(biāo)

依托現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、3S 技術(shù)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能、區(qū)塊鏈、電子簽章、5G、BIM、3R（VR、AR、MR）技術(shù)和軟件應(yīng)用技術(shù)與灌區(qū)業(yè)務(wù)深度融合，構(gòu)建現(xiàn)實(shí)灌區(qū)與數(shù)字灌區(qū)深度融合的可視化新世界；建立較為完善的立體感知體系、自動(dòng)控制體系、智能應(yīng)用體系、信息服務(wù)體系、支撐保障體系；實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源管理、工程管理、取用水管理、運(yùn)行管理、防災(zāi)減災(zāi)管理、水生態(tài)水文化管理的智能化處理和人工輔助決策等功能；搭建訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)信息化云中心，建設(shè)訥謨爾河衛(wèi)星智慧灌區(qū)信息化平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)管理信息化覆蓋率70%以上的目標(biāo)。

2025 年目標(biāo)達(dá)到“信息化建設(shè)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”；2030 年目標(biāo)達(dá)到“信息化建設(shè)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”。

5.3 總體架構(gòu)

根據(jù)灌區(qū)信息化規(guī)劃原則，按照《大型灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造規(guī)劃編制技術(shù)指南》的要求，總體架構(gòu)設(shè)計(jì)為以政策、制度、標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)安全為保障，搭建“立體感知”、“自動(dòng)控制”、“智能應(yīng)用”、“信息服務(wù)”和“支撐保障”5 個(gè)體系。

立體感知體系：采用空、天、地多樣化的監(jiān)測(cè)手段，自動(dòng)采集與人工采集相結(jié)合，直接監(jiān)測(cè)與相關(guān)行業(yè)來(lái)源間接監(jiān)測(cè)整合相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水情、雨情、墑情、水環(huán)境等要素的廣泛動(dòng)態(tài)感知，為自動(dòng)控制體系、智能應(yīng)用體系、信息服務(wù)體系提供高效、可靠的數(shù)據(jù)支持。

自動(dòng)控制體系：結(jié)合立體感知體系，采用自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)閘門的現(xiàn)地、遠(yuǎn)程、自動(dòng)控制功能。達(dá)到灌溉、排水、引水、防洪、水資源等優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化處理、集中控制、有人值班、無(wú)人值守。

智能應(yīng)用體系：在立體感知體系和自動(dòng)控制體系的基礎(chǔ)上打造智能應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)用水管理、工程管理、安全運(yùn)行、防洪管理、水費(fèi)水權(quán)、灌溉管理等業(yè)務(wù)橫向聯(lián)動(dòng)和縱向協(xié)同精準(zhǔn)治水管理新模式。

信息服務(wù)體系：通過(guò)建設(shè)系統(tǒng)融合服務(wù)、決策支持服務(wù)和二次開發(fā)服務(wù)打造信息服務(wù)體系；系統(tǒng)融合服務(wù)將多業(yè)務(wù)系統(tǒng)分散數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合共享；決策支持服務(wù)將各層級(jí)、各專業(yè)和相關(guān)行業(yè)的大數(shù)據(jù)分析成果以服務(wù)的形式提供決策支持。二次開發(fā)服務(wù)提供規(guī)范化的二次開放框架，實(shí)現(xiàn)“開放擴(kuò)展”，滿足后續(xù)發(fā)展要求。

支撐保障體系：以政策、制度、標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)安全保障，對(duì)數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)、支撐平臺(tái)、立體感知、自動(dòng)控制、智能應(yīng)用、信息服務(wù)全范圍全過(guò)程構(gòu)建多維并重的支撐保障體系。

6 灌區(qū)智慧水管理體系主要任務(wù)

訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)智慧水管理體系建設(shè)遵循規(guī)劃目標(biāo)和總體框架，構(gòu)件5 個(gè)體系，主要建設(shè)任務(wù)如下。

6.1 建設(shè)立體感知體系

建設(shè)水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)已有測(cè)站進(jìn)行改建，補(bǔ)充完善灌區(qū)的量測(cè)水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。建設(shè)雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，新增雨量站，完善雨量站分布，有計(jì)劃地增加雨量站密度。建設(shè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成灌區(qū)對(duì)土壤含水量信息的收集。建設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)灌區(qū)內(nèi)來(lái)水、引水、排水的水質(zhì)信息進(jìn)行采集。建設(shè)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，補(bǔ)充訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)在氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上的短板。建設(shè)無(wú)人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)。

6.2 建設(shè)自動(dòng)控制體系

建設(shè)閘門控制系統(tǒng)，增加現(xiàn)有閘站的自動(dòng)控制功能，提高灌區(qū)的自動(dòng)化水平。建設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，保證灌區(qū)閘門控制系統(tǒng)的正常啟閉，為渠首和管理站房等重要的水工建筑物、人員值班居住區(qū)保駕護(hù)航。

6.3 建設(shè)智能應(yīng)用體系

從灌區(qū)實(shí)際需求出發(fā)，建設(shè)與灌區(qū)配水調(diào)度、水費(fèi)計(jì)收、水權(quán)交易、工程檔案、巡檢巡查、工程安全等相關(guān)的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

6.4 建設(shè)信息服務(wù)體系

在灌區(qū)智能應(yīng)用體系的基礎(chǔ)上，建設(shè)一個(gè)能為灌區(qū)提供多維信息融合、全面決策服務(wù)支持和可持續(xù)可擴(kuò)展的應(yīng)用信息服務(wù)平臺(tái)。

6.5 建設(shè)支撐保障體系

建設(shè)調(diào)度指揮中心，增加機(jī)房設(shè)備，增加大屏顯示設(shè)備，增加視頻會(huì)議系統(tǒng)。建設(shè)調(diào)度指揮分中心，在灌區(qū)管理站建設(shè)調(diào)度室、會(huì)商室，配套視頻會(huì)議系統(tǒng)。建設(shè)灌區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水雨情、閘門控制和視頻信息的傳輸和共享，完善灌區(qū)整體的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，提升互聯(lián)網(wǎng)及專線的帶寬。增加網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)，提升灌區(qū)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等級(jí)。構(gòu)建灌區(qū)統(tǒng)一用戶、統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)等支撐平臺(tái)，支撐配水調(diào)度、水費(fèi)計(jì)收、水權(quán)交易、工程檔案、巡檢巡查、工程安全等智能應(yīng)用業(yè)務(wù)。

7 灌區(qū)智慧水管理體系建設(shè)

該文以無(wú)人機(jī)的應(yīng)用為例，簡(jiǎn)述無(wú)人機(jī)在智能感知和智能巡檢管理建設(shè)中的規(guī)劃。

7.1 無(wú)人機(jī)智能感知建設(shè)

7.1.1 規(guī)劃思路

訥謨爾河河道、灌區(qū)渠首、總干渠、分干渠等安全巡查、非法采砂、岸線管理、生態(tài)基流、灌溉面積調(diào)查等工作目前主要的常態(tài)化巡檢手段是人工巡檢調(diào)查。為提高灌區(qū)安全管理與灌溉服務(wù)能力，規(guī)劃采用高端無(wú)人機(jī)進(jìn)行智能自動(dòng)化巡檢和調(diào)查。

7.1.2 建設(shè)內(nèi)容

結(jié)合灌區(qū)工程布置情況與安全管理工作需要，規(guī)劃建設(shè)一套無(wú)人機(jī)智能感知系統(tǒng)。

7.1.3 工作原理及功能劃分

7.1.3.1 工作原理

根據(jù)指揮中心下達(dá)的任務(wù)信息，形成工作方案并轉(zhuǎn)化為飛行計(jì)劃，實(shí)施工作計(jì)劃并與中心信息實(shí)時(shí)交流溝通，完成一次工作任務(wù)，工作原理如圖1。指令下發(fā)：指揮調(diào)度中心下發(fā)任務(wù)指令為任務(wù)目標(biāo)、任務(wù)區(qū)域/目標(biāo)概略信息。人員/系統(tǒng)整備：根據(jù)任務(wù)指令安排執(zhí)行人員并檢查設(shè)備完整性。制定任務(wù)方案：根據(jù)任務(wù)概略信息制定任務(wù)方案，任務(wù)時(shí)間安排、地點(diǎn)、環(huán)境等要素?？沼騾f(xié)調(diào)：協(xié)調(diào)空管部門批復(fù)飛行計(jì)劃。趕赴起飛點(diǎn)：常態(tài)化固定點(diǎn)位部署不涉及該問(wèn)題，機(jī)動(dòng)部署選擇車輛轉(zhuǎn)運(yùn)/艦艇轉(zhuǎn)運(yùn)等方式。系統(tǒng)展開：設(shè)備組裝和布置。任務(wù)裝訂：將任務(wù)方案轉(zhuǎn)為飛行計(jì)劃。系統(tǒng)自檢：根據(jù)提示檢查系統(tǒng)狀態(tài)是否達(dá)到待命狀態(tài)。任務(wù)執(zhí)行：無(wú)人機(jī)升空自主執(zhí)行任務(wù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判讀、回傳并轉(zhuǎn)發(fā)，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后拷貝，最終匯聚至?xí)r空數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用中心處理、分析、歸檔。系統(tǒng)撤收：系統(tǒng)檢查、補(bǔ)給、養(yǎng)護(hù)、拆解與轉(zhuǎn)運(yùn)/存放。

圖1 無(wú)人機(jī)工作原理圖

7.1.3.2 功能劃分

預(yù)先設(shè)定軌跡，固定翼垂直起降；遠(yuǎn)程一鍵巡檢；巡檢狀況管控中心實(shí)時(shí)感知。高清視頻實(shí)時(shí)回傳指揮大屏；在云/邊緣實(shí)時(shí)智能分析視頻，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)非法采砂、岸線占地、工程破壞等違法事件以及工程安全風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。

7.1.3.3 重要指標(biāo)

巡航速度：100km/h；續(xù)航時(shí)間：4h～5h；任務(wù)半徑：50km/100km；續(xù)航里程：400km；單架次任務(wù)面積：80km2；復(fù)合翼垂直起降。

7.2 無(wú)人機(jī)智能巡檢管理建設(shè)

7.2.1 總體思路

灌區(qū)智能應(yīng)用體系建設(shè)是在對(duì)訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行充分梳理分析的基礎(chǔ)之上，圍繞訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)在水費(fèi)計(jì)收、工程管理、防洪調(diào)度3 個(gè)方面核心業(yè)務(wù)展開，結(jié)合當(dāng)前最為先進(jìn)的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、微服務(wù)、區(qū)塊鏈、移動(dòng)應(yīng)用、地理信息等技術(shù)，致力于打造一個(gè)以“智能化、平臺(tái)化、組件化、微服務(wù)化、個(gè)性化”為總體思路的訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)智能應(yīng)用平臺(tái)。

7.2.2 技術(shù)路線

訥謨爾河衛(wèi)星灌區(qū)智能應(yīng)用平臺(tái)采用大集中式部署并向用戶提供服務(wù)，以彼此相對(duì)獨(dú)立又兼具邏輯關(guān)聯(lián)的4 層架構(gòu)為主要技術(shù)架構(gòu)模式，使灌區(qū)智能應(yīng)用平臺(tái)具備良好的負(fù)載均衡和高并發(fā)處理能力，同時(shí)又兼具高效的可擴(kuò)展性。4層架構(gòu)由應(yīng)用層、路由層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層組成，各層之間處于物理隔離，通過(guò)定義的標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)響應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸。

7.2.3 規(guī)劃功能

通過(guò)分析，灌區(qū)智能應(yīng)用平臺(tái)根據(jù)業(yè)務(wù)類型和應(yīng)用場(chǎng)景的不同，劃分為灌區(qū)配水調(diào)度管理、灌區(qū)水費(fèi)計(jì)收管理、灌區(qū)水權(quán)交易管理、灌區(qū)工程檔案管理、灌區(qū)巡檢巡查管理、無(wú)人機(jī)智能巡檢管理、遙感影像智能分析、智能移動(dòng)終端應(yīng)用8 個(gè)功能模塊。

7.2.4 無(wú)人機(jī)智能巡檢軟件主要功能

無(wú)人機(jī)智能巡檢軟件主要功能如下。1）飛行計(jì)劃與任務(wù)規(guī)劃。飛行計(jì)劃工具欄包括操作飛行計(jì)劃的各種指令。2）飛行前檢查。飛行前檢查是一系列飛機(jī)起飛前必須進(jìn)行的重要步驟，若不執(zhí)行飛前檢查，地面站將無(wú)法發(fā)送起飛指令。飛前檢查應(yīng)在設(shè)置好控制器參數(shù)和應(yīng)急參數(shù)之后進(jìn)行。3）機(jī)務(wù)檢查。機(jī)務(wù)檢查的內(nèi)容是檢查機(jī)體連接器是否安裝牢固，各舵機(jī)是否安裝良好，螺絲機(jī)構(gòu)是否緊固等。4）常規(guī)檢查：常規(guī)檢查包括遙控器檢查、姿態(tài)檢查、磁羅盤檢查、飛行任務(wù)檢查和相機(jī)參數(shù)檢查。5）姿態(tài)檢查：轉(zhuǎn)動(dòng)飛機(jī)機(jī)身，檢查地面站顯示的姿態(tài)角是否與實(shí)際姿態(tài)一致。6）磁羅盤檢查：轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)身，檢查顯示的磁羅盤角度是否和實(shí)際的一致等。7）飛行任務(wù)檢查：檢查航路點(diǎn)個(gè)數(shù)和高度是否正確。8）航電檢查。航點(diǎn)檢查的目的主要是檢查飛機(jī)的電子設(shè)備和關(guān)鍵參數(shù)是否正常，檢查內(nèi)容包括應(yīng)急參數(shù)檢查、備份GPS 檢查、動(dòng)靜壓檢查和舵面自動(dòng)檢查。9）應(yīng)急參數(shù)檢查。檢查飛機(jī)的各項(xiàng)應(yīng)急參數(shù)設(shè)置是否正確合理，若不合理，可在該界面直接更正。10）備份GPS 檢查。查看備份GPS 的定位狀態(tài)。11）路徑跟蹤顯示。顯示吊艙跟蹤路徑。12）光電吊艙顯示。顯示光電吊艙實(shí)時(shí)指向位置。13）吊艙視點(diǎn)。實(shí)時(shí)顯示吊艙視點(diǎn)的位置。14）手動(dòng)環(huán)視。飛機(jī)將立即以目標(biāo)點(diǎn)為圓心，默認(rèn)半徑400 m 盤旋，同時(shí)吊艙鎖定目標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)行環(huán)繞監(jiān)視。15）自動(dòng)環(huán)視。飛機(jī)將立即以當(dāng)前吊艙所觀察的目標(biāo)點(diǎn)為圓心，默認(rèn)半徑400 m 盤旋，同時(shí)吊艙鎖定目標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)行環(huán)繞監(jiān)視。16）自動(dòng)實(shí)時(shí)追蹤：當(dāng)?shù)跖撴i定移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，使用該功能可以使飛機(jī)持續(xù)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)。17）巡線模式。用于進(jìn)行管線巡視類任務(wù)。首先讓飛機(jī)進(jìn)入路徑航線，開始沿線巡視。18）視頻快速拼接：提高應(yīng)急響應(yīng)速度和能力，通過(guò)實(shí)時(shí)回傳的視頻關(guān)鍵幀進(jìn)行整個(gè)任務(wù)區(qū)域的全局態(tài)勢(shì)圖是核心和關(guān)鍵；通過(guò)拼圖算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)拼圖。

7.3 灌區(qū)信息化智慧水體系建設(shè)內(nèi)容

在灌區(qū)初期信息化建設(shè)基礎(chǔ)上，續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造信息化建設(shè)內(nèi)容主要包括智慧水管理5 個(gè)方面體系建設(shè)，詳細(xì)規(guī)劃項(xiàng)目細(xì)分如表1。

表1 灌區(qū)智慧水體系建設(shè)內(nèi)容表

8 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)衛(wèi)星灌區(qū)信息化工程的建設(shè)及應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，探討灌區(qū)信息化運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展方向，綜合研究新時(shí)代灌區(qū)發(fā)展面臨的問(wèn)題，為促進(jìn)灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展，必須加快推進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化改造步伐。按照水利改革發(fā)展總基調(diào)，灌區(qū)改革最有效的途徑是在配套完善工程的基礎(chǔ)上，積極開展灌區(qū)智慧水管理體系規(guī)劃建設(shè)，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)灌溉水利工程、現(xiàn)代化灌區(qū)，灌區(qū)建設(shè)的同時(shí)進(jìn)行灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化管理，全面提升灌區(qū)管理水平，保證灌區(qū)工程安全運(yùn)行和持續(xù)發(fā)揮效益，服務(wù)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

該文介紹的衛(wèi)星灌區(qū)信息化建設(shè)及智慧水體系規(guī)劃供灌區(qū)同行交流探討。