物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水庫(kù)管理中的應(yīng)用研究

洪衛(wèi)華，邵卓偉

1.中國(guó)鐵塔股份有限公司衢州市分公司；2.中國(guó)鐵塔股份有限公司舟山市分公司

近幾年來，水庫(kù)管理事業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段，浙江省水利數(shù)字化發(fā)展“十四五”規(guī)劃明確提出“構(gòu)建統(tǒng)一的水利感知物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)重要水利感知設(shè)施智能化管理”，2021年下發(fā)《關(guān)于數(shù)字水庫(kù)試點(diǎn)建設(shè)要點(diǎn)》，提出要加強(qiáng)感知體系建設(shè)，其中包括數(shù)據(jù)感知設(shè)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)匯集過程。需加快水庫(kù)信息化的建設(shè)，已成為提升水庫(kù)管理現(xiàn)代化的重要途徑。目前水庫(kù)管理信息化建設(shè)中存在著監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度低、傳輸網(wǎng)覆蓋不足等問題。不能適應(yīng)水庫(kù)高質(zhì)量管理的需要，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)和逐步成熟為水庫(kù)管理信息化發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。

一、水庫(kù)管理信息化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查

（一）水庫(kù)管理信息網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面迅速擴(kuò)大

近幾年，水庫(kù)管理信息化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。國(guó)防部、江委、省政府、省政府、省氣象局、省水文氣象局等有關(guān)信息網(wǎng)絡(luò)正在逐步完善，從而發(fā)揮其效益，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖像網(wǎng)絡(luò)傳輸和“三網(wǎng)合一”奠定了基礎(chǔ)[1]。

（二）信息存儲(chǔ)服務(wù)能力不斷提高

其配備了水庫(kù)管理設(shè)施的庫(kù)容有了顯著提高。以湖南省為例，水庫(kù)管理廳效益綜合數(shù)據(jù)庫(kù)一期工程數(shù)據(jù)包括1萬(wàn)多個(gè)大、中、小型水庫(kù)，其中有135個(gè)海域大型電力排水系統(tǒng)，256個(gè)大堤等技術(shù)資料。大中型灌區(qū)及各類水庫(kù)管理實(shí)時(shí)水文氣象資料、統(tǒng)計(jì)資料和報(bào)表等，其建立了全省水庫(kù)管理信息資源統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)中心平臺(tái)[2]。

（三）新的感知信息技術(shù)應(yīng)用逐漸擴(kuò)大

在災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)和水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，遙感技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。在防汛抗旱工作中，視頻傳輸技術(shù)起著咨詢、訂購(gòu)、發(fā)送等重要作用?？梢暬夹g(shù)正逐漸為人們所采用，而越來越多的流域和水體的模擬與管理以及越來越多的數(shù)學(xué)模型。

（四）水庫(kù)管理業(yè)務(wù)支持應(yīng)用顯著加強(qiáng)

已有多種水庫(kù)管理系統(tǒng)投入使用，覆蓋水庫(kù)管理運(yùn)行的各個(gè)方面。尤其在防汛抗旱體系建設(shè)方面發(fā)展很快：為防范汛抗旱咨詢系統(tǒng)、防汛抗旱報(bào)告系統(tǒng)、防汛地理信息系統(tǒng)，其先后部署了山區(qū)人口災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)和防汛抗旱系統(tǒng)。同時(shí)為各級(jí)政府及時(shí)了解防汛形勢(shì)、科學(xué)決策提供了較好的平臺(tái)，在抗災(zāi)救災(zāi)中發(fā)揮了重要作用[3]。

二、目前水庫(kù)管理信息化存在的困難

我國(guó)多數(shù)中小型水庫(kù)、山塘建于20世紀(jì)50-70年代，其管理監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平較低。但由于地理位置偏僻，傳輸網(wǎng)覆蓋困難，通信能力差，電力供應(yīng)困難，信息化管理建設(shè)成本相對(duì)較高。以浙江省衢州市為例，全市共448座小型水庫(kù)，水雨情遙測(cè)覆蓋率58.7%，大壩安全監(jiān)測(cè)覆蓋率僅14%，視頻監(jiān)控覆蓋率僅29%，巡查責(zé)任人基本為當(dāng)?shù)卮迕?。日常養(yǎng)護(hù)僅限于雜草清理和設(shè)施維護(hù)，每座小型水庫(kù)年預(yù)算保障額度不到2萬(wàn)元，安全運(yùn)營(yíng)管理問題突出。尤其在臺(tái)風(fēng)暴雨等惡劣天氣期間無法實(shí)時(shí)獲取安全信息，難以對(duì)庫(kù)容調(diào)度管理作出精準(zhǔn)決策。

與此同時(shí)，由于分散式的行政管理，水庫(kù)管理的信息資源分布在不同的責(zé)任部門，其形成了一大批信息孤島。信息基礎(chǔ)設(shè)施和共享機(jī)制不協(xié)調(diào)，信息開發(fā)和充分利用能力低，使有限的信息資源無法成為可共享的、可利用的、高效率的公共資源。

三、水庫(kù)管理中的信息化技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，物聯(lián)網(wǎng)具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。第一，各種傳感器技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而每一個(gè)傳感器都是信息的來源。各類傳感器采集的信息內(nèi)容和格式各不相同，它們定期根據(jù)特定頻率實(shí)時(shí)收集環(huán)境信息，并不斷更新數(shù)據(jù)。第二，基于公用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或光纖網(wǎng)，與因特網(wǎng)相結(jié)合，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地傳輸物體的信息。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時(shí)，必須適應(yīng)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)不僅實(shí)現(xiàn)了傳感器的互聯(lián)，而且還提供了智能處理能力，物聯(lián)網(wǎng)將傳感器與智能處理相結(jié)合，其利用云計(jì)算、模式識(shí)別等智能技術(shù)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，以滿足不同用戶的需求，探索新的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式。

（一）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的演變過程

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是利用射頻測(cè)量(RFID)、紅外線傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描儀等信息傳感器，按照約定的協(xié)議，并將每個(gè)物體連接到因特網(wǎng)上，進(jìn)行信息交換和通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)誕生于1999年，2005-2009年流行，“物聯(lián)網(wǎng)”一詞已被國(guó)內(nèi)外廣泛接受。在國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)2005年發(fā)表的報(bào)告中，物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍已經(jīng)改變，其覆蓋面也大幅度擴(kuò)大。自從2009年8月提出“感知中國(guó)”以來，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)正式被列入中國(guó)五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。并被寫入政府報(bào)告，引起了中國(guó)社會(huì)的廣泛關(guān)注。

（二）物聯(lián)網(wǎng)與水庫(kù)管理系統(tǒng)的結(jié)合

現(xiàn)代水庫(kù)管理系統(tǒng)，早已廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其運(yùn)用雨量計(jì)、水位計(jì)、蒸發(fā)計(jì)、土壤濕度監(jiān)測(cè)、泥石流、干旱預(yù)警等物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)各種類型水庫(kù)管理信息的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，使傳統(tǒng)的水庫(kù)管理向現(xiàn)代化、可持續(xù)發(fā)展的管理轉(zhuǎn)變。其中主要結(jié)合點(diǎn)包括：

水資源調(diào)節(jié)：可通過閘門、水泵、閥門等設(shè)施控制水庫(kù)、河流流量和供水管網(wǎng)，在汛期和缺水期進(jìn)行水資源調(diào)節(jié)；

儲(chǔ)水設(shè)施監(jiān)測(cè)：通過位移、滲漏、裂縫、應(yīng)力等傳感器。應(yīng)用于水旱預(yù)警、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水庫(kù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和水資源調(diào)度等資源管理熱點(diǎn)問題[4]。

感應(yīng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)：采用QR碼、RFID和傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)“物體”的檢測(cè)。主要有雨情監(jiān)測(cè)、水庫(kù)管理工程監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水土保持監(jiān)測(cè)等。

四、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水庫(kù)調(diào)度管理中的應(yīng)用

（一）物聯(lián)網(wǎng)在智能儲(chǔ)水管理的應(yīng)用

現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)在水庫(kù)儲(chǔ)水管理中的應(yīng)用已經(jīng)初具規(guī)模。水利部門以傳感器網(wǎng)絡(luò)為支撐，且開發(fā)了智能水資源管理平臺(tái)。為儲(chǔ)水管理的決策輔助、自動(dòng)化作業(yè)等提供了有力的支撐。

系統(tǒng)其中包含通用操作系統(tǒng)、咨詢與決策支持系統(tǒng)等功能模塊，擁有水文自動(dòng)預(yù)報(bào)、供水監(jiān)測(cè)、山洪災(zāi)害預(yù)警、水管理工程基礎(chǔ)信息管理、水環(huán)境監(jiān)測(cè)等子系統(tǒng)。以此實(shí)現(xiàn)智能化感知、部署和管理，可顯著提升水資源管理和水生態(tài)環(huán)境管理的信息化和智能化水平。

（二）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水庫(kù)大壩安全防控的應(yīng)用

常規(guī)大壩安全監(jiān)測(cè)手段，是采用人工觀測(cè)浸潤(rùn)線的各點(diǎn)滲流水位，并進(jìn)行壩體浸潤(rùn)線的安全分析。以無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為平臺(tái)的水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用智能化檢測(cè)儀器。以及數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的"無線網(wǎng)絡(luò)"等技術(shù)，從環(huán)境感知、工程感知、控運(yùn)感知三個(gè)方面進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，需結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，對(duì)壩體的安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，有效提高水庫(kù)大壩的管理效率，減少人工巡檢，節(jié)省人力物力。

此外，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)庫(kù)的WEB技術(shù)和野外太陽(yáng)能后備電源為基礎(chǔ)，使所建設(shè)的水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到無線、網(wǎng)絡(luò)化，并通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，可以實(shí)現(xiàn)全天候24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握水庫(kù)大壩情況，可保障人們生命財(cái)產(chǎn)安全。

（三）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地方政府防汛管理中的應(yīng)用-浙江舟山山塘水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

舟山地處沿海，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)、梅雨多、雨量大，水文業(yè)態(tài)多樣，水利和防汛、防臺(tái)等工作一直面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。山塘通常為地處比較偏遠(yuǎn)的小型水庫(kù)。通常情況下不通電、不通網(wǎng)，采用數(shù)字化、智能化管理在建設(shè)成本上壓力比較大，其存在一定困難，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則可以在山塘管理上發(fā)揮立竿見影的效果。舟山水利部門將山塘水位“溢洪”作為重點(diǎn)管理監(jiān)測(cè)的核心數(shù)據(jù)，可通過低成本采用太陽(yáng)能+4G物聯(lián)網(wǎng)+超聲波的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水位的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采樣回傳，并依托后端的智能分析平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)水位即將溢洪情況下提前預(yù)警和派單，低功耗、低網(wǎng)絡(luò)流量的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用，后續(xù)也在探索通過現(xiàn)場(chǎng)雨量計(jì)、溢洪口流速等這些物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備，需結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，提前預(yù)判水位超警戒情況，給當(dāng)?shù)毓芾聿块T提供險(xiǎn)情處理決策依據(jù)。

建設(shè)山塘水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，低成本、高成效地完成所有山塘全面覆蓋，是舟山水利在全省數(shù)字化改革中，并按照“大場(chǎng)景、小切口”的思路，急用先行拿出的看得見、摸得著的成果，解決了實(shí)際問題，提高老百姓的獲得感，也是“我為群眾辦實(shí)事”的一次成功實(shí)踐。

五、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水庫(kù)管理領(lǐng)域的應(yīng)用前景

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可有效解決水庫(kù)人工養(yǎng)護(hù)水平低下、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)程度低、成本預(yù)算保障不足等管理難題。預(yù)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將在防洪管理、水資源管理、水生態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用?；谒Y源調(diào)控、水生態(tài)監(jiān)測(cè)和水庫(kù)管理設(shè)施監(jiān)測(cè)的應(yīng)用將日益廣泛，將全面提高水資源管理和防汛抗旱決策的信息化、智能化水平。

六、結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為我們開啟了解決水庫(kù)管理難題的新路徑，并與各項(xiàng)其他信息技術(shù)的綜合運(yùn)用，使水庫(kù)管理工作更加智能、高效。與此同時(shí)，新技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性也應(yīng)在選用中加以充分考慮，因此，必須加強(qiáng)知識(shí)庫(kù)建設(shè)，做好信息共享，統(tǒng)籌運(yùn)用好管理機(jī)制與先進(jìn)技術(shù)。在實(shí)踐中提升對(duì)新技術(shù)可靠性的認(rèn)知，可提升效益規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)水庫(kù)管理工作健康、有序地發(fā)展提升。