水庫標準化運行管理平臺研發關鍵技術及其應用示范研究 *

(1.四川省武都引水工程建設管理局，四川 綿陽，621000； 2. 四川省水利科學研究院，成都，610072； 3.浙江禹貢信息科技有限公司，杭州，310009)

引言

2019年1月，全國水利網信工作會議明確提出了“水利工程補短板，水利工程強監管”的水利改革發展總基調，要求盡快補齊信息化短板，在水利信息化建設上提檔升級，按需構建安全實用、智慧高效的水利信息系統，以水利信息化驅動水利現代化，全面提升水利業務管理的效率，為我國水資源管理、水安全保障、水生態修復提供技術支撐。而水庫運行管理是水利工程標準化管理的重中之重，結合水庫安全運行管理的實際需求構建水庫標準化管理平臺很有必要。

武都引水工程是四川省“西水東調”總體規劃中確定的大型綜合利用水利工程，曾被鄧小平同志譽為“第二個都江堰”。工程共分二期建設，其中第一期工程包括取水樞紐、總干渠和涪梓灌區(灌溉8.47萬hm2)渠系及沉抗囤蓄水庫等已建成；第二期工程包括武都水庫、西梓灌區(灌溉7萬hm2)等。武都水庫位于四川省江油市境內的涪江干流上，是已建成的武都引水一期工程和在建的武都引水二期灌溉工程及蓬船灌區工程的水源工程，可控灌溉面積達到21.33萬hm2；是一座以防洪、灌溉為主，結合發電，兼顧城鄉工業、生活及環境供水的大(I)型水利樞紐工程。主要建筑物有：攔河壩、壩后式電站廠房等。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高120.34m，正常蓄水位658m；總庫容5.72億m3，裝機容量為150MW，裝機利用時數4064h，多年平均發電量6.1億kW·h。工程于2012年底建成并投入運行使用。二期灌區工程于2013年全面開工建設，現仍在建設之中。隨著建設不斷深入和配套工程的不斷完工，如何“建管并重”和“補短板、強監管”成為當前亟待解決的問題[2]。

為全面提升水庫標準化管理水平，補齊水庫管理信息化短板，本文通過系統分析水庫運行管理存在的問題和實際需求，基于信息化理論方法研究了水庫標準化運行管理云平臺總體構建及其關鍵技術，最后以武都水庫為試點進行了水庫標準化運行管理平臺的研發與應用示范，結果表明，水庫標準化運行管理云平臺是進行水庫運行管理的有力工具，具有很強的實用性和可操作性。

1 總體構架

水庫標準化運行管理研究內容主要包括標準化管理體系研究、標準化運行管理手冊編制和水庫標準化運行管理云平臺的研發三部分內容[3]。

其中標準化管理體系研究主要包括了管理體系、決策體系、安全監測體系、執法體系、應急管理體系、維修養護體系、安全生產考核體系等方面；標準化管理手冊主要包括組織手冊、制度手冊和操作手冊的編制；水庫標準化運行管理云平臺的研發主要包括數據庫建設、平臺功能建設、基礎環境搭建三個方面的內容，應用平臺功能涵蓋了水庫基礎管理、安全管理、運行管理、維養管理、應急管理、信息總覽、辦公管理、庫區管理、安全生產標準化考核等[4]。結合水庫日常運行管理實際，水庫標準化管理平臺整體架構如圖1所示，由智能感知層、智能互聯層、云數據中心、業務應用系統、標準規范及其安全保障體系構成。

圖1 水庫標準化管理平臺總體設計框架

其中智能感知層主要包括水情、雨情、工情、視頻監控、設備狀態信息等，還包括取水樞紐、安全監測、氣象監測、泥沙觀測、水質監測等共享數據；智能互聯層主要包括互聯網、物聯網、3G/4G乃至以后5G通信網等；數據中心采用云平臺框架，由靜態數據庫、實時數據庫、動態數據庫、基礎數據庫等構成；業務系統是進行業務辦理的集中服務窗口，用戶可以通過登錄實現包括動態業務管理、實時數據監測、安全運行評價、經濟運行分析、辦公統一審批等，平臺服務模塊涵蓋信息總覽、運行管理、應急管理、辦公管理、生產管理、基礎管理、維修養護、安全管理、庫區管理、移動應用等[5-7]。

2 關鍵技術

水庫標準化運行管理云平臺的研究與開發是一個系統工程，涉及的核心技術很多，一些通用技術如互聯網技術、云平臺構架技術、安全加密技術、APP開發技術、流程化定制技術等本文限于篇幅不再累述。本文重點論述數據庫集成開發技術、全景圖技術、NFC安全巡查巡檢技術[8]及其流程化引擎設計技術[9]等關鍵技術。

2.1 數據庫集成開發技術

一個軟件平臺只有在擁有源源不斷的數據時才有生命力，因此，有效集成水庫實時數據(水位、雨情、工情等)、靜態數據(工程信息、管理制度、設備檔案、組織機構、崗位職責等)、動態數據(運行調度臺賬、巡查記錄、汛前檢查記錄等)，形成水庫標準化運行管理的統一數據庫尤為重要[10]。數據庫集成開發技術通過建立標準的數據存儲標準和靈活可擴展的數據采集標準，對原始數據進行大量的格式化整編和標準化采集工作，最后在通信上對數據服務采用Web Service和HTTP Service協議進行有效集成[11]。

圖2 數據集成

2.2 720°全景圖技術

基于地理信息技術和全景圖技術建立系統展示界面，全面、直觀地反映工程運行管理全貌。全景圖拍攝采用目前國內比較成熟的720°空中全景拍攝技術。全景實際上只是一種對周圍景象以某種幾何關系進行映射生成的平面圖片，只有通過全景播放器的矯正處理才能成為三維全景(全景特指水平360°，上下360°全能觀看的，能看到“天、地”的全景)，本次項目建設擬使用無人機機載相機完成大壩上空1處、大壩下游1處、庫區2處、管理大樓1處，總計5處全景圖拍攝。

(1)720°全景數據采集技術要求

無人機低空720°全景采集高度為距被拍攝物50m左右，范圍涉及重要閘、壩及泵站工程全貌及其上下游河道與左右岸各100m范圍，分辨率在0.2m左右。相機視角：360°(水平)×180°(垂直)。拼接后像素：≥3000萬。

圖4 系統集成展示系統結構

(2)全景拼接技術

使用定制的全景相機采集的數據，都需要對每一景的多幅照片進行后期的三維全景拼接處理，拼接后得到720°全景照片。最終輸出的全景圖片長寬比應為2∶1的固定比例，對于缺失的天空或者水面的影像需要其它圖片進行補充調色、優化等處理。

2.3 NFC安全巡查巡檢技術

近場通信(Near Field Communication)即NFC是一種新興的技術[8]，使用了NFC技術的設備(比如手機)可以在彼此靠近的情況下進行數據交換，是由非接觸式射頻識別(RFID)及互連互通技術整合演變而來，通過在單一芯片上集成感應式讀卡器、感應式卡片和點對點通信的功能，本系統利用該技術，結合云技術、物聯網技術、移動互聯網技術、GPS定位技術等國際最先進技術進行構架開發，基于SaaS互聯網+架構的新型軟件架構模式，流程如圖3所示。

圖3 NFC感應物聯網技術

從圖3可知，觸發器1將觸發登錄界面，啟動APP應用程序，以便登錄人員完成任務，并將完成任務數據傳輸到云數據庫[13]；觸發器2將觸發GPS定位，記錄定位，自動繪制路徑，傳輸到云數據庫；觸發器3將觸發時鐘，將時間信息進行記錄并傳輸到云數據庫中；所有數據將可以到達后臺電腦程序進行處理。

2.4 流程化設計技術

通過工作流引擎設計的管理流程可以比較容易進行工作流程調整，利用全新的Activity引擎技術[15]，將業務處理的過程控制邏輯從業務處理操作中分離出來，通過工作流引擎技術實現過程的優化配置和重組，采用國際標準WFMC工作流引擎Activity技術對標準化流程進行了設計。

2.5 系統集成互聯技術

當實時數據、動態數據、靜態數據、流程化數據集成到云端后，例如視頻監控系統實時監視圖像、信息采集系統、安全監測系統、泵閘監控系統、標準化運行管理系統、水資源調度管理系統運行情況等，可以采用系統集成互聯技術，以各種各樣的模型進行分析，分析結果可以通過多種多樣的方式進行展示。武都水庫采用拼接屏、手機終端、電腦工作站等結合方式進行展示，如圖4所示。

3 應用研究

以前期已有研究成果為業務指導，基于關鍵技術進行水庫標準化運行管理平臺的研發測試，并在武都水庫進行應用示范，經過6個月不斷測試，目前運行情況良好，系統信息總覽界面如圖5所示。

圖5 信息總覽界面

通過GIS開發，將各類實時數據，如水情、雨情、工情、視頻和720°全景圖集成到綜合地圖中，形成各種數據的一張圖管理，即綜合地圖管理，如圖6所示。

圖6 綜合地圖管理界面

基于NFC安全巡查巡檢技術，實現了整個庫區的智能化巡檢。手機端APP巡檢界面如圖7所示。

圖7 手機APP安全巡檢界面

武都水庫標準化運行管理需要流程管理，依據《操作手冊》定制化開發流程化數據引擎，以防洪調度模塊為例，具體流程如下：水庫上報請示單——防辦下發指令單——水庫按流程簽發預警指令單(閘門預操作指令)進行開閘前各項準備工作(包括預警準備、工程設備準備等)——預警反饋——水庫按流程簽發操作令——操作完成后操作人員向水庫反饋操作情況——向上級主管部門反饋操作情況。此外，用戶還可以通過平臺進行操作流程的修改完善。系統界面如圖8所示。

圖8 興利調度流程界面

4 結論

實踐表明，水庫標準化運行管理平臺有效提升了武都水庫標準化運行管理的水平，具有很強應用價值和示范作用，武都水庫標準化運行管理平臺研發關鍵技術及其應用示范研究，對下一步開展全省水庫現代化管理意義重大，具體體現在以下三個方面：

(1)平臺基本滿足了水庫標準化運行管理的功能需求，通過平臺進行水庫運行管理實現了水庫的規范化管理；

(2)平臺實現了水庫管理涉及數據的有效集成，完成了武都水庫水雨情、工情閘門、流量、機組運行數據、視頻監控、集水井數據整合，并已形成綜合數據庫，并且可以通過平臺對已有數據及其數據服務進行管理；

(3)平臺實現了水庫現代化管理的需要。該平臺將先進的NFC技術、VR技術、APP技術、物聯網技術、無線通信技術、移動通信技術、云技術、云數據庫技術等結合在一起，滿足水庫現代化管理需求。

水庫的運行管理也是一個不斷改革的過程，因此，水庫標準化運行管理平臺建設不能止步當前，還需要結合實際管理進行優化升級。此外，還要擴大研究范圍，研究基于信息化技術方法的水利工程標準化管理方法。