基于物聯(lián)網(wǎng)的汾河流域智慧管控平臺研究與應(yīng)用

劉曉東，王潔瑜，賈新會，侯彥峰，霍云超，胡 坤

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 概述

2019 年9 月18 日，習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上發(fā)表重要講話，提出“共同抓好大保護(hù)，協(xié)同推進(jìn)大治理，讓黃河成為造福人民的幸福河”。黃河流域生態(tài)環(huán)境問題，表象在黃河，根子在流域。習(xí)總書記強(qiáng)調(diào)，治理黃河，重在保護(hù)，要在治理，要堅(jiān)持山水林田湖草綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理，統(tǒng)籌推進(jìn)各項(xiàng)工作，加強(qiáng)協(xié)同配合，推動黃河流域高質(zhì)量發(fā)展。汾河作為黃河的第二大支流，汾河流域綜合治理對黃河大保護(hù)具有重要意義。本文依托山西省汾河河道綜合治理項(xiàng)目工程構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的汾河流域智慧管控平臺，實(shí)現(xiàn)汾河流域的現(xiàn)代化智慧管控，并指導(dǎo)汾河流域的可持續(xù)發(fā)展，同時智慧流域管理平臺可拓展、可升級，滿足未來城市發(fā)展需求。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

將汾河流域的重點(diǎn)監(jiān)測斷面、干流源頭/終點(diǎn)等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，河道兩岸作為重點(diǎn)監(jiān)測要素所選擇的區(qū)域?qū)ο螅妶D1。通過部署微型氣象站、水文站、微型水質(zhì)監(jiān)測站、流量監(jiān)測站、野外徑流泥沙自動測量系統(tǒng)等監(jiān)測設(shè)備，結(jié)合人工或自動測站的監(jiān)測方式，并部署反饋及發(fā)布設(shè)備，基于4G/5G 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，組成精細(xì)化水環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建汾河流域物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)[1-3]。

1.2 集成式GIS 開發(fā)技術(shù)

集成式二次開發(fā)借助地理信息系統(tǒng)提供的組件來實(shí)現(xiàn)可視化智慧管控平臺的開發(fā)，可將功能模塊劃分為多個組件，每個組件完成不同的可視化功能，重點(diǎn)包括GIS 可視化技術(shù)、多源多尺度數(shù)據(jù)融合技術(shù)及空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)[4]。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖

GIS 可視化技術(shù)涉及地學(xué)數(shù)據(jù)內(nèi)插加密、多分辨率數(shù)據(jù)表達(dá)、多維度數(shù)據(jù)顯示、并行處理技術(shù)、可視化等，將汾河流域山體、河道等實(shí)現(xiàn)動態(tài)三維空間展示。

多源多尺度數(shù)據(jù)融合技術(shù)是以大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)作為機(jī)理，構(gòu)建空間多源多尺度數(shù)據(jù)表達(dá)模型，對多層面、多種傳感器、多光譜、多尺度和多分辨率的多源空間數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、特征提取、評價(jià)分析等，實(shí)現(xiàn)在空間實(shí)時感知和全周期實(shí)時監(jiān)測基礎(chǔ)上的全要素的實(shí)時評估。

空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)是以空間水文數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)等作為研究對象，在實(shí)現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的存儲和操作的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間分析和應(yīng)用。

1.3 智能模型

智能模型是實(shí)現(xiàn)流域智慧化的大腦，通過建立HEC-HMS水文模型可實(shí)現(xiàn)多源信息融合、分析、挖掘，為寧武縣汾河流域提供決策支持，同時為智慧管控平臺仿真模擬提供接口。模型通過對子流域的坡度、流域中心位置、子流域的匯流量等的計(jì)算，模擬直接徑流、降水損耗、河道匯流等洪澇形成過程，仿真模擬過程見圖2[5-6]。

圖2 仿真模擬過程

（1）降水損失計(jì)算。降水損失計(jì)算模塊屬于模型的產(chǎn)流部分，通過SCS 法計(jì)算各個子流域的產(chǎn)流，流域累計(jì)凈雨深雨累計(jì)雨量、初損以及前期土壤持水量有關(guān)的函數(shù)，即：

式中：Pt為t 時刻對應(yīng)的累計(jì)凈雨，mm；P 為t 時刻對應(yīng)的累計(jì)降雨，mm；Ia為初始缺水量，mm；S 為土壤最大持水量，mm。

（2）直接徑流計(jì)算。采用SCS 單位線來計(jì)算直接徑流，SCS單位線主要基于大量降雨和徑流觀測數(shù)據(jù)得到，求得單位線的洪峰流量公式如下：

式中：A 為流域面積；Q 為單位凈雨量，25.4 mm；C 為轉(zhuǎn)換系數(shù)，0.208；Tp為峰現(xiàn)時間。

（3）河道匯流計(jì)算。河道匯流演算采用馬斯京根法。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

汾河智慧流域管控系統(tǒng)圍繞“1+1+1+3”的框架進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，即“一網(wǎng)、一平臺、一中心和三個基礎(chǔ)體系”，見圖3。

圖3 總體設(shè)計(jì)

“一網(wǎng)”即監(jiān)測感知網(wǎng)，建設(shè)水務(wù)信息、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測感知物聯(lián)網(wǎng)，建設(shè)一張連通現(xiàn)地設(shè)備和監(jiān)控中心、各應(yīng)用管理單位的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)各類信息的準(zhǔn)確、快速感知。

“一平臺”即智慧流域管控平臺，是項(xiàng)目建設(shè)過程以及建成后的日常生產(chǎn)與運(yùn)行管理平臺，滿足不同管理單位、不同用戶的業(yè)務(wù)管理需求。

“一中心”即監(jiān)控管理中心，集數(shù)據(jù)采集、存儲、處理和分析、運(yùn)行監(jiān)視等一體的綜合管理中心，為用戶提供多媒體瀏覽和集中展示等功能。

“三大基礎(chǔ)體系”即標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、運(yùn)維管理體系和安全保障體系。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是在國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的指導(dǎo)下，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要制定與智慧工程有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及制度。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的汾河流域智慧管控平臺設(shè)計(jì)

汾河智慧流域管控平臺采用B/S+M/S 架構(gòu)，基于集成式GIS 開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)web 端和移動端的系統(tǒng)瀏覽，平臺主要應(yīng)用功能包括綜合監(jiān)管、數(shù)據(jù)管理、預(yù)警預(yù)報(bào)、視頻監(jiān)控、考核評估、決策支持等，平臺總體架構(gòu)見圖4[7-8]。

圖4 平臺總體架構(gòu)

3.1 綜合監(jiān)管

以寧武縣汾河流域地形圖作為基礎(chǔ)，通過互聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等獲取到流域的河道監(jiān)測斷面信息、流域地塊信息、水文氣象站信息等，針對不同對象進(jìn)行各類型信息的綜合展示和詳細(xì)信息查詢，為應(yīng)用系統(tǒng)提供一站式分析、展示的“儀表盤”，見圖5。

圖5 水環(huán)境綜合監(jiān)管子系統(tǒng)

3.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是考核評估子系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，通過各監(jiān)測設(shè)備所采集到的數(shù)據(jù)，基于Hadoop 分布式計(jì)算框架，存儲及管理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的智能分析和計(jì)算，進(jìn)一步加強(qiáng)對流域治理過程的監(jiān)測與控制。

3.3 預(yù)警預(yù)報(bào)

預(yù)警預(yù)報(bào)子系統(tǒng)，主要包括水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)、水位預(yù)警預(yù)報(bào)、洪澇災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、設(shè)備故障預(yù)警預(yù)報(bào)等，系統(tǒng)在獲取流域氣象水文數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果的同時，聯(lián)動智能模型發(fā)出預(yù)警預(yù)報(bào)，見圖6。

圖6 預(yù)警預(yù)報(bào)子系統(tǒng)

3.4 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠靈活有效的對遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行管理，通過對遠(yuǎn)程監(jiān)控對象的錄像、回放、聯(lián)動預(yù)警、監(jiān)控策略制定、應(yīng)急處置等應(yīng)用，達(dá)到監(jiān)控與通訊的雙重功能，滿足對汾河流域的遠(yuǎn)程監(jiān)控與應(yīng)急處置需求，視頻監(jiān)控內(nèi)容主要為重點(diǎn)斷面視頻監(jiān)控。

3.5 考核評估

考核評估子系統(tǒng)，支持對流域水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行考核分析，分別從水質(zhì)改善目標(biāo)完成情況管理、污染防治任務(wù)完成情況管理、水土流失情況、考核指標(biāo)智能分析、考核結(jié)果發(fā)布公示等幾方面進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量考核。

3.6 決策支持

決策支持子系統(tǒng)，聯(lián)動智能模型，采取相應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對汾河流域進(jìn)行洪澇模擬，可根據(jù)10 a 一遇、50 a 一遇等作為輸入條件來達(dá)到不同的仿真效果，見圖7，系統(tǒng)在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，能夠預(yù)測其影響范圍、空間分布特征和時間動態(tài)變化。

圖7 預(yù)警預(yù)報(bào)子系統(tǒng)

3.7 運(yùn)營管理

運(yùn)維管理子系統(tǒng)主要包括工程數(shù)據(jù)信息管理、設(shè)施設(shè)備信息管理、新增信息管理三個功能模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備檔案的錄入、歸檔、更新和查看，設(shè)備設(shè)施檔案信息涵蓋設(shè)備編碼、所在位置、分類、技術(shù)參數(shù)、優(yōu)先級、采購等信息。

4 結(jié)語

本研究應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能模型等先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)，對汾河流域智慧管控平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，圍繞“一網(wǎng)、一平臺、一中心和三個基礎(chǔ)體系”的建設(shè)思想，分別開展流域物聯(lián)構(gòu)建、HEC-HMS 水文水動力模型及平臺功能研發(fā)，為汾河流域管理提供智慧化決策依據(jù)，提升了汾河流域智能化、信息化和集約化的管理水平，同時隨著當(dāng)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，必將推動數(shù)字化新技術(shù)在智慧流域的廣泛應(yīng)用。