智慧水利信息化系統在水利工程中的應用

□ 吳家梅

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

引言

近年來國家有關部委陸續出臺一系列政策推動智慧水利發展，截至2021年末已累計安排中央水利建設投資計劃1482億元，全年國家水網骨干工程資金到位率達89.1%。在此背景下，我國水利工程建設與運行發展過程中仍暴露出一系列問題，如水污染常態化治理機制不健全、缺乏應對突發水情的成熟防控措施等，亟需在現有信息化系統的基礎上面向應用實踐層面進行功能豐富與技術革新，更好地完善智慧水利架構建設，為水利工程行業管理工作實踐提供現實指導意義。

一、智慧水利現有基礎

2021年10月召開的水利部部務會議明確指出“推進智慧水利建設”成為指導當前水利行業發展的核心目標。2022年1月，水利部印發《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》，強調以“建成智慧水利體系1.0版”作為現階段我國水利建設的主要發展方向［1］。在上述政策、意見實施背景下，我國智慧水利各項基礎設施建設已初具規模，信息采集點、視頻監控點以及通信衛星設備、基礎設施云、水利視頻會議系統等均已實現全國范圍內覆蓋，加之物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術的應用普及，在不斷提升水利業務應用水平的同時，進一步推動水利行業實現由數字水利向智慧水利的順利轉型［2］。

二、智慧水利信息化系統在水利工程中的具體應用

（一）在水環境資源污染狀況監測中的應用

在水質監測過程中，各地水務部門利用部分重點區域的測控終端等設備，對水資源量進行綜合管控。主要部位安裝監測儀表，通過軟件平臺進行自動測控，確認水流量、泵/閥狀態等。這些裝置是時代發展的產物，可以顯著提高水環境資源監測效果，明確污染狀況。與以往的人工控制方式相比，高科技的形式不僅充分保證了監控效率，而且保證了監控質量。目前，已通過無線網絡通信網絡和智能監控軟件對水資源進行多次檢測，包括水體中的PH值、氯化物、固體等，都實現了重點監測。一旦污染超標，可立即采取有效治理措施，避免水環境污染超出可控范圍，導致嚴重的后果。通過對污染狀況的實時監測，有利于改善水環境質量，保障人類正常的生活和生產。

（二）在地表水文、水位高度監測中的應用

我國幅員遼闊，擁有許多大大小小的河流湖泊。通過在江湖新建水利工程、堤壩等建筑，可以有效控制水位，避免洪水的發生。通過實時監測，在可能發生災害時，可以利用傳感設備實現及時預警，從而減少經濟損失，避免自然災害造成人員傷亡等負面影響。通過新建水利工程，可以實現對水流速度和水位的實時監測，也可以避免因自然氣候條件變化而引起的水位突然上升。一旦發現異常數據，可通過及時報警、采取排水等方式解決自然災害問題。通過使用高科技設備，對不同系統環節進行綜合調度，可以對洪澇災害進行合理的規劃和預防。在檢測各種數據時，可以借助GPRS、CDMA、4G等通信技術對地表水文、水位進行高效監測，從而提高相關工作的處理效果，綜合決策，確保決策-制作精度。

三、智慧水利信息化系統的應用實踐策略

（一）案例項目概況

以某地區的智慧水利信息化體系建設情況為例，該地區早在20世紀80～90年代起建成一批水質污染監測、地表水位變化監測、防汛抗旱等水利工程項目，圍繞區域范圍內的河流、湖泊等設置11852處信息采集點、超過4000個水雨情監測點，并部署數據采集中心站5個、共享接入點3408個，配置水利服務器135臺。目前該地區建有1∶250000比例的水利基礎電子地圖，支持對區域雨情、水情進行實時反饋，并提供歷史水文數據查詢、防汛抗旱工作方案等信息，配合多種傳感器、通信傳輸網絡建設，實現對水質污染情況、水情與墑情的全面監測預警［3］。依據現階段智慧水利建設指導意見及相關要求，擬引入物聯網、AR、傳感器、BIM、GIS等先進技術進行智慧水利信息化系統應用功能的完善與升級，為區域水利信息管理及相關問題的解決提供技術支持。

（二）基于物聯網技術的水環境污染狀況監測

在水資源監測工作中，以水質污染狀況監測為系統主要應用范疇，由水務部門將水資源遙測終端機、濁度傳感器等裝置部署在區域范圍內的江河、湖泊、水庫等領域，獲得水資源可利用量、水質等指標數據。同時，利用軟件平臺進行取水流量計算，獲取閥門、水泵流量狀態，支持對設備供電情況進行自動調試，并實現對取水量計量的遠程控制［4］。例如針對區域內某一湖泊進行水質監測，在湖泊覆蓋范圍內設置若干取水點，引入WiFi技術建立通信網絡，利用水質采樣機與智能應用軟件配合進行水環境中pH值、溫度、色度、濁度、懸浮物、COD、BOD等指標的監測，根據各指標的超標情況判斷水污染程度與等級，并采取相應干預、治理措施進行管控。

目前為將物聯網技術有效應用于智慧水利信息化系統設計中，采用STM32單片機與傳感器配合進行水的流量、濁度、pH值等參數指標的采集，將獲取的直流電壓轉換為電信號，利用LCD液晶屏進行監測數據的實時顯示，選用串口調試工具進行PC端數據采集模塊的調試，經主機實現對下位機采集數據的展示；當利用單片機MCU單元將采集的水質數據傳遞至串行端口后，利用GPRS模塊接收數據并上傳至數據中心平臺，執行后續數據分析、處理、存儲等功能，實現人機操作。在系統功能實現上，主要圍繞以下三個方面入手：

1.水質監測數據采集

在STM32單片機中設有若干寄存器、定時器，根據實際處理需求設置寄存器模塊單次或多次掃描模式，以左、右對齊方式進行數據存儲。該系統對于不同水質監測數據指標設有獨立通道，如指定11通道采集水環境資源的濁度數據，指定12通道采集pH值數據等，整合傳感器采集的監測數據傳遞至轉換器，并基于存儲規則在寄存器內存儲數據。為實現多通道數據采集功能，引入一種數據連續轉換模式，先開啟寄存器時鐘、設置具體參數，運用兩個不同通道進行水質數據的采集與模擬信號的轉換，即可實現對水pH值、濁度等數據的采集功能。

2.水流量數據監控

通常水的流量變化將影響周圍傳感器等裝置的磁性，因此選用霍爾傳感器進行水流量變化的動態監測，利用傳感器裝置內部轉換電路將輸出脈沖信號轉換為電路，經由數據線輸出，并完成渦輪轉速、水流量、電壓值等指標的計算，最終確認水的流速及其對應的頻率值。在實際應用環節，利用定時器TIM2進行脈沖時刻計數，借助TIM_CCR捕獲脈沖方波信號，并利用TIM_CNT計數器記錄信號反轉次數，最終生成總體脈沖數值。

3.中心數據管理功能

在采用軟件編程設計方法的基礎上，引入SQL技術進行水質監測數據庫的開發，運用C#軟件優化數據存儲模塊與存儲周期設計，保證實現人機界面的交互性、人性化設計，提高軟件開發效率。在實際應用環節，預先參考數據完成軟件閾值的設置，當測得采集數據超出閾值后，將向用戶發出告警。基于NET平臺、VS環境進行中心數據管理系統的設計，可實現對遠程上傳的無線數據進行實時接收與顯示，用戶可通過Chart窗口觀察到某一天、某一地點的水質、水流量變化曲線，有效提升水環境監測效率。

（三）基于AR實景的水文、水位高度變化監測

在地表水監測環節，水利部門通過在河流、湖泊上修建水壩一類擋水建筑物，在日常運行過程中獲取河流水位高度、流速變化、水流量以及單位時間內降水量等數據，當系統監測到數據超出限值后將發出自動報警，控制壩體開啟排水端口，起到調節水位作用，以此降低洪澇災害發生概率［5］。在地表水文、水位監測系統拓撲結構設計上，預先在河流范圍內設置水文監測點，使用靜壓式水位計、超聲波水位計與雨量筒等裝置獲取監測點處的水位高度、水文監測值等信息，經水文遙測終端機、北斗通信終端將采集信息整合，通過北斗衛星或GPRS/CDMA/4G等通信網絡傳遞至監測中心網絡平臺中，生成決策意見、指導相關處理工作。

在地下水監測環節，主要以地下水開采量、水溫、水位高度、水質變化情況等作為監測指標，利用不同類型的傳感器與地下水遙測終端機配合采集數據，經GPRS/CDMA/4G通信網絡上傳至云服務器，基于分布式算法進行數據分析與計算，將生成的數據處理結果經Internet網絡分別發送至檢測中心與APP客戶端，借此實現對區域范圍內水溫、水質、水位變化以及降水收集、排污處理等情況的實時監控。

為解決現有地表水、地下水監測環節尚未實現統一監控管理、監控點位覆蓋范圍有限、缺乏對現場情況的直觀了解、監控管理被動性強等問題，可引入AR實景可視化技術進行智慧水利信息化管理系統的優化設計，在關鍵監測點位安裝超高清4K攝像機，構造AR實景地圖，分別在監控畫面中添加靜態、動態標簽用于確認具體點位的坐標系，并依托畫中畫功能實現對不同點位、監控區域處實景畫面的同步查看，系統提升監控視覺效果。在AR實景可視化系統的功能實現上，以基礎視頻監控功能為例，在平臺中選中監控畫面瀏覽功能，經高清視頻解碼后可在顯示屏端查看單一或多畫面組合，基于遠程控制功能實現對現場攝像機鏡頭角度、云臺的實時控制，在應用客戶端提供單次抓圖、單路錄像等服務模式，支持對執行設備或通道進行歷史圖像資料的檢索、回放及下載。再以GIS地圖應用功能為例，基于ArcGIS引擎查看攝像頭、監測點附近的地圖，運用該引擎提供的實時視頻功能控制多個攝像頭進行輪流巡檢、播放監控畫面，并提供測距、截圖、標注、打印等功能，從而依托智慧可視化體系提升對地表水、地下水重點監控區域的監控及管理水平。

（四）基于傳感器、GPRS技術的明渠灌溉管理

導流明渠作為臨時性水工建筑物，主要將其與農田灌溉區進行連通設計，輔助實現引/排水、灌溉等農業生產活動。將智慧水利信息化系統應用于明渠灌溉管理環節，通過布置水位計、流量計等檢測儀器獲取明渠現場水位、流量等信息，借助水文遙測終端機將采集的數據信息匯總后經通信網絡上傳至中心監控平臺中，實現對農業灌溉渠水位調整、流量調節等功能，輔助開展各項農業生產活動。

為適應智慧農業、智慧水利發展理念指導下，對于智慧灌溉系統改造升級提出的現實需求，擬在現有智慧灌溉系統結構的基礎上，針對遙測終端機結構及功能進行優化設計。在遙測終端機結構設計上，遵循小型化、智慧化理念選用STM32微處理器作為核心元件，搭配實時時鐘、電源管理、USB接口、Flash存儲、藍牙、傳感器接口、通信、鍵盤、LCD顯示屏等功能模塊組成系統結構，對終端機內置A/D轉換器、外置石英晶振，采用低功耗電源管理模塊與藍牙模塊配合，使終端機在休眠狀態下功耗限制在1μA左右。在終端機工作模式設計上，遵循現有監測數據通信規約設有以下兩種模式：一種是自報模式，利用遙測終端機直接將收集的監控要素數據定時上報至中心站，在測得短時間內出現異常數據時及時向中心站進行加報；另一種是查詢應答模式，由中心站發出指令，終端機根據指令返回相應監測數據。將上述兩種模式進行兼容設計，使遙控終端機支持運行自報、加報、定時報等多種模式，與中心站建立實時通信傳輸關系，根據中心站發送或返回的指令進行參數修改與控制模式的切換，實現高效率、低能耗目標。

（五）基于BIM+GIS技術輔助水利工程建設管理

在將AR實景模型應用于地表水、地下水監測的基礎上，還應導入BIMserver進行微觀層面信息的展示，再與GIS技術融合實現對水工建筑物及周邊地理環境信息的深度融合。在數據融合方式設計上，主要涉及對水利工程幾何、屬性信息的集成處理，引入大數據平臺框架進行水利工程數據的挖掘與分析，運用智能學習算法進行全過程信息的分析、處理與展示，滿足工程建設及運維等環節的調度、管理要求。例如在分布式計算模塊設計上，基于公有云平臺、互聯網服務體系作為基礎架構，運用Hadoop、云計算技術建立分布式計算模型，完成水利工程建設數據、潛在關系數據的深入分析，實現實時監測預警、輔助現場指揮調度等功能；在大屏場景顯示模塊設計上，運用可視化技術在大屏端進行水利工程現場建設不同場景的切換，可直觀查看電站運行、泵站運行、入庫洪水、降雨量、水資源利用情況等圖標，輔助功能管理、實現智慧決策。

四、結語

通過運用物聯網技術完善監測點部署、擴大水質污染監測范圍，引入AR實景實現地表水與地下水的水文、水位高度等變化情況的全面可視化，采用傳感器、GPRS技術輔助明渠灌溉管理，配合BIM+GIS等技術手段的應用實現水利工程建設全過程管理目標，借此有效實現智慧水利信息化系統的應用功能，服務于水利工程建設與高質量發展。未來還需持續提升智慧水利建設層次、起點、標準及水平，并聚焦資金投入、協同機制等層面完善相關保障機制，進一步推動智慧水利信息化系統實現業務服務功能的升級，服務于區域水利行業可持續發展。