水庫運行管理智慧化系統設計

霍建偉，張軍琿，李永勝

1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.云河（河南）信息科技有限公司，河南 鄭州 450003

0 引言

黨的十九大圍繞互聯網與信息化戰略明確提出要建設網絡強國、數字中國、智慧社會。2021 年全國兩會通過的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》明確提出構建智慧水利體系，以流域為單位提升水情測報和智能調度能力。水利部將智慧水利作為新時代水利高質量發展的顯著標志，把推進智慧水利建設作為重要抓手和平臺，要求加快構建智慧水利體系，提高“四預”能力，為新階段水利高質量發展提供有力支撐與強力驅動。文章結合青海省水庫運行管理工作實際，在分析186座水庫運行管理及信息化現狀的基礎上，結合流域治理管理和水利信息化建設需求，提出了省級水庫運行管理信息化建設的總體目標和框架，探討了系統的建設內容，以期為地方管理水庫運行管理信息化系統設計和建設提供思路和參考。

1 水庫運行管理現狀及存在問題

1.1 水庫運行管理現狀

省級水庫運行管理多采用省、市、縣、所四級管理模式，省級水庫主管部門對全省水庫進行統籌管理，市水行政主管部門對市管轄范圍內的水庫進行統籌管理，縣水行政主管部門對縣管轄范圍內的水庫進行統籌管理，各水庫管護所（或水庫產權所有者）履行基層水庫管理單位的職責，對各個水庫進行直接管理，包括對水庫的巡檢養護、運行調度、安全生產、應急處置、工程管理、防洪防汛等相關工作。按照水庫防汛“三個責任人”和“三個重點環節”的要求，有效落實水庫防汛行政責任人、技術責任人、巡查責任人的管理職責，著力抓好水雨情測報、水庫調度運用方案編制、水庫大壩安全管理（防汛）應急預案編制重點環節的工作。以青海省水庫為例，省域內186座（含在建9座）水庫，主要分布在東部地區的湟水流域、大通河流域，以及黃河干流尖扎、循化段，這些具有不同規模、不同管理類型、不同地域特征、不同興利目標的特點，其中大部分水庫建于20世紀80年代前，建成時間較早、地處偏遠、地域分布廣、自然條件較差，日常管理相對粗放，管理水平參差不齊，監管力度有待加強。

1.2 信息化現狀及存在問題

近年來，各地加大了水利信息化建設力度，完成了山洪災害監測預警平臺、防汛抗旱指揮系統、水情測報系統、工程管理系統等業務應用建設，切實提升了水利管理工作的管理水平。但對照水利高質量發展要求仍然存在一些突出短板。

數字化方面，監測要素和覆蓋范圍不全，感知設備的自動化智能化水平不高。統計分析范圍內的186座水庫，其中自動水位、雨量監測覆蓋率為83.30%，視頻監控覆蓋率為70.40%，大壩安全監測（滲流、滲壓、位移）不足50%。

網絡化方面，信息基礎設施薄弱，計算機網絡覆蓋的“深度”和“廣度”不足。在水利部門注冊登記的186 座水庫中，其中68 座水庫已接入有線網絡或光纖、101 座水庫有4G 無線覆蓋，17座水庫4G信號差或無信號。目前覆蓋各級水庫主管單位的水利專網帶寬已經滿負荷運轉，急需進行網絡擴容或借助運營商的網絡進行數據傳輸。

智能化方面，應用和業務智能化支撐不足，高新技術應用不夠。目前部分水庫建設了和水庫運行管理相關的信息化系統，如：東大灘水庫委托建設了大壩控制和安全監測系統，以數據可視化為主；小南川、香溝、黃茨灘等多個水庫建設了工業物聯網云監控平臺，以雨水情數據展示管理為主。總體來看，仍有94%的水庫缺少業務應用或管理系統。

2 總體框架

2.1 總體目標

充分運用物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術，以“水利信息化驅動水利治理體系和治理能力現代化”為主線，按照智慧水利建設的總體要求，圍繞水庫運行管理三個重點環節，采用“省級統建、多級應用”模式，集成水庫雨水情、大壩安全監測感知數據和不同預見期降水預報信息，構建融合多種先進模型算法的水庫運行管理信息化平臺，建成大通河流域水庫聯合調度典型應用，促進水庫運行管理由粗放模式向標準化、精細化管理轉變，推動大壩安全管理由人工巡查養護向動態物聯感知、智能診斷、主動消除安全隱患轉變，引領水庫調度由單庫規則調度向流域防洪調度、多目標優化調度轉變，全面提升水庫運行管理智能化水平。

2.2 總體框架

按照“大系統設計，分系統建設，模塊化鏈接”的建設原則，水庫運行管理信息化系統由物聯感知層、基礎設施層、數據資源層、支撐層、應用層及保障體系構成。見圖1。

圖1 總體框架圖

物聯感知層采用整合已建、按需新建的方式，對于水庫已建感知設備自動采集到的運行管理相關監測數據“應接盡接”，將其統一集成到水庫監測感知系統；基礎設施層依托水利專網開展網絡通信傳輸，基于政務云平臺提供的云資源構建系統運行環境；數據資源層通過構建水庫大數據平臺，匯聚整合已有水庫相關數據，開展數據提取、清洗、關聯等數據治理，形成標準規范的水庫大數據體系；應用支撐層構建基礎地理信息服務、水庫管理一張圖、模型算法、基礎應用支撐等，形成連接水庫大數據體系和應用系統的橋梁和紐帶；應用層包括水庫運行管理系統、流域多目標聯合調度系統等業務應用。

3 主要建設內容

3.1 建設水庫監測感知系統

整合利用各水庫現有監測感知設備資源，包括雨量監測站、水位監測站、入庫流量、出庫流量、視頻監控、滲流量、水平位移、垂直位移以及滲壓監測等，實現水庫重要監測感知信息的接入與匯聚；配置AR全景攝像監控、無人機巡查、三維高密度電法儀等新型設備，基于水庫大數據平臺，構建全域水庫監測感知系統。

3.2 建設水庫大數據平臺

基于水庫運行管理業務需求，依托物聯網、云計算、大數據等技術手段，基于信息資源規劃框架全面構建全方位獲取、全網絡匯聚、全維度整合的數據資源治理體系，提供對海量異構數據的存儲與分析計算功能，形成“全面匯聚融合、安全可控訪問、全省邏輯一體”的水庫大數據平臺，滿足精細治理、分類組織、精準服務、安全可控的水庫數據資源管理目標，提升對水庫雨水情測報、大壩安全診斷分析、流域聯合優化調度等運行管理業務的支撐能力。大數據平臺建設包括信息資源規劃、數據資源池、數據接入系統、數據處理系統、數據管控系統、數據服務系統建設等內容。

3.3 建設水庫運行管理系統

構建涵蓋標準化管理、綜合監控、巡查養護、安全管理、應急管理、雨水情預測預報、水庫運行調度、洪水風險圖管理、移動應用等功能及服務的水庫運行管理應用體系，實現水庫標準化、規范化、智能化管理，提升水庫監督及服務能力。

3.3.1 標準化管理

以水庫管理對象臺賬及管理任務清單為抓手，以落實水庫管理責任為主線，構建水庫標準化運行管理體系，將水庫管理責任落實到人、細化到點。

3.3.2 綜合監控

基于水庫管理一張圖展示全省水庫分布情況，可在圖上查看水庫相關數據，實現所有水庫的水情、雨情、視頻、大壩安全監測、水庫洪水預報等關鍵信息的實時監測預警與多維可視化展示，以及關鍵水利工程設施運行工況的綜合監控。

3.3.3 巡查養護

依據相關規程，對水庫日常巡查、防汛檢查、特別檢查等信息進行管理；針對水庫主管部門給水庫管理單位下達維修養護項目，提供水庫大壩的維修、養護規劃、信息填報、審核等功能。

3.3.4 安全管理

整合利用現有水庫雨水情監測、大壩安全監測（滲流、滲壓、位移、視頻監視）、視頻監控系統等，全面診斷水庫大壩安全健康狀況，及時發送預警信息；通過典型水庫閘門、啟閉機等水工機械裝備運行監測與智能預警、故障智能診斷和預測維護、虛擬運維智能仿真等遠程應用，打造水工機械裝備遠程運維的標準化。

3.3.5 應急管理

以大壩安全管理應急預案數字化管理為主線，實現水庫大壩突發事件應急組織、監測預警、應急響應，宣傳演練等應急信息的管理功能。

3.3.6 預測預報

整合山洪災害預警系統、水文氣象觀測站點等雨情數據，開展水庫水位流量、控制流域面積內降雨量的觀測與報送等工作。

3.3.7 運行調度

包括調度規程管理、控制運行計劃管理、調度令管理、防洪興利調度管理、應急調度管理、水庫調度運行方案管理等功能。

3.3.8 風險圖管理

實現洪水風險圖的閱覽、查詢、統計功能。

3.3.9 移動應用

包括水庫地圖、綜合信息、智能導航、巡視檢查、數據上報、險情報送、維修養護等功能，為水庫管理“三個責任人”提供移動工作平臺。

3.4 建設多目標聯合優化調度系統

按照強化流域治理管理工作要求，建設流域多目標聯合優化調度系統，實現水庫“四預”典型應用。基于中長期水文預報模型、水庫群聯合調度模型，針對來水狀態、近期規劃年外調水量、實際外調水量和梯級水庫群結構變化等實際情況，在防洪、供水、發電和生態等調度目標的基礎上，通過方案制定、模型預演等功能，以實現“預報、預警、預演、預案”的目標，為調度方案及調度決策提供技術支撐。

來水預報是以氣象高分辨率網格降水預報、實測雨水情等數據為基礎，預報分析典型流域降雨、產流、匯流及河道演進過程；多目標聯合調度是結合前期形勢預判情況，設置相關參數，聯合多水庫聯合調度模型，進行多目標調度計算，并結合數字化場景在一張圖上進行調度方案的預演及可視化展示。

3.5 水庫運管數字化平臺研發及應用

圍繞省級多水庫監管及大型水庫工程管理需求，研發基于數字化場景的水庫運管平臺，以BIM+GIS數字化孿生場景為基礎，集成了綜合監控、巡查養護、安全管理、應急管理、預測預報、水庫運行調度等功能，在典型水庫進行了試點和應用實踐。見圖2。

圖2 水庫運行管理數字化平臺圖

4 結語

推進物聯網、大數據、人工智能等新一代信息化技術與水利業務深度融合，是水利高質量發展的客觀要求，是現代水利發展的必經之路。通過水庫運行管理智慧系統建設與應用，構建了省級水利系統管轄水庫雨情、水情、工情等信息的自動化集成，實現了省級水庫運行狀況實時監控、動態交互和仿真數字模擬，構建具有預報、預警、預演、預案的水庫運行管理信息化體系。水庫運行管理系統將為水庫運行管理提供重要的信息化手段，賦能防御水旱災害、水資源保護和流域多目標聯合調度等水利業務工作，對于提升水利現代化管理能力具有重要支撐作用。