陡河水庫管理信息平臺改造

張靜宇

(河北省唐山市陡河水庫事務中心，河北 唐山 063000)

2022年5月5日，唐山市委書記在陡河水庫調研檢查水源地保護時提出建設電子圍欄。2022年8月27日，唐山市水利局組織各方協調會，要求依據《大中型水庫工程標準化管理評價標準》[1-4]中信息化建設相關要求及全國重要飲水水源地安全保障評價指標體系要求，新增陡河自動化工程管理信息平臺改造建設內容，委托黃河勘測規劃設計研究院有限公司編寫《唐山市全域治水清水潤城縣區工程PPP項目市本級工程陡河水庫管理信息平臺改造設計方案》[5]。

1 現狀描述與分析

1.1 管理信息平臺應用現狀

管理信息平臺于2012年左右建設，在建設初期匯集了水雨情、供水計量、大壩安全監測、水質等各子系統數據，具備數據瀏覽、查詢功能，用戶通過統一入口即可訪問各項監測數據，由測控科負責維護該平臺。近幾年來，因各子系統升級換代、前端設備更新等原因，供水、大壩安監[6]、水質等數據均無法接入管理信息平臺，導致目前平臺僅能查看水雨情數據，基本喪失原設計功能。因該平臺建設年代久遠，技術架構老舊，故本項目在沿用該平臺設計理念及部分數據接入方式的基礎上，新建綜合信息門戶，替代該平臺數據匯集展示等主體功能。

1.2 供水計量系統應用現狀

目前，陡河水庫事務中心供水調度科使用供水計量系統，進行陡河水庫供水管理工作，供水對象包括曹妃甸泵站、三友化工、電廠泵房和自來水廠等對象。用戶登錄系統后，系統展示供水監測設備回傳的實時數據、歷史數據。系統建設年代久遠，缺少用戶所需的數據處理功能，導致供水調度科在日常管理過程中，仍需手動摘錄數據，影響管理工作效率與準確性。原管理信息平臺與該系統，通過本地sql server 數據庫集成方式，實現數據集成。本項目考慮沿用此方案，仍使用本地sql server數據庫集成的方式，將供水監測設備的數據集成至管理信息平臺統一數據庫，隨后根據用戶需求對開發數據處理功能。

1.3 洪水預報系統應用現狀

目前，陡河水庫事務中心供水調度科使用河北省水庫洪水預報調度系統，進行陡河水庫汛期洪水預報及調度管理工作。用戶終端接入水利專網，使用省廳分配的賬號登錄該系統，系統具備水庫選擇、信息查詢、作業預報、構造方案、水庫調度、系統管理等水庫洪水預報調度的各項功能，系統為C/S架構，不提供對外接口，系統所需數據由省廳sql數據庫提供，系統運行狀態良好。本次考慮通過鏈接方式，將該系統集成至管理信息平臺。

1.4 水質監測系統應用現狀

目前，陡河水庫事務中心供水監測中心使用陡河水庫水質監測系統，進行陡河水庫水質監測管理工作，監測指標包括溫度、pH值、高錳酸鹽指數、濁度、氨氮、電導率、溶解氧、藍綠藻8項指標，系統在PC端單機運行，具備數據查詢、數據導出、趨勢分析等基本功能，不具備二次開發可行性。因水質監測采集端設備存在穩定性較差問題，導致系統可用性低，本項目擬采購新的水質監測設備，以及配套水質監測系統，并通過數據集成方式，通過水質監測系統數據接口，將水質監測數據集成至管理信息平臺。

1.5 視頻監控系統應用現狀

目前，陡河水庫事務中心自動化測控管理科、工程管理科、水政漁政科和保衛科，均獨立維護著各自的視頻監控系統，其軟件架構均為前端視頻監控設備采集視頻信息，回傳至各科室NVR硬盤錄像機存儲、實時回放。此現狀導致陡河水庫視頻監控零散分布于各業務科室，無法實現視頻監控統一管理、分級分權限管理，進而導致陡河視頻監控重復建設、利用率不高等問題。結合用戶近期視頻監控建設進展及使用需求，本項目考慮新建視頻監控預警系統，匯聚各業務科室視頻監控設備，實現陡河水庫視頻監控的分類分級管理。

1.6 通信網絡現狀

陡河水庫通信網絡現狀如圖1所示。陡河水庫擁有3種網絡環境，水利專網、互聯網與水庫業務內網。互聯網與水庫業務內網之間的連接有防火墻進行隔離。水雨情子系統、供水計量子系統、大壩安全監測子系統[6,7]、水質在線監測子系統均與水庫業務內網和互聯網進行連接，視頻監控系統部署在虛擬網中，可同時訪問水庫業務內網與互聯網，大壩視頻監控系統、視頻會議系統和洪水預報系統均部署在水利專網。

圖1 通信網絡現狀圖

2 總體設計

2.1 總體框架

陡河水庫管理信息平臺改造項目以提升陡河水庫事務中心業務能力為導向，充分利用陡河水庫現有信息化成果及公共基礎設施進行建設，兼顧長遠目標與近期目標，考慮系統可擴展性，使平臺能在水庫業務工作深化和外部環境變化時，實現業務功能的逐步擴展、性能的不斷提升，以發揮系統的整體功能和效益。系統總體劃分為監測感知層、基礎設施層、通信網絡層、數據資源層、應用支撐層、服務層和用戶層7個層面，通過升級、利舊、采購和新建方式，對監測感知層、基礎設施層、通信網絡層、數據資源層、應用支撐層和服務層進行改造，以安全保障體系、標準規范體系為保障，為陡河水庫事務中心、唐山市水利局提供服務，實現陡河水庫信息全感知、水源全保護。這7個層面、2大保障體系共同構成陡河水庫管理信息平臺改造項目的總體框架。

2.2 系統分層

2.2.1 監測感知層

遵從“全面感知，實時采集”原則，對陡河水庫需要覆蓋的水雨情、水質、視頻、閘門工況、大壩安全、供水情況等信息進行監測，具體監測內容包括水庫水質、水位、雨情、供水數據、大壩安全監測數據、閘門開度及運行狀態、水庫周界保護視頻及雷達數據等信息進行動態監測采集與處理，為實現水庫管理信息平臺改造提供數據基礎。

2.2.1.1 視頻監控

對水庫周界防護區域，包括水庫建筑物、大壩、東岸、水源保護區，以及水庫管理區、防汛倉庫等進行視頻監視。其中,大壩視頻監控、封閉工程視頻監控、電子圍欄視頻監控設備為接入，安保、防汛庫視頻監控為新建并接入。

2.2.1.2 水質監測

利舊水質監測基礎設施，更新水庫庫區水質監測設備，設備監測要素包括溫度、pH值、濁度、氨氮、電導率、溶解氧、藍綠藻、高錳酸鹽指數。

2.2.1.3 水位監測

利舊水位監測基礎設施，更新水庫庫區水位監測設備，對水庫水位進行監測。

2.2.1.4 雨情監測

利舊雨情監測基礎設施，更新雨情監測設備，對降雨量進行監測。

2.2.1.5 雷達監測

在水庫周邊高點新建雷達監測點位，對水庫水面移動物體進行監測。

2.2.1.6 閘門監測

接入閘門監測設備，對水庫閘門運行狀態、開度進行監測。

2.2.1.7 供水監測

接入供水監測設備數據，對水庫供水狀態進行監測，包括取水用戶的流量、流速、累計用量、累計運行時間等數據。

2.2.1.8 大壩安全監測

接入水庫大壩安全監測數據，對大壩運行狀態進行監測。

2.2.2 基礎設施層

基礎設施層包括改造機房實體環境和會商等其他實體環境。其中,機房實體環境需購置滿足安全可靠要求的網絡設備，數據庫、應用、流媒體、存儲服務器等計算存儲設備，以及對北2樓、北4樓、南1樓機房的基礎環境進行升級；會商等其他實體環境包括新建南、北樓門廳顯示系統，南、北樓會商室、會議室顯示系統、音頻系統的升級，以及南樓空調系統的升級等內容。

2.2.3 通信網絡層

通信網絡層包括對辦公區網絡的升級，新建前端監測點位光纖線路，租用新的運營商4G網絡，以及對水利數據專網、部分運營商4G網絡、部分前端監測網絡利舊。通過對通信網絡層的建設，采用業務內網、水利數據專網、運營商4G網絡等多種通信方式混合協作的方式，將水庫中不同網域環境的個體連接成統一整體的橋梁，將采集的監測數據上傳匯集的網絡環境。

2.2.4 數據資源層

本項目在現有監測數據的基礎上，根據項目建設需要，升級動態監測庫，接入視頻監控、大壩安全、雷達、水質、閘門監測等新型數據資源；新建基礎庫、業務庫、空間庫、動態庫及文件庫，主要作用是滿足海量數據的存儲管理要求，也是系統中所有數據信息存儲與管理的邏輯表現，實現對各類數據資源的統一存儲、統一管理，以構成上冊業務應用的數據資源支撐環境，通過整合數據資源，保證數據的完整性和一致性。

2.2.5 應用支撐層

應用支撐層是連接基礎設施、數據資源和應用系統的橋梁，提供承上啟下的開放性基礎服務，是以中間件技術為核心的基礎軟件技術支撐層，其作用是實現資源的有效共享和應用系統的互連互通，為應用系統的功能實現提供技術支持、多種服務及運行環境，是實現應用系統之間、應用系統與其他平臺之間進行信息交換、傳輸、共享的核心。應用支撐層主要包括新建報表服務、消息服務、工作流引擎和用戶認證等通用類應用服務，新建視頻服務，采購部署地圖和數據庫管理服務。

2.2.6 業務服務層

業務服務層用于實現系統的核心業務邏輯，集成各業務應用系統。業務服務層是對管理信息平臺進行改造，包括新建綜合信息門戶、辦公自動化系統，整合現有信息化系統，完成洪水預報系統、供水計量系統的利舊集成，在建大壩安全監測系統數據接入，采購水雨情監測系統、水質監測系統、閘門監管系統，新建視頻監控預警系統，接入已建視頻監控設備，提升陡河水庫管理信息化水平。

3 數據庫建設原則

3.1 統一標準原則

建立數據庫最重要的是標準化，只有做到統一技術標準，才能實現數據交換和數據共享。信息分類編碼和所有的庫表采用的標準應當統一，有國家標準或行業標準的必須采用國家標準或行業標準，采用統一的數據庫表結構，包括統一的接口、開發工具和管理軟件、統一的字段標識符、項目編碼等。

3.2 信息共享原則

數據庫建設應充分利用已開發建設的及擬建設的水利系統數實用標準數據庫，如水文數據庫、工程數據庫、空間數據庫等。

3.3 安全可靠原則

必須確保綜合數據庫安全可靠運行，從系統安全、數據安全、用戶安全和應用程序安全等方面進行控制，采用多種安全機制與操作系統相結合，實現數據庫的安全保護。

3.4 實時準確原則

在數據庫設計和建設過程中，要保證數據的唯一性和完整性，減少應用中數據的轉換和誤差，字段精度應盡量準確。同時，數據庫應及時更新維護，保證數據的實時可用。

3.5 高效利用原則

數據庫為各應用系統和眾多用戶提供直接共享訪問，提高數據庫訪問速度是數據庫設計與建設過程中必須考慮的。應盡量把數據類型不同但關系密切的數據放在同一個表中，在數據查詢中應減少關聯，提高訪問速度和利用效率。

4 信息采集

現有水位、雨量、水質等各監測系統都是10a前建設的，各監測設備因型號比較老，現在也處于停產狀態，后期維護十分困難。按業主要求，本次工程需要對水位、雨量、水質等各監測設備進行更換。

4.1 水位監測

為加強對水庫的監管，在水庫布設水位采集點，為水資源調度、防汛指揮提供數據支撐。

4.1.1 性能要求

本項目所設計的水庫水文信息采集系統應滿足以下性能要求：水位觀測嚴格遵守《水位觀測標準》(GB/T 50138-2010)、《水文基礎設施建設及技術裝備標準》(SL 276-2002)、《水文自動測報 系統規范》(SL 61-2015)等標準、規范的要求。本項目水位監測裝置應具有安裝簡單、測量精度高、穩定性好和抗干擾性強的特點。

4.1.2 建設方案

布點原則:在陡河水庫建設水位采集點，共計2處。分別位于陡河水庫管理中心和豐潤區楊家營。

4.1.3 設備選型

陡河水庫目前已有的水位監測設備為浮子式水位計，本次工程仍選用浮子式水位計替換原有設備。

4.1.4 主要規格和技術參數

測量范圍0～20m；最大水位變率60cm·min-1；分辨力0.1cm；測量精度±0.2%F.S；信號輸出，12位格雷碼輸出；通信接口,RS485接口，MODBUS RTU協議；環境溫度-10～85℃；電源電壓12～24VDC。

4.2 雨量監測

本次工程替換現有7套雨量監測設備。站點位于陡河水庫管理中心，灤縣的榛子鎮、楊柳莊，遷安東蛇探峪，豐潤區楊家營、火石營，開平區黃各莊。

4.2.1 性能要求

本項目所設計的水文信息采集系統應滿足以下性能要求：雨量觀測嚴格遵守《降水量觀測規范》(SL 21-90)、《水文基礎設施建設及技術裝備標準》(SL 276-2002)、《水文自動測報系統規范》(SL 61-2015)等標準、規范的要求。

4.2.2 建設方案

在原站址上更換新的雨量監測設備。

4.2.3 設備選型

雨量監測通過建設雨量遙測站實現,利用傳感器記錄降雨量的大小,通過運營商網絡把雨量信息發送到后臺。本工程采用翻斗式雨量計。

4.2.4 主要規格和技術參數

承水口徑Φ200±0.6mm,刃口角40°～45°；測量精度≤±3%(以儀器自身排水量為準)；雨強范圍0.01～4mm·min-1(允許通過最大雨強8mm·min-1)；工作環境溫度0～50℃，空氣相對濕度不限(50℃時)。

4.3 水質監測

本期項目將對替換水庫現有的水質在線監測設備，數量為1套。監測內容：pH值、濁度、氨氮、電導率、溶解氧、藍綠藻、高錳酸鹽指數、溫度共8項參數。

4.3.1 性能要求

水質在線監測站點建設必須符合國家、行業相關標準，水質在線監測數據必須實時、準確可靠。

水質自動量程轉換、可遙控、標準輸出接口和數字顯示；自動清洗、狀態自檢和報警功能；干運轉時自動斷電保護。

水質監測系統預留擴展接口。

數據傳輸和數據存儲采用國家相關標準，方便數據共享。

4.3.2 布設點位

布設點位1個，位于陡河水庫管理中心。

4.3.3 設備選型

水質在線監測就是采用先進的水質傳感器、無線遙測設備、在線監控和數據處理軟件，實現對水質參數的連續采集、分析、存儲，并在監測指標超過污染標準時，做出污染類型分析等。水質在線監測主要有站房在線監測和浮標在線監測。

站房在線監測主要由采/排水單元、配水/清洗單元、在線自動分析儀器、數據采集/控制單元組成，為一體化產品，并且可以集成在一個柜子內，需要建設相應的土建配套設施。浮標在線監測主要由浮體單元、供電系統、系留系統、在線自動分析儀器、數據采集/控制系統、通信系統組成。站房在線監測和浮標在線監測均采用配置不同光電傳感器對水質參數進行測量。根據本工程實際情況，水質監測點位于陡河水庫管理中心。所以采用站房式在線監測方式。通過運營商4G網絡把水質信息發送到后臺。

4.3.4 主要規格和技術參數

一體化水質自動監測設計，支持可連續監測包括pH值、濁度、氨氮、電導率、溶解氧、藍綠藻、高錳酸鹽指數、溫度8種水質參數。

4.3.4.1 預處理系統

支持自清洗、反吹、精密過濾功能。

4.3.4.2 數采儀通信接口協議

支持RJ45;支持RS485。

4.3.4.3 分析儀通信接口協議

支持RS485。

4.3.4.4 工作模式

支持整點工作模式/周期工作模式/連續工作模式。

4.3.4.5 存儲容量

支持≥12個月的原始數據和運行日志。

4.3.4.6 檢測周期(測量間隔)

支持用戶自定義設置(2～24h，整點設置)。

4.3.4.7 記錄周期

支持原始數據：用戶可設置(2～24h，整點設置)；運行日志：事件觸發后實時記錄。

4.4 閘門工情信息采集

4.4.1 采集內容

主要采集包括陡河水庫現有溢洪道和輸水洞閘門改造完成后的開度信息。

4.4.2 采集方案

本項目僅從閘門現地監控系統中采集閘門開度信息，并通過光纖連接到管控中心交換機。

4.5 視頻監視

4.5.1 水庫雷達監視系統

為了有效防止亂捕現象發生，設置水庫雷達監視系統，該系統可以加大水政漁政管理的靈活性、適應性，是水政漁政監控手段的一種補充，在及時發現后取證和驅趕的工作中能夠起到非常重要的作用。

系統以水庫控制中心監控平臺為基礎，集成前端2處雷達站點組成。前端2處站點的雷達系統掃描范圍全覆蓋指定區域(因水域環境不同，每部雷達系統覆蓋固定站點負責水域)，采集回波數據，經信號處理后由網絡傳輸實時發送雷達數據(目標大小、位置、速度等)至漁政科監控中心。同時，漁政科監控中心監控平臺也可以通過網絡遠程控制的方法，對相應的雷達系統完成需要的操作，可以在任何時間下，通過監控平臺實時監測水面不明移動物體軌跡，有效地解決了在不利環境下執法難的問題。在雷達實時工作情況下雷達波呈現以站點為中心360°掃波推進，因水域環境不同，每部雷達覆蓋固定站點負責水域，可在人眼視力范圍上拓展監控距離。在每個分站點，雷達系統將由收發單元采集到的數據發送到雷達主機，經雷達主機信號處理后，通過光纖網絡直連傳輸的方式發送到漁政科監控平臺服務器。最終，兩處雷達站點的雷達數據將在管理信息平臺匯總，覆蓋全部監控水域，提高監管效率。

站址選擇：小馬家峪、栗園。

4.5.2 封閉工程視頻接入系統

此系統已經施工完畢，控制接點位于水源保護科監控室，只需將視頻通過光纖接入即可，不做詳細介紹。

4.5.3 水庫視頻監視系統

此系統與水庫雷達監視系統聯動，采用3臺高清遠程云臺攝像機，其中2個安裝位置與雷達設備一致，另一個位置設在安瀾塔。當雷達捕獲庫面移動物體時，在雷達主機報警的同時，聯動相關的云臺攝像機對物體進行影像捕獲，同時影像留存。攝像機視頻通過光纖接入管控中心機房。

4.5.4 防汛物資儲備庫視頻監控系統

現有16個模擬攝像頭，本次工程建設內容為在源位置將模擬攝像機更換成數字攝像機，新增1臺24口交換機用于視頻信號匯聚。通過光纖網路傳到管控中心機房，視頻數據存儲在管控中心機房的網絡視頻錄像機上。

4.5.5 閘門控制室監控改造

輸水洞控制室和溢洪道控制室分別安裝2臺數字攝像機，攝像機通過壁裝弱電箱內的PoE交換機匯集后再通過光纜引至管理中心機房。

4.5.6 安保科視頻監控改造

將安保科現有26臺攝像機無夜視功能，全部更換為帶夜視功能的數字攝像機。安保科視頻通過光纖接入管控中心機房。

4.5.7 碼頭園視頻監控改造

只需將視頻通過光纖接入管控中心機房即可。

4.5.8 大壩監控視頻改造

大壩原有6個模擬攝像機，本次工程建設內容為源址更換為數字攝像機，數量為6個。在大壩水尺的位置新增一路數字攝像機，安裝在離大壩水尺最近的路燈桿上，配置弱電箱，內安裝安裝空開、浪涌、插板、光纖收發器，攝像機的信號通過光纜連接到管理中心機房。

5 升級改造后對水庫管理的提升

此次升級改造還在如火如荼的進行中，部分工程已經完成布線、軟件開發、設備采購，通過此次大范圍的改造，陡河水庫信息管理上升了一個大臺階，對大壩安全監測、水質監測、水雨情、洪水預報等都有質的提升，把水庫管理工作做的更好，多攔洪，保供水，促發展，保安全，把唐山的水利事業發展到新高度。