龍溪水庫綜合信息管理系統平臺的研發與實踐

施達棟，張仁貢

（1.天臺縣龍溪水庫事務中心，浙江 天臺 317200；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

1 引言

浙江省天臺縣龍溪水庫建于1990 年，它是一座綜合性中型水庫，具有防洪、灌溉、供水和發電等功能，水庫集雨面積35.5 km2，水庫正常蓄水位為398 m，電站裝機容量為2×8 000 kW。由于水庫運行時間較長，存在水庫視頻監控老化、水庫人工調度不科學，大壩安全監測未實現自動化、管理手段和模式不符合現代化的要求等缺點，為此開展水庫綜合信息管理系統平臺的研發與實踐，主要內容包括：

（1）視頻監視系統。該系統要求在原來系統基礎上建設為全數字視頻監控系統，原來的攝像頭改為高清視頻監控，對水庫管理區域和主要設施實現動態監視，更好地掌握水庫的運行情況。

（2）大壩安全自動化監測系統。該系統將原來人工監測和半人工監測，改為全自動監測，實現大壩位移、沉降、滲漏等全自動數據采集、匯總到平臺。

（3）洪水預警預報系統。依據上游的水雨情、集雨面積的計算，實現洪水預警預報模型的建設。

（4）綜合信息化管理平臺。將視頻監視系統、大壩安全自動化監測系統和洪水預警預報系統等匯集到平臺，同時實現水雨情、工情、管理流程等在平臺上綜合實現，并與上級管理平臺無縫對接。

2 核心技術

2.1 大壩安全自動化監測技術

龍溪水庫的大壩安全監測是半自動加人工模式，本次研究和建設主要針對大壩表面變形、水平位移和垂直位移、壩體內部變形、裂縫和滲流等方面的監測。表面變形監測實現了39 個點的自動化監測，其中2 個為水準基點，分布在大壩的左右岸；21個點為一般監測點，位于壩頂下游側和兩條馬道處；6 個為校核基點，位于壩頂的下游側；6 個為工作基點，位于兩條馬道兩頭的積巖上；位移監測為4 個點，分別為2 個大壩下游兩處觀測房位移測點和2個起測基點。壩體內部的變形監測包括內部垂直沉降和水平位移兩個方面的監測，其中壩體內部的垂直沉降監測有10 個監測點，分別位于385 m 高程（2個點），372.1 m 高程（4 個點）和361.5 m 高程（4 個點）；壩體的水平位移監測位在373.042 m 高程（1 個點）。大壩面板的周邊縫位移監測共有5 個點，監測采用三向測縫計，位于TS1、TS2、TS4、TS5 位置，其中TS3 采用二向測縫計，位于水庫的河谷底；而TS2 和TS4 位置的監測點位于水庫死水位以下位置。滲流監測在壩體下游測量水堰三角堰板處，如圖1 所示。

圖1 龍溪水庫量水堰儀安裝示意圖

從圖1 可知，下游測量水堰三角堰板處增加安裝滲流監測儀，通過RS485 接口，將數據傳輸到壩頂管理房的RTU，然后通過RTU 光纖傳輸到集控中心及云端管理平臺數據庫。

2.2 視頻監控技術及系統升級

龍溪水庫視頻監控系統采用了4.8 G 全數字網絡視頻監控系統，實現了遠程建網和視頻信號傳輸，在庫區通過4.8 G 立桿基站聯網，實現了完全覆蓋無死角。4.8 G 通信具有頻率高，傳播距離長的特點，采用鋪設光纖網絡，可在庫區范圍內布設數字攝像頭，新的視頻監控系統具備了很好的擴展性、靈活性和可拓性。整套監控系統主要由3 個部分組成：前端部分、傳輸部分、中心部分，如圖2 所示。

圖2 4.8 G 網絡監控系統結構圖

從圖2 可知，視頻監控與喇叭通過無線基站，傳輸到總基站，總基站可以通過光纖專線與交換機鏈接，由路由器接入云數據庫，可以實現平臺和移動端的視頻監控。在管理中心配置一臺視頻錄像和監控服務器，用于存儲視頻圖像數據，便于存儲、跟蹤和回放等功能。

2.3 洪水預報與調度系統

本次洪水預警預報與調度系統采用新安江模型和垂直方向改進型遺傳算法進行構架，實現了實時洪水調度、出庫流量調度、給定最高控制水位調度和歷史洪水調度分析等功能。新安江模型是一個成熟的模型，本文不作累述，重點介紹垂直方向改進型遺傳算法。垂直方向改進型遺傳算法在傳統的遺傳算法基礎上進行垂直方向的改進，采用垂直干擾變量，實現在某點上目標函數值產生最大的變化，使得染色體在進化過程中按照垂直方向進行群體搜索，以便能夠加快算法的收斂速度，而不影響其精確性。

該方法需構造螺旋函數G(x)，用以垂直干擾函數逼近求解結果。針對優化最小值求解：min f（x）X=[x1，x2，…xn]，設在第t次遺傳迭代時，在xt處產生λ個服從均值為0、計算其標準方差為σt/n0.5的隨機矢量高斯分布Zi（i=1，…，λ）。令Ti=Xt+Zi，定義：

稱g（Xt）為函數f（X）在點Xt的垂直方向改進型逼近函數。

采用新安江模型和垂直方向改進型遺傳算法實現龍溪水庫洪水預警預報系統如下一些功能：

（1）實時洪水調度。根據龍溪水庫的入庫流量過程線，進行自動洪水調節計算；再依據批復的防洪調度原則，計算出庫流量過程、最高洪水水位、最高洪水位發生的時間、入庫洪水總量和出庫洪水總量等，并進行入庫處理。

（2）出庫流量調度。當給定出庫流量的過程，以人機交互的方式，系統可以進行洪水調節計算，從而得到最高洪水水位、入庫洪水總量、最高洪水位發生的時間和出庫洪水總量等。

（3）最高控制水位調度。當給定需要控制的最高水位時，以人機交互的方式，進行洪水計算調節，從而得到出庫流量過程、入庫洪水總量、最高洪水位發生的時間和出庫洪水總量等。

（4）歷史洪水調度分析。系統可以將歷史洪水調度結果以圖、表方式輸出進出庫流量、庫水位、最大洪峰流量、最高水位、洪水總量等特征值，并將本次特征值與以前洪水進行分析比較，找出歷時洪水的洪峰、洪量、洪水位、頻率、重現期，對洪水洪峰的大小、洪水傳播的路徑、洪水的危害程度進行更為準確的分析，分析界面如圖3 所示。

圖3 歷史洪水調度分析主界面

2.4 數據庫技術

本次數據庫集成可開發包括數據收集及整理、數據集成及綜合數據庫、數據管理及數據服務等方面，數據庫總體流程如圖4 所示。

圖4 數據庫流程框架圖

從圖4 可知，數據庫感知體系上傳的數據通過網絡進入ETL數據采集平臺，經過接收、清洗、轉換、加載等流程，進入Hadoop 大數據平臺，通過存儲或計算進入數據訪問SQLAPI 數據訪問引擎。針對龍溪水庫綜合平臺的數據庫構架，實現下列功能：

（1） 數據采集與整編。包括水情和雨情的監測、視頻監控、閘門工情的監控等各類實時數據的采集、分析和處理，按照數據庫標準接口寫入綜合數據庫。

（2） 數據集成及綜合數據庫。綜合集成新建和歷史系統，打破數據孤島，建立綜合型統一的數據倉庫和統一的數據訪問機制。新建的信息系統采用了不同用戶權限配置、不同權限數據訪問機制和多個不同應用業務的協同機制，達到了信息數據資源共享和業務應用協同的目標。對各歷史系統依據一定數據處理規則，對數據開展同步、協調、抽取、分析和處理，并進入綜合數據倉庫系統。

（3） 數據倉庫管理和數據協同服務。建立了數據倉庫管理和數據協同服務統一管理平臺，實現了監控網絡與管理信息之間的總線數據交換，形成了數據倉庫管理和數據協同服務的統一平臺。通過對實時數據倉庫、歷史數據倉庫、關聯數據倉庫、文件數據倉庫、模型數據倉庫、中間件數據庫倉庫等標準接口的訪問，實現了對水庫基本數據、視頻監控數據、大壩安全監測數據、地理信息數據、全景圖數據等各類數據的管理、存儲、分析、處理及各個平臺的數據交互。

2.5 綜合信息管理軟件系統

龍溪水庫綜合信息管理平臺包括信息總覽、基礎管理、運行管理、安全管理、應急管理、維養管理、庫區管理、安全生產標準化考核、移動應用等功能模塊。該平臺基于云計算架構搭建，與上級監管平臺無縫對接，基于地理信息技術對水雨情、工情、視頻等各類信息的一張圖展示?；贘AVA 技術實現移動巡查應用支撐，實現責任管理與權限、運行管理與維護、安全鑒定和評估、安全監督與檢查、維修養護與管理、隱患治理與排查、教育培訓與咨詢、應急管理與響應、制度與規章建設、標準考核與驗收等各環節的流程化管理?；谝苿覣PP 技術實現移動巡檢與巡查，包括巡查任務的制定、巡檢內容的分配、巡查路線和時間的制定、巡查節點和檢查項目的配置以及完善巡查日志。移動OA 可以實現信息上傳、信息通知、綜合監視、指揮調度、工程復核、應急通訊等功能。

3 結束語

通過本項目的研究與實踐，對水庫的管理進行信息化提升，實現了水庫管理的標準化和現代化。本研究實現了龍溪水庫的視頻全覆蓋、大壩安全自動化監測、洪水預警預報與調度、數據庫集成與服務以及綜合信息平臺的研發工作，提升了龍溪水庫的安全運行管理水平和發電效率，充分發揮了水庫的社會效益與經濟效益。