淺論蘭溪河道堤防數(shù)字化管理實(shí)踐論文
1項(xiàng)目背景
河道堤防是水利工程的主體，用于控制和調(diào)配自然界的地表水和地下水，以達(dá)到除害興利目的。它主要用于排澇防洪、保水固土，還可用于生態(tài)環(huán)境建設(shè)。堤防工程建成以后，為了減少它們?cè)谧匀涣腿祟惢顒?dòng)等諸多因素作用下遭受侵蝕和破壞，以及能及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情并加以排除，使其真正發(fā)揮本身所具有的作用，就必須對(duì)河道堤防實(shí)施管理，而且必須采用現(xiàn)代化的管理手段。因此，建立河道堤防的數(shù)字化管理控制系統(tǒng)就成為其發(fā)展的必然趨勢(shì)。
2河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路
蘭溪市是浙江省重點(diǎn)防洪縣市，地處衢江、金華江和蘭江三江交匯處的蘭溪。每到汛期，一旦發(fā)生洪水，極易遭受洪澇災(zāi)害，潰壩事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重危害著沿線居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，加強(qiáng)對(duì)河道堤防的日常管理、巡視、維護(hù)，即成了當(dāng)務(wù)之急。
蘭溪市三江五溪的主要河段已建堤防為160km(其中，用于農(nóng)防148km;用于城防為12km);已建的各類防洪閘門36座;已建成并投入運(yùn)行的排澇站有31座，88臺(tái)機(jī)組的總裝機(jī)容量為4782kW·h。此次項(xiàng)目是以蘭溪市錢塘江農(nóng)防加固工程為試驗(yàn)段，并與堤防主體工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)同步進(jìn)行。
在蘭溪市河道堤防管理所內(nèi)，建立了河道堤防數(shù)字化管理控制中心，下設(shè)現(xiàn)地?cái)?shù)字化標(biāo)識(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng)、移動(dòng)巡檢辦公系統(tǒng)、便攜式實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視系統(tǒng)、24座閘站的現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng)、23座泵站的現(xiàn)地計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)視系統(tǒng)、水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、防洪防汛堤壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Echoscope三維實(shí)時(shí)聲學(xué)成像聲納系統(tǒng))、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)等9個(gè)子系統(tǒng)。通過(guò)控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)上述9個(gè)子系統(tǒng)的管理控制、通信調(diào)度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有實(shí)情數(shù)據(jù)、信息的采集、存儲(chǔ)、共享、發(fā)布以及上傳功能，并使河道堤防數(shù)字化管理控制中心與上級(jí)河道堤防行政管理部門、上級(jí)防汛指揮調(diào)度中心相互間做到高效的信息交換及資源的共享，為相關(guān)部門的工作人員提供其所需的準(zhǔn)確、可靠、快捷的數(shù)據(jù)和信息。
3河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)概述
蘭溪河的河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)采用開(kāi)放的分層分布式結(jié)構(gòu)，共分為2級(jí)，即河道堤防控制中心層和現(xiàn)地控制層(現(xiàn)地各網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等)。2級(jí)之間采用光纖以太網(wǎng)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸和交換。因此，系統(tǒng)由河道堤防控制中心層(即數(shù)字化管理控制中心)、現(xiàn)地控制層(即9個(gè)子系統(tǒng))以及通信網(wǎng)絡(luò)(即以太網(wǎng)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò))三大部分組成。
河道堤防控制中心層通過(guò)對(duì)現(xiàn)有河道資源信息數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，建立河道堤防數(shù)字化管理控制的系統(tǒng)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)的管理控制、通信調(diào)度，并實(shí)現(xiàn)與上級(jí)(各級(jí))行政管理部門、上級(jí)(各級(jí))防汛指揮調(diào)度中心的通信調(diào)度。同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)河道資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、日常管理、應(yīng)急管理、對(duì)內(nèi)服務(wù)、對(duì)外服務(wù)等管理控制功能�，F(xiàn)地控制層即9個(gè)子系統(tǒng)，各司其職，為蘭溪河道的堤防管理控制提供信息管理基礎(chǔ)。同時(shí)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng))、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(包括3G網(wǎng)絡(luò))相連接，從而構(gòu)成河道堤防管理控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地控制管理。
3.2管理控制中心
3.2.1系統(tǒng)軟件平臺(tái)總體構(gòu)架
系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，選用MicrosoftVisualStudio和FlashBuilder為主體開(kāi)發(fā)工具，并結(jié)合先進(jìn)的GIS技術(shù)、技術(shù)框架、中間件技術(shù)等，進(jìn)行二次研發(fā)。該系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)包括5個(gè)主要層次，自上而下依次為:應(yīng)用層(即系統(tǒng)具體的功能應(yīng)用)、支撐層(即實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能具體的軟件支撐)、數(shù)據(jù)層(即數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容)、硬件與網(wǎng)絡(luò)層(即系統(tǒng)運(yùn)行的配套硬件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境)以及河道感知層(即數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng))。總體上，系統(tǒng)的建設(shè)將通過(guò)中間件架構(gòu)訪問(wèn)5個(gè)主要架構(gòu)層，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各專題服務(wù)之間的`相互調(diào)用、相互觸發(fā)與數(shù)據(jù)交換來(lái)最終實(shí)現(xiàn)對(duì)各種專題服務(wù)的總體集成。
系統(tǒng)軟件平臺(tái)亦即信息化體系，其應(yīng)用功能主要是針對(duì)河道堤防管理者對(duì)河道的堤防管理、日常運(yùn)行維護(hù)所需要的各類業(yè)務(wù)的運(yùn)行與管理工作提供支撐。該體系主要包含如下內(nèi)容:河道資源基礎(chǔ)信息管理模塊;現(xiàn)地?cái)?shù)字化標(biāo)識(shí)管理模塊;現(xiàn)地視頻監(jiān)視模塊;移動(dòng)巡檢辦公信息管理模塊;便攜式視頻監(jiān)視系統(tǒng)模塊;水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊;堤防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊;辦公信息化管理模塊;泵站現(xiàn)地計(jì)算機(jī)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)模塊以及閘站現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng)模塊。
3.2.2硬件配置
硬件配置選用具有無(wú)限擴(kuò)展及靈活集成能力的各類先進(jìn)的主機(jī)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備。主要由3套主機(jī)/操作員工作站、1套工程師工作站、1套通信工作站、1套辦公自動(dòng)化系統(tǒng)工作站、1套視頻監(jiān)視工作站、1套UPS電源柜、1套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備柜、1套服務(wù)器柜、1套GPS同步時(shí)鐘裝置、5臺(tái)漢字網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、1套大屏幕多媒體投影設(shè)備以及1套微機(jī)控制臺(tái)等組成。
主機(jī)/操作員工作站功能包括對(duì)整個(gè)工程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的管理，數(shù)據(jù)庫(kù)管理，在線及離線計(jì)算功能，各圖表、曲線的生成，事故故障信號(hào)的分析處理等;同時(shí)供運(yùn)行值班人員使用，具有圖形顯示、運(yùn)行監(jiān)視和控制功能、發(fā)操作控制命令、作定值修改、設(shè)定與變更工作方式等功能。其中，1臺(tái)工作站為大屏幕多媒體投影設(shè)備專用;其余2臺(tái)工作站中的1臺(tái)為主站，另1臺(tái)為備站，互為熱備用。當(dāng)主站發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將備站切至主站，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。也可以由操作人員進(jìn)行鼠標(biāo)切換。
工程師工作站承擔(dān)調(diào)試和員工仿真培訓(xùn)方面的工作。遠(yuǎn)動(dòng)所需的各種信息量直接由通信工作站發(fā)送，同時(shí)，該通信工作站還作為與上級(jí)河道堤防行政管理部門、上級(jí)防汛指揮調(diào)度中心交流信息的通道。
3.3現(xiàn)地控制層
3.3.1現(xiàn)地?cái)?shù)字化標(biāo)識(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
現(xiàn)地?cái)?shù)字化標(biāo)識(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是河道堤防基礎(chǔ)地理信息的支撐系統(tǒng)，是智慧河道感知層的重要組成部分。由數(shù)字化標(biāo)識(shí)器和管理軟件組成，通過(guò)對(duì)河道堤防主要水工建筑物資源信息進(jìn)行編碼，將河道堤防主要水工建筑物(如:泵站、水閘、堤防、滾水堰、橋梁等)的基本特征的相關(guān)數(shù)據(jù)(即有關(guān)河道堤防的各類信息)進(jìn)行現(xiàn)地的存儲(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主要水工建筑物的標(biāo)簽定位以及聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，通過(guò)與移動(dòng)巡檢辦公系統(tǒng)的結(jié)合，可用于河道堤防的日常維護(hù)和使用。
3.3.2現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng)
為降低工程投資，系統(tǒng)僅在每個(gè)防洪圍片泵站、閘站較集中的部位或有新建滾水堰的部位，設(shè)置1～2個(gè)現(xiàn)地視頻監(jiān)視站點(diǎn)，共設(shè)置14個(gè)監(jiān)視站點(diǎn)。
每個(gè)視頻監(jiān)視點(diǎn)設(shè)備包括:立桿、戶外不銹鋼箱及1臺(tái)室外一體化網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。每個(gè)視頻監(jiān)視站點(diǎn)的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)同時(shí)將周圍泵站攝像機(jī)的實(shí)時(shí)圖像及運(yùn)行信息、閘站攝像機(jī)的實(shí)時(shí)圖像，通過(guò)以太網(wǎng)(光纜)傳送至河道堤防數(shù)字化管理控制中心。
河道堤防數(shù)字化管理控制中心運(yùn)行管理人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)督和掌握河道、堤防、已建主要水工建筑物的運(yùn)行情況以及安全狀況。同時(shí)，也是為了保障有效地應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，滿足河道堤防的日常維護(hù)管理要求和汛期防汛抗洪方面的要求。
3.3.3移動(dòng)巡檢辦公系統(tǒng)
在技術(shù)結(jié)構(gòu)上，可將移動(dòng)巡檢辦公系統(tǒng)分為移動(dòng)讀寫前端、3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、管理控制中心等3個(gè)部分。該辦公系統(tǒng)是基于Android4.4.2系統(tǒng)，使用JAVA在NDK基礎(chǔ)上進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)的;使用http協(xié)議，通過(guò)json與服務(wù)端交互數(shù)據(jù);使用開(kāi)源GIS地圖引擎系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)移動(dòng)讀寫前端內(nèi)嵌的芯片獲取數(shù)字化標(biāo)識(shí)中相應(yīng)的工程信息，并通過(guò)GPS定位功能，實(shí)現(xiàn)在GIS地圖上顯示最新的實(shí)時(shí)位置以及發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)上傳上報(bào)等功能。
系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)建立私有通信隧道，形成一個(gè)虛擬的局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外業(yè)巡檢管理人員進(jìn)行即時(shí)定位、實(shí)時(shí)追蹤巡查與巡檢軌跡、調(diào)度管理、無(wú)線考勤等目的;外業(yè)巡檢管理人員可現(xiàn)地讀取數(shù)字化標(biāo)識(shí)系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的有關(guān)河道堤防的各類信息，并可隨時(shí)查詢附近的各種水利設(shè)施設(shè)備的屬性信息及周圍環(huán)境等，隨時(shí)記錄存儲(chǔ)巡檢時(shí)獲得的實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題有處上報(bào)、需要資料有處查找以及能及時(shí)處理手頭工作。
3.3.4便攜式實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視系統(tǒng)
為降低蘭溪市錢塘江農(nóng)防加固工程的建設(shè)投資，現(xiàn)地控制層的9個(gè)子系統(tǒng)中的現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng)僅設(shè)置了14個(gè)監(jiān)視站點(diǎn)。然而，要實(shí)現(xiàn)對(duì)河道資源、險(xiǎn)工險(xiǎn)段、河道堤防重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域(如:取水口、排污口、采砂段、涉河項(xiàng)目建設(shè)段等)、河道堤防重要部位(包括主要通道口等)、泵站、閘站進(jìn)行遠(yuǎn)程有效的全天候視頻監(jiān)控，僅靠14個(gè)監(jiān)視站點(diǎn)是無(wú)法完全滿足要求的。
為真正實(shí)現(xiàn)對(duì)河道堤防的全方位、立體化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的縱深遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，同時(shí)，也為了使防汛抗洪指揮部在防汛抗洪期間更方便、實(shí)時(shí)、全面地掌握河道堤防的動(dòng)態(tài)實(shí)情，針對(duì)即將設(shè)立的女埠上街、香溪香五、蘭江下金、云山黃湓、上華澎村、靈洞石關(guān)、游埠郎家7個(gè)堤防維護(hù)管理站，另外還設(shè)置了7套便攜式實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視系統(tǒng)。該便攜式實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視系統(tǒng)，由外業(yè)巡檢管理人員移動(dòng)巡檢辦公時(shí)配套使用，主要用于河道堤防的日常維護(hù)工作和防汛抗洪期間的臨時(shí)應(yīng)急遠(yuǎn)程調(diào)度指揮。
3.3.5水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)
對(duì)蘭溪市錢塘江農(nóng)防加固工程設(shè)置有1套水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由水情測(cè)報(bào)中心站系統(tǒng)、7處水位遙測(cè)站(點(diǎn))及多套人工水位觀測(cè)水尺組成。
水情測(cè)報(bào)中心站系統(tǒng)設(shè)在河道堤防數(shù)字化管理控制中心，水位遙測(cè)站和觀測(cè)水尺則有現(xiàn)地布置。水位遙測(cè)站采用水位傳感器來(lái)采集水位數(shù)據(jù)，通過(guò)現(xiàn)地遙測(cè)終端進(jìn)行控制，并通過(guò)無(wú)線方式傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。遙測(cè)站現(xiàn)地供電方案采用蓄電池供電，并通過(guò)太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。
人工水位觀測(cè)水尺安裝在所觀測(cè)位置的豎直表面上，個(gè)別地方無(wú)安裝位置豎直表面的，則將人工水位觀測(cè)水尺制作安裝成鋼混結(jié)構(gòu)的水尺樁。
3.3.6閘站現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng)
為實(shí)現(xiàn)對(duì)各閘站進(jìn)行遠(yuǎn)程有效的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視，在24個(gè)閘站分別設(shè)置了1套戶外攝像機(jī)，將閘站中各閘門運(yùn)行位置的實(shí)時(shí)圖像，通過(guò)以太網(wǎng)(光纜)傳送至河道堤防數(shù)字化管理控制中心，用于河道堤防的管理維護(hù)。運(yùn)行管理人員可實(shí)時(shí)監(jiān)督和掌握河道、堤防、已建主要水工建筑物的運(yùn)行情況及安全狀況，同時(shí)，也為有效地應(yīng)對(duì)突發(fā)事件提供了保障。
3.3.7泵站現(xiàn)地計(jì)算機(jī)及視頻監(jiān)視系統(tǒng)
對(duì)每座泵站均設(shè)置了現(xiàn)地計(jì)算機(jī)及視頻監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括2套攝像機(jī)和1套I/O箱(內(nèi)部設(shè)置1套數(shù)據(jù)采集控制單元和1套網(wǎng)絡(luò)交換機(jī))，將泵站的實(shí)時(shí)圖像和泵組運(yùn)行信息，通過(guò)以太網(wǎng)(光纜)經(jīng)現(xiàn)地視頻監(jiān)視站點(diǎn)傳送至河道堤防數(shù)字化管理控制中心。管理控制中心的運(yùn)行管理人員可實(shí)時(shí)監(jiān)督和掌握23座泵站的泵組運(yùn)行情況及安全狀況，同時(shí)，可為有效地應(yīng)對(duì)突發(fā)事件提供保障，滿足河道堤防的日常維護(hù)管理方面的需求以及汛期防汛抗洪的要求。
3.3.8防洪防汛堤壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
“防洪防汛堤壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”是水利部“948”引進(jìn)項(xiàng)目、浙江省水利科技推廣與發(fā)展中心引進(jìn)項(xiàng)目，由英國(guó)CodaOctopus公司提供，稱為Echoscope三維實(shí)時(shí)聲學(xué)成像(Real-time3DAcousticImaging)聲納系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對(duì)不同水域的狀況完成水下細(xì)搜掃測(cè)作業(yè)。采用Echoscope三維圖像聲納系統(tǒng)，能確保在50m以內(nèi)的監(jiān)測(cè)特征尺寸不小于50cm的懸浮、沉底的不明可疑物體，近距離可分辨3cm以上的建筑物裂縫，是水下隱患探測(cè)的重要工具。同時(shí)，該系統(tǒng)也是目前世界上唯一在零能見(jiàn)度的條件下能夠快速檢測(cè)和探測(cè)水下大范圍內(nèi)可疑目標(biāo)或IED(簡(jiǎn)易爆炸裝置)的三維聲成像聲納。
4結(jié)語(yǔ)
蘭溪市錢塘江農(nóng)防加固工程范圍為富春江水庫(kù)庫(kù)區(qū)回水堤防，工程項(xiàng)目涉及14個(gè)防洪圩片，加固堤防總長(zhǎng)度為56.67km，其中8.69km長(zhǎng)的堤防為維持現(xiàn)有的防洪標(biāo)準(zhǔn)，僅做護(hù)岸。另外，涉及沿堤排澇站新建、更新改建共有23座，沿堤節(jié)制閘新建、拆建、更新改建的共有24座，新建滾水堰6座以及管理站7個(gè)。
針對(duì)農(nóng)防加固工程而建設(shè)的蘭溪市河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)，引入了新一代的物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、決策分析優(yōu)化、無(wú)線寬帶等信息技術(shù)與概念。依托這些新技術(shù)，通過(guò)感知化、互聯(lián)化、智能化的方式，將河道堤防資源中的物理基礎(chǔ)設(shè)施、信息基礎(chǔ)設(shè)施、社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等連接起來(lái)，可以提高河道堤防管理水平與服務(wù)效率，使之成為可以指揮決策、實(shí)時(shí)反應(yīng)、協(xié)調(diào)運(yùn)作的“智慧化系統(tǒng)”;實(shí)現(xiàn)了河道堤防管理的現(xiàn)代化(即數(shù)字化、信息化)和規(guī)范化，使管理效率得以大大提高。
為使蘭溪河道堤防數(shù)字化管理系統(tǒng)更完善，后續(xù)還將研發(fā)“洪水風(fēng)險(xiǎn)圖應(yīng)用與管理”的應(yīng)用軟件。將通過(guò)對(duì)工程各區(qū)域的防洪風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，建設(shè)相應(yīng)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖應(yīng)用與管理軟件，為工程洪水風(fēng)險(xiǎn)管理、防汛決策、搶險(xiǎn)救災(zāi)提供有力的技術(shù)支撐;還將應(yīng)用4G視頻技術(shù)建立便攜式實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視系統(tǒng)，以更好地發(fā)揮管理控制中心的遠(yuǎn)程調(diào)度指揮作用;為提高現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)答的及時(shí)性，將新增1套網(wǎng)絡(luò)尋呼話筒、1套網(wǎng)絡(luò)廣播軟件，在防汛抗洪期間，通過(guò)廣播對(duì)話管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程內(nèi)各泵站、閘站的應(yīng)急遠(yuǎn)程調(diào)度指揮。
建設(shè)河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)只是開(kāi)頭，系統(tǒng)建成以后的應(yīng)用和維護(hù)才是關(guān)鍵。希望通過(guò)該系統(tǒng)建設(shè)的探索實(shí)踐，為類似河道堤防的管理提供可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
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