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淺論蘭溪河道堤防數(shù)字化管理實踐論文
1項目背景
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，為了減少它們在自然力和人類活動等諸多因素作用下遭受侵蝕和破壞，以及能及時發(fā)現(xiàn)險情并加以排除，使其真正發(fā)揮本身所具有的作用，就必須對河道堤防實施管理，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。
2河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)設(shè)計思路
蘭溪市是浙江省重點防洪縣市，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，潰壩事故時有發(fā)生，嚴重危害著沿線居民的生命財產(chǎn)安全。因此，加強對河道堤防的日常管理、巡視、維護，即成了當務(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;已建成并投入運行的排澇站有31座，88臺機組的總裝機容量為4782kW·h。此次項目是以蘭溪市錢塘江農(nóng)防加固工程為試驗段，并與堤防主體工程的設(shè)計、建設(shè)同步進行。
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)地數(shù)字化標識監(jiān)測系統(tǒng)、現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng)、移動巡檢辦公系統(tǒng)、便攜式實時視頻監(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)地計算機視頻監(jiān)視系統(tǒng)、水情監(jiān)測系統(tǒng)、防洪防汛堤壩安全監(jiān)測系統(tǒng)(Echoscope三維實時聲學(xué)成像聲納系統(tǒng))、辦公自動化系統(tǒng)等9個子系統(tǒng)。通過控制中心實現(xiàn)對上述9個子系統(tǒng)的管理控制、通信調(diào)度，同時實現(xiàn)所有實情數(shù)據(jù)、信息的采集、存儲、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河道堤防行政管理部門、上級防汛指揮調(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
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)采用開放的分層分布式結(jié)構(gòu)，共分為2級，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)交換機等)。2級之間采用光纖以太網(wǎng)及無線網(wǎng)絡(luò)實現(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個子系統(tǒng))以及通信網(wǎng)絡(luò)(即以太網(wǎng)及無線網(wǎng)絡(luò))三大部分組成。
河道堤防控制中心層通過對現(xiàn)有河道資源信息數(shù)據(jù)進行綜合分析，建立河道堤防數(shù)字化管理控制的系統(tǒng)平臺，以實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的管理控制、通信調(diào)度，并實現(xiàn)與上級(各級)行政管理部門、上級(各級)防汛指揮調(diào)度中心的通信調(diào)度。同時，還能實現(xiàn)河道資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、日常管理、應(yīng)急管理、對內(nèi)服務(wù)、對外服務(wù)等管理控制功能�，F(xiàn)地控制層即9個子系統(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，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過有線網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng))、無線網(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)，實現(xiàn)隨時隨地控制管理。
3.2管理控制中心
3.2.1系統(tǒng)軟件平臺總體構(gòu)架
系統(tǒng)軟件平臺采用B/S架構(gòu)，選用MicrosoftVisualStudio和FlashBuilder為主體開發(fā)工具，并結(jié)合先進的GIS技術(shù)、技術(shù)框架、中間件技術(shù)等，進行二次研發(fā)。該系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)包括5個主要層次，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)庫內(nèi)容)、硬件與網(wǎng)絡(luò)層(即系統(tǒng)運行的配套硬件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境)以及河道感知層(即數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng))�？傮w上，系統(tǒng)的建設(shè)將通過中間件架構(gòu)訪問5個主要架構(gòu)層，以實現(xiàn)對各專題服務(wù)之間的相互調(diào)用、相互觸發(fā)與數(shù)據(jù)交換來最終實現(xiàn)對各種專題服務(wù)的總體集成。
系統(tǒng)軟件平臺亦即信息化體系，其應(yīng)用功能主要是針對河道堤防管理者對河道的堤防管理、日常運行維護所需要的各類業(yè)務(wù)的運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)地數(shù)字化標識管理模塊;現(xiàn)地視頻監(jiān)視模塊;移動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)測系統(tǒng)模塊;堤防安全監(jiān)測系統(tǒng)模塊;辦公信息化管理模塊;泵站現(xiàn)地計算機、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限擴展及靈活集成能力的各類先進的主機、存儲網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備。主要由3套主機/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同步時鐘裝置、5臺漢字網(wǎng)絡(luò)打印機、1套大屏幕多媒體投影設(shè)備以及1套微機控制臺等組成。
主機/操作員工作站功能包括對整個工程綜合自動化系統(tǒng)的管理，數(shù)據(jù)庫管理，在線及離線計算功能，各圖表、曲線的生成，事故故障信號的分析處理等;同時供運行值班人員使用，具有圖形顯示、運行監(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臺工作站為大屏幕多媒體投影設(shè)備專用;其余2臺工作站中的1臺為主站，另1臺為備站，互為熱備用。當主站發(fā)生故障時，系統(tǒng)會自動將備站切至主站，以保證系統(tǒng)的實時性和可靠性。也可以由操作人員進行鼠標切換。
工程師工作站承擔調(diào)試和員工仿真培訓(xùn)方面的工作。遠動所需的各種信息量直接由通信工作站發(fā)送，同時，該通信工作站還作為與上級河道堤防行政管理部門、上級防汛指揮調(diào)度中心交流信息的通道。
3.3現(xiàn)地控制層
3.3.1現(xiàn)地數(shù)字化標識監(jiān)測系統(tǒng)
現(xiàn)地數(shù)字化標識監(jiān)測系統(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)字化標識器和管理軟件組成，通過對河道堤防主要水工建筑物資源信息進行編碼，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)進行現(xiàn)地的存儲，以實現(xiàn)對主要水工建筑物的標簽定位以及聯(lián)網(wǎng)。同時，通過與移動巡檢辦公系統(tǒng)的結(jié)合，可用于河道堤防的日常維護和使用。
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個現(xiàn)地視頻監(jiān)視站點，共設(shè)置14個監(jiān)視站點。
每個視頻監(jiān)視點設(shè)備包括:立桿、戶外不銹鋼箱及1臺室外一體化網(wǎng)絡(luò)攝像機。每個視頻監(jiān)視站點的環(huán)網(wǎng)交換機同時將周圍泵站攝像機的實時圖像及運行信息、閘站攝像機的實時圖像，通過以太網(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行管理人員可以實時監(jiān)督和掌握河道、堤防、已建主要水工建筑物的運行情況以及安全狀況。同時，也是為了保障有效地應(yīng)對突發(fā)事件，滿足河道堤防的日常維護管理要求和汛期防汛抗洪方面的要求。
3.3.3移動巡檢辦公系統(tǒng)
在技術(shù)結(jié)構(gòu)上，可將移動巡檢辦公系統(tǒng)分為移動讀寫前端、3G無線網(wǎng)絡(luò)、管理控制中心等3個部分。該辦公系統(tǒng)是基于Android4.4.2系統(tǒng)，使用JAVA在NDK基礎(chǔ)上進行研制開發(fā)的;使用http協(xié)議，通過json與服務(wù)端交互數(shù)據(jù);使用開源GIS地圖引擎系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過移動讀寫前端內(nèi)嵌的芯片獲取數(shù)字化標識中相應(yīng)的工程信息，并通過GPS定位功能，實現(xiàn)在GIS地圖上顯示最新的實時位置以及發(fā)現(xiàn)問題及時上傳上報等功能。
系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)，基于移動互聯(lián)網(wǎng)建立私有通信隧道，形成一個虛擬的局域網(wǎng)，實現(xiàn)對外業(yè)巡檢管理人員進行即時定位、實時追蹤巡查與巡檢軌跡、調(diào)度管理、無線考勤等目的;外業(yè)巡檢管理人員可現(xiàn)地讀取數(shù)字化標識系統(tǒng)內(nèi)存儲的有關(guān)河道堤防的各類信息，并可隨時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，隨時記錄存儲巡檢時獲得的實時信息，實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問題有處上報、需要資料有處查找以及能及時處理手頭工作。
3.3.4便攜式實時視頻監(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個子系統(tǒng)中的現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng)僅設(shè)置了14個監(jiān)視站點。然而，要實現(xiàn)對河道資源、險工險段、河道堤防重點監(jiān)控區(qū)域(如:取水口、排污口、采砂段、涉河項目建設(shè)段等)、河道堤防重要部位(包括主要通道口等)、泵站、閘站進行遠程有效的全天候視頻監(jiān)控，僅靠14個監(jiān)視站點是無法完全滿足要求的。
為真正實現(xiàn)對河道堤防的全方位、立體化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的縱深遠程視頻監(jiān)控，同時，也為了使防汛抗洪指揮部在防汛抗洪期間更方便、實時、全面地掌握河道堤防的動態(tài)實情，針對即將設(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個堤防維護管理站，另外還設(shè)置了7套便攜式實時視頻監(jiān)視系統(tǒng)。該便攜式實時視頻監(jiān)視系統(tǒng)，由外業(yè)巡檢管理人員移動巡檢辦公時配套使用，主要用于河道堤防的日常維護工作和防汛抗洪期間的臨時應(yīng)急遠程調(diào)度指揮。
3.3.5水情測報系統(tǒng)
對蘭溪市錢塘江農(nóng)防加固工程設(shè)置有1套水情測報系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由水情測報中心站系統(tǒng)、7處水位遙測站(點)及多套人工水位觀測水尺組成。
水情測報中心站系統(tǒng)設(shè)在河道堤防數(shù)字化管理控制中心，水位遙測站和觀測水尺則有現(xiàn)地布置。水位遙測站采用水位傳感器來采集水位數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)地遙測終端進行控制，并通過無線方式傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。遙測站現(xiàn)地供電方案采用蓄電池供電，并通過太陽能電池板對蓄電池進行充電。
人工水位觀測水尺安裝在所觀測位置的豎直表面上，個別地方無安裝位置豎直表面的，則將人工水位觀測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)
為實現(xiàn)對各閘站進行遠程有效的實時視頻監(jiān)視，在24個閘站分別設(shè)置了1套戶外攝像機，將閘站中各閘門運行位置的實時圖像，通過以太網(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。運行管理人員可實時監(jiān)督和掌握河道、堤防、已建主要水工建筑物的運行情況及安全狀況，同時，也為有效地應(yīng)對突發(fā)事件提供了保障。
3.3.7泵站現(xiàn)地計算機及視頻監(jiān)視系統(tǒng)
對每座泵站均設(shè)置了現(xiàn)地計算機及視頻監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括2套攝像機和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)，將泵站的實時圖像和泵組運行信息，通過以太網(wǎng)(光纜)經(jīng)現(xiàn)地視頻監(jiān)視站點傳送至河道堤防數(shù)字化管理控制中心。管理控制中心的運行管理人員可實時監(jiān)督和掌握23座泵站的泵組運行情況及安全狀況，同時，可為有效地應(yīng)對突發(fā)事件提供保障，滿足河道堤防的日常維護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)測系統(tǒng)
“防洪防汛堤壩安全監(jiān)測系統(tǒng)”是水利部“948”引進項目、浙江省水利科技推廣與發(fā)展中心引進項目，由英國CodaOctopus公司提供，稱為Echoscope三維實時聲學(xué)成像(Real-time3DAcousticImaging)聲納系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對不同水域的狀況完成水下細搜掃測作業(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，是水下隱患探測的重要工具。同時，該系統(tǒng)也是目前世界上唯一在零能見度的條件下能夠快速檢測和探測水下大范圍內(nèi)可疑目標或IED(簡易爆炸裝置)的三維聲成像聲納。
4結(jié)語
蘭溪市錢塘江農(nóng)防加固工程范圍為富春江水庫庫區(qū)回水堤防，工程項目涉及14個防洪圩片，加固堤防總長度為56.67km，其中8.69km長的堤防為維持現(xiàn)有的防洪標準，僅做護岸。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。
針對農(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)、移動互聯(lián)網(wǎng)、決策分析優(yōu)化、無線寬帶等信息技術(shù)與概念。依托這些新技術(shù)，通過感知化、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、社會基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等連接起來，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、實時反應(yīng)、協(xié)調(diào)運作的“智慧化系統(tǒng)”;實現(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)險圖應(yīng)用與管理”的應(yīng)用軟件。將通過對工程各區(qū)域的防洪風(fēng)險進行分析，建設(shè)相應(yīng)的洪水風(fēng)險圖應(yīng)用與管理軟件，為工程洪水風(fēng)險管理、防汛決策、搶險救災(zāi)提供有力的技術(shù)支撐;還將應(yīng)用4G視頻技術(shù)建立便攜式實時視頻監(jiān)視系統(tǒng)，以更好地發(fā)揮管理控制中心的遠程調(diào)度指揮作用;為提高現(xiàn)場人員應(yīng)答的及時性，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，通過廣播對話管理，實現(xiàn)對工程內(nèi)各泵站、閘站的應(yīng)急遠程調(diào)度指揮。
建設(shè)河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)只是開頭，系統(tǒng)建成以后的應(yīng)用和維護才是關(guān)鍵。希望通過該系統(tǒng)建設(shè)的探索實踐，為類似河道堤防的管理提供可資借鑒的經(jīng)驗。
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