冯海军

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银 730400）

在水利科技水平日益提升的背景下，智慧水利的应用范围不断拓展。智慧水利的有效应用，不仅可以优化水利调度模式，降低水治理成本支出，而且可以提高险情应急管理效率。信息化技术是智慧水利应用主要支撑技术，关乎智慧水利的应用效果。因此，探究基于信息化技术的智慧水利应用发展具有非常重要的意义。

1 基于信息化技术的智慧水利应用架构

以信息化技术为基础建立的智慧水利应用架构包括智能数据感知、智能研读判断、智能控制管理、智能展示体系等模块，总体架构如图1 所示。

由图可知，在智能感知录入数据的基础上，智能研读判断模块可以进行数据分析并下达智能决策，进而从智能控制、智能管理2 个方面优化控制，确保运行安全，最终三维综合展示智能成果[1]。

2 基于信息化技术的智慧水利应用功能

2.1 智能数据感知

基于信息化技术的智慧水利感知需要借助生产设备、智能仪表、智能仪器、智能摄像机或其他感知设备，智能采集电气设备（变压器参数、直流系统参数、用电设备参数）、闸门（开度、开关量、水草密度）、主机组（开关量、温度、振动、噪声、电量、叶片角度）、清污机（水位、拉力、开关量、阀门开度）、水工建筑物（水位、流量、消防、安全）、辅机设备（气系统参数、排水系统参数）信息。

2.2 智能研读判断

智能研读判断主要是在智能数据感知的基础上，预先估测泵站状态，并根据估测结果发出预警。同时从调度运行、安全运行、节能环保、高效运行等视角，推测主机、配套设备、变电站、通用设备运行情况，为设备运行管理提供依据。比如，研读判断主机组电量、摆动、效率、叶片角度、温度、开关量等数据，根据数据趋势，预先估测主机组故障概率并发出警报。

2.3 智能控制

智能控制主要是根据预先研读判断结果，进行主机组、变配电、通用设备、辅机设备的控制管理。其中主机组智能控制主要是智能调节主机组叶片角度，实现主机组一键开停机，同时基于嵌入式芯片与智能高科技控制器智能控制励磁变压器；变配电智能控制主要是基于智能控制硬件实现变压器智能投切；通用设备智能控制主要是根据采暖通风系统、照明系统、除湿系统相关智能研读判断结果实现照明、采暖通风与湿度的远距离监控、实时调节；辅机设备智能控制主要是根据供排水泵、闸门与清污机研读判断参数，实现泵站排水泵、供水泵、闸门、清污机自适应运行。

以闸门智能控制为例，基于信息化技术的智慧水利可根据实时感知的潮水位置进行定流量、定水位或定开度模式下的精准调度。在判断为涨潮状态且上游水位上穿下游水位线10 min 后发出具备自动开闸提示，确认开闸条件1 min 后播放开闸提示语音，并依据最大引水流量500 m3/s 的标准自动计算闸门开闸高度。进而发出自动开闸提示，经操作者确认自动开闸提示无误后，完成自动开展。

2.4 智能展示

智能展示包括全景漫游、一体化平台、三维可视化、手机软件等，可以对整个泵站进行全过程展示。其中全景漫游主要是在3D Max 软件系统内根据机组差异设置若干模块，并经Premiere、osg 软件进行泵房系统技术具象化显示；一体化平台主要是在统一的平台中集成辅机、变配电、主机组、通用设备与运行管理、通用业务，向管理者提供统一接口，推动水利管理闭环；三维可视化主要是构建智能泵站主机组、辅机设备、电气设备、通用设备的虚拟三维模型，以多场景叠加的形式，显示实时监测数据，为数据管理提供支持；手机软件是以移动智能设备为载体，全天候、全时段监测泵站重要水情、工情与组织管理信息，在水位超出限定值时将信息发送至管理者移动智能终端，便于及时解除险情。

3 基于信息化技术的智慧水利发展前景

3.1 数据资源整合

在数字水利实施进程中，水利工程数据日益增长，但因当前并未形成适用于水利工程各子系统的异构数据格式规范，导致孤岛效应持续存在，阻碍了智慧水利进程。基于此，未来的智慧水利可以借助信息化技术消除数据资源整合壁垒，构建高效率、便捷化海量数据共享框架，为水利工程建设时期、运行维护时期与重新建设时期的智慧化发展提供充足数据支持。作为数据支持层的重要组件，异构数据库是在同种、异种类型数据库内均可实现数据整合共享的数据库，智慧水利异构数据库设计数据类型为水库、闸坝、水情、雨情、墒情、河流等。

在未来异构数据库构建时，首先，可以面向对象数据模型，组建非冗余有序管理框架，以对象为划分属性，收集已有水利分散数据，并在初步分类过程中进行数据补充。其次，进行数据解耦，抽取对象，统一编码，形成新旧数据资源整合编码，并建立标准化对象标识。再次，根据已建立标识，逐类扩展业务属性，并经空间要素表达对象空间信息。最后，挂接对象与对象之间的空间关系（依赖或相关），经关键词表示，并将已挂接关键词的对象迁移到数据库。基于信息化技术的智慧水利异构数据库属性表如表1所示。

表1 基于信息化技术的智慧水利异构数据库属性表（局部）

在后续基于信息化技术的智慧水利数据资源共享过程中，可以进行平台数据库、业务数据库、监测数据库、基础数据库与空间数据库的关联建设，为平台数据库内角色、组织、日志信息与业务数据库内水资源配置、日常巡检信息以及基础数据库内水系基本信息、监测数据库内水情雨情监测信息、空间数据库内基础地理空间信息共享提供依据[2]。

3.2 实现最优调水

最优调水是基于智慧水利水文信息化监测的调水模式，也是智慧水利应用发展的主要趋势。针对平原河网汇水区因污染物质蒸发而形成的断面水质急剧下降问题，可以智慧水利的水文信息化监测为抓手，实时收集水位信息、水环境、潮位与水质、闸门信息，经云数据分析策划最优调水方案。调水方案实施前，关闭闸门，经河道水质监测系统研读判断水质，确定污染物与阈值偏差，在污染物与阈值偏差较小时，关闭节制闸，开启挡潮闸，排空河道内水源；反之则进行相邻河道水质的研读判断，确保全部河道水质均达到标准要求。

在正式调水过程中，经智慧水利河道水质监测系统选定需执行调水程序的河道，在下午17：00 到次日早08：00 之间进行自动调水。即在下午17：00 由智慧水利河道水质监测系统远程开启闸门，调水过程与前期预先排水过程相对应，实时借助水质监测系统研读预判，在发现水质不达标问题的第一时间关闭闸门，反之则在次日早08：00 关闭闸门，结束调水。通过基于信息化技术的智慧水利应用，可以改善河道水质，为河道生态系统恢复提供充足支持。

3.3 水旱灾害防御

在信息化多元化的时代，多元信息融合、集合预报、数据同化等技术得到了长足发展，数据驱动逐渐代替经验驱动，为智慧水利在水旱灾害防御中的应用提供了充足支撑。

首先，智慧水利可以依托已有天空地一体感知网，落实驻巡结合新模式[3]。即在智慧平台内集成若干巡测片区自动雨情水情监测站点，借助侧扫雷达、三维激光扫描仪、测雨雷达、无人机搭载水质监测设备等现代化设备，感知水文、大气、地形信息。

其次，以遥测数据库、水利专线网络、数据交换系统、实时水情库为支撑，实时接入标准化墒情、水文、水资源监测数据。并借助Digital Twin（数字孪生）技术，构建一个与现实水利物理实体完全一致的虚拟映射，反映对应水利实体（渠道、水电站、水库、河湖、闸门、泵站、水厂等）整个生命周期，挖掘相关水利要素之间联系，为水旱灾害防御决策提供支持。

最后，在智慧水利终端整合水利多维业务模型（洪水业务、干旱业务、水利工程安全运行业务），一站式监测水情雨情、业务处理进度、设备工况、站点运行状态等信息，自动形成电子记录，规避错误、延迟、遗漏问题。并以GIS（地理信息系统）一张图为核心，覆盖全国省市县乡镇，配合图表展示，精准分析防汛形势与洪灾风险，同时展示水库特征值，为水库调度决策提供依据。同时针对险情下库容曲线计算结果、坝前水位趋势分析、出入库流量与洪水演进情况，短时间内编制应急方案，降低险情危害。

3.4 数据超级运行计算

当前智慧水利建设中涉及的空间位置数据具有复杂、来源多样的特征，传统实物ID 管理（河湖影像数据集合表达水面遥感监测数据）手段存在应用效率低、管理不清晰、查询困难等问题。基于此，未来的智慧水利可以借助北斗网格位置编码与北斗时间剖分编码手段，形成空间唯一标识后将空间剖分理念延伸到时间领域，完成空间维度、时间维度的同时离散数字化，满足智慧水利下水利业务精准管理、高效查询、可视操作需求。

北斗网格位置编码与北斗时间剖分编码手段是GeoSOT 网格理论体系的具象表现，具有多尺度、离散化特点，可以实现全球多尺度区域位置标识，促使一个整型数格式代替度分秒表达一个域位置，如某地区经度为29°57′21.75″，纬度为9°4′23.24″，北斗码为N32GJNB7F3523，便于智慧水利在短时间内聚焦重点区域。在智慧水利资源数据北斗网格编码时，首先需要贯彻唯一性、简洁性、可实施性、规范性、完备性原则，以地球立体网格技术为支撑，进行32 级立体网格设置。其中基于经纬度坐标的地球立体空间内与原点重合的512°方格可定义为0 级网格，代表全部地球立体空间；在0 级网格的基础上八等分，大小为256°的网格可定义为1 级网格；在1 级网格的基础上八等分，大小为128°的网格可定义为2 级网格。随后依据同等八叉树规律进行网格扩展。

其次，借助二维网格码、标识符、高程编码形式，完成智慧水利资源数据通用网格标识码编制。编码总长为96 bit，标识符为0～1 之间的数值。在标识符为0 时，高程编码总长为15 bit，应用高程信息为真实信息，需要以北斗网格码第5 层网格为划分节点，以北斗网格码第8 层网格为截止节点；在标识符为1 时，高程编码应用高程信息为楼层数值。

再次，利用一列数据标识码，关联水利资源数据与空间区域位置。同一个空间尺度下，空间区位相邻的数据记录也处于关联状态。如空间直六面体大边尺寸大于2 000 m 时，北斗网格码层为4，网格大小为1′，对应赤道周边尺度为2 000 m；空间直六面体大边尺寸大于128 m 但小于2 000 m 时，北斗网格码层为5，网格大小为4″，对应赤道周边尺度为128 m。

最后，生成二维GIS 数据网格图与影像数据网格图，影像数据网格图内编码唯一，是水利数据一本账（水文水资源数据、地理空间数据、监测站点数据、水利工程数据）的基础。后续可利用关联数据带有的GeoSOT 区位编码标识文件以列表形式快速查询编码数据，为智慧水利资源数据高效率处理、分发、查询、交换提供充足支持。进而以北斗网格的数据底座、长时序监测管理为核心，实现水利数据的超级运行计算，如根据汛情发生规律提前预警，真正发挥智慧水利在提升水利行业公共服务能力方面的作用。

4 结束语

综上所述，基于信息化技术的智慧水利是提高水利管理水平的有效手段，可以满足水利工程高效率管理需求。因此，应以智能数据感知、智能研读判断、智能控制管理、智能展示组成的架构为基础，全面规划智慧水利应用功能。同时根据信息化技术在智慧水利中的应用现状，逐步推进最优调水、数据资源共享功能优化，为智慧水利应用范围进一步拓展提供充足支撑。