， ， 文平

(鄭州天誠信息工程有限公司， 鄭州 450008)

中牟楊橋灌區(qū)信息化系統(tǒng)的開發(fā)與建設(shè)

李森，蘇超，李文平

(鄭州天誠信息工程有限公司， 鄭州 450008)

本文闡述了如何通過對引黃干渠內(nèi)節(jié)制閘、進(jìn)水閘、斗門測流、水雨情等測點的自動化監(jiān)測，建設(shè)中牟楊橋灌區(qū)的遠(yuǎn)程測控采集體系，實現(xiàn)對灌區(qū)引黃干渠閘門的可視化管理與調(diào)度； 并通過信息化系統(tǒng)管理灌區(qū)基本數(shù)據(jù)庫，提供決策支持模塊，做到整個灌區(qū)的實時管理、科學(xué)灌溉、合理用水，提高灌區(qū)用水管理與調(diào)度的現(xiàn)代化水平。

灌區(qū)； 信息化管理； 三維GIS

1 概 述

中牟楊橋灌區(qū)位于河南省鄭州市中牟縣境內(nèi)，是國家大型示范灌區(qū)之一。在沒有介入信息化手段之前，灌區(qū)管理主要以傳統(tǒng)的手工作業(yè)為主，灌區(qū)管理部門對管理區(qū)域不能實時、準(zhǔn)確地掌握灌區(qū)設(shè)備運(yùn)行情況及數(shù)據(jù)變化情況；其次，以往的灌溉技術(shù)造成水資源分配不合理，有的地方缺水，有的地方漫灌，讓有限的水資源得不到充分的利用。而灌區(qū)信息化系統(tǒng)的建設(shè)，可逐步利用信息化手段科學(xué)、有效地管理和利用灌區(qū)水資源，提高整個灌區(qū)的水資源利用率，推廣節(jié)水灌溉、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，使得所投入的建設(shè)資金最大限度地發(fā)揮出工程效益。同時結(jié)合對灌區(qū)數(shù)據(jù)的管理，為水管部門提供科學(xué)的決策依據(jù)，從而提升灌區(qū)管理的效能，促進(jìn)灌區(qū)管理的健康發(fā)展，為實現(xiàn)高效灌溉農(nóng)業(yè)提供技術(shù)保障。

2 系統(tǒng)設(shè)計

灌區(qū)信息化系統(tǒng)由上而下分為應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)采集層五個體系(見下頁圖1)。

2.1 應(yīng)用層

該層即人機(jī)界面，是用戶與系統(tǒng)的交互層。用戶通過系統(tǒng)所提供的各種功能界面實現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、控制、查詢、統(tǒng)計、分析等功能。系統(tǒng)可提供給用戶的應(yīng)用功能包括閘門測控、視頻監(jiān)視、水費計收、決策支持等，還可根據(jù)用戶需求進(jìn)一步添加相應(yīng)的應(yīng)用功能模塊，如：降雨量監(jiān)測、土壤墑情、水質(zhì)監(jiān)測、工程管理等。

2.2 服務(wù)層

該層是系統(tǒng)資源的管理者，也是應(yīng)用層各種功能模塊服務(wù)的提供者，是整個信息化系統(tǒng)的功能平臺及灌區(qū)信息資源共享和應(yīng)用集成以及可視化表達(dá)的公用服務(wù)平臺，是業(yè)務(wù)應(yīng)用的重要支撐。其開放性表現(xiàn)為自身隨業(yè)務(wù)應(yīng)用的建立而不斷拓展完善。

2.3 數(shù)據(jù)處理層

該層的主要作用是為服務(wù)層和應(yīng)用層提供高可靠性、高可用性、高性能的數(shù)據(jù)共享和交換服務(wù)，包括數(shù)據(jù)存儲服務(wù)等。用戶可以根據(jù)應(yīng)用需求建立多種類型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，從而為不同應(yīng)用功能提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)，同時也為外部系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口和共享服務(wù)。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸層

該層主要完成的任務(wù)就是將系統(tǒng)中各種信息通過一定的通信協(xié)議和能夠利用的通道進(jìn)行上傳下達(dá)，包含兩部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和接口、數(shù)據(jù)傳輸通道。

目前，可利用的數(shù)據(jù)傳輸通道包括光纖、微波、無線移動、衛(wèi)星等方式，通過這些方式的結(jié)合應(yīng)用便可組成一個覆蓋整個灌區(qū)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括文字、語音、圖形、圖像在內(nèi)的多種多媒體信息都可以高效傳輸，使整個灌區(qū)的管理更加方便、快捷。

2.5 數(shù)據(jù)采集層

該層主要完成的任務(wù)就是將與系統(tǒng)有關(guān)的各種信息通過不同的技術(shù)手段轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可辨認(rèn)的信息，包括閘門測控信息、渠道水位信息、視頻信息等。用戶還可以根據(jù)需要添加其他信息的采集，包括流量信息、降雨量信息、土壤墑情信息、工程管理信息等。對信息從整體上系統(tǒng)地進(jìn)行規(guī)劃選擇、收集和管理，注重數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)化，使數(shù)據(jù)能“一源多用”，減少重復(fù)采集，最大限度地滿足調(diào)度管理及其他業(yè)務(wù)對信息的實際需要。

圖1 灌區(qū)信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)功能

中牟楊橋灌區(qū)信息化系統(tǒng)建設(shè)項目是基于三維的可視化信息管理系統(tǒng)，涵蓋了灌區(qū)水位測量及水量計量、墑情監(jiān)測、工情視頻監(jiān)視、閘門控制以及配水調(diào)度、水費征收、水務(wù)管理等應(yīng)用軟件子系統(tǒng)。灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)以灌區(qū)量測水系統(tǒng)、閘門控制系統(tǒng)以及灌區(qū)墑情、工情、地下水、作物生長狀況、氣象信息等自動化監(jiān)測為基礎(chǔ)，融合計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、軟件技術(shù)、GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)、GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)、RS遙感系統(tǒng)技術(shù)、GPRS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，以節(jié)水為中心，優(yōu)化水資源配置，實現(xiàn)灌區(qū)管理、調(diào)度、運(yùn)行的自動化、現(xiàn)代化和信息化。

灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)對灌區(qū)運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，并進(jìn)行遠(yuǎn)程實時遙控。各種應(yīng)用軟件系統(tǒng)之間可無縫集成，數(shù)據(jù)共享(見圖2)。對初期系統(tǒng)建設(shè)實現(xiàn)的功能包括如下幾方面：

3.1 三維地理信息系統(tǒng)平臺

在三維地理信息系統(tǒng)平臺上建設(shè)中牟區(qū)域內(nèi)的數(shù)字水利三維地理信息基礎(chǔ)平臺(三維GIS電子沙盤)，實現(xiàn)窗口縮放、動態(tài)縮放、比例尺縮放、景深變化、視圖平移等基礎(chǔ)操作功能；實現(xiàn)按設(shè)定路徑、視點飛行和汽車行走瀏覽三維景觀；實現(xiàn)光照參數(shù)、模擬參數(shù)、各種質(zhì)材參數(shù)、天空紋理等三維顯示環(huán)境的設(shè)置；實現(xiàn)三維實體幾何查詢、經(jīng)緯度坐標(biāo)查詢、投影坐標(biāo)查詢、地面高程查詢、地面坡度和坡向查詢等功能。在該平臺的基礎(chǔ)上可實現(xiàn)各類灌區(qū)業(yè)務(wù)應(yīng)用功能的開發(fā)，如：閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水費征收管理系統(tǒng)、用水決策調(diào)度支持系統(tǒng)等，實現(xiàn)灌區(qū)資源的信息高度共享，并在該平臺基礎(chǔ)上擴(kuò)充和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、功能完善、安全可靠的基于網(wǎng)絡(luò)的三維可視化灌區(qū)管理系統(tǒng)。該平臺采用委托管理模式。

3.2 干渠數(shù)據(jù)庫

干渠數(shù)據(jù)庫是包括自然和社會經(jīng)濟(jì)因素的綜合數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)內(nèi)容包含多種專題類型，可滿足較多專業(yè)、部門的應(yīng)用要求，用于區(qū)域地理信息系統(tǒng)或區(qū)域管理信息系統(tǒng)?？紤]到系統(tǒng)應(yīng)用并不局限于某個專門領(lǐng)域，故對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)內(nèi)容的要求相對廣泛，涉及農(nóng)業(yè)、土地利用、土壤、植被、水文、地形等方面。

圖2 灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)功能

3.3 閘門自動化控制

在閘門現(xiàn)場配置現(xiàn)場測控柜，基本配置包括PLC設(shè)備、電流電壓傳感設(shè)備、交流接觸器、溫濕度傳感器、斷路器、空氣開關(guān)、線路隔離設(shè)備、防雷設(shè)備、電流電壓顯示儀表、閘門開啟高度顯示儀表、啟閉控制按鈕等，同時為啟閉機(jī)配置閘門開度傳感器、機(jī)械荷載傳感器等，實現(xiàn)閘門現(xiàn)場的按鈕啟閉，并為遠(yuǎn)程控制提供自動化控制線路，其中包含自保護(hù)線路和故障自診斷線路等。

在現(xiàn)場管理所配置帶觸摸屏的測控終端設(shè)備，并配置相應(yīng)的軟件，實現(xiàn)對閘門的遠(yuǎn)程自動化控制。在水務(wù)局配置測控服務(wù)器和測控終端設(shè)備，并配置相應(yīng)的軟件，實現(xiàn)對閘門的遠(yuǎn)程自動化控制。

3.4 水位監(jiān)測

在閘門現(xiàn)場根據(jù)測流要求選擇合適斷面位置安裝液位水位計及附屬設(shè)備，實現(xiàn)對現(xiàn)場渠道水位信息的采集，通過無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)測控系統(tǒng)上。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上，以數(shù)據(jù)庫的形式分別建立系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)庫和實時要素庫，人工輸入系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，保存在系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)庫中，用以控制自動觀測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳。

3.5 水費征收管理

水費征收是灌區(qū)發(fā)展和建設(shè)的重要經(jīng)濟(jì)來源，是灌區(qū)良性運(yùn)行的基本保障。目前很多灌區(qū)還沒有水費計收系統(tǒng)，仍采用比較落后的人工收繳水費的方式，管理方式比較落后，在實際應(yīng)用中存在諸多的弊端，如：水管所不能及時準(zhǔn)確地了解各鄉(xiāng)鎮(zhèn)管理站用水的情況，不能及時準(zhǔn)確分析和比較各管理站之間的灌溉面積等，還會造成水資源、人力、財力的浪費。水費計收管理模塊可提高灌區(qū)工作人員的工作效率，提高對灌區(qū)水費收繳的整個業(yè)務(wù)流程的信息化管理。

灌區(qū)水費計收系統(tǒng)根據(jù)每個灌區(qū)的特點，對灌區(qū)水費結(jié)收和統(tǒng)計的整個業(yè)務(wù)流程進(jìn)行信息化管理。

用戶可以通過水費管理系統(tǒng)實時查詢放水記錄，可以根據(jù)需要查詢月、季、年水費征收情況并生成報表。

3.6 用水計劃管理調(diào)度決策支持

該系統(tǒng)根據(jù)信息采集系統(tǒng)收集、檢測到的各類農(nóng)作物需水情況、土壤墑情信息、水源水文資料、灌區(qū)區(qū)域氣象信息、灌區(qū)土壤資源分布及農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、用水統(tǒng)計資料等生成階段性或灌季的生產(chǎn)供水計劃，合理確定灌區(qū)的開機(jī)時間、提引水量、不同區(qū)域的灌溉制度及各級渠系的調(diào)水調(diào)度方案，避免單純依靠經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)配水可能造成的調(diào)度失誤及造成的水量浪費。

提高灌區(qū)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還可以根據(jù)已出現(xiàn)的各類越限、事故報警，自動生成緊急時間的處置預(yù)案，供調(diào)度及管理人員參考，從而保證全系統(tǒng)的各類設(shè)施設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。

4 結(jié) 語

中牟縣灌區(qū)經(jīng)過較大的信息化資金的投入，灌區(qū)信息化綜合平臺已初具規(guī)模，并發(fā)揮著良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。灌區(qū)信息化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作界面直觀友好，操作方便，易于推廣使用。

為滿足社會發(fā)展的要求，充分發(fā)揮現(xiàn)有系統(tǒng)的功能，該系統(tǒng)仍需不斷完善，具體做法如下：進(jìn)一步完善地理信息系統(tǒng)內(nèi)容，更深入地分析灌區(qū)種植物的分布變化、年需水量情況、災(zāi)害分布等；開發(fā)用水決策調(diào)度支持系統(tǒng)，根據(jù)歷年氣象、灌溉用水資料和農(nóng)作物分布情況，建立農(nóng)作物需水模型，生成精細(xì)化灌溉方案，提供輔助決策；建立氣象、灌溉試驗和水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，為灌區(qū)合理配水提供科學(xué)依據(jù)，從而保證生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水的安全。

1 趙飛,解瑞,淺談灌區(qū)信息化建設(shè)與發(fā)展趨勢[J]. 中國西部科技, 2011(01): 61-61.

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DevelopmentandConstructionofInformation-basedSysteminZhongmuYangqiaoIrrigationArea

LI Sen, SU Chao, LI Wen-ping

(ZhengzhouTianchengInformationMeasurementamp;ControlCo.,Ltd.,Zhengzhou450008,China)

Remote control collection system of Zhongmu Yangqiao Irrigation Area is constructed by automatically monitoring the detection points such as regulation sluice, inflowing sluice, sluice gate flow measurement, water and rainfall situation, etc. in Yellow River diversion main channel. Visual management and scheduling of irrigation area Yellow River diversion main channel sluice are realized. Basic database of the irrigation area can be managed through information-based system, and decision-making support module is provided, thereby realizing real-time management, scientific irrigation and rational water consumption, raising the modernization level of water consumption management and scheduling in the whole irrigation area.

irrigation area; informatization management; three-dimensional GIS

TV11

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1005-4774(2014)03-0065-04