施達(dá)棟，張仁貢

（1.天臺縣龍溪水庫事務(wù)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(fā)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(jī)容量為2×8 000 kW。由于水庫運(yùn)行時間較長，存在水庫視頻監(jiān)控老化、水庫人工調(diào)度不科學(xué)，大壩安全監(jiān)測未實(shí)現(xiàn)自動化、管理手段和模式不符合現(xiàn)代化的要求等缺點(diǎn)，為此開展水庫綜合信息管理系統(tǒng)平臺的研發(fā)與實(shí)踐，主要內(nèi)容包括：

（1）視頻監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求在原來系統(tǒng)基礎(chǔ)上建設(shè)為全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，原來的攝像頭改為高清視頻監(jiān)控，對水庫管理區(qū)域和主要設(shè)施實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)視，更好地掌握水庫的運(yùn)行情況。

（2）大壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將原來人工監(jiān)測和半人工監(jiān)測，改為全自動監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)大壩位移、沉降、滲漏等全自動數(shù)據(jù)采集、匯總到平臺。

（3）洪水預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)。依據(jù)上游的水雨情、集雨面積的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)模型的建設(shè)。

（4）綜合信息化管理平臺。將視頻監(jiān)視系統(tǒng)、大壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)和洪水預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)等匯集到平臺，同時實(shí)現(xiàn)水雨情、工情、管理流程等在平臺上綜合實(shí)現(xiàn)，并與上級管理平臺無縫對接。

2 核心技術(shù)

2.1 大壩安全自動化監(jiān)測技術(shù)

龍溪水庫的大壩安全監(jiān)測是半自動加人工模式，本次研究和建設(shè)主要針對大壩表面變形、水平位移和垂直位移、壩體內(nèi)部變形、裂縫和滲流等方面的監(jiān)測。表面變形監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了39 個點(diǎn)的自動化監(jiān)測，其中2 個為水準(zhǔn)基點(diǎn)，分布在大壩的左右岸；21個點(diǎn)為一般監(jiān)測點(diǎn)，位于壩頂下游側(cè)和兩條馬道處；6 個為校核基點(diǎn)，位于壩頂?shù)南掠蝹?cè)；6 個為工作基點(diǎn)，位于兩條馬道兩頭的積巖上；位移監(jiān)測為4 個點(diǎn)，分別為2 個大壩下游兩處觀測房位移測點(diǎn)和2個起測基點(diǎn)。壩體內(nèi)部的變形監(jiān)測包括內(nèi)部垂直沉降和水平位移兩個方面的監(jiān)測，其中壩體內(nèi)部的垂直沉降監(jiān)測有10 個監(jiān)測點(diǎn)，分別位于385 m 高程（2個點(diǎn)），372.1 m 高程（4 個點(diǎn)）和361.5 m 高程（4 個點(diǎn)）；壩體的水平位移監(jiān)測位在373.042 m 高程（1 個點(diǎn)）。大壩面板的周邊縫位移監(jiān)測共有5 個點(diǎn)，監(jiān)測采用三向測縫計(jì)，位于TS1、TS2、TS4、TS5 位置，其中TS3 采用二向測縫計(jì)，位于水庫的河谷底；而TS2 和TS4 位置的監(jiān)測點(diǎn)位于水庫死水位以下位置。滲流監(jiān)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(jiān)測儀，通過RS485 接口，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綁雾敼芾矸康腞TU，然后通過RTU 光纖傳輸?shù)郊刂行募霸贫斯芾砥脚_數(shù)據(jù)庫。

2.2 視頻監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)升級

龍溪水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用了4.8 G 全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程建網(wǎng)和視頻信號傳輸，在庫區(qū)通過4.8 G 立桿基站聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)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(diǎn)，采用鋪設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)，可在庫區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)數(shù)字?jǐn)z像頭，新的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備了很好的擴(kuò)展性、靈活性和可拓性。整套監(jiān)控系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖2 可知，視頻監(jiān)控與喇叭通過無線基站，傳輸?shù)娇偦荆偦究梢酝ㄟ^光纖專線與交換機(jī)鏈接，由路由器接入云數(shù)據(jù)庫，可以實(shí)現(xiàn)平臺和移動端的視頻監(jiān)控。在管理中心配置一臺視頻錄像和監(jiān)控服務(wù)器，用于存儲視頻圖像數(shù)據(jù)，便于存儲、跟蹤和回放等功能。

2.3 洪水預(yù)報(bào)與調(diào)度系統(tǒng)

本次洪水預(yù)警預(yù)報(bào)與調(diào)度系統(tǒng)采用新安江模型和垂直方向改進(jìn)型遺傳算法進(jìn)行構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時洪水調(diào)度、出庫流量調(diào)度、給定最高控制水位調(diào)度和歷史洪水調(diào)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(diǎn)介紹垂直方向改進(jìn)型遺傳算法。垂直方向改進(jìn)型遺傳算法在傳統(tǒng)的遺傳算法基礎(chǔ)上進(jìn)行垂直方向的改進(jìn)，采用垂直干擾變量，實(shí)現(xiàn)在某點(diǎn)上目標(biāo)函數(shù)值產(chǎn)生最大的變化，使得染色體在進(jìn)化過程中按照垂直方向進(jìn)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(gòu)造螺旋函數(shù)G(x)，用以垂直干擾函數(shù)逼近求解結(jié)果。針對優(yōu)化最小值求解：min f（x）X=[x1，x2，…xn]，設(shè)在第t次遺傳迭代時，在xt處產(chǎn)生λ個服從均值為0、計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)方差為σt/n0.5的隨機(jī)矢量高斯分布Zi（i=1，…，λ）。令Ti=Xt+Zi，定義：

稱g（Xt）為函數(shù)f（X）在點(diǎn)Xt的垂直方向改進(jìn)型逼近函數(shù)。

采用新安江模型和垂直方向改進(jìn)型遺傳算法實(shí)現(xiàn)龍溪水庫洪水預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)如下一些功能：

（1）實(shí)時洪水調(diào)度。根據(jù)龍溪水庫的入庫流量過程線，進(jìn)行自動洪水調(diào)節(jié)計(jì)算；再依據(jù)批復(fù)的防洪調(diào)度原則，計(jì)算出庫流量過程、最高洪水水位、最高洪水位發(fā)生的時間、入庫洪水總量和出庫洪水總量等，并進(jìn)行入庫處理。

（2）出庫流量調(diào)度。當(dāng)給定出庫流量的過程，以人機(jī)交互的方式，系統(tǒng)可以進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，從而得到最高洪水水位、入庫洪水總量、最高洪水位發(fā)生的時間和出庫洪水總量等。

（3）最高控制水位調(diào)度。當(dāng)給定需要控制的最高水位時，以人機(jī)交互的方式，進(jìn)行洪水計(jì)算調(diào)節(jié)，從而得到出庫流量過程、入庫洪水總量、最高洪水位發(fā)生的時間和出庫洪水總量等。

（4）歷史洪水調(diào)度分析。系統(tǒng)可以將歷史洪水調(diào)度結(jié)果以圖、表方式輸出進(jìn)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(jìn)行分析比較，找出歷時洪水的洪峰、洪量、洪水位、頻率、重現(xiàn)期，對洪水洪峰的大小、洪水傳播的路徑、洪水的危害程度進(jìn)行更為準(zhǔn)確的分析，分析界面如圖3 所示。

圖3 歷史洪水調(diào)度分析主界面

2.4 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

本次數(shù)據(jù)庫集成可開發(fā)包括數(shù)據(jù)收集及整理、數(shù)據(jù)集成及綜合數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)服務(wù)等方面，數(shù)據(jù)庫總體流程如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫流程框架圖

從圖4 可知，數(shù)據(jù)庫感知體系上傳的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入ETL數(shù)據(jù)采集平臺，經(jīng)過接收、清洗、轉(zhuǎn)換、加載等流程，進(jìn)入Hadoop 大數(shù)據(jù)平臺，通過存儲或計(jì)算進(jìn)入數(shù)據(jù)訪問SQLAPI 數(shù)據(jù)訪問引擎。針對龍溪水庫綜合平臺的數(shù)據(jù)庫構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)下列功能：

（1） 數(shù)據(jù)采集與整編。包括水情和雨情的監(jiān)測、視頻監(jiān)控、閘門工情的監(jiān)控等各類實(shí)時數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，按照數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)接口寫入綜合數(shù)據(jù)庫。

（2） 數(shù)據(jù)集成及綜合數(shù)據(jù)庫。綜合集成新建和歷史系統(tǒng)，打破數(shù)據(jù)孤島，建立綜合型統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制。新建的信息系統(tǒng)采用了不同用戶權(quán)限配置、不同權(quán)限數(shù)據(jù)訪問機(jī)制和多個不同應(yīng)用業(yè)務(wù)的協(xié)同機(jī)制，達(dá)到了信息數(shù)據(jù)資源共享和業(yè)務(wù)應(yīng)用協(xié)同的目標(biāo)。對各歷史系統(tǒng)依據(jù)一定數(shù)據(jù)處理規(guī)則，對數(shù)據(jù)開展同步、協(xié)調(diào)、抽取、分析和處理，并進(jìn)入綜合數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)。

（3） 數(shù)據(jù)倉庫管理和數(shù)據(jù)協(xié)同服務(wù)。建立了數(shù)據(jù)倉庫管理和數(shù)據(jù)協(xié)同服務(wù)統(tǒng)一管理平臺，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與管理信息之間的總線數(shù)據(jù)交換，形成了數(shù)據(jù)倉庫管理和數(shù)據(jù)協(xié)同服務(wù)的統(tǒng)一平臺。通過對實(shí)時數(shù)據(jù)倉庫、歷史數(shù)據(jù)倉庫、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)倉庫、文件數(shù)據(jù)倉庫、模型數(shù)據(jù)倉庫、中間件數(shù)據(jù)庫倉庫等標(biāo)準(zhǔn)接口的訪問，實(shí)現(xiàn)了對水庫基本數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、全景圖數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)的管理、存儲、分析、處理及各個平臺的數(shù)據(jù)交互。

2.5 綜合信息管理軟件系統(tǒng)

龍溪水庫綜合信息管理平臺包括信息總覽、基礎(chǔ)管理、運(yùn)行管理、安全管理、應(yīng)急管理、維養(yǎng)管理、庫區(qū)管理、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化考核、移動應(yīng)用等功能模塊。該平臺基于云計(jì)算架構(gòu)搭建，與上級監(jiān)管平臺無縫對接，基于地理信息技術(shù)對水雨情、工情、視頻等各類信息的一張圖展示。基于JAVA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動巡查應(yīng)用支撐，實(shí)現(xiàn)責(zé)任管理與權(quán)限、運(yùn)行管理與維護(hù)、安全鑒定和評估、安全監(jiān)督與檢查、維修養(yǎng)護(hù)與管理、隱患治理與排查、教育培訓(xùn)與咨詢、應(yīng)急管理與響應(yīng)、制度與規(guī)章建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)考核與驗(yàn)收等各環(huán)節(jié)的流程化管理?；谝苿覣PP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動巡檢與巡查，包括巡查任務(wù)的制定、巡檢內(nèi)容的分配、巡查路線和時間的制定、巡查節(jié)點(diǎn)和檢查項(xiàng)目的配置以及完善巡查日志。移動OA 可以實(shí)現(xiàn)信息上傳、信息通知、綜合監(jiān)視、指揮調(diào)度、工程復(fù)核、應(yīng)急通訊等功能。

3 結(jié)束語

通過本項(xiàng)目的研究與實(shí)踐，對水庫的管理進(jìn)行信息化提升，實(shí)現(xiàn)了水庫管理的標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化。本研究實(shí)現(xiàn)了龍溪水庫的視頻全覆蓋、大壩安全自動化監(jiān)測、洪水預(yù)警預(yù)報(bào)與調(diào)度、數(shù)據(jù)庫集成與服務(wù)以及綜合信息平臺的研發(fā)工作，提升了龍溪水庫的安全運(yùn)行管理水平和發(fā)電效率，充分發(fā)揮了水庫的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。