浅论兰溪河道堤防数字化管理实践论文
1项目背景
河道堤防是水利工程的主体，用于控制和调配自然界的地表水和地下水，以达到除害兴利目的。它主要用于排涝防洪、保水固土，还可用于生态环境建设。堤防工程建成以后，为了减少它们在自然力和人类活动等诸多因素作用下遭受侵蚀和破坏，以及能及时发现险情并加以排除，使其真正发挥本身所具有的作用，就必须对河道堤防实施管理，而且必须采用现代化的管理手段。因此，建立河道堤防的数字化管理控制系统就成为其发展的必然趋势。
2河道堤防数字化管理控制系统设计思路
兰溪市是浙江省重点防洪县市，地处衢江、金华江和兰江三江交汇处的兰溪。每到汛期，一旦发生洪水，极易遭受洪涝灾害，溃坝事故时有发生，严重危害着沿线居民的生命财产安全。因此，加强对河道堤防的日常管理、巡视、维护，即成了当务之急。
兰溪市三江五溪的主要河段已建堤防为160km(其中，用于农防148km;用于城防为12km);已建的各类防洪闸门36座;已建成并投入运行的排涝站有31座，88台机组的总装机容量为4782kW·h。此次项目是以兰溪市钱塘江农防加固工程为试验段，并与堤防主体工程的设计、建设同步进行。
在兰溪市河道堤防管理所内，建立了河道堤防数字化管理控制中心，下设现地数字化标识监测系统、现地视频监视系统、移动巡检办公系统、便携式实时视频监视系统、24座闸站的现地视频监视系统、23座泵站的现地计算机视频监视系统、水情监测系统、防洪防汛堤坝安全监测系统(Echoscope三维实时声学成像声纳系统)、办公自动化系统等9个子系统。通过控制中心实现对上述9个子系统的管理控制、通信调度，同时实现所有实情数据、信息的采集、存储、共享、发布以及上传功能，并使河道堤防数字化管理控制中心与上级河道堤防行政管理部门、上级防汛指挥调度中心相互间做到高效的信息交换及资源的共享，为相关部门的工作人员提供其所需的准确、可靠、快捷的数据和信息。
3河道堤防数字化管理控制系统设计
3.1系统概述
兰溪河的河道堤防数字化管理控制系统采用开放的分层分布式结构，共分为2级，即河道堤防控制中心层和现地控制层(现地各网络交换机等)。2级之间采用光纤以太网及无线网络实现数据信息的传输和交换。因此，系统由河道堤防控制中心层(即数字化管理控制中心)、现地控制层(即9个子系统)以及通信网络(即以太网及无线网络)三大部分组成。
河道堤防控制中心层通过对现有河道资源信息数据进行综合分析，建立河道堤防数字化管理控制的系统平台，以实现对各子系统的管理控制、通信调度，并实现与上级(各级)行政管理部门、上级(各级)防汛指挥调度中心的通信调度。同时，还能实现河道资源基础数据管理、日常管理、应急管理、对内服务、对外服务等管理控制功能。现地控制层即9个子系统，各司其职，为兰溪河道的堤防管理控制提供信息管理基础。同时，应用物联网和移动互联网技术，通过有线网络(局域网、互联网)、无线网络(包括3G网络)相连接，从而构成河道堤防管理控制系统的通信网络，实现随时随地控制管理。
3.2管理控制中心
3.2.1系统软件平台总体构架
系统软件平台采用B/S架构，选用MicrosoftVisualStudio和FlashBuilder为主体开发工具，并结合先进的GIS技术、技术框架、中间件技术等，进行二次研发。该系统平台结构包括5个主要层次，自上而下依次为:应用层(即系统具体的功能应用)、支撑层(即实现应用功能具体的软件支撑)、数据层(即数据库内容)、硬件与网络层(即系统运行的配套硬件和网络环境)以及河道感知层(即数据的采集系统)。总体上，系统的建设将通过中间件架构访问5个主要架构层，以实现对各专题服务之间的`相互调用、相互触发与数据交换来最终实现对各种专题服务的总体集成。
系统软件平台亦即信息化体系，其应用功能主要是针对河道堤防管理者对河道的堤防管理、日常运行维护所需要的各类业务的运行与管理工作提供支撑。该体系主要包含如下内容:河道资源基础信息管理模块;现地数字化标识管理模块;现地视频监视模块;移动巡检办公信息管理模块;便携式视频监视系统模块;水情监测系统模块;堤防安全监测系统模块;办公信息化管理模块;泵站现地计算机、视频监视系统模块以及闸站现地视频监视系统模块。
3.2.2硬件配置
硬件配置选用具有无限扩展及灵活集成能力的各类先进的主机、存储网络等设备。主要由3套主机/操作员工作站、1套工程师工作站、1套通信工作站、1套办公自动化系统工作站、1套视频监视工作站、1套UPS电源柜、1套网络设备柜、1套服务器柜、1套GPS同步时钟装置、5台汉字网络打印机、1套大屏幕多媒体投影设备以及1套微机控制台等组成。
主机/操作员工作站功能包括对整个工程综合自动化系统的管理，数据库管理，在线及离线计算功能，各图表、曲线的生成，事故故障信号的分析处理等;同时供运行值班人员使用，具有图形显示、运行监视和控制功能、发操作控制命令、作定值修改、设定与变更工作方式等功能。其中，1台工作站为大屏幕多媒体投影设备专用;其余2台工作站中的1台为主站，另1台为备站，互为热备用。当主站发生故障时，系统会自动将备站切至主站，以保证系统的实时性和可靠性。也可以由操作人员进行鼠标切换。
工程师工作站承担调试和员工仿真培训方面的工作。远动所需的各种信息量直接由通信工作站发送，同时，该通信工作站还作为与上级河道堤防行政管理部门、上级防汛指挥调度中心交流信息的通道。
3.3现地控制层
3.3.1现地数字化标识监测系统
现地数字化标识监测系统是河道堤防基础地理信息的支撑系统，是智慧河道感知层的重要组成部分。由数字化标识器和管理软件组成，通过对河道堤防主要水工建筑物资源信息进行编码，将河道堤防主要水工建筑物(如:泵站、水闸、堤防、滚水堰、桥梁等)的基本特征的相关数据(即有关河道堤防的各类信息)进行现地的存储，以实现对主要水工建筑物的标签定位以及联网。同时，通过与移动巡检办公系统的结合，可用于河道堤防的日常维护和使用。
3.3.2现地视频监视系统
为降低工程投资，系统仅在每个防洪围片泵站、闸站较集中的部位或有新建滚水堰的部位，设置1～2个现地视频监视站点，共设置14个监视站点。
每个视频监视点设备包括:立杆、户外不锈钢箱及1台室外一体化网络摄像机。每个视频监视站点的环网交换机同时将周围泵站摄像机的实时图像及运行信息、闸站摄像机的实时图像，通过以太网(光缆)传送至河道堤防数字化管理控制中心。
河道堤防数字化管理控制中心运行管理人员可以实时监督和掌握河道、堤防、已建主要水工建筑物的运行情况以及安全状况。同时，也是为了保障有效地应对突发事件，满足河道堤防的日常维护管理要求和汛期防汛抗洪方面的要求。
3.3.3移动巡检办公系统
在技术结构上，可将移动巡检办公系统分为移动读写前端、3G无线网络、管理控制中心等3个部分。该办公系统是基于Android4.4.2系统，使用JAVA在NDK基础上进行研制开发的;使用http协议，通过json与服务端交互数据;使用开源GIS地图引擎系统，实现了通过移动读写前端内嵌的芯片获取数字化标识中相应的工程信息，并通过GPS定位功能，实现在GIS地图上显示最新的实时位置以及发现问题及时上传上报等功能。
系统通过无线网络，基于移动互联网建立私有通信隧道，形成一个虚拟的局域网，实现对外业巡检管理人员进行即时定位、实时追踪巡查与巡检轨迹、调度管理、无线考勤等目的;外业巡检管理人员可现地读取数字化标识系统内存储的有关河道堤防的各类信息，并可随时查询附近的各种水利设施设备的属性信息及周围环境等，随时记录存储巡检时获得的实时信息，实现发现问题有处上报、需要资料有处查找以及能及时处理手头工作。
3.3.4便携式实时视频监视系统
为降低兰溪市钱塘江农防加固工程的建设投资，现地控制层的9个子系统中的现地视频监视系统仅设置了14个监视站点。然而，要实现对河道资源、险工险段、河道堤防重点监控区域(如:取水口、排污口、采砂段、涉河项目建设段等)、河道堤防重要部位(包括主要通道口等)、泵站、闸站进行远程有效的全天候视频监控，仅靠14个监视站点是无法完全满足要求的。
为真正实现对河道堤防的全方位、立体化、网络化、智能化的纵深远程视频监控，同时，也为了使防汛抗洪指挥部在防汛抗洪期间更方便、实时、全面地掌握河道堤防的动态实情，针对即将设立的女埠上街、香溪香五、兰江下金、云山黄湓、上华澎村、灵洞石关、游埠郎家7个堤防维护管理站，另外还设置了7套便携式实时视频监视系统。该便携式实时视频监视系统，由外业巡检管理人员移动巡检办公时配套使用，主要用于河道堤防的日常维护工作和防汛抗洪期间的临时应急远程调度指挥。
3.3.5水情测报系统
对兰溪市钱塘江农防加固工程设置有1套水情测报系统。该系统主要由水情测报中心站系统、7处水位遥测站(点)及多套人工水位观测水尺组成。
水情测报中心站系统设在河道堤防数字化管理控制中心，水位遥测站和观测水尺则有现地布置。水位遥测站采用水位传感器来采集水位数据，通过现地遥测终端进行控制，并通过无线方式传输相关数据。遥测站现地供电方案采用蓄电池供电，并通过太阳能电池板对蓄电池进行充电。
人工水位观测水尺安装在所观测位置的竖直表面上，个别地方无安装位置竖直表面的，则将人工水位观测水尺制作安装成钢混结构的水尺桩。
3.3.6闸站现地视频监视系统
为实现对各闸站进行远程有效的实时视频监视，在24个闸站分别设置了1套户外摄像机，将闸站中各闸门运行位置的实时图像，通过以太网(光缆)传送至河道堤防数字化管理控制中心，用于河道堤防的管理维护。运行管理人员可实时监督和掌握河道、堤防、已建主要水工建筑物的运行情况及安全状况，同时，也为有效地应对突发事件提供了保障。
3.3.7泵站现地计算机及视频监视系统
对每座泵站均设置了现地计算机及视频监视系统。该系统包括2套摄像机和1套I/O箱(内部设置1套数据采集控制单元和1套网络交换机)，将泵站的实时图像和泵组运行信息，通过以太网(光缆)经现地视频监视站点传送至河道堤防数字化管理控制中心。管理控制中心的运行管理人员可实时监督和掌握23座泵站的泵组运行情况及安全状况，同时，可为有效地应对突发事件提供保障，满足河道堤防的日常维护管理方面的需求以及汛期防汛抗洪的要求。
3.3.8防洪防汛堤坝安全监测系统
“防洪防汛堤坝安全监测系统”是水利部“948”引进项目、浙江省水利科技推广与发展中心引进项目，由英国CodaOctopus公司提供，称为Echoscope三维实时声学成像(Real-time3DAcousticImaging)声纳系统。该系统可针对不同水域的状况完成水下细搜扫测作业。采用Echoscope三维图像声纳系统，能确保在50m以内的监测特征尺寸不小于50cm的悬浮、沉底的不明可疑物体，近距离可分辨3cm以上的建筑物裂缝，是水下隐患探测的重要工具。同时，该系统也是目前世界上唯一在零能见度的条件下能够快速检测和探测水下大范围内可疑目标或IED(简易爆炸装置)的三维声成像声纳。
4结语
兰溪市钱塘江农防加固工程范围为富春江水库库区回水堤防，工程项目涉及14个防洪圩片，加固堤防总长度为56.67km，其中8.69km长的堤防为维持现有的防洪标准，仅做护岸。另外，涉及沿堤排涝站新建、更新改建共有23座，沿堤节制闸新建、拆建、更新改建的共有24座，新建滚水堰6座以及管理站7个。
针对农防加固工程而建设的兰溪市河道堤防数字化管理控制系统，引入了新一代的物联网、移动互联网、决策分析优化、无线宽带等信息技术与概念。依托这些新技术，通过感知化、互联化、智能化的方式，将河道堤防资源中的物理基础设施、信息基础设施、社会基础设施和商业基础设施等连接起来，可以提高河道堤防管理水平与服务效率，使之成为可以指挥决策、实时反应、协调运作的“智慧化系统”;实现了河道堤防管理的现代化(即数字化、信息化)和规范化，使管理效率得以大大提高。
为使兰溪河道堤防数字化管理系统更完善，后续还将研发“洪水风险图应用与管理”的应用软件。将通过对工程各区域的防洪风险进行分析，建设相应的洪水风险图应用与管理软件，为工程洪水风险管理、防汛决策、抢险救灾提供有力的技术支撑;还将应用4G视频技术建立便携式实时视频监视系统，以更好地发挥管理控制中心的远程调度指挥作用;为提高现场人员应答的及时性，将新增1套网络寻呼话筒、1套网络广播软件，在防汛抗洪期间，通过广播对话管理，实现对工程内各泵站、闸站的应急远程调度指挥。
建设河道堤防数字化管理控制系统只是开头，系统建成以后的应用和维护才是关键。希望通过该系统建设的探索实践，为类似河道堤防的管理提供可资借鉴的经验。
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