智慧灌区建设探索与实践（38页 PPT）

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智慧灌区建设探索与实践 汇报提纲 汇报提纲 1. 1. 总体概述 总体概述 3. 3. 建设内容 建设内容 4. 4. 建设方案 建设方案 5. 5. 问题思考 问题思考 2. 2. 需求分析 需求分析 6. 6. 致谢 致谢 一、总体概述 指导思想 “ ” 以习总书记 节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力 治水新 思路为重要指导思想，全面贯彻《中共中央、国务院关于坚持农业农 “ ” 村优先发展做好 三农 工作的若干意见》 2019 年 1 号文件；夯实农 业基础，保障重要农产品有效供给中的推进大中型灌区续建配套节水 改造与现代化建设以及加快突破农业关键核心技术中的推动智慧农业 等领域的自主创新。 按照水利现代化的总体要求，紧紧围绕“十三五”水利发展与改革 目标，以需求为导向，以应用促发展，全面规划，统筹兼顾、突出重 点、整体推进，加强资源整合与共享利用，完善信息化工作体制与发 展机制、提升灌区综合决策能力，努力为民生水利发展新需求提供有 力支撑，以灌区信息化带动灌区现代化，促进灌区事业的科学可持续 发展。 2019-10-28 4 信息化原则 25/11/12 5 遵循“因地制宜、视需定建 、突出重点、量力而行、先搞试 点、逐步扩展、高效可靠、确保 效果”的原则，坚持先进性与经 济性相兼顾、超前性与实用性相 兼顾、典型性与推广性相兼顾等 指导原则。 在技术上尽可能采用先进、成 熟的现代信息技术，使其具有较好 的先进性和较长的生命周期，确保 系统的开放性和兼容性，为系统技 术更新、功能升级留有余地。 根据国家对信息化建设的 宏观要求，以及灌区管理的实 际需要，在确保灌区信息化预 期目标实现的前提下，充分考 虑到资金、科技发展、以及现 行管理水平等客观因素。 （ 1 ）全局性和整体性；（ 2 ） 标准化与规范化；（ 3 ）实用性 ； （ 4 ）安全性 ；（ 5 ）稳定性与高 效性；（ 6 ）灵活性 ；（ 7 ）开放 性与兼容性；（ 8 ）可扩展性 。 二、需求分析 （ 1 ）现实的需要：灌区信息化与国内先进水平尚有距离，不能适应 现代化管理的需要，离全国一流的信息化水平存在很大的差距。所以， 大型灌区现在急需要进行灌区信息化建设，加快灌区向信息化农业、 数字化农业前进的步伐。 （ 2 ）管理的需要：灌区工程具有点多、线长、面广、分散、偏僻的 特点，传统人工输配水管理工作效率低、强度大、精度差，推进灌区 信息化建设，实现水情、雨情自动采集，闸门自动控制，水量自动结 算，办公自动化、无纸化，有利于提高配水精度，减轻工作压力，降 低劳动强度，不断提高自身建设水平，为灌区可持续发展奠定良好的 基础。 （ 3 ）发展的需要：推进灌区信息化建设不仅是全面提升灌区水利工 程运用的效率、效能和实现灌区水利现代化的需要，也是水利事业发 展的方向。灌区的信息化建设必将为整个灌区社会经济持续稳定发展 提供更加有力的保障。 建设必要性分析 7 （ 1 ）信息中心管理：灌区没有进行信息化建设，待信息化设备大量 的应用后，势必需要一个存储信息和信息进行分析决策的场所。因此 需要在灌区建设信息中心，信息中心不仅是灌区的控制和决策中心， 而且是对外宣传的重要窗口，以声、光、电、图片等多种形式来显示 灌区的基本概况和信息化建设成效。 （ 2 ）办公设备升级需求：计算机的应用是灌区现代化水平的一个重 要标志，是灌区走向现代化办公的开始，也是提高灌区管理水平的必 要工具。灌区落后的办公设备严重影响了灌区人才的引进和培养，制 约了灌区发展的脚步。因此，配置相应的办公设备不仅可以提高灌区 工作人员的工作条件，还可以为灌区培养人才、留住人才、壮大人员 队伍提供基本条件。 （ 3 ）水位信息自动监测：灌区一直还在使用人工观察水尺的方式进 行水位信息的观测，并且定期要将水库的水位信息上报到直属的灌片 管理站，在灌溉季节根据库区的水位来进行相应的配水调度。人工观 测水尺查看水位的方式比较原始而且观察的水位信息误差较大，同时 造成人力资源的浪费，在恶劣的天气下还会存在人员的伤害隐患。 功能需求分析 25/11/12 8 （ 4 ）流量信息（用水量）自动监测：灌区是一个以农业生产为主的 灌区，但是近几年来随着产业结构调整，农业体系与作物种植类型变 化较大，不同作物的灌溉定额区别较大，逐步改变传统的灌溉方式的 同时，进行水库出水流量的监测尤为重要，这关系到水库实际的放水 情况，同时也是水资源监控能力重要监测内容之一。通过进行流量的 监测，可以准确的了解到企业和农民的用水情况，为灌区的用水量调 度、征收水费提供有力的数据支持。 功能需求分析 9 建设目标 - 近期目标 （ 1 ）本次项目建设依托通讯技术、计算机网络技术、地理信息技术 等多种技术，搭建灌区信息管理系统，实现灌区基本信息的电子化管 理，可实现灌区水源地、渠道、隧道、涵洞等各项要素图层在 GIS 地 图上的一张图叠加展示提高灌区管理人员获取灌区工程信息的效率， 为全面统筹灌区各项资源提供数字化辅助工具，并搭建灌区信息化系 统平台，为后期实时监控数据接入预留接口，为后期灌区各项要素的 全面实时监控建设打好基础。 （ 2 ）灌区工情信息的采集与监测。包括基础工情信息和部分实时工 情信息。将灌区的图片和资料通过扫描仪和数字化仪转化为图片文件 , 包括灌区气象、水文、土壤、作物基础数据及灌区概况、渠系分布、 农业生产、历年工程批复建设情况、工程效益及绩效评估等方面基本 概况数据的输入、修改、查询等功能。通过图形实时模拟显示计算成 果 , 提高系统管理操作的直观性和可视性。 10 建设目标 - 近期目标 （ 3 ）重要分水口的自动启闭及量测水的远程控制。通过在灌区水库 水源出水口闸门的自动化改造，实现总闸的自动启闭、自动放水、自 动量水，干渠重要分水口闸门的自动启闭及量测水。 （ 4 ）通过对泵站出水管道的流量监测、压力监测和高位水池水位的 自动监测来实现泵的自动化控制；管理人员在信息中心可实时查看高 位水池水位数据、出水管道压力和流量数据，来控制泵的启闭。通过 实时掌握水池水位、管道流量、压力、泵站开关状态、电压、电流等 各种监测指标，为水库灌区取用水安全运行提供保障。 （ 5 ）通过灌区信息化建设加强灌区基层人才培训，提高灌区信息化 应用水平，体现灌区信息化建设的优势。 11 建设目标 - 远期目标 灌区输、配水监测调度，建设灌区计算机网络及现代通信技术 设施，有效促进计算机、网络、业务信息系统等在灌区管理中的应用 于推广，逐步改革灌区信息管理的手段和方式，不断提高灌区各类信 息资源数字化、电子化的程度；进一步协调好工农业生产用水和生活 用水的关系，达到节约用水、合理配置水资源的目的。通过信息化的 建设与应用，切实推动和促进灌区管理能力和水平不断提高。 （ 1 ）自动化控制程度和范围不断提高。在实现总闸、干渠级别重 要分水口的自动启闭及量测水的基础上，进一步向下延伸至支渠、斗 渠、农渠乃至田间渠道更高级别的自动化控制及量测水。通过“十三 五”灌区信息化建设，使铜东灌区信息化水平达到国内先进水平。 12 建设目标 - 远期目标 （ 2 ）作物需水分析管理。包括参考作物模块腾发量计算 , 腾发量预 测 , 灌溉作物需水量计算 , 需水量预测。 （ 3 ）土壤水分分析管理。包括根据实测土壤含水量资料 , 模块提供 动态分析模型对土壤含水状况进行模拟预报 , 据此对作物灌溉计划进 行调整。 （ 4 ）渠系配水管理。根据灌区径流分析及来水预测和渠系分布情况 , 分“按需配水”、“比例配水”和“优化配水”三种模式确定渠系用水计划的 编制 , 各种模式按其相应目标函数进行分析计算 , 确定用水计划 , 并编 制相应报表。 13 三、建设内容 （ 1 ）一张网：构建一张物联感知网，实现灌区工程水文、水质、 气象、工情、墒情、视频等信息的全方位即时获取，并根据不同 数据的特点通过 GPRS/GSM 、光纤、局域网、 VHF 、卫星等多种渠 道的数据传输网络稳定传输至灌区管理处。整合已建或在建的信 息采集站点，通过合理布局及完善，来获取满足灌区业务管理需 求的监测数据。 （ 2 ）两个中心：大管局级中心；水管所分中心。 （ 3 ）四个平台：应用支撑平台；业务应用平台；信息发布平台； 运维保障平台。 信息化整体规划 15 项目范围 根据现场调研、基础条件与投资等情况综合考虑，拟定本次信息 化建设内容分为硬件和软件两部分。 16 建设内容 灌区信息化建设是一个系统工程，它包括信息基础设施建设、 专业信息系统建设、保障措施与环境建设及数据平台建设，其具体结 构如下图： 图 2-1 信息化总体架构图 17 建设内容 - 灌区信息中心： 灌区信息中心： 18 1 硬件建设 信息中心建设 1 处。设置在灌区管理局。包括管理房设备，不 包括管理房土建。 2 软件建设 全部安装、部署在灌区信息中心工控机上，通过租赁大数据中 心云服务器实现数据存储。灌区管理局信息化管理终端，具有最高的 用户级别管理权限。 （ 1 ）灌区信息化管理系统（ GIS ） 1 套；（ 2 ）灌区信息化采 集处理系统 1 套；（ 3 ）灌区水费计收系统 1 套预留接口，本次不做 开发；（ 4 ）自动化闸门集中控制软件系统 1 套，实现手机短信控制； （ 5 ）泵站 - 水池自动化集中控制系统 1 套，实现手机短信控制。 建设内容 - 水库分中心 水库分中心 19 1 硬件建设 （ 1 ）信息分中心建设 1 处，设置在水库管理所。包括管理房设备， 不包括管理房土建；（ 2 ）办公设备采购 1 批，包括办公设备和便携式水情 观测设备；（ 3 ）水库水位监测系统 1 处，自动监测水位；（ 4 ）水库出水 口流量监测系统建设 1 处，水库取用水总量监测；（ 5 ）水库出水口总闸启 闭自动化控制系统建设 1 处，水库放水自动化控制；（ 6 ）视频监控系统 1 套，设置在总闸启闭室附近（ 7 ）干渠的流量监测系统 2 处，水库支渠、 1 # 暗涵分水口处；（ 8 ）干渠闸门启闭自动化控制系统建设 2 处，水库支渠、 1# 暗涵支渠分水口处。 建设内容 - 水库分中心 水库分中心 20 2 软件建设 部分安装、部署在管理所信息分中心计算机上，实现数据本地存储。 水库管理所分中心设置信息化管理终端，便于不同用户级别的管理。 （ 1 ）灌区信息化管理系统（ GIS ） 1 套，水库管理所级； （ 2 ）灌区信息化采集处理系统 1 套； （ 3 ）自动化闸门控制软件系统 1 套，实现手机短信控制； （ 4 ）灌区水费计收系统 1 套，预留接口，本次不做开发。 建设内容 - 水库分中心 水库分中心 21 1 硬件建设 （ 1 ）信息分中心建设 1 处，设置在水库管理所。包括管理房 设备，不包括管理房土建；（ 2 ）办公设备采购 1 批，包括办公设备 和便携式水情观测设备；（ 3 ）水库水位监测系统 1 处，自动监测水 位；（ 4 ）水库出水口流量监测系统建设 1 处，水库取用水总量监测； （ 5 ）水库出水口总闸启闭自动化控制系统建设 1 处，水库放水自动 化控制；（ 6 ）视频监控系统 1 套，设置在总闸启闭室附近（ 7 ）干 渠的流量监测系统 2 处，架枧水库黎明支渠、 1# 暗涵分水口处； （ 8 ）干渠闸门启闭自动化控制系统建设 2 处，水库支渠、 1# 暗涵 支渠分水口处。 建设内容 - 水库分中心 水库分中心 22 2 软件建设 部分安装、部署在管理所信息分中心计算机上，实现数据本地存储。 水库管理所分中心设置信息化管理终端，便于不同用户级别的管理。 （ 1 ）灌区信息化管理系统（ GIS ） 1 套，水库管理所级； （ 2 ）灌区信息化采集处理系统 1 套； （ 3 ）自动化闸门控制软件系统 1 套，实现手机短信控制； （ 4 ）灌区水费计收系统 1 套，预留接口，本次不做开发。 建设内容 - 培训 （ 1 ）系统整体介绍 系统建设完成后，首先要做的事情就是让相关人员了解本次建设的 目的、意义和内容，调动他们学习和使用信息系统的积极性、主动性，本 部分培训的主要内容包括： 1 、各系统介绍 2 、 各基础平台介绍 3 、本次建设工程总体介绍 （ 2 ）硬件使用培训 本次建设完成后，购置了大量新的硬件设备，人员应该对这些硬件 设备的性能、配置等有个基本的了解，从容的操作信息化设备，本部分培 训的主要内容包括： 1 、系统设备配置 2 、硬件故障检测 3 、设备的使用 （ 3 ）系统操作软件使用及维护培训 系统操作软件是本次系统建设的核心内容，通过系统操作软件的使 用来更好的为客户服务，提高管理水平，带来经济效益。本部分培训主要 针对业务人员和技术人员。 预期效益 24 大型灌区信息化建设主要为灌区管理、用水调度管理、行政办公决策 与管理提供服务，具有显著的社会效益、生态效益，总体上属于社会公益性 工程。 大型灌区信息化建设的效益集中体现于通过各种用水信息的采集分析， 建立科学的用水调度管理模式，为科学灌溉、合理用水、节约用水提供依据， 提高灌溉保证率，增加农作物产量，提高农业生产力，改善当地农民生活条 件，提高灌溉效益、供水效益。同时，通过先进的量水设施精确计量实用水 量，不仅可以增加灌区水费收益，而且可大大减少交接水双方的矛盾，从而 确保灌区的社会稳定，为灌区水利现代化和经济社会可持续发展提供可靠保 障。总之，大型灌区信息化建设具有显著的社会效益和生态环境效益。 四、建设方案 总 总 体 体 结 结 构 构 图 图 25/11/12 26 雨水情监测系统 27 水位雨量监测站主要负责监测灌区水源地的实时降水位雨量数据。水 位雨量监测站主要由水位雨量筒、监测主机和 GPRS 通信模块三部分构 成。采集的水位雨量数据经过编码后通过 GPRS 网络传输至数据中心。数 据中心是系统的监控中心，负责监测灌区内水位雨量数据以及其他各类监测 数据。可通过定制软件进行分析处理。 闸门远程控制系统 28 目前，灌区闸门全部门手动铁质闸门，由于智慧灌区发展和防洪需 要，现对手动闸门进行升级改造，闸门升级改造主要包括对启闭机的更换以 及现场电源引接两部分。闸门远程控制系统主要由闸门电动启闭机、闸门开 度仪、 PLC 机柜、电源系统、水位监测系统、 GPRS 通信网络构成。采集 的水位数据经过编码后通过 GPRS 网络传输至数据中心，数据中心通过分 析，远程控制闸门的开启与关闭。 渠道流量监测系统 29 渠道流量测量一般采用两种方式，一类是流速面积法，测得流速后根据渠道流速乘以渠道 断面面积计算出流量；另一类是成型渠道的水位流量关系法，测量水位，计算出流量。根据本 项目建设的特点和现场工作方式，采用流速面积法。 平均流速测量：流速的测量是通过超声波探头（换能器）发射与接受超生波信号并做 相应的计算处理而获得的：换能器 1 发射频率为 f1 的超声波信号，以一定角度由水下向 水面发射，在碰到水中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，并以 f2 的频率反射到换能 器 2 ，这就是多普勒将就， f2 与 f1 之差即为多普勒频差 fd 。设流体流速为 v ，超声波 声速为 c ，多普勒频移 fd 正比于流体流速 v 。水中会有大量的杂质颗粒与气泡，每一个 反射粒子对应一个多普勒频移 fd ，通过换算可求得其流速，这些大量粒子的平均流速也 即流体的平均流速。通过测得的平均流速及水位计断面尺寸，可求得断面流量。 视频监视系统 30 通过现场的摄像装置，视频监视系统可以通过网络将现场的实时图像准确、快速、清晰地 传输到相应的管理部门。值班人员及管理人员根据视频图像所反映的现场情况，就可以异地监 视水工建筑物的运行，进行事故处理。实时采集到的视频信息可以存储在计算机中，作为历史 资料，对于事故分析、责任排查、提高建筑物运行管理水平，都具有非常重要的价值。 31 序号 建设内容 建设数量 说明 一 硬件系统建设 1.1 信息中心建设 1 处 1.2 信息分中心建设 2 处 1.3 办公设备采购 1 批 1.4 水库出水口流量监测系统建设 2 处 1.5 水库出水口总闸启闭自动化控制系统建设 2 处 1.6 水库出水口总闸闸门开度监测系统建设 2 处 1.7 干渠的流量监测系统 5 处 1.8 干渠闸门启闭自动化控制系统建设 5 处 1.9 干渠闸门开度监测系统建设 5 处 1.10 视频监控系统 15 套 二 软件系统建设 2.1 Windows 7 1 套 2.2 SQL Server 2015 1 套 2.3 杀毒软件 1 套 2.4 灌区信息化管理系统（ GIS ） 1 套 2.5 灌区信息化采集处理系统 1 套 2.6 灌区水费计收系统 1 套 2.7 自动化闸门控制系统 1 套 2.8 手机 APP 应用软件 1 套 管理所级  基础信息数据库设计 （ 1 ）水情数据库 （ 2 ）闸控数据库 （ 3 ）工情数据库 （ 4 ）管理数据库 （ 5 ）水利空间属性数据库  水情流量监测软件设计 （ 1 ）灌区量测水管理系统 （ 2 ）灌区水费计收系统 （ 3 ）数据采集系统 （ 4 ）地理信息系统 （ 5 ）手机短信控制系统 （ 6 ）泵站控制系统 25/11/12 32 信息传输方式 根据需求分析及上述的方 案设计，灌区计算机网络、办 公业务数据传输、视频信息传 输等需要高带宽、稳定可靠的 通信保障。因此，需要自建光 缆通信网络来进行辅助的通信； 流量、闸位等信息采集属于小 数据量通信，采用 GPRS 公网 通信。 系统供电采用市电，通过 大管局与当地协调，采取就近 取电的方式。 大管局级  软件建设内容：数据汇集平台；综合数据库管理平台；应用支撑平 台；应用系统；数据共享  综合数据库建设：属性数据库设计；空间数据库；数据整理录入；数据 汇集平台；数据分析纠错；数据查询与挖掘；可视化视频数据；闸门监 控建立；数据存储与备份  业务应用系统 ：灌区概况 ；水源地信息；渠道信息；隧道信息；涵洞 信息；渡槽信息；闸泵信息；取水工程信息；管理单位信息；档案管理 ；后台管理  业务管理系统 ：流量监测分析查询 ；灌溉供水信息；工程基础信息 管理；项目档案