水利枢纽工程数字信息系统的分析与研究

水利枢纽工程数字信息系统的分析与研究

段皓林

重庆泽景霖勘测设计有限公司 重庆 401121

摘要：水利枢纽工程采用的电子信息系统，在积累、协调、利用与处理多元数据源和传统记录资料方面实行了有效的管理。因此，数字信息资源在管理及其运用层面的现代化水平得到了显著提升，体现了信息整合时代下数字化记录资源共享的理念。该系统集成了海内外尖端技术，以电子化记录资源作为核心内容，并追求将这些数字档案永续保存并高效应用。

关键词：智慧水利；水利枢纽信息化平台；云端化

引言：构筑数字化水利信息架构依托于现代电子技术应用、智慧模拟及精细化的筹划与布局。该架构通过整合尖端信息技术、往期与实时数据以及分析算法，实施精确度极高的工程结构建立及业务智能化的提升。这一过程显著提高了洪水调度、水资源合理分配、监督安全管理、日常维护等各个领域内的工作效率，进而也大幅增强了面对干旱和洪水灾害的防御能力。

1数字信息系统平台研究

水利枢纽工程依托的技术平台融合了各种数据资源、分析算法与知识体系，并利用监控与展示的软件工具加上驱动资源有效运行的引擎进行构筑。这个平台可以在网络条件下仿真现实水利枢纽的作业状态，在此之上，它可以强效支持工程安全智控预警、水力发电运用与智能化管理等多项功能。其核心研究内容囊括了数据整合平台、建模数据库、知识内容管理系统以及信息处理引擎等领域。

1.1 数据底板

数字化水利枢纽所依托的数据支撑系统包含了地理信息数据、多种基础性数据、监控记录、业务处理信息以及其他来源共享数据等多元内容，构成了其信息处理的核心平台。基于这些数据的精确度及工程施工的区域性范畴，该支撑系统可以划分为三个层次：L1级、L2级和L3级。

1.1.1 GIS采集与数据处理

（1）总体思路。分享水利部L1级地理信息数据后，将开展高空俯瞰拍摄、斜角拍摄、无人船探测等作业，搜集涵盖水控要点及其附属配套灌溉设施的直下式空中影像、倾角空中影像以及水底地形数据。进而，这些数据将被集成优化，用以制作数码地形模型（DEM）、数码正射影像图（DOM）、斜角摄影模型和水下地理图貌等资料。通过这些工序，我们可以完善并建立L2、L3级的地理空间数据库，以此为各类业务活动提供根本的数据支撑。

（2）数学基准。水利枢纽工程的地理定位系以2000年发布的中国大地坐标系统（CGCS2000）的投影系为依托；海拔高度基线则依循1985年确定的国家高程基准来规定。

（3）建设内容及范围。在某水利枢纽的核心区域，面积大约为2平方公里，制作了格点间隔为2米的数字高程模型（DEM），及0.1米地表解析度的数字表面模型（DOM）和具有3厘米分辨率的下俯视角倾斜摄影立体模型。在该水利枢纽的库区，大约占地10平方公里，进行了水下地貌的详细测绘，整个库区以及倒灌区的测绘样点间隔小于1米，而在沉积物堆积严重、水土冲刷变化显著的关键水下部位，测绘的样点间隔被严格控制在小于0.5米。

1.1.2 BIM模型建设

BIM技术开发出来的数字模型，在工程领域数字信息化中扮演着对建筑物、结构体乃至诸多设备和设施进行数据表述的角色。该技术还构筑了BIM服务的关键信息基础，旨在准确展现建筑及结构组件的规格尺寸、质感逼真的材质面纹以及详尽的属性信息。在枢纽工程领域内，这一模型设计了包括大坝本体、泄洪系统、发电及引水设施、电站建筑、鱼道、安全监控装备、副坝、交通网络和供水系统等要素。而在灌溉系统领域，模型的重点是涵盖灌溉系统从获取水源的环节开始的所有设计。

1.1.3 数据库建设

工程信息化系统的数据综合处理能力包括了基础数据、监测数据实时更新、公司运营数据、空间地理数据以及对外共享数据等多个维度。基础数据覆盖了项目的关键特征，例如项目概要、机械设备明细、顾客信息、权限配置和文档归档等内容。监测数据实时更新方面，涉及工地现场即时采集的信息，包含了施工现场安全实时追踪、降雨和水文情况追踪、监控摄像头数据、水域质量标准、水温度数值、生态环境流量监测数值、自来水供给情况、灌区水位及流量情况以及工程自动化监控等数据。

1.2 模型库

1.2.1 水利专业模型

遵循“标准化、模块化、云服务化”的原则，构建了一套针对模型开发平台的技术规范体系，涵盖了模型应用、沟通及接口定义等多个领域。此举确保了多元化模型的广泛兼容性打包，以及接口设计的一致性标准化，通过分布式的微服务架构，实现了统一且持续的服务支持，方便各级机构的需求调用。包括但不限于涵盖洪水预测模型、中长期流量预测模型、水利工程安全监测分析模型，以及水库管理调度模型等核心领域。

（1）洪水预报模型。某模型借鉴气象预报的原理来获悉区域性水系的短期至长期气侯资讯，并利用水资源仿真方法来测算产流与聚流信息，进而生成接下来30天的水情预测结果。该预测系统建立在解析表征大气运动特征的一系列动力方程、质量守恒方程以及热力学方程基础之上，用以模拟气候现象。相较于其他相似规模的模型，它应用的参数化过程更加精细，模拟中物理过程相互作用、相互影响。

（2）中长期来水预报模型。许多技术可用来推算中至长期的水资源量，但它们在复杂性和准确性上表现参差。在选用过程中，可依据具体状况筛选出适当的预测方法，并在得到预测结果后进行选择和评价，目的是优化预测方案，从而提高预测结果的可靠性。这一项目可以采取多元的预测方法，包括定性天气预报、统计分析技术、均值周期叠加方法、小波周期分析和基于季节性小波的神经网络模型等，以便对中至长期的水流状况做出预估，并将这些多样化的方法整合到系统软件之中。相应的模型能够向水库提供中至长期的流量预测信息，为水资源管理和调控政策的构建提供必须的理论计算支撑。

（3）工程安全监测分析模型。施工安全检查分析的数理统计模型，其核心依赖于数学统计领域，展现了“背后验证”的性质。针对监控数据（如偏移量、渗压力、形变指标等）映射出众多自然及人工因素的叠加作用，为了解释这些外部因素与监测数值之间的互动关系，我们需要搭建一整套的数理分析模型。

（4）水库调度模型。对工程特性和运行目标进行评估，在保证供水管网稳定有序的前提下，根据水利调度管理机构提供的当日可供水量、本地区供水能力以及历史用水盈亏情况，同时考虑到工程当前的运行状况和各输水管道的能力限制，在实时追踪中不断调整每十天一次的水量分配计划，以实现水资源的合理分配，并制定出全线即时的水量分配策略。

1.2.2 智能识别模型

视频识别服务能够借助大数据分析技术，采用全监督学习、半监督学习和无监督学习等多种专业的视频识别与分析手段，对视频数据进行训练和调整。根据业务需求，我们也能对视频数据进行分析和理解，以满足诸如水库上下游河流的危险监控、“四乱”的整顿监控以及工程的安全监控等业务需求。

借助视频数据，我们有能力自主辨认、提醒并解读工程的水位与流速。此外，我们还将融入历史的水文、风险状态与气象数据，从而为可能存在的风险项目提供预警。针对水库附近的非法占地、过度开发、堆放以及建造的问题，我们将借助视频数据的解读，达到对防止洪灾的森林、高产的农作物、河道的沙石开采、污染源、浮游生物、违规建筑等的即时观察、提醒、数据统计与趋势研究。

1.3 知识库

1.3.1 预报调度方案库

依据既定的调度策略，我们将考虑到枢纽工程的特征、水利设备以及影响区域的大小等各种因素，来制定或者更改必要的预测调度策略。此外，我们还将对调度策略的信息进行自动化、文本化和知识化的处理，并配合预案的关键信息的搜索和索引，以构建预测策略的调度库。经过对商业文件的结构化处理，我们创建了一套适用于多个项目的结构化规则集。这套规则集全盘梳理了各类水利工程的调度策略，并给出了其逻辑化、数字化的阐述和保存方法。最后，我们构筑了一个专门为防洪调度和水资源调度服务的规则库。

1.3.2 业务规则库

在对枢纽工程进行监控和管理时，我们主要关注的是管理业务的实际需求，这些需求主要包括对水库、泵站、水闸、河道等重要工程的监控和管理。我们还会采用多种评估方法，如整理监测数据、风险评估、预警分析等。另外，我们还会根据各类业务需求，如巡查、维护保养和管理考核等，建立合适的业务规则库。我们会接收实时数据，并依据业务规则来判断数据是否超出了限制。如果数据超出了限制，我们会按照预先设定的规则进行分级、预警和警告。保障水利设施的安全运行监控。

1.4 信息系统引擎

1.4.1 数据引擎

数据驱动器拥有收集、处理、变换、分享、呈现、运算和刷新的多元化、跨越时间和地点的数据功能，并且拥有多种形式和层次的数据储存设施，可以进行各种类型的数据收集、处理、规范管理、数据服务和应用服务。

1.4.2 模拟仿真引擎

利用数字化基础设施，模拟仿真技术有能力促使水利虚拟设备的全面运转，同时融入了静态和动态的信息。通过API，这个技术有能力执行如物理驱动、即时渲染、动态视觉效果等任务，因此，它有能力精确快捷地呈现出水利专用模型及其智能化的成果。如此一来，我们能够重塑数字化信息系统的流域/工程，并对其历史数据和事件进行重述，进行即时的仿真操作，还能对模型算法的预期结果进行模拟。

2结论

在处理水利枢纽项目的管理职责时，其难度是无法被轻视的。所以，我们需要依照数码科技的发展趋势，将数码、互联网和智慧融入到水利项目中，构筑一个数码化的项目。借助智慧的仿真，我们有能力做出准确的判断，同时也会全面地促进计算资料、算法及计算能力的提升。这将使我们能够迅速构筑一个拥有预见、警告、展示以及计划的智慧型水利枢纽。

  参考文献

［1］辛华荣，周灿华，樊旭，等.对江都水利枢纽管理现代化的思考［J］.中国水利，2021（8）：40-45.

［2］江苏省江都水利工程管理处.江苏省江都水利枢纽管理现代化规划（2011—2020）［R］.江都：江苏省江都水利工程管理处，2020.

［3］江苏省江都水利工程管理处.江都水利枢纽工程信息化建设方案［R］.江都：江苏省江都水利工程管理处，2020

［4］吴苏琴.基于计算机技术的水利工程管理信息化系统研究［D］.西安：西安理工大学，2022：64-65.

［5］宋斯阳.水利枢纽数字水利信息系统的分析与设计［D］.西安：长安大学，2021：28-29.