一、方案概述
随着信息技术的快速发展,传统水利正在向数字化、网络化、智能化方向转型。本方案旨在利用物联网、大数据、云计算等新一代信息技术,构建一套智慧化的水利监测与管理系统。
通过在水利设施部署各类传感器和智能设备,实现水文、工情、水质等数据的自动采集;利用无线网络将现场数据实时上传至云平台,进行大数据分析和可视化展示;并根据分析结果,对水利设施实施智能调度与控制,提高水资源利用效率,保障水利工程安全运行。
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二、系统架构
本系统采用"感知层-网络层-平台层-应用层"的四层架构设计。
1. 感知层
在水利现场部署各类传感器和智能设备,负责水情、雨情、工情等数据采集。主要包括:
- 雨量计:监测降雨量,为水文预报提供数据支撑。
- 水位传感器:监测河道、水库水位变化。
- 流量计:监测灌区、泵站等用水流量。
- 闸门开度传感器:监测水闸启闭状态。
- 视频监控设备:对重要水利工程进行图像监控。
- 水质监测设备:对水体pH值、溶解氧、浊度等指标进行监测。
这些感知设备通过RS232/RS485等工业接口与数据采集终端相连。我们选用星创易联SeDTU200系列工业级DTU作为数据采集终端,其具备以下特点:
- 支持4G全网通,传输速率高,覆盖广
- 提供RS232和RS485接口,可直接连接串口设备
- 支持Modbus等工业协议,轻松实现数据采集
- 全工业化设计,可靠性高,适合野外环境
- 支持APN/VPDN,保障数据传输安全
- 支持本地串口配置、升级,支持云平台远程管理
2. 网络层
负责将感知层采集的数据传输至云平台。考虑到水利工程点多、面广、野外无人值守的特点,我们采用多种通信技术组建覆盖全域的传输网络:
- 4G蜂窝网络:利用运营商成熟的4G网络,具备覆盖广、速率高、组网快等优势。我们选用星创易联SR500系列工业级4G路由器,其具备以下特点:
- 支持4G LTE CAT4,传输带宽大
- 千兆以太网端口,数据汇聚传输性能强
- 支持多种VPN,保障数据传输安全
- 支持边缘计算,可就近处理数据
- 全工业化设计,适应恶劣环境
- 支持APN/VPDN,实现专网接入
- LoRa:在4G信号盲区,可采用LoRa组建近距离自组网,传输距离可达数公里。
- 以太网:在有线条件允许的场合,可利用光纤、网线组建高速稳定的传输通道。我们选用星创易联SW005F系列5口百兆工业交换机,其具备以下特点:
- 5个10/100M自适应MDI/MDIX口
- 全工业化设计,无惧恶劣环境
- 支持导轨安装,部署灵活方便
- 低功耗,节能环保
- 宽温设计,工作温度-40~85℃
3. 平台层
在云端搭建智慧水利管理平台,对设备接入、数据汇聚存储、大数据分析、可视化展示等提供支撑。主要包括:
- 物联网平台:负责海量设备的接入和管理,实现设备远程监控、升级、配置等功能。可选用星创易联StarDeviceManager物联网管理平台,支持MQTT等多种接入协议,便于二次开发。
- 时序数据库:负责海量时序数据的高效读写和查询,为数据分析提供数据支撑。可采用InfluxDB等专用时序数据库产品。
- 大数据分析平台:负责水情预测、设备健康度评估、水资源优化调度等数据分析应用,为智慧决策提供依据。可基于Hadoop、Spark等大数据框架搭建。
- GIS平台:在地图上直观呈现各监测点位的地理位置和实时数据,便于管理人员掌控全局。
4. 应用层
开发各类面向业务人员使用的应用系统,使数据分析成果转化为实际业务价值。主要包括:
- 防汛预警系统:基于雨情、水情监测数据,结合水文、气象模型,及时预警洪水风险,辅助防汛调度决策。
- 水资源管理系统:对区域水资源的总量和分布情况进行统计分析,并结合需水预测,优化水量调配,提高水资源利用效率。
- 灌区信息化管理系统:对农田灌溉区的水量分配、用水监督、渠系工程运行等实施精细化管理,提高农业用水效率。
- 水利设施运维管理系统:根据水工建筑物的实时监测数据,分析其健康状况,及时发现和处置安全隐患,实现设施的智能化运维。
三、关键设备选型
1. 数据采集终端:星创易联SeDTU200系列
- 支持4G全网通,传输速率高,覆盖广
- 提供RS232和RS485接口,可接入各类串口设备
- 支持Modbus等工业协议,轻松实现数据采集
- 全工业化设计,可靠性高,适合野外环境
- 支持本地串口配置、升级和云平台远程管理
- 支持APN/VPDN,保障数据传输安全
2. 4G工业路由器:星创易联SR500系列
- 支持4G LTE CAT4,传输带宽大
- 千兆以太网端口,数据汇聚传输性能强
- 支持多种VPN,保障数据传输安全
- 支持边缘计算,可就近处理数据
- 全工业化设计,适应恶劣环境
- 支持APN/VPDN,实现专网接入
3. 工业以太网交换机:星创易联SW005F系列
- 5个10/100M自适应MDI/MDIX口
- 全工业化设计,无惧恶劣环境
- 支持导轨安装,部署灵活方便
- 低功耗,节能环保
- 宽温设计,工作温度-40~85℃
4. 数据网关:星创易联SG500系列
- 高性能工业级处理器,数据处理能力强
- 支持4G全网通,数据上云稳定可靠
- 4路独立隔离RS485接口,接入能力强
- 支持多种工业协议,兼容性好
- 全工业化设计,适应恶劣环境
- 支持边缘计算,可就近处理数据
四、系统部署方案
1. 河道监测系统
在重要河段每隔5-10公里部署一个监测站点,每个站点配置:
- 1台SeDTU200数据采集终端
- 1台水位传感器
- 1台流量计
- 1台水质监测设备
- 1台太阳能供电系统
数据采集终端通过4G网络将监测数据实时上传至云平台。
2. 水库监测系统
在水库重要部位部署监测设备,包括:
- 坝顶:雨量计、视频监控
- 坝体:渗压计、位移计
- 溢洪道:水位计、流量计
- 泄洪闸:开度传感器
所有设备通过RS485总线接入SG500数据网关,数据网关通过4G网络将数据上传至云平台。
3. 灌区信息化系统
在灌区主要渠道、泵站部署监测设备:
- 干渠:每5公里设置一个流量监测点
- 支渠:每个首部设置流量计
- 泵站:对进出水流量、电耗进行监测
在灌区管理中心部署SR500路由器作为主站,各监测点通过LoRa自组网接入主站,主站通过4G网络将数据上传至云平台。
4. 城市内涝监测系统
在城市易涝点、重要下穿隧道等位置部署积水深度传感器,通过NB-IoT网络接入云平台。在重点区域部署SW005F交换机组建有线网络,接入高清视频监控设备。
5. 山洪灾害预警系统
在山区重点小流域出口处设置监测站,配置:
- 雨量计
- 水位计
- 图像采集器
- SeDTU200数据采集终端
通过4G网络将监测数据实时上传至云平台,实现山洪灾害预警。
五、数据分析与应用
1. 防汛预警
基于河道、水库实时监测数据,结合气象预报信息,建立流域水文模型,实现洪水预报预警。系统可自动分析上游来水、降雨量与河道、水库防洪能力,当预测洪峰流量超过警戒水位时,自动向相关人员发送预警信息。
2. 水资源调度
基于水文气象数据、用水需求预测,建立水资源优化配置模型。系统可根据当前水情、来水预测、用水需求等,自动生成水库群联合调度方案,实现流域水资源的优化配置。
3. 灌溉管理
基于灌区水情监测数据,结合作物需水模型,实现精准灌溉管理。系统可根据土壤墒情、作物长势、天气预报等,自动生成灌溉计划,并通过远程控制实现自动化灌溉。
4. 水利工程安全监测
基于大坝安全监测数据,建立大坝安全评估模型。系统可实时分析大坝渗流、变形等参数,评估大坝运行状态,当出现异常时及时报警,辅助管理人员采取应对措施。
5. 城市内涝预警
基于积水深度监测和降雨预报数据,建立城市内涝预警模型。系统可预测城市各区域的积水风险,并向交通、应急等部门推送预警信息,指导采取疏散、交通管制等措施。
六、系统效益分析
1. 提高防汛抗旱能力:通过实时监测和智能预警,可提前4-6小时预报洪水,为防汛抢险赢得宝贵时间。
2. 优化水资源配置:通过精准的需求预测和智能调度,可提高水资源利用率5-8%。
3. 降低灌溉用水:通过精准灌溉管理,可节约灌溉用水20-30%。
4. 保障工程安全:通过实时监测和智能诊断,可及时发现安全隐患,降低事故风险50%以上。
5. 提高管理效率:通过远程监控和智能分析,可减少现场巡查频次30%,降低人力成本。
七、结语
本智慧水利解决方案立足水利行业需求,充分利用物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术,实现了水利工程的智能感知、互联互通、分析决策,为水利现代化建设提供了有力支撑。相信随着技术的不断进步和实践的深入,智慧水利必将在防洪减灾、水资源管理、水生态保护等方面发挥越来越重要的作用,为国家水安全保障做出重要贡献。
审核编辑 黄宇
