1項目背景
河道堤防是水利工程的主體，用於控制和調配自然界的地表水和地下水，以達到除害興利目的。它主要用於排澇防洪、保水固土，還可用於生態環境建設。堤防工程建成以後，爲了減少它們在自然力和人類活動等諸多因素作用下遭受侵蝕和破壞，以及能及時發現險情並加以排除，使其真正發揮本身所具有的作用，就必須對河道堤防實施管理，而且必須採用現代化的管理手段。因此，建立河道堤防的數字化管理控制系統就成爲其發展的必然趨勢。
2河道堤防數字化管理控制系統設計思路
蘭溪市是浙江省重點防洪縣市，地處衢江、金華江和蘭江三江交匯處的蘭溪。每到汛期，一旦發生洪水，極易遭受洪澇災害，潰壩事故時有發生，嚴重危害着沿線居民的生命財產安全。因此，加強對河道堤防的日常管理、巡視、維護，即成了當務之急。
蘭溪市三江五溪的主要河段已建堤防爲160km(其中，用於農防148km;用於城防爲12km);已建的各類防洪閘門36座;已建成並投入運行的排澇站有31座，88臺機組的總裝機容量爲4782kW·h。此次項目是以蘭溪市錢塘江農防加固工程爲試驗段，並與堤防主體工程的設計、建設同步進行。
在蘭溪市河道堤防管理所內，建立了河道堤防數字化管理控制中心，下設現地數字化標識監測系統、現地視頻監視系統、移動巡檢辦公系統、便攜式實時視頻監視系統、24座閘站的現地視頻監視系統、23座泵站的現地計算機視頻監視系統、水情監測系統、防洪防汛堤壩安全監測系統(Echoscope三維實時聲學成像聲納系統)、辦公自動化系統等9個子系統。通過控制中心實現對上述9個子系統的管理控制、通信調度，同時實現所有實情數據、信息的採集、存儲、共享、發佈以及上傳功能，並使河道堤防數字化管理控制中心與上級河道堤防行政管理部門、上級防汛指揮調度中心相互間做到高效的信息交換及資源的共享，爲相關部門的工作人員提供其所需的準確、可靠、快捷的數據和信息。
3河道堤防數字化管理控制系統設計
3.1系統概述
蘭溪河的河道堤防數字化管理控制系統採用開放的分層分佈式結構，共分爲2級，即河道堤防控制中心層和現地控制層(現地各網絡交換機等)。2級之間採用光纖以太網及無線網絡實現數據信息的傳輸和交換。因此，系統由河道堤防控制中心層(即數字化管理控制中心)、現地控制層(即9個子系統)以及通信網絡(即以太網及無線網絡)三大部分組成。
河道堤防控制中心層通過對現有河道資源信息數據進行綜合分析，建立河道堤防數字化管理控制的系統平臺，以實現對各子系統的管理控制、通信調度，並實現與上級(各級)行政管理部門、上級(各級)防汛指揮調度中心的通信調度。同時，還能實現河道資源基礎數據管理、日常管理、應急管理、對內服務、對外服務等管理控制功能。現地控制層即9個子系統，各司其職，爲蘭溪河道的堤防管理控制提供信息管理基礎。同時，應用物聯網和移動互聯網技術，通過有線網絡(局域網、互聯網)、無線網絡(包括3G網絡)相連接，從而構成河道堤防管理控制系統的通信網絡，實現隨時隨地控制管理。
3.2管理控制中心
3.2.1系統軟件平臺總體構架
系統軟件平臺採用B/S架構，選用MicrosoftVisualStudio和FlashBuilder爲主體開發工具，並結合先進的GIS技術、技術框架、中間件技術等，進行二次研發。該系統平臺結構包括5個主要層次，自上而下依次爲:應用層(即系統具體的功能應用)、支撐層(即實現應用功能具體的軟件支撐)、數據層(即數據庫內容)、硬件與網絡層(即系統運行的配套硬件和網絡環境)以及河道感知層(即數據的採集系統)。總體上，系統的建設將通過中間件架構訪問5個主要架構層，以實現對各專題服務之間的`相互調用、相互觸發與數據交換來最終實現對各種專題服務的總體集成。
系統軟件平臺亦即信息化體系，其應用功能主要是針對河道堤防管理者對河道的堤防管理、日常運行維護所需要的各類業務的運行與管理工作提供支撐。該體系主要包含如下內容:河道資源基礎信息管理模塊;現地數字化標識管理模塊;現地視頻監視模塊;移動巡檢辦公信息管理模塊;便攜式視頻監視系統模塊;水情監測系統模塊;堤防安全監測系統模塊;辦公信息化管理模塊;泵站現地計算機、視頻監視系統模塊以及閘站現地視頻監視系統模塊。
3.2.2硬件配置
硬件配置選用具有無限擴展及靈活集成能力的各類先進的主機、存儲網絡等設備。主要由3套主機/操作員工作站、1套工程師工作站、1套通信工作站、1套辦公自動化系統工作站、1套視頻監視工作站、1套UPS電源櫃、1套網絡設備櫃、1套服務器櫃、1套GPS同步時鐘裝置、5臺漢字網絡打印機、1套大屏幕多媒體投影設備以及1套微機控制檯等組成。
主機/操作員工作站功能包括對整個工程綜合自動化系統的管理，數據庫管理，在線及離線計算功能，各圖表、曲線的生成，事故故障信號的分析處理等;同時供運行值班人員使用，具有圖形顯示、運行監視和控制功能、發操作控制命令、作定值修改、設定與變更工作方式等功能。其中，1臺工作站爲大屏幕多媒體投影設備專用;其餘2臺工作站中的1臺爲主站，另1臺爲備站，互爲熱備用。當主站發生故障時，系統會自動將備站切至主站，以保證系統的實時性和可靠性。也可以由操作人員進行鼠標切換。
工程師工作站承擔調試和員工仿真培訓方面的工作。遠動所需的各種信息量直接由通信工作站發送，同時，該通信工作站還作爲與上級河道堤防行政管理部門、上級防汛指揮調度中心交流信息的通道。
3.3現地控制層
3.3.1現地數字化標識監測系統
現地數字化標識監測系統是河道堤防基礎地理信息的支撐系統，是智慧河道感知層的重要組成部分。由數字化標識器和管理軟件組成，通過對河道堤防主要水工建築物資源信息進行編碼，將河道堤防主要水工建築物(如:泵站、水閘、堤防、滾水堰、橋樑等)的基本特徵的相關數據(即有關河道堤防的各類信息)進行現地的存儲，以實現對主要水工建築物的標籤定位以及聯網。同時，通過與移動巡檢辦公系統的結合，可用於河道堤防的日常維護和使用。
3.3.2現地視頻監視系統
爲降低工程投資，系統僅在每個防洪圍片泵站、閘站較集中的部位或有新建滾水堰的部位，設置1～2個現地視頻監視站點，共設置14個監視站點。
每個視頻監視點設備包括:立杆、戶外不鏽鋼箱及1臺室外一體化網絡攝像機。每個視頻監視站點的環網交換機同時將周圍泵站攝像機的實時圖像及運行信息、閘站攝像機的實時圖像，通過以太網(光纜)傳送至河道堤防數字化管理控制中心。
河道堤防數字化管理控制中心運行管理人員可以實時監督和掌握河道、堤防、已建主要水工建築物的運行情況以及安全狀況。同時，也是爲了保障有效地應對突發事件，滿足河道堤防的日常維護管理要求和汛期防汛抗洪方面的要求。
3.3.3移動巡檢辦公系統
在技術結構上，可將移動巡檢辦公系統分爲移動讀寫前端、3G無線網絡、管理控制中心等3個部分。該辦公系統是基於Android4.4.2系統，使用JAVA在NDK基礎上進行研製開發的;使用http協議，通過json與服務端交互數據;使用開源GIS地圖引擎系統，實現了通過移動讀寫前端內嵌的芯片獲取數字化標識中相應的工程信息，並通過GPS定位功能，實現在GIS地圖上顯示最新的實時位置以及發現問題及時上傳上報等功能。
系統通過無線網絡，基於移動互聯網建立私有通信隧道，形成一個虛擬的局域網，實現對外業巡檢管理人員進行即時定位、實時追蹤巡查與巡檢軌跡、調度管理、無線考勤等目的;外業巡檢管理人員可現地讀取數字化標識系統內存儲的有關河道堤防的各類信息，並可隨時查詢附近的各種水利設施設備的屬性信息及周圍環境等，隨時記錄存儲巡檢時獲得的實時信息，實現發現問題有處上報、需要資料有處查找以及能及時處理手頭工作。
3.3.4便攜式實時視頻監視系統
爲降低蘭溪市錢塘江農防加固工程的建設投資，現地控制層的9個子系統中的現地視頻監視系統僅設置了14個監視站點。然而，要實現對河道資源、險工險段、河道堤防重點監控區域(如:取水口、排污口、採砂段、涉河項目建設段等)、河道堤防重要部位(包括主要通道口等)、泵站、閘站進行遠程有效的全天候視頻監控，僅靠14個監視站點是無法完全滿足要求的。
爲真正實現對河道堤防的全方位、立體化、網絡化、智能化的縱深遠程視頻監控，同時，也爲了使防汛抗洪指揮部在防汛抗洪期間更方便、實時、全面地掌握河道堤防的動態實情，針對即將設立的女埠上街、香溪香五、蘭江下金、雲山黃湓、上華澎村、靈洞石關、遊埠郎家7個堤防維護管理站，另外還設置了7套便攜式實時視頻監視系統。該便攜式實時視頻監視系統，由外業巡檢管理人員移動巡檢辦公時配套使用，主要用於河道堤防的日常維護工作和防汛抗洪期間的臨時應急遠程調度指揮。
3.3.5水情測報系統
對蘭溪市錢塘江農防加固工程設置有1套水情測報系統。該系統主要由水情測報中心站系統、7處水位遙測站(點)及多套人工水位觀測水尺組成。
水情測報中心站系統設在河道堤防數字化管理控制中心，水位遙測站和觀測水尺則有現地佈置。水位遙測站採用水位傳感器來採集水位數據，通過現地遙測終端進行控制，並通過無線方式傳輸相關數據。遙測站現地供電方案採用蓄電池供電，並通過太陽能電池板對蓄電池進行充電。
人工水位觀測水尺安裝在所觀測位置的豎直表面上，個別地方無安裝位置豎直表面的，則將人工水位觀測水尺製作安裝成鋼混結構的水尺樁。
3.3.6閘站現地視頻監視系統
爲實現對各閘站進行遠程有效的實時視頻監視，在24個閘站分別設置了1套戶外攝像機，將閘站中各閘門運行位置的實時圖像，通過以太網(光纜)傳送至河道堤防數字化管理控制中心，用於河道堤防的管理維護。運行管理人員可實時監督和掌握河道、堤防、已建主要水工建築物的運行情況及安全狀況，同時，也爲有效地應對突發事件提供了保障。
3.3.7泵站現地計算機及視頻監視系統
對每座泵站均設置了現地計算機及視頻監視系統。該系統包括2套攝像機和1套I/O箱(內部設置1套數據採集控制單元和1套網絡交換機)，將泵站的實時圖像和泵組運行信息，通過以太網(光纜)經現地視頻監視站點傳送至河道堤防數字化管理控制中心。管理控制中心的運行管理人員可實時監督和掌握23座泵站的泵組運行情況及安全狀況，同時，可爲有效地應對突發事件提供保障，滿足河道堤防的日常維護管理方面的需求以及汛期防汛抗洪的要求。
3.3.8防洪防汛堤壩安全監測系統
“防洪防汛堤壩安全監測系統”是水利部“948”引進項目、浙江省水利科技推廣與發展中心引進項目，由英國CodaOctopus公司提供，稱爲Echoscope三維實時聲學成像(Real-time3DAcousticImaging)聲納系統。該系統可針對不同水域的狀況完成水下細搜掃測作業。採用Echoscope三維圖像聲納系統，能確保在50m以內的監測特徵尺寸不小於50cm的懸浮、沉底的不明可疑物體，近距離可分辨3cm以上的建築物裂縫，是水下隱患探測的重要工具。同時，該系統也是目前世界上唯一在零能見度的條件下能夠快速檢測和探測水下大範圍內可疑目標或IED(簡易爆炸裝置)的三維聲成像聲納。
4結語
蘭溪市錢塘江農防加固工程範圍爲富春江水庫庫區回水堤防，工程項目涉及14個防洪圩片，加固堤防總長度爲56.67km，其中8.69km長的堤防爲維持現有的防洪標準，僅做護岸。另外，涉及沿堤排澇站新建、更新改建共有23座，沿堤節制閘新建、拆建、更新改建的共有24座，新建滾水堰6座以及管理站7個。
針對農防加固工程而建設的蘭溪市河道堤防數字化管理控制系統，引入了新一代的物聯網、移動互聯網、決策分析優化、無線寬帶等信息技術與概念。依託這些新技術，通過感知化、互聯化、智能化的方式，將河道堤防資源中的物理基礎設施、信息基礎設施、社會基礎設施和商業基礎設施等連接起來，可以提高河道堤防管理水平與服務效率，使之成爲可以指揮決策、實時反應、協調運作的“智慧化系統”;實現了河道堤防管理的現代化(即數字化、信息化)和規範化，使管理效率得以大大提高。
爲使蘭溪河道堤防數字化管理系統更完善，後續還將研發“洪水風險圖應用與管理”的應用軟件。將通過對工程各區域的防洪風險進行分析，建設相應的洪水風險圖應用與管理軟件，爲工程洪水風險管理、防汛決策、搶險救災提供有力的技術支撐;還將應用4G視頻技術建立便攜式實時視頻監視系統，以更好地發揮管理控制中心的遠程調度指揮作用;爲提高現場人員應答的及時性，將新增1套網絡尋呼話筒、1套網絡廣播軟件，在防汛抗洪期間，通過廣播對話管理，實現對工程內各泵站、閘站的應急遠程調度指揮。
建設河道堤防數字化管理控制系統只是開頭，系統建成以後的應用和維護纔是關鍵。希望通過該系統建設的探索實踐，爲類似河道堤防的管理提供可資借鑑的經驗。