大型数字灌区总体架构设计研究论文

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 摘   要：数字灌区作为现代化灌区建设的重要阶段，是涉及多学科、多行业，覆盖面广、功能要求高的复杂而庞大的信息 系统工程。数字灌区建设是实现灌区管理现代化的基础，工程建设必须以服务灌区管理需求和指导灌区管理实践为核心要求， 旨在运用先进的水利、信息、控制和决策技术，显著提升灌区管理水平和服务能力。为此，本文基于大型灌区的现状及存在的 问题，提出了大型数字灌区的总体架构，以期为数字灌区标准化建设与管理提供技术指导。

关键词：数字灌区 ；总体架构 ；智能控制

      【Abstract】： Digital irrigation area, as an important stage of modern irrigation area construction, is a complex and huge information system engineering involving multi-disciplines, multi-industries, wide coverage and high functional requirements. The construction of digital irrigated area is the foundation of realizing the modernization of irrigated area management. The project construction must serve the needs of irrigated area management and guide the practice of irrigated area management as the core requirements, aiming at using advanced water conservancy, information, control and decision-making technology to significantly improve the management level and service ability of irrigated area. Therefore, based on the current situation and existing problems of irrigation district, this paper puts forward the overall framework of digital irrigation district, in order to provide technical guidance for the standardized construction and management of digital irrigation district.
      【Key words】： digital irrigation area;the overall architecture;intelligent control

0 引言

       灌区是我国经济社会发展的重大公益性基础设施， 是国家粮食安全和农产品有效供给的命脉，是山水林田 湖草系统治理和乡村振兴的关键支撑，是城镇和工业以 及生态环境供水的重要载体。灌区以占全国 49％的耕地 面积和 62.3％的总用水量，生产出占全国 75％的粮食和 90％以上的经济作物，灌溉水利用系数约为 0.548，灌区粗放型的用水管理模式和灌溉方式是造成水资源浪费的主要原因。因此，转变灌区管理思路，提升灌区管理水平，提高农业用水效率，对于节约水资源，适应整个社会向现代化迈进具有重大意义 [1]。


1 信息化现状及存在的问题

1.1 信息化现状

      目前，灌区信息化系统已能实现实时雨量、水位监 测、视频监控，水情汇总表和灌溉调度计划。但是，目 前尚未建立集中统一的数据资源应用环境，数据资源总 体开发利用程度不高。同时，现有的各类数据资源分散，各业务系统由于建设时间不同、承建单位不同、建 设标准不统一，存在“数据孤岛”现象，数据资源共享 困难。数据深度挖掘和分析应用严重不足，无法为灌区当前亟需提升的供需水感知与预报、水资源配置与调 度、水旱灾害防御、工程安全运行管理等能力提供高效的数据支撑。

1.2 存在的问题

      大型灌区前期的信息化建设处于单一灌区业务的应 用层面，导致形成信息缺共享、管理少手段、决策弱支 撑等局面，灌区信息化建设程度已不能满足灌区现代化 管理的需求，主要存在以下问题。1.2.1 缺乏信息化顶层设计，标准规范尚未建立灌区信息化建设顶层设计缺失，未从系统和全局的高度，对灌区信息化的结构、层次、功能和标准进行统筹考虑、统一规划，存在信息化盲目建设和重复开发建设现象，建设成果不成体系、标准不一，导致数据共享困难、系统设备兼容性差等问题。

1.2.2 态势感知类别少、覆盖不全面，监测手段落后

      目前灌区信息化感知主要以点尺度上的实时监测为主，态势感知的数量和种类不足，覆盖不全面。

1.2.3 缺乏统一的综合平台，业务应用信息化水平较低

      灌区缺少统一的业务支撑平台，无法保障灌区业务 系统建设在统筹的框架下进行逐步拓展，已建应用系统 多为业务办公系统，且为各处自行建设，标准不一，相 互无法打通 ；在业务应用方面尚在使用的系统由于建设 时间较早、维护不到位、未及时更新等原因，大多弃用 或无法发挥作用，已不能支撑灌区当前的业务管理工作。

1.2.4 基础保障环境不完善，数据中心尚未建立
   
      灌区的基础保障环境还不完善，调度中心尚未建 立，设备设施配置标准较低，已不能满足当前会商调度 决策的需要。

2 数字灌区建设目标与任务

2.1 建设目标

      立足灌区实际需求，提升灌区管理能力，创新灌区 服务模式，强化业务体系与现代信息技术的深度融合。 针对灌区水源配置、复杂工程调度，建设立体感知、智 能控制、基础设施、数据资源平台、智慧支撑、智慧应用“六大”体系，实现灌区水感知实时化、水调控高效 化、水供给精细化、水设备智能化、水安全可控化、水 服务人性化，提高灌区用水效率和供水保障率，充分发 挥灌区效益 [2]。

2.2 建设任务

      按照“标准化、精准化、便捷化、平台化、协同 化”的体系思路，基本形成“数据上浮、共享汇聚，服 务下沉、按需高效”的数字管理新模式，先期全面实现数字灌区供需水预测、水资源优化配置、水资源精准调 度等业务应用和管理目标，驱动灌区灌溉管理转变、业 务处理效率提升，引领灌区由数字化向智能化、智慧化 发展和迈进。

3 数字灌区总体架构设计

      大型数字灌区建设总体技术架构采用“五横四纵” 框架架构。“五横”从下往上依次为立体感知、智能控  制、基础设施、数据资源、智慧平台和智慧应用，实现  业务流程“感知―模拟―决策―智控”全过程从实体到  虚拟再回归实体的循环过程。“四纵”从左往右依次为  标准体系、信息安全体系、运维保障体系和评价指标体  系，实现灌区从标准建立到运行管理的体制保障和机制  创新，确保数字灌区的安全性、适应性、先进性、可拓  展性和开发性。总体架构图如下图 1 所示。



3.1 立体感知

      融合遥感、无人机、仪器仪表等实时感知和智能监 测技术，实现水雨情、农情、工情、水质、安全等全要 素透彻感知，考虑取、蓄、输、配、用、排用水全过程， 覆盖上游水源、骨干渠道及建筑物、区内水库塘坝、险 工险段，形成量测视全方位、空天地全覆盖的一体化立 体感知系统 [3]。

3.2 智能控制

     结合灌区骨干输配水建筑物布局，进行现地监控和 远程集中监控系统升级改造，构建智能闸站群监控系 统，实现水源控制节点、渠系配水全过程的实时数据采 集、远程监视与控制，为渠道输配水调度、防洪排涝、 上下游来水调度提供智能化技

3.3 基础设施

     紧密结合灌区业务现状及需求，采用全光网技术完成网络基础设施建设。构建灌区统一的云数据中心和 数据备份系统，建设等保 2.0 第二级保护标准安全。部 署模块化机房，数字沙盘展示灌区发展脉络，实现灌区 统一调度管理。

3.4 数据资源

     数据资源管理平台建设数据集成、大数据存储计算、数据库、数据质量管理、数据治理、目录管理、数 据交换管理等子系统，基于上述子系统完成大型灌区内 的数据汇聚、存储、治理及对外交换工作，进而实现数 据的标准化和规范化，打破部门间的数据壁垒和数据孤 岛现象，支撑数字灌区业务应用大数据需要，实现跨层 级、跨部门的数据交换。

3.5 智慧支撑

      智慧支撑主要由基础组件和智慧使能平台组成。基础组件承担汇聚与管理资源，支撑应用，保障系统规 范、开放，进而保障系统长期可持续运行的任务。智慧 使能平台实现汇集大数据、融合通信、地理信息、物联 网、人工智能等信息新技术，构建灌区智慧平台，实现 数据汇聚与融合、灌区供需水配置多场景模拟和水源调 配过程模拟仿真与推演，驱动灌区业务应用 [4]。

3.6 智慧应用

      基于现代计算机、互联网、云计算、大数据、GIS、 模型算法等新兴技术，紧扣天气预测、作物需求、水源 调度等核心业务需求，建设灌区业务全覆盖的数字化业 务应用系统，为灌区业务管理和决策指挥赋能。

3.7 保障体系

      构建“标准规范、信息安全、运维保障、评价指标” 四大技术体系，保障数字灌区的安全运行和健康发展。

4 结语

      数字灌区建设将成为现代化灌区建设的关键核心， 旨在运用先进的水利、信息、控制和决策技术，对传统 的灌区管理手段进行升级改造，实现“信息技术标准 化、信息采集自动化、信息传输网络化、信息管理集成 化、调度决策智慧化、运行控制智能化、政务办公电子 化”。在大面积推进灌区现代化改造之前，归纳分析， 总结提出数字灌区定位、建设内容和实施途径等对指明 灌区现代化发展方向，推动灌区管理技术水平与服务能 力两个提升的实现具有重要意义。

参考文献

[1] 倪文进.大型灌区现代化建设需处理好几个问题[J].中国水 利,2020(9):6-7．
[2] 康绍忠.贯彻落实国家节水行动方案推动农业适水发展与绿色高效节水[J].中国水利,2019(13):l-6．
[3] 高占义.我国灌区建设及管理技术发展成就与展望[J].水利 学报,2019,50(1):88-96．
[4] 戴玮,李益农,章少辉,等.智慧灌区建设发展思考[J].中国水 利,2018(7):48-49．
 
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