一、项目背景

  中小水库在城乡防洪、农业灌溉、工业供水等方面意义重大，对促进当地的经济发展发挥着巨大的作用，地位及其重要。但是中小水库的安全一直是我国防汛抗旱的难点和重点，而当前大部分中小水库都缺乏必要的安全监测信息化系统。本方案可对水雨情、工程安全监测、闸门监测等方面进行全方位自动化实时动态监测，为水库的安全管理与运行调度提供准确信息、发布预警，为相关部门和领导科学决策提供依据，提高水库工程管理的效率和质量。

        二、中小水库安全监测信息化存在的问题

        1、建设资金缺

  （1）由于基层地区经济、政策等原因，很多中小型水库尚未纳入当地财政管理范围，仅依靠征收水费一项收入难以维持经营管理现状；

  （2）中小水库服务的主要对象为防洪、城镇供水，农业灌溉等相对弱势的产业，一般民间资金因回报率低而不愿投入资金；

  （3）安全监测自动化系统建成后，无法落实运维资金，因此难以实现信息化系统持续运行。

  由于信息化建设资金不到位，大多基层中小水库难以实现自动化、信息化监测管理，导致不能及时掌握水库的运行状况，对水库的安全运行埋下了很大的安全隐患。

  2、运行维护力量薄弱

  （1）由于中小型水库工作环境差、工作单调，以及受基层政策、资金、待遇等多方面因素影响，专业人才不愿意到水库、管理站等基层单位工作，导致信息化系统运维人员紧缺；

  （2）建成时间长的中小水库管理人员因年龄老化，专业技能水平不高，有的甚至没有受过专业教育，更没有参加过相关培训，不能快速接受、理解和使用信息化系统，导致信息化系统建成后无人接手进行运维；

  （3）由于某些信息化系统集成商在系统建设期管理不规范，致使系统后期运行维护缺乏资料支撑，导致了信息化系统对厂家技术人员依赖性较大，随着系统建成后集成商的技术人员的离开，维护工作难以为继。

  3、原设备性能较差

  （1）一是可靠性差，水库等基层管理单位一般都地处野外，基础设施薄弱，不少地方没有稳定可靠的供电和有效的接地设施，甚至连站房也无法提供，经常出现设备因工况恶劣导致损坏的情况；

  （2）二是兼容性差，水情测报、安全监测、闸阀监控等均需要建设各自的采集单元，没有做到在一个采集单元上实现所有相关量值的采集，导致硬件采购投入成本过高，系统维护复杂；

  （3）三是稳定性差，在极端天气情况下，数据采集不准确，出现采集值波动等现象。

  4、原信息化系统资源接口不统一、数据共享困难

  中小水库的信息化系统一般由不同的集成商分别实施，各系统的建设目的、建设重点、技术方案不尽相同，这导致了在进行水库群信息资源整合的过程中信息资源接口不统一，数据传输、共享困难，不能科学高效地为流域、省、市、县等水利工程的调度运营管理机构提供综合信息服务。

        三、系统结构

  大坝卫士（北京）网络技术股份有限公司同南瑞联合研发的中小水库大坝安全监测系统总体结构如下图所示：

中小水库大坝综合监控监测

       四、中小水库硬件系统集成

       考虑到中小水库的监测需要施工简单、易于推广、可靠、性价比高的特点，同时充分利用厂家现有产品，计划将水情，闸门、安全监测等传感器产品统一通过一体化测控平台进行管理及数据采集，并通过TD-LTE（4G）/GPRS通信模块与水库群管理中心通讯。具体如下图所示：

水库大坝一体化测控及数据采集管理平台

  鉴于中小水库对于闸门监控的数据实时性要求高，且一般闸室有永久的水工建筑，本方案中，现地测控设备以闸门监控为主的一体化测控装置（IAC2001）为核心，进行闸门开度、状态的实时监测，并对附近的水雨情、安全监测渗压渗流监测点的数据进行汇聚整编，最终通过通信终端一起上传至水库群管理中心。

  1、闸门监控

  监测闸门开度，在需要控制的情况下和控制相关的电气量，并实现远程控制。

  （1）采用IAC2001一体化测控平台，TD-LTE（4G）/GPRS通信

带控制：按照数据采集项接入相关量，设置模块控制逻辑，实现远程监控。

不带控制：选用通过4-20mA开度信号接入信号的编码器，接入模块，如已有编码器采用SSI信号，配置IAC2071模块接入。

  （2）供电与机箱

有机电装置有闸房市电的情况下，接入市电，无闸房市电情况下，采用太阳能蓄电池供电，机箱可在遥测站机箱基础上，考虑太阳能供电集成。

  （3）Zigbee/Lora 自组网无线通信接口，提供无线网关采集功能

在现有的IAC2001模块基础上扩展Zigbee/Lora接口，接入安全监测采集装置的数据，并上送水库群管理中心。

  2、水情监测

  监测量：水位

  仪器选型：浮子式水位计、雷达水位计（根据现场条件选择）

  测控模块：若水位计安装位置与闸室距离较近，考虑通过RS485总线进行有线数据传输；若距离较远或布线不变，考虑采用ZIGBEE/LORA无线模块进行自组网通信。数据通过一体化测控平台传输至水库群管理中心。

供电与机箱：若分部式，建议采用太阳能蓄电池供电。

  3、工程安全监测

  （1）监测量：渗压

  仪器选型：弦式渗压计

  集控模块：NWA3411，考虑将采集的数据通过Zigbee/Lora无线模块传送至IAC2001一体化测控平台，并通过IAC2001一体化测控平台将数据发送至水库群管理中心。

供电与机箱：目前采用干电池供电，可根据现场情况选配太阳能电池及锂电池，并对建设方案进行调整。

  （2）监测量：渗流

  仪器选型：NVWG-600弦式渗流计

  集控模块：NWA3411，考虑将采集的数据通过Zigbee/Lora无线模块传送至IAC2001一体化测控平台，并通过IAC2001一体化测控平台将数据发送至水库群管理中心。

        供电与机箱：目前采用干电池供电，可根据现场情况选配太阳能电池及锂电池，并对建设方案进行调整。

        五、中小水库软件系统集成

  1、基本功能

  （1）采集、传输功能

  水位、雨量、渗压水位、渗流水位（流量）以及闸门开度（状态）自动采集：按相关规范要求，采集相关数据，采样间隔可编程，并具有数字滤波功能。

  应答查询：可响应水库群管理中心的查询，并按接收到的指令报送实时数据或批量数据。

  自报：按预先设置的定时间隔，通过TD-LTE（4G） /GPRS信道向水库群管理中心发送当前的水位、雨量、渗压、渗流等数据，还包括时间、电压等参数。

  事件自报：在规定的时段内水位、渗压、渗流或雨量降变化量超过设定值（时段、变化量可编程），且设定的定时自报时间未到时，可自动向水库群管理中心报送数据。

  （2）存贮功能

  采集的水位、雨量、渗流、渗压、开度等数据，应现场带时标要求存储，存储间隔可编程。

  （3）防护功能

  一体化测控装置、水库群管理中心均需进行过电压保护，以使设备在遭受雷击时不易损毁。对无人看管的现地测控装置，应具有防破坏和防盗功能。

  （4）数据处理功能

  水库群管理中心应具备对接收的数据进行检查、纠错、插补、分类处理，加注时标，建立计算用表和数据库，查询和检索数据，显示、打印和绘制水情图表等数据处理功能。

可定时或人工查询下属站点的水位、雨量数据及工作状态。可接入局域网或广域网实现数据共享。

  具有向系统外有关部门传送数据信息的功能等。

  有安全、保密的数据维护功能，提供数据备份，以确保数据安全。

  2、专家诊断功能

  （1）要素越限报警

  当雨量或水位、渗压、渗流等越过某一规定数值之后即进行报警。闸门开度在出现接近、达到、超过警戒数值时，具有自动报警功能。

  （2）供电不足报警

  设备供电不足，电压下降，电源能力低于设定的限值时即进行报警。

  （3）设备事故报警

  某一设备出现事故立即自动报警。为及时引起工作人员注意，除屏幕显示报警之外，可采用声、光等方式报警。

  （4）中小水库潜在风险报警

  对监测数据进行分析，根据专家知识库，对数据进行统计分析，对存在潜在风险的问题提出报警，并分析原因和提出建议性的方案。

  3、扩展功能

  水库群管理中心需具有接收、处理水情电报和其它外系统的测报系统传送数据和资料，通过电文翻译和数据格式转换，并纳入本测报系统的数据库的功能。

        六、系统特点

 （1）减少了现场测控装置的种类和数量，降低了系统的建设成本，简化了系统的维护。

       测控装置支持闸控、水情、安全监测等各种设备的同时接入，通过一路总的通讯服务总线完成采集数据的上传及操作指令的下发。测控装置的供电系统同时解决了各专业现场传感设备的供电问题。实现了测控、通信、供电等各专业公用设备的共享，降低了系统成本，减轻了水利工程建管单位的维护工作量。

 （2）提高了现场测控系统的可靠性、安全性和稳定性。

       测控装置是针对具有多专业复合应用需求的水利工程项目开发的集成装置。该装置在开发过程中充分考虑设备运行环境中易雷击、高温、严寒、潮湿等极端工况以及易盗易破坏等复杂的社会环境。针对上述场景进行了充分的防雷、防高温、防寒、防潮、防破坏测试，确保了系统的安全稳定运行。

 （3）提高了数据及接口的标准化，利于信息共享。

       测控装置将各专业数据进行统一汇总处理，并提供与上级监控系统的数据上传及指令下发服务。实现了水库群或流域管理机构的水情信息共享，便于管理人员进行信息查询及协调，为洪水预报、发电调度等高级应用提供了数据支撑。

        七、实施方法建议

         1、筹集建设和运维资金

  （1）针对基层地区经济现状可吸收民间资金投入，采取PPP的模式，建设安全监测自动化系统；

  （2）地方政府用购买服务的方式，分若干年支付建设投资；

  （3）政府出让水库部分使用权，投资商靠使用经营收益回收投资；

  （4）建成后，运行维护交由投资商管理，实现信息化系统持续运行。

    2、运行维护技术力量

  （1）由投资商或委托第三方进行信息化系统运维；

  （2）由第三方通过培训、指导管理单位人员运维。

    3、数据分析、安全评估

    由业主委托物联网公司实时进行云计算、专家诊断，评估大坝安全性，通过APP把评估结果传输给业主指定人员。