数字孪生灌区物联网平台解决方案

一、项目概述

1.现状描述

随着经济的快速发展，社会主义市场经济的逐步深入，人口的增加，水资源的短缺矛盾日益突出。工程运行年限较长，工程老化失修损坏现象普遍，处于超期服役或带病运行状态，致使灌区水资源浪费严重，灌溉水利用率低，灌溉效益大幅度衰减，管理养护机制不健全，旧式管理运行机制适应不了灌区现代化建设的需要，严重阻碍了灌区的发展。

2.建设需求

我国目前仍然处于灌溉管理的粗放型阶段，灌区自动化水平相对较低，灌区管理部门不能实时、准确地掌握灌区水资源情况、设备运行情况、巡查情况。随着近年物联网、云计算、人工智能技术飞速发展及在各行各业广泛深入应用，为全面提高水利工程的自动化水平，为供水提供强有力支撑。数字孪生灌区建设将现代通讯与测控技术、数字视频技术、WebGis技术、网络技术应用与灌区管理相结合。建立一个以信息系统采集为基础、以高速安全网络通讯为手段，建成一个数字孪生灌区综合服务管理平台。平台包括灌区一张图（GIS地图）、一张网（传输网）、一个灌区业务支撑平台、一个自动化采集测控平台和一个掌上移动信息终端（APP）集为一体的数字孪生灌区综合服务管理平台。从而提高灌区的现代化管理水平，实现灌区信息化、智慧化。

3.设计原则

系统设计以“统一规划、急用先建；平台公用、资源共享；需求牵引、分步实施”为指导原则。

4.设计依据

• 《全国水利信息化规划纲要》；
  

• 《水利系统通信业务导则》（SL292-2004）；

• 《水利基础数字地图产品模式》；

• 《大型灌区信息化建设技术指南》；

• 《灌区数据库技术指南》；

• 《电气装置安装工程及验收规范》(GBJ232—82)
  

二、总体设计

1.概述

数字孪生灌区建设内容围绕“测、控、传、软”四个方面来建设。测、控是指完成闸门、抽水泵站、流量、水位、墒情、气象及视频等项目的监测和控制；传是指物联网；软指数字孪生灌区综合服务管理平台。

2.系统架构

系统拓扑示意图

三、建设内容

1.一体化闸门

启光科技自主研发的“一体化闸门控制系统”，充分利用物联网通讯技术、数字孪生技术，实现对现场闸门的启闭控制、开启状态、过闸流量、供电情况进行实时动态监控和远程控制，并支持本地手动/远程自动控制切换，真正意义上实现灌区闸门的信息化管理。

2.一体化量测水

数字孪生灌区项目建设中除了要实现闸门远程控制，更重的是要实现闸门量水，只有精确的计量过闸水流量，才能实现灌区高效和科学调配水的目标。启光科技生产的一体化闸门产品兼容多种量水方式，根据灌区不同环境可选择不同的量水方式(断面平均流速法、水工建筑法、闸后堰槽法、表面流速法等)。可采用雷达流量计、雷达水位计、超声波流量计、压力式水位计等设备进行测量，所采集数据通过有线或无线方式上传至智数字孪生区综合管理平台。

3.抽水泵站自动化控制

在以水泵抽水灌溉的灌区，建设泵站自动化控制系统，一并接入数字孪生灌区综合服务平台进行统一管理，建设完成泵站可以达到少人值守或无人值守；建成之后可以满足远程控制水泵启停或水泵智能启停；安装相关传感器，平台可实时监测采集水泵运行状态，管道压力、流量、水泵/电机电流、电压、温度的实时状态。

4.视频监控

在灌区重点建筑物部位安装视频监控摄像头，视频通过有线或无线传输方式，实时传输至数字孪生灌区综合管理平台。管理人员登录数字孪生灌区综合管理平台，即可远程浏览和操作视频画面。

5.土壤墒情

土壤墒情监测是灌区现代化建设中不可缺少的一部分，监测数据可以直接反应土壤的含水率，是精准分析农作物生长，土壤需水与否的重要依据。在监测点安装土壤墒情分析仪，监测数据通过有线或无线方式上传至数字孪生灌区综合服务管理平台，平台对数据进行分析研判，研判结果可联动闸控系统自动启闭供水。真正实现灌区无人或少人值守，从而实现灌区现代化、智慧化。

6.灌区气象监测

在灌区合适区域选择安装雨量计、风速仪、大气温湿度传感器、扬尘等监测监测传感器，实时监测灌区气象信息，监测数据通过有线或无线方式上传至智数字孪生区综合服务平台，对数据进行存储、分析，为后期灌区发展和研究提供重要的支撑数据，同时也为灌区灌溉计划提供数据支持。

7.数字孪生灌区综合管理平台

数字孪生灌区综合服务平台系统基于java语言进行开发，结合VUE、Element-UI、Avue、Axios、Vuex等技术，实现了包括灌区一张图、灌区物联网平台、工程管理、水旱灾害防御、灌区闸门自动化控制、灌区水情管理、设备设施管理、人员管理、部门管理、巡查管理、故障上报、数据管理、数据统计、系统管理等数字孪生灌溉相关功能。

8.数字孪生灌区移动端

数字孪生灌区综合服务平台移动端应用（以下简称智数字孪生区APP）是为相关工作人员提供设备管理、巡查管理、人员管理、报表查看下载、个人信息管理等功能和服务。

9.接口方案

接口方式接入数据：直接从现有量水设备上报数据系统中通过接口方式采集数据，采集到数据后存储在数字孪生灌区平台数据库。

跳转原有系统方式接入数据：通过数字孪生灌区平台内跳转入口进行跳转至原有系统进行查看。

10部署方案

数字孪生灌区综合服务平台可本地私有云部署或公有云部署两种方式可供选择。

四、建设成效

系统建成后大大提高使用部门的管理能力，通过数字孪生灌区“一朵云”、“一张图”、“一张网”结合灌区业务，构建“智慧化、集约化、安全化、可持续化”的数字孪生灌区综合服务平台。多智能系统协同，实现业务管理更高效、指挥调度更智能、综合决策更科学、为民服务更便捷。数字孪生灌区建设中利用现代传感技术和云计算技术打造统一的水利数字孪生灌区信息化平台，可以将分散在有关部门和行业的水系统和水资源观测系统集中起来，打造可共享的水系统动态监测、水资源调度分配及水危机预警预报机制，满足水资源高效利用、安全保障与预警预报的信息支撑要求，有效协调跨部门、跨地区、多个利益主体的水资源冲突与矛盾，实现了水资源的风险调度与精细管理，最终形成对水资源“实时感知、水信互联、过程跟踪、智能处理”的局面，为快速提升水资源效能提供了强力抓手。

五、应用场景

以（河川湖泊径流、当地地面径流、地下径流和城市污水）为水源，通过明渠、管道等介质输水灌溉的灌区均可应用。