對水資源進行有效管理的水利監(jiān)控系統(tǒng)方案

水資源與人類的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，我國既是一個水資源豐富的大國，也是一個中度缺水以及水患多發(fā)的國家，水資源的管理關(guān)系國計民生。近年來，隨著我國水資源供需矛盾的日益突出，對水資源的環(huán)境監(jiān)測與調(diào)度管理也成為管理工作重心，對水資源的監(jiān)控除了安全的因素，還需要體現(xiàn)環(huán)保、節(jié)約的監(jiān)管力度。

水資源監(jiān)控全方位分析

為了實現(xiàn)對水資源的有效監(jiān)管，在建設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)時不應(yīng)孤立、分散地去解決局部、個體的問題，而是進行全方位綜合監(jiān)控。在思考監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計時，將會從三個方面分析：監(jiān)控的應(yīng)用場合或用途；工作人員對監(jiān)控的要求；水利應(yīng)用環(huán)境對監(jiān)控系統(tǒng)的特殊要求，包括管理體系、工程建設(shè)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等方面的環(huán)境。

監(jiān)控的應(yīng)用場合或用途

在水利部門的日常管理工作中，監(jiān)控系統(tǒng)常應(yīng)用于以下場合：

·水利工程監(jiān)控，作為治水興利的重要基礎(chǔ)設(shè)施，需要在安全防范、日常管理、維護巡檢、汛期防災(zāi)、應(yīng)急指揮等多方面加強監(jiān)控；

·防災(zāi)監(jiān)測與信息分發(fā)，對于山洪、泥石流、滑坡等水土災(zāi)害活動的監(jiān)測與預(yù)警，及時通知主管部門與居民，減少生命財產(chǎn)損失；

·水資源監(jiān)管、水污染事件處理，對于水庫、河流取水點的環(huán)境監(jiān)測，防止安全事件與污染事件，利于環(huán)保執(zhí)法取證；

·引水調(diào)度，對水資源的使用調(diào)配進行監(jiān)管，防止水資源流失與盜水事件。

工作人員對監(jiān)控的要求

簡單的說，過去在水利監(jiān)控、水文監(jiān)測工作中常提到“四遙”要素--遙測、遙控、遙信、遙調(diào)，隨著視頻監(jiān)控技術(shù)在水利行業(yè)的推廣應(yīng)用，監(jiān)控要素也增加了第五遙--遙視，通過視頻監(jiān)控與數(shù)據(jù)監(jiān)測手段的相輔相成，提高水利部門的監(jiān)管水平、增強監(jiān)管效果。

視頻監(jiān)控在水利行業(yè)的應(yīng)用需要考慮工作人員在特定環(huán)境中的一些要求，比如在水利安防應(yīng)用中，不論是防盜、防破壞的安防需求，還是防洪防災(zāi)的安防需求，夜間監(jiān)控是必須考慮的，因為水利監(jiān)控環(huán)境大都在野外，夜間基本沒有環(huán)境光，夜間監(jiān)控使用的低照度攝像機靈敏度要高，或者有補光措施；還有對部分水體監(jiān)控要求攝像機支持大變倍，以便能遠視距觀察；有的監(jiān)控點位要求清晰度很高，能分辨水面的漂浮物，或遠處的船只標(biāo)識等等。

水利應(yīng)用環(huán)境對系統(tǒng)的特殊要求

首先，考慮到水資源環(huán)境的特殊性，水利部門在管理上采用既有垂直式行政管理，又有上下游關(guān)聯(lián)式流域管理的交叉體系，因此在流域、省、市、縣（區(qū)）級水利主管部門和防汛抗旱指揮中心都會設(shè)置各級監(jiān)控中心，在水利工程管理單位和水文監(jiān)測單位設(shè)置監(jiān)控站。監(jiān)控中心和監(jiān)控站通過自建專網(wǎng)或租用公網(wǎng)專線連接，構(gòu)成多層多節(jié)點的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

其次，水利監(jiān)控設(shè)施多在戶外甚至野外，條件惡劣，攝像機等設(shè)備必須具備防水、防雷、防銹蝕、防高低溫、防大風(fēng)等特性，在很多實際工程應(yīng)用中，大多數(shù)攝像機損壞是因為雷擊，還有的設(shè)備因高溫工作而死機。在某些入?？谔幩x用的設(shè)備還應(yīng)考慮防鹽霧、防腐蝕、防銹蝕、防變形等問題。此外，大部分的水利工程處于野外，容易成為偷盜的目標(biāo)，因而在施工時應(yīng)充分考慮到防盜、防暴等要求，防護等級應(yīng)不低于IP65.其他還有傳輸、供電方面的環(huán)境特殊性，如有的場所無法敷設(shè)線纜，只能采用無線傳輸、風(fēng)光互補發(fā)電等等。

第三，水利部門在水利信息化建設(shè)方面還有防洪預(yù)警、水文監(jiān)測、工程管理、視頻會商等業(yè)務(wù)系統(tǒng)，需要將視頻監(jiān)控與這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)對接、關(guān)聯(lián)，以最大化發(fā)揮視頻信息在業(yè)務(wù)應(yīng)用中的作用。因此各級監(jiān)控中心的監(jiān)控平臺應(yīng)具備可擴展的業(yè)務(wù)接口，方便實現(xiàn)與水利其它業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的對接，并應(yīng)具有資產(chǎn)管理、設(shè)備自動巡檢及智能事后檢索等符合水利實際應(yīng)用需求，便于水利部門方便實現(xiàn)系統(tǒng)管理的擴展應(yīng)用功能。

基于融合監(jiān)控系統(tǒng)的水利監(jiān)控解決方案

前文闡述了筆者對水利監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方面的問題分析，下面談?wù)劸唧w的解決方案。

本案在業(yè)界率先提出“融合監(jiān)控”的概念，致力于豐富視頻物聯(lián)網(wǎng)在行業(yè)應(yīng)用的解決方案。本文介紹的方案正是融合監(jiān)控理念在水利行業(yè)的具體應(yīng)用展現(xiàn)，分別從監(jiān)控點前端采集、中間傳輸、后端管理應(yīng)用幾個環(huán)節(jié)，結(jié)合應(yīng)用場合的差異性進行介紹（如圖1所示）。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水利融合監(jiān)控系統(tǒng)由各級監(jiān)控中心和監(jiān)控站組成。在省、市、縣（區(qū)）各級水利主管部門和流域管理單位、防汛指揮中心分別設(shè)置監(jiān)控中心，在水利工程管理和水文監(jiān)測等單位設(shè)置監(jiān)控站。監(jiān)控中心和監(jiān)控站通過計算機網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成多層多節(jié)點的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

監(jiān)控站與一個或多個前端監(jiān)控點直接相連，采集前端監(jiān)控點的實時圖像和其它相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并對其進行管理和存儲。一般監(jiān)控站均為大中型水利工程的直接管理部門和水文部門。監(jiān)控中心則控制、監(jiān)視、管理、調(diào)閱本轄區(qū)內(nèi)監(jiān)控站的所有圖像信息，并向公眾發(fā)布實時狀況圖像信息。

市、縣（區(qū)）級監(jiān)控中心配置視頻流媒體服務(wù)器，可向同級政府有關(guān)部門及上級監(jiān)控中心提供圖像信息。省級監(jiān)控中心則通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理平臺，根據(jù)實際需要控制、監(jiān)視、管理、調(diào)閱省內(nèi)監(jiān)控站的圖像。

這種架構(gòu)適合流域監(jiān)控的要求，體現(xiàn)了流域監(jiān)控的特點，同時在防汛時刻確保各級領(lǐng)導(dǎo)和決策人員可以通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獲取實時視頻信息。

監(jiān)控前端

水利部門所管轄的水體資源和水利工程類型多樣，包括水庫、河流、堤圍、漁港、水利樞紐、供水設(shè)施等，監(jiān)控場所涉及水閘、大堤、壩體、港灣、采水點、自來水廠、水文站、防汛亭、水電設(shè)施、溢洪道等，這些場所可能在城區(qū)，也可能在野外、偏遠山區(qū)，有的配備有專用機房，有的只有簡單的立桿和防水設(shè)備箱，有的可以通過光纖專線，有的則需要無線傳輸，因此需要針對不同的監(jiān)控現(xiàn)場選擇適合的監(jiān)控前端產(chǎn)品，滿足各自特殊的需求。

1、水庫

由于場景開闊、水域面積大，有專用機房，且一般需要錄像，可采用日夜兩用的高變倍模擬球機，配合數(shù)字硬盤錄像機DVR,通過接入光纖專線或通過3G無線公網(wǎng)，將現(xiàn)場畫面?zhèn)鬟f到監(jiān)控中心。

在高清應(yīng)用方案上，對于已建模數(shù)混合監(jiān)控的水庫，建議配備HD-SDI數(shù)字高清攝像機，結(jié)合帶智能分析功能的高清DVR,可利用原有線路資源平滑升級到高清系統(tǒng)，可實現(xiàn)對水庫的水體質(zhì)量和表面漂浮物進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)污染或溺水事件，還可配合水質(zhì)探測裝置進一步準(zhǔn)確掌握水資源狀況。

2、堤圍、漁港、防汛亭、水文站、采水點

這些場所一般沒有專門配套的機房，也沒有錄像的需求，在傳輸和供電方面需要更加靈活、方便的部署，我們?yōu)檫@些場所配備了輕便、易安裝、低功耗的網(wǎng)絡(luò)攝像機，可以通過敷設(shè)光纜或租用電信運營商的線路資源，將圖像傳送到監(jiān)控中心，對于部分難以鋪設(shè)線纜的地區(qū)，還可以直接用3G公網(wǎng)進行無線傳輸，能大大減少工程量，提高布點效率。

在高清應(yīng)用方案上，建議配備網(wǎng)絡(luò)高清攝像機，尤其適合堤圍、漁港這樣視場開闊的場景，另外結(jié)合水位水質(zhì)傳感器，可對于水文站、采水點這些場所進行視頻、數(shù)據(jù)綜合監(jiān)控。

3、水利樞紐工程

水利樞紐工程由于規(guī)模較大，需要多方位、多角度的監(jiān)控部署，包括工程周邊的邊界防范，工程內(nèi)部各場所的監(jiān)控，如水閘、機組、上游壩坡、水位標(biāo)尺等，水利樞紐工程有專門的機房環(huán)境和長途線路資源，可將各種音視頻監(jiān)控、動力環(huán)境監(jiān)控信息統(tǒng)一接入到監(jiān)控主機，然后通過專線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

4、自來水廠

自來水廠監(jiān)控主要包括水源井、加壓泵房、管網(wǎng)的監(jiān)控。水源井、加壓泵房的點較少，且相對集中，是重點監(jiān)控對象，可采用有線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，增加視頻監(jiān)控。每個監(jiān)控點安裝監(jiān)控主機，接入傳感器、智能設(shè)備、視頻設(shè)備，實現(xiàn)對水源井、加壓泵房的監(jiān)控。管網(wǎng)監(jiān)測點較多，且分散，可采用無線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，方便部署。每個監(jiān)控點安裝小型監(jiān)控采集裝置，接入傳感器，實現(xiàn)對管網(wǎng)的監(jiān)控。

5、機動監(jiān)控點、應(yīng)急車、單兵系統(tǒng)

雖然水利部門花費巨額投資建設(shè)了大量監(jiān)控點，但相對我國廣闊的水域資源而言，仍顯得匱乏，尤其在汛期突發(fā)情況很多，因此需要準(zhǔn)備一定的機動、應(yīng)急響應(yīng)能力?？赏ㄟ^架設(shè)無線監(jiān)控點、攜帶單兵系統(tǒng)進行現(xiàn)場的臨時監(jiān)控，或者裝備應(yīng)急監(jiān)測/指揮車到各處進行機動的采集、觀測與調(diào)度指揮。

在監(jiān)控前端設(shè)計方面，我們充分考慮環(huán)境因素，比如供電問題，位于偏僻地區(qū)的監(jiān)控設(shè)備取電困難，我們一方面采取借助其他能源發(fā)電，比如風(fēng)光發(fā)電、油機發(fā)電，目前不少無人值守水文站、觀測站也是采用風(fēng)光互補發(fā)電來滿足日常監(jiān)測與無線傳輸?shù)男枨?。另一方面采用低功耗設(shè)備，或采取定時休眠/喚醒來節(jié)能。有些地區(qū)我們還可以采用高壓直流、遠端供電方式，從監(jiān)控站機房向監(jiān)控點設(shè)備進行輸電。

另一個是防雷問題，水利工程往往建設(shè)在野外空曠之處，易受到雷電侵襲，監(jiān)控點設(shè)備的電源一般在現(xiàn)場就近取用，也易受雷電影響產(chǎn)生高壓和浪涌電流，為了設(shè)備能可靠、長久地運行，攝像機桿和前端機箱必須接地；對攝像機的視頻信號均應(yīng)配置防雷設(shè)備，以防止雷電對攝像機等設(shè)備的損壞；對各監(jiān)控站點均應(yīng)配置電源浪涌保護器，防止雷電的侵襲。

第三個是夜間監(jiān)控問題，現(xiàn)有水利工程中，不少未安裝照明系統(tǒng)，而夜間又往往是抗洪的關(guān)鍵時刻，因而在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)充分考慮夜間監(jiān)控的要求，可采用射燈照明或紅外方式。建設(shè)優(yōu)先選用射燈照明模式。夜間監(jiān)控中，輔助照明設(shè)備開啟時投射到被監(jiān)控區(qū)域的有效照度應(yīng)不低于40W白熾燈照度。紅外攝像機的有效監(jiān)視距離應(yīng)根據(jù)實際狀況確定，室外一般不應(yīng)低于30米。

傳輸線路

業(yè)內(nèi)一般將水利監(jiān)控的傳輸線路分為兩類，一類是接入線路，一類是骨干線路。接入線路解決將位于水庫、樞紐、河道等各地監(jiān)控點圖像、數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控站或匯聚點，骨干線路則將圖像、數(shù)據(jù)等信息遠程傳輸?shù)缴霞壉O(jiān)控中心。

對于骨干線路，通常采用水利政務(wù)專網(wǎng)，各省在防汛抗旱指揮系統(tǒng)項目建設(shè)時已做了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和改造，除視頻監(jiān)控外，還承載了視頻會商與水情監(jiān)測等業(yè)務(wù)。鑒于大流域管理的需求，有的還建設(shè)了跨省線路，便于下游地區(qū)對上游水情的及時了解。

由于水利環(huán)境的復(fù)雜性，接入線路就存在較多不確定因素，通常我們會結(jié)合監(jiān)控的要求和環(huán)境兩方面來選擇傳輸方式，對于監(jiān)控畫面要求清晰、實時的點位（比如水庫、堤圍、漁港、樞紐等），一般采用有線傳輸，借助水利部門自建專網(wǎng)或租用運營商的專線資源。一些無人值守泵站、河道監(jiān)測站、水文站，位于崇山峻嶺深處或荒無人煙之地，或者即便在城區(qū)，但有線網(wǎng)絡(luò)難以到達或者投資較大的地區(qū)，則考慮無線網(wǎng)絡(luò)（以3G網(wǎng)絡(luò)為主）或點對點傳輸通道（如微波無線擴頻、OFDM）。

這里特別提到一點，山洪災(zāi)害是我國現(xiàn)階段造成生命財產(chǎn)損失較大的水患類型，有突發(fā)性、隱蔽性、破壞性強的特點，因為環(huán)境偏僻惡劣，難以利用常規(guī)手段加以監(jiān)測。我們在山洪預(yù)警方面融合了物聯(lián)網(wǎng)WSN技術(shù)，將水情傳感器灑落分布在山洪多發(fā)地區(qū)，利用ZigBee傳輸手段，將采集的信息傳到觀測區(qū)域的監(jiān)控主機，再通過3G網(wǎng)絡(luò)匯聚到監(jiān)控中心進行分析處理，從而加強了對山洪災(zāi)害的預(yù)報能力。

監(jiān)控中心管理平臺

水利部門垂直管理特征明顯，為了既保障統(tǒng)一的指揮，又能實現(xiàn)分散自主管理，從跨省的流域管理委員會，到各省、市、水利工程的多級管理單位，都會建設(shè)規(guī)模、復(fù)雜度不一的監(jiān)控中心，通過各級監(jiān)控中心的管理平臺，既可以訪問管轄范圍內(nèi)的水利監(jiān)控點，也可以向上級監(jiān)控中心提供級聯(lián)服務(wù)的能力，或者向有關(guān)部門共享部分視頻資源。

監(jiān)控管理平臺針對水利行業(yè)的特點，進行了大量優(yōu)化，大致包括以下幾大特點：

·大容量接入與并發(fā)訪問。在水資源較豐富的省份，由于河道水網(wǎng)密布、大小水利工程星羅棋布，水文監(jiān)測和水利設(shè)施監(jiān)控所需的監(jiān)控點往往數(shù)以千計，這就需要平臺具有大容量接入的管理能力，及對各地圖像并發(fā)訪問的處理能力。特別在易發(fā)生水文、氣象災(zāi)害的汛期、臺風(fēng)等特定時間，往往需要同時關(guān)注很多具有險情的水利設(shè)施、河道等監(jiān)控點，平臺和網(wǎng)絡(luò)都將面對較大的負荷考驗；

·多廠家設(shè)備兼容。各地水文監(jiān)測、水利監(jiān)控的信息化建設(shè)先后不一，設(shè)備選型各異，造成在后期建設(shè)平臺進行統(tǒng)一管理時面臨多廠家的設(shè)備分布，為保護已有投資，避免重復(fù)建設(shè)的浪費，就要求平臺能兼容很多廠家，至少是主流廠家的設(shè)備；

·多業(yè)務(wù)融合。管理平臺能綜合前端采集的視頻信息與數(shù)據(jù)信息（如水情、風(fēng)情、雨情、地質(zhì)情況等），通過電子地圖進行分析、觀察，并產(chǎn)生預(yù)警提示，在監(jiān)控終端上可以在圖像疊加所在點的水文信息，在水利電子地圖上可以選取監(jiān)測點進行現(xiàn)場圖像調(diào)看。另外可以通過與水雨情及工情數(shù)據(jù)庫對接，獲得現(xiàn)有閘門和水庫的水雨情及工情信息，實現(xiàn)有效聯(lián)動，例如在水位超過某個警戒值時聯(lián)動視頻實現(xiàn)報警，便于領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)人員及時做出決策。也可以為水文信息發(fā)布系統(tǒng)提供各時期的現(xiàn)場圖片，便于直觀地展示水雨情、工情；

·多級管理與互聯(lián)。由于水利行業(yè)是垂直管理、跨區(qū)域協(xié)同特征很明顯的一個行業(yè)，一個流域、一條河從上游到下游，縱向上從省廳到流域到地市到區(qū)縣，需分級調(diào)度指揮，橫向上沿途的地市相互間有溝通、共享的需求，如上游爆發(fā)山洪，在下游的城市如果能看到上游城市水域的圖像，就可以早做防災(zāi)準(zhǔn)備。因此我們充分考慮了平臺間的級聯(lián)與互聯(lián)特性，一方面通過二維權(quán)限體系和資源管理，實現(xiàn)水利部門上下級監(jiān)管的有序性，另一方面通過級聯(lián)互聯(lián)保障了用戶對數(shù)據(jù)、圖像獲取的有效性。

結(jié)束語

結(jié)合水利行業(yè)不同場景及特點，水利行業(yè)在工程聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、防災(zāi)預(yù)警、水資源監(jiān)測與管理等領(lǐng)域有著迫切的監(jiān)管需求，集合高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)、綜合智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、融合監(jiān)控平臺的創(chuàng)新型融合監(jiān)控系統(tǒng)，采用多級大聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，結(jié)合云計算及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)兼容性好、易擴展、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強、智能化程度高，是水利行業(yè)信息化管理的重要支撐手段，在水利監(jiān)控領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。對減少洪水災(zāi)害，緩解防洪壓力，合理調(diào)度水資源，防止污染與非法用水，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全、生活生產(chǎn)供水具有重要作用。