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一、建設目標

對智慧水利供水管道運行過程中的數據進行綜合性、全方位的實時采集和多維分析，結合調度決策系統得到的工程安全、合理的運行操作方案，以及在運行中可能出現的事故處理預案，對智慧水利工程建設中關鍵工藝方案、運行參數進行計算校核和優化；實時展示運行狀態及調度方案預演，實現水資源優化分配；能快速準備判定事故類型、地點及事故等級并發出事故報警信息；當發生極端事故工況時，調取預案庫中相應的事故處理預案，形成事故處理方案的操作指令，構建涵蓋智慧水利工程信息采集、傳輸、處理、存儲、管理、服務、應用、決策支持和遠程監控等信息展現流程為一體的智慧水利供水工程安全綜合管理系統，實現配水過程的自動化及安全穩定的運行，保證智慧水利工程安全高效的運行，zui大限度地滿足水廠和用水戶的需水要求，充分發揮智慧水利工程建設的經濟效益。

二、建設任務

為了達到數字孿生供水工程建設目標，將立足于智慧水利工程實際與特色，力求解決管理中存在的問題，進行總體動態規劃。建設任務主要包括：涉及工程引配水安全運行管理各個方面的監測監控體系、業務應用系統、應用支撐平臺以及數據存儲、計算機網絡、通信網絡、實體系統運行實體環境等基礎設施建設。系統建設區域范圍包括整個工程范圍以及相應的各級管理機構。

總的建設任務如下：

2.1、監控體系

充分利用當前先進的各類智能感知設備，建設包括水質監測、流量在線監測、管道安全監測、自動化監控系統、泵閥狀態在線監測等內容的綜合監控體系，實現配水工程沿線流量、壓力等信息的在線監測與重要泵閥設備運行狀態監測與控制，實現工程關鍵部位的安全監測以及關鍵節點水質狀況監測，確保供水工程運行安全。

智慧水利供水工程安全綜合管理系統框架圖

2.1.1、水質自動監測系統

為了能實時掌握智慧水利供水工程沿線管道水質狀況，進行工程水質信息采集系統建設，主要包括：在工程沿線設置多參數固定監測點和微型監測站點。各站水質監測參數：PH、色度、濁度、臭和味、SS（懸浮物）、電導率、CODcr（化學需氧量）、BOD5（5日生化需氧量）、酸度、堿度、總硬度、全鹽量、溶解氧、NH3-N氨氮、TP（總磷）、TN（總氮）、亞硝酸鹽氮，硝酸鹽氮，硫酸鹽、石油類、氟化物，總氰化物，硫化物、LAS（陰離子表面活性劑）等。

泵站水質監測系統

水庫水質監測站

2.1.2、流量監測系統

為計量工程沿線流量以及各受水點的水量分配情況，進行工程沿線流量監測建設。

2.1.3、自動化監控系統

通過現地配置智能的PLC設備，利用先進的計算機監控技術，實現水泵通過流量、水位、壓力等監測數據閉環自動控制，也可以實現區域控制分中心和調度中心對水泵和閥門的遠程控制。按照泵（閥）站運行采三級控制方式進行全線閉環自動控制，實現輸水工程的自動化調度，同時，考慮在特殊需要的情況下，現地閘站可以由人工控制，進行閘站現地操作。

2.1.4、泵閥狀態在線監測

為了全方位地提升智慧水利工程建設的調度管理工作效率，便于對系統內泵閥設備的運行管理維護，建設工程泵、閥狀態在線監測，根據工程各類設備的特點，分別設置振動、擺度、壓力脈動、轉速等監測測點，實時地監測工程中各泵站的水泵機組、管線上的大型閥門的運行狀態，對系統內設備進行有效的在線健康監測，對設備當前運行狀態做出評估，對異常狀態做出報警，并對故障進行初步分析，以便維護人員采取相應的措施，避免、減少重大事故的發生，并為設備的在線調整、停機提供依據。

2.1.5、管道安全監測

智慧水利工程建設中管道安全監測是核心內容，主要是管道安全監測和防第三方開挖監測，重點是管道泄漏監測為主。埋管段管道安全監測是在管道的排氣閥部位安裝一套電學式傳感器（高頻壓力計和水聽器），讓傳感器接觸到管道內的水。傳感器通過無線方式（4G 專網），將采集到數據傳輸到調度控制中心分析平臺對管道進行實時監測。利用高頻率采集壓力傳感裝置，監測管道中瞬變的壓力信號，并轉換為瞬變事件進行分析，識別發生頻率高，且幅度變化大的瞬態壓力事件，結合管路結構、材質、口徑等基礎信息分析，模擬瞬態壓力對管道的壓強，從而分析瞬態壓力的影響范圍。同時提供輔助判斷水錘（瞬變壓力）源頭功能，以便于在事件發生源頭安裝、改造防護裝置，緩解水錘（瞬態壓力）影響。當管道發生泄漏事件時，由于管道內外壓力不平衡，泄漏點壓力突然下降。利用安裝在管道上下游的壓力傳感器監視管道壓力參數，捕捉瞬時壓降，可以判斷管道泄漏是否發生，并計算出泄漏點的位置。

電學式管道泄漏監測系統安裝示意圖

盾構隧洞管道安全監測及防第三方開挖監測是配置一套分布式光纖測振系統實時在線監測，可在壓力管道發生泄漏時，根據水流對管道壁的沖刷引起泄漏點發出振動和聲波來監測滲漏和爆管預警。盾構隧洞上各種土建工程施工頻繁，為了防止管道被有序、無序的施工開挖破壞，配置一套在線防第三方開挖系統。在工程盾構隧洞和埋管段管道外壁鋪設分布式振動探測光纖，通過光纖傳輸信號，長期監測管道泄漏產生的信號。

分布式光纖振動監測系統利用光纜中的光纖來采集振動信號，通過系統軟件來分析、判斷采集到的各種擾動信號，對有可能威脅管道安全的事件進行在線實時探測、報警；通過測量輸入光脈沖與接收到的光信號時延來判斷振動報警點的位置，實現對報警位置的精確定位。在光纜某處因受到外界的擾動發生振動時，比較當前時刻與前一時刻的光學信號特征的變化，通過小波處理、背景信號過濾等方法對干擾信號進行分析、判斷，從而對異常事件發出實時報警。

分布式光纖傳感系統工作原理示意圖

分布式光纖應變監測系統也是管道安全檢測的一個重要分支，由于自然或者人為因素，長時間埋地管道容易發生形變，對于管道的應力監測是一個重要考慮因素。

2.2、業務應用系統

智慧水利供水工程安全綜合管理系統中的業務應用系統方面的主要建設任務是進行水量調度的各項業務應用系統以及基礎應用支撐建設，主要包括：信息采集與交互管理、數據資源管理、基礎應用支撐、GIS數據可視化交互、多源全景監控、智能監測分析、調度決策分析、標準化運行管理、應急管理、可視化綜合分析、綜合信息服務、人員綜合培訓以及移動應用。

2.2.1、GIS數據可視化交互

基于工程多媒體與GIS場景，進行數據可視化交互，主要包括地圖查詢、地圖編輯、管理行為地圖、監測信息實時查看、狀態監視實時報警、目錄樹檢索等功能。

2.2.2、智能監測分析

智能監測分析是按照統一的框架整合各類監測數據實時動態分析和應用挖掘功能，實現各類監測分析、實時預警預測、狀態評估、故障/異常診斷，指導工程智慧運行操作。主要包括工程運行狀態分析、工程安全監測分析和設備狀態監測分析。

2.2.3、水量調度運行

水量調度運行管理是優化工程水量調度優化運行，提供水量調度決策服務，保障工程的經濟運行。根據配水工程特點和水量調度業務需求，包括對水量調度日常業務處理、水量調度方案編制、實時水量調度、水量統計和水費計算、調度評價模塊的功能建設，實現配水工程水量調度業務全面自動化。

2.2.4、工程標準化運行管理

智慧水利工程標準化運行管理是在滿足標準化運行管理要求下，結合水利工程運行管理實際情況，智慧水利工程建設智能運行管理，將各項運行管理業務電子化，使得管理更加科學、有序、流暢。主要包括組織機構、運行管理、綜合應用、移動巡查等內容建設。

2.2.5、應急管理

應急管理是針對工程安全事故、水污染、應急供水等極端運行工況，為工程提供安全支持和事故應急處理，指導運行調度人員及時處理事故，避免事故的發生或使事故造成的損失減少到zui小。主要包括應急準備、應急預案編制、應急方案執行、會商決策以及應急后管理等建設內容。

2.2.6、可視化綜合分析

可視化綜合分析是將工程運行管理各類數據進行多維度鉆取、聯動分析，發現數據間的聯系，自動生成各類統計報表，為智慧水利工程各類運行管理事項提供基礎數據支撐，主要包括工程數字大屏和快速報告報表模塊的開發建設。

2.2.7、綜合信息服務

綜合信息服務是提供包括各類專題信息以及各應用系統處理后的成果信息的查詢和統計。結合運行管理中的主題業務將綜合信息服務建設內容劃分為工程概要類信息、水量調度類信息、泵閥監控類信息、工程監測類信息、工程安全信息、工程運維信息等。

2.3、基礎環境支撐

智慧水利供水工程安全綜合管理系統環境支撐建設主要包括：數據中心、計算機網絡系統、通信系統以及系統運行實體環境等4部分，基礎環境為整個系統提供基本運行條件和技術基礎。

2.3.1、數據中心建設

建設數據中心數據存儲平臺的本地備份系統和異地遠程容災系統；建設水量調度數據庫、泵閥控制數據庫、工程各類監測數據庫、工程運行管理數據庫、空間地理信息數據庫等應用系統專業數據庫等數據庫系統。

2.3.2、計算機網絡系統

建立覆蓋調度中心、泵站、閥室的計算機網絡系統，計算機網絡系統按廣域網絡以及相應的局域網進行建設；建立計算機網絡系統的管理體系；建立訪問控制、網段隔離、認證授權、入侵檢測、漏洞掃描和安全評估、病毒防范、安全管理平臺等安全防護體系。

2.3.3、通信系統

建設工程通信管道和光纜，建設覆蓋現地站及至各級管理機構的光纖傳輸系統；建設通信綜合網管系統、通信時鐘同步系統、通信電源系統及監控系統、通信光纜自動監測系統。

2.3.4、系統運行實體環境

建設中控室和會商中心；建設數據中心、數據分中心機房環境。

三、建設意義

    總的來看，我國農村供水工程面廣量大，運行管理水平參差不齊，信息化基礎還不完善，資源共享、數據服務、智能應用和可視化表達能力較低，智慧水利供水工程安全綜合管理系統建設的決策部署，提升農村供水保障水平，推動農村供水高質量發展的必然要求。我們按照《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》、《數字孿生水利工程建設技術導則(試行)》、《水利業務“四預”基本技術要求（試行）》等要求，對于推進數字孿生農村供水工程建設，打造與物理工程相連的智慧化應用平臺有著重要意義。