物联网水利大数据平台建设与实践 汇报人 刘福胜 2020年5月 汇报内容 CONTENTS 物联网 TheInternetofThings 通过智能感知 识别技术与普适计算 泛在网络的融合应用 是继计算机 互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮 传统思维是将物理基础设施和信息基础设施分开 即一方面是机场 公路 建筑物 而另一方面是数据中心 个人电脑 宽带等 在物联网时代 钢筋混凝土 电缆 芯片与宽带整合为统一的基础设施 统一基础设施更像是一块新的地球工地 世界的运转在它上面进行 这个世界包括经济管理 生产运行 社会活动乃至个人生活 物联网的概念 PART1 物联网的概念 PART1 物联网的工程应用特征1 物联网为互联网的应用拓展 应用创新是物联网发展的核心 2 一体化 是物联网应用的基础与保障综合运用机械动力 微电子 自动控制 计算机 信息 传感 接口等技术 根据系统功能目标优化组织 合理配置与布局各功能单元 在多功能 高可靠 低能耗基础上实现 机 电 光与信息一体化 5 大数据 是需要新处理模式才能具有更强的决策力 发现力和流程优化能力的海量 高增长率和多样化的信息资产 大数据的概念 PART1 云平台的概念 PART1 由传统计算转向云计算 cloudcomputing 是业界将要面临的一个重大改变 各种云平台 cloudplatforms 的出现是该转变的最重要环节之一 顾名思义 这种平台允许开发者们或是将写好的程序放在 云 里运行 或是使用 云 里提供的服务 或二者皆是 也可以称为按需平台 on demandplatform 平台即服务 platformasaservice PaaS 等等 但无论称呼它什么 这种新的支持应用的方式有着巨大的潜力 我国水利概况 PART2 1 流域 河流 我国共有流域面积50平方公里及以上河流45203条 总长度为150 85万公里 流域面积100平方公里及以上河流22909条 总长度为111 46万公里 流域面积1000平方公里及以上河流2221条 总长度为38 65万公里 流域面积10000平方公里及以上河流228条 总长度为13 25万公里 具体数据如下表所示 我国水利概况 PART2 2 水库我国共有水库98002座 总库容9323 12亿立方米 其中 已建水库97246座 总库容8104 10亿立方米 在建水库756座 总库容1219 02亿立方米 具体数据如下表所示 我国水利概况 PART2 3 灌溉我国共有灌溉面积10 02亿亩 其中 耕地灌溉面积9 22亿亩 园林草地等非耕地灌溉面积0 80亿亩 我国共有设计灌溉面积30万亩及其以上的灌区456处 灌溉面积2 80亿亩 设计灌溉面积1万 30万亩的灌区7316处 灌溉面积2 23亿亩 50 1万亩的灌区205 82万处 灌溉面积3 42亿亩 2013年 全国总用水量6107 2亿m 其中农业用水3743 6亿m 占总用水量的61 3 南方4区农业用水占全国的45 4 北方6区用水占54 6 农田灌溉水有效利用系数为0 510 这就是说灌区水量有一半左右是在输水 配水和田间灌水过程中损失掉了 而国际上先进国家灌溉水利用系数都0 7 0 8 这说明我国灌溉管理水平距离发达国家还有一定的距离 如何利用信息化的管理方式来提高我国灌溉水利用系数具有重要的意义 我国水利概况 PART2 4 雨水资源我国降水分布明显受西高东低的三级阶梯状地势影响 呈现从西往东逐渐递增的趋势 此外 降水分布的南北差异也十分明显 以秦岭 淮河为界 南部亚热带季风气候区降水充沛 而北部温带季风气候区降水明显偏少 进入21世纪以来 北方地区水资源显著减少 全国降水减少了2 8 地表水资源量和水资源总量分别减少5 2 和3 6 北方地区的降水随时间的分布极不均匀 一年中62 的降水都集中在夏季 汛期 6 9月 的降水占全年75 以上 降水的年际 年内剧烈变化 为防洪和水资源利用带来了很大的难度 如何利用大数据的预测预报最大限度的留蓄雨水资源和洪水资源来缓解我国水资源危机已成为亟待解决的问题 我国水利概况 PART2 4 雨水资源 我国降水以及南北方水资源分布图 我国南北方人均水资源占有量图 我国水利概况 PART2 5 知名水利工程南水北调工程是迄今为止世界上最大的调水工程 东线 中线 西线三条线路的年调水总规模约448亿立方米 约为当今中国全年用水量的1 10 三条线路分别从长江下 中 上游向北方调水 与长江 黄河 淮河和海河相互连接 组成一个水网 形成 四横三纵 总体格局 通过对水量跨流域重新调配 可协调东 中 西部社会经济发展对水资源需求关系 达到我国水资源 南北调配 东西互济 的优化配置目标 我国水利概况 PART2 5 知名水利工程三峡大坝是目前世界最大的混凝土水利发电工程 包括主体建筑物及导流工程两部分 全长约2309m 坝高185m 三峡大坝建成后取得了巨大的效益 在防洪方面 三峡工程建成后 其巨大库容所提供的调蓄能力将能使下游荆江地区抵御百年一遇的特大洪水 在发电方面 截至2012年底 三峡电站历年累计发电量达到6291 4亿千瓦时 相当于减排二氧化碳4 96亿吨 减排二氧化硫595万吨 在航运方面 自2003年三峡船闸通航以来 累计过坝货运量突破3亿吨 超过蓄水前22年的货运量总和 物联网大数据与水利 PART3 传感网络系统在水利中的应用已初具规模 在传感网络的支撑下 水利部门已建成覆盖全国的实时水情计算机广域网 水利信息骨干通信网等通信网络 并建设了水量调度 水文预报 水利电子地图 防汛防旱决策支持 自动化办公等系统 也就是说 具备了水利物联网的基础 作为实践 国内首个水利物联网项目 感知太湖 智慧水利 一期 二期工程已经完成 形成了蓝藻智能感知 船舶行踪监控 水工建筑管理等于一体的智慧水利物联网 物联网大数据与水利 PART3 1 智能 渠灌 控制系统 一体化闸门 是水利部的 948 项目 引进澳大利亚Rubicon公司的技术和装置 一体化闸门 不仅是 十二五 灌区信息化建设中 全渠道控制系统 的一项重要内容 也是水利工程及其设施 工业化制造 的改革性尝试 老式手摇闸门图 一体化闸门图 物联网大数据与水利 PART3 一体化闸门实例 澳大利亚的灌溉及河流控制一体化闸门图 物联网大数据与水利 PART3 一体化闸门实例 中国山西汾河灌区 物联网大数据与水利 PART3 一体化闸门实例 中国宁夏青铜峡灌区 物联网大数据与水利 PART3 一体化闸门实例 中国安徽淠史杭灌区 物联网大数据与水利 PART3 一体化闸门实例 中国水利部节水灌溉示范基地 北京顺义 物联网大数据与水利 PART3 全渠道控制系统 也可以称为 明渠灌溉物联网 它是针对一条工程基础设施比较完善的渠道 在所有的控制节点安装包括水位 流量监测 闸门现地及远程控制 太阳能供电的 一体化闸门 通过闭环控制软件 实现水资源的自动调配 物联网大数据与水利 PART3 2 水肥一体化 滴灌 自动控制系统 滴灌 仅湿润作物根区的土壤 其他区域土壤水分含量较低 因此 可防止杂草的生长 降低了农药的施用量 水肥一体化 滴灌 通过注入水中的肥料 可以为作物提供促进其最优生长的恰当水分和养分 滴灌 自动控制系统的田间敷设结构图 物联网大数据与水利 PART3 在水肥一体化 滴灌 自动控制系统中应用的物联网传感器网络图 物联网大数据与水利 PART3 新疆哈密大枣种植水肥一体化 滴灌 自动控制系统首部控制图 物联网大数据与水利 PART3 新疆哈密大枣种植水肥一体化 滴灌 示范区通信设施图 物联网大数据与水利 PART3 3 一体化泵站集成了泵 控制 实时状态控制 远程控制 报警处理 数据采集与管理等 系统及安装体的一体化泵站 是完全工业化制造 现场安装的 交钥匙 输水系统 充分体现了工业化与信息化的完美融合 一体化泵站结构形式图 物联网大数据与水利 PART3 一体化泵站现场效果图 物联网大数据与水利 PART3 一体化泵站运输和施工图 物联网大数据与水利 PART3 4 农村供水一体化控制系统基于物联网的农村多级供水管网动态安全监控及预警系统是水利部人畜饮水安全项目今后 2020年前 建设的重要内容 在继续建设农村供水系统的同时 着重提升供水质量和安全保障 物联网大数据与水利 PART3 关键技术 1 集成了水压 流量传感器和信息传输模块的 一体化 微型采集装置 2 适合于农村多级供水管网的基于物联网的低功耗无线传感器网络拓扑结构和组网方案 3 基于上述关键技术的农村多级供水管网动态安全监控和预警管理系统 物联网大数据与水利 PART3 5 水处理 一体化 装置污水处理用的推流泵 搅拌器制造过程中 置入 信息采集传感器 并通过通信模块和链路将推流泵 搅拌器的工作状态和持续过程记录并传输到管理机构 以保证污水处理的有效性和常态化 也有效地解决了这一工作的人为障碍 污水处理用的潜水型搅拌器图 物联网大数据与水利 PART3 污水处理用的推流泵图 物联网大数据与水利 PART3 污水处理用的 一体化 推流泵 搅拌器工作状态监测系统组成及结构图 物联网大数据与水利 PART3 6 坝 堤安全监测大坝的安全运行关乎人民生命和财产安全 为了保证大坝的健康运行 需要观测大量的状态数据如 土坝 土石坝主要观测垂直和水平位移 裂缝 浸润线 渗流量 土压力 孔隙水压力等 混凝土坝主要观测变形 应力 温度 渗流量 扬压力和伸缩缝等 这些数据从水库建成就开始采集 至今已积累大量的数据 通过大数据技术充分挖掘 了解大坝的变化过程和发展趋势 达到对大坝安全进行预测预报的目的 物联网大数据与水利 PART3 7 水质监测 预测水按用途可分为生活用水 农业用水 工业用水 生态用水等 不同用途的水要求的水质标准也不一样 通过对水温 pH值 电导率 浊度 溶解氧 高锰酸盐指数 总需氧量 总有机碳 生化需氧量 氟离子 氯离子 氰化物 氨氮 六价铬 苯酚等指标实时采集 并对采集数据进行综合分析 得到水质的实时状态和变化规律 以实现水质实时判断和预警 水质监测系统图 物联网大数据与水利 PART3 8 防洪抢险通信系统当发生洪水时 当地的一些基础设施往往会遭到严重损害 而把现场音 视频信息 天气 降雨等水文信息传送至指挥中心速度将直接影响抢险救灾的效果 因此构建一个完整的防洪抢险通信系统 是关系到人民生命财产安全的大事 为了第一时间将防洪抢险现场采集的信息传送至目的地 需要建立一个要具有抗干扰及远距离通信能力 具有语音 图像信息 数据的采集和传输能力的通信系统和数据分析评价系统 系统要能够与省级水利部门和水利部应急通信平台无缝连接 互联互通 为抗洪抢险 防灾应急决策 指挥提供技术保障 物联网大数据与水利 PART3 山洪灾害监测预警平台采用最新的通信技术 计算机网络技术 物联网技术 数字地理信息技术 集成了山洪 水文 气象 国土和调查评价数据 专题图层与分析成果 通过以GIS为核心进行信息综合展示 为防汛值班 会商提供决策支持 物联网大数据与水利 PART3 物联网大数据与水利 PART3 移动应急通讯系统 物联网大数据与水利 PART3 9 地下水资源管理目前 地下水由于过度开采和污染问题严重危及了水资源安全 为了严格地下水的管理和保护 需要对地下水的水位 水质 流动方向等信息进行实习监测 以实现地下水自动化与智能化管理 需要开发相应的管理系统 其应具有如下功能 1 实时显示各监测站的水位 水质数据 2 能实现水位 水质的自动监测数据的查询 分析等功能 3 能对水质和水位进行预测和报警 物联网大数据与水利 PART3 10 灌溉取水计量目前 我国灌溉方式较为粗放 作物灌溉水量远大于灌溉实际需水量 造成水资源的严重浪费 通过对农作物 土壤墒情 气候等信息的实时监测 结合作物生长周期需水量 利用计算机 网络通信和传感等集成技术 对取水用户实施精确取水计量和实时监控 以确保作物在生长过程中的需要 从而实现高产 优质