对水资源进行有效管理的水利监控系统方案

水资源与人类的生产、生活息息相关，我国既是一个水资源丰富的大国，也是一个中度缺水以及水患多发的国家，水资源的管理关系国计民生。近年来，随着我国水资源供需矛盾的日益突出，对水资源的环境监测与调度管理也成为管理工作重心，对水资源的监控除了安全的因素，还需要体现环保、节约的监管力度。

　　水资源监控全方位分析

　　为了实现对水资源的有效监管，在建设监控系统时不应孤立、分散地去解决局部、个体的问题，而是进行全方位综合监控。在思考监控系统的设计时，将会从三个方面分析：监控的应用场合或用途；工作人员对监控的要求；水利应用环境对监控系统的特殊要求，包括管理体系、工程建设、业务应用等方面的环境。

　　监控的应用场合或用途

　　在水利部门的日常管理工作中，监控系统常应用于以下场合：

　　·水利工程监控，作为治水兴利的重要基础设施，需要在安全防范、日常管理、维护巡检、汛期防灾、应急指挥等多方面加强监控；

　　·防灾监测与信息分发，对于山洪、泥石流、滑坡等水土灾害活动的监测与预警，及时通知主管部门与居民，减少生命财产损失；

　　·水资源监管、水污染事件处理，对于水库、河流取水点的环境监测，防止安全事件与污染事件，利于环保执法取证；

　　·引水调度，对水资源的使用调配进行监管，防止水资源流失与盗水事件。

　　工作人员对监控的要求

　　简单的说，过去在水利监控、水文监测工作中常提到“四遥”要素--遥测、遥控、遥信、遥调，随着视频监控技术在水利行业的推广应用，监控要素也增加了第五遥--遥视，通过视频监控与数据监测手段的相辅相成，提高水利部门的监管水平、增强监管效果。

　　视频监控在水利行业的应用需要考虑工作人员在特定环境中的一些要求，比如在水利安防应用中，不论是防盗、防破坏的安防需求，还是防洪防灾的安防需求，夜间监控是必须考虑的，因为水利监控环境大都在野外，夜间基本没有环境光，夜间监控使用的低照度摄像机灵敏度要高，或者有补光措施；还有对部分水体监控要求摄像机支持大变倍，以便能远视距观察；有的监控点位要求清晰度很高，能分辨水面的漂浮物，或远处的船只标识等等。

　　水利应用环境对系统的特殊要求

　　首先，考虑到水资源环境的特殊性，水利部门在管理上采用既有垂直式行政管理，又有上下游关联式流域管理的交叉体系，因此在流域、省、市、县（区）级水利主管部门和防汛抗旱指挥中心都会设置各级监控中心，在水利工程管理单位和水文监测单位设置监控站。监控中心和监控站通过自建专网或租用公网专线连接，构成多层多节点的网状结构。

　　其次，水利监控设施多在户外甚至野外，条件恶劣，摄像机等设备必须具备防水、防雷、防锈蚀、防高低温、防大风等特性，在很多实际工程应用中，大多数摄像机损坏是因为雷击，还有的设备因高温工作而死机。在某些入海口处所选用的设备还应考虑防盐雾、防腐蚀、防锈蚀、防变形等问题。此外，大部分的水利工程处于野外，容易成为偷盗的目标，因而在施工时应充分考虑到防盗、防暴等要求，防护等级应不低于IP65.其他还有传输、供电方面的环境特殊性，如有的场所无法敷设线缆，只能采用无线传输、风光互补发电等等。

　　第三，水利部门在水利信息化建设方面还有防洪预警、水文监测、工程管理、视频会商等业务系统，需要将视频监控与这些业务系统对接、关联，以最大化发挥视频信息在业务应用中的作用。因此各级监控中心的监控平台应具备可扩展的业务接口，方便实现与水利其它业务子系统的对接，并应具有资产管理、设备自动巡检及智能事后检索等符合水利实际应用需求，便于水利部门方便实现系统管理的扩展应用功能。

　　基于融合监控系统的水利监控解决方案

　　前文阐述了笔者对水利监控系统设计方面的问题分析，下面谈谈具体的解决方案。

　　本案在业界率先提出“融合监控”的概念，致力于丰富视频物联网在行业应用的解决方案。本文介绍的方案正是融合监控理念在水利行业的具体应用展现，分别从监控点前端采集、中间传输、后端管理应用几个环节，结合应用场合的差异性进行介绍（如图1所示）。

　　系统结构

　　水利融合监控系统由各级监控中心和监控站组成。在省、市、县（区）各级水利主管部门和流域管理单位、防汛指挥中心分别设置监控中心，在水利工程管理和水文监测等单位设置监控站。监控中心和监控站通过计算机网络连接，构成多层多节点的网状结构。

　　监控站与一个或多个前端监控点直接相连，采集前端监控点的实时图像和其它相关数据信息，并对其进行管理和存储。一般监控站均为大中型水利工程的直接管理部门和水文部门。监控中心则控制、监视、管理、调阅本辖区内监控站的所有图像信息，并向公众发布实时状况图像信息。

　　市、县（区）级监控中心配置视频流媒体服务器，可向同级政府有关部门及上级监控中心提供图像信息。省级监控中心则通过统一的网络监控管理平台，根据实际需要控制、监视、管理、调阅省内监控站的图像。

　　这种架构适合流域监控的要求，体现了流域监控的特点，同时在防汛时刻确保各级领导和决策人员可以通过网络系统获取实时视频信息。

　　监控前端

　　水利部门所管辖的水体资源和水利工程类型多样，包括水库、河流、堤围、渔港、水利枢纽、供水设施等，监控场所涉及水闸、大堤、坝体、港湾、采水点、自来水厂、水文站、防汛亭、水电设施、溢洪道等，这些场所可能在城区，也可能在野外、偏远山区，有的配备有专用机房，有的只有简单的立杆和防水设备箱，有的可以通过光纤专线，有的则需要无线传输，因此需要针对不同的监控现场选择适合的监控前端产品，满足各自特殊的需求。

　　1、水库

　　由于场景开阔、水域面积大，有专用机房，且一般需要录像，可采用日夜两用的高变倍模拟球机，配合数字硬盘录像机DVR,通过接入光纤专线或通过3G无线公网，将现场画面传递到监控中心。

　　在高清应用方案上，对于已建模数混合监控的水库，建议配备HD-SDI数字高清摄像机，结合带智能分析功能的高清DVR,可利用原有线路资源平滑升级到高清系统，可实现对水库的水体质量和表面漂浮物进行监测，及时发现污染或溺水事件，还可配合水质探测装置进一步准确掌握水资源状况。

　　2、堤围、渔港、防汛亭、水文站、采水点

　　这些场所一般没有专门配套的机房，也没有录像的需求，在传输和供电方面需要更加灵活、方便的部署，我们为这些场所配备了轻便、易安装、低功耗的网络摄像机，可以通过敷设光缆或租用电信运营商的线路资源，将图像传送到监控中心，对于部分难以铺设线缆的地区，还可以直接用3G公网进行无线传输，能大大减少工程量，提高布点效率。

　　在高清应用方案上，建议配备网络高清摄像机，尤其适合堤围、渔港这样视场开阔的场景，另外结合水位水质传感器，可对于水文站、采水点这些场所进行视频、数据综合监控。

　　3、水利枢纽工程

　　水利枢纽工程由于规模较大，需要多方位、多角度的监控部署，包括工程周边的边界防范，工程内部各场所的监控，如水闸、机组、上游坝坡、水位标尺等，水利枢纽工程有专门的机房环境和长途线路资源，可将各种音视频监控、动力环境监控信息统一接入到监控主机，然后通过专线传输到监控中心。

　　4、自来水厂

　　自来水厂监控主要包括水源井、加压泵房、管网的监控。水源井、加压泵房的点较少，且相对集中，是重点监控对象，可采用有线的方式进行数据传输，增加视频监控。每个监控点安装监控主机，接入传感器、智能设备、视频设备，实现对水源井、加压泵房的监控。管网监测点较多，且分散，可采用无线的方式进行数据传输，方便部署。每个监控点安装小型监控采集装置，接入传感器，实现对管网的监控。

　　5、机动监控点、应急车、单兵系统

　　虽然水利部门花费巨额投资建设了大量监控点，但相对我国广阔的水域资源而言，仍显得匮乏，尤其在汛期突发情况很多，因此需要准备一定的机动、应急响应能力。可通过架设无线监控点、携带单兵系统进行现场的临时监控，或者装备应急监测/指挥车到各处进行机动的采集、观测与调度指挥。

　　在监控前端设计方面，我们充分考虑环境因素，比如供电问题，位于偏僻地区的监控设备取电困难，我们一方面采取借助其他能源发电，比如风光发电、油机发电，目前不少无人值守水文站、观测站也是采用风光互补发电来满足日常监测与无线传输的需求。另一方面采用低功耗设备，或采取定时休眠/唤醒来节能。有些地区我们还可以采用高压直流、远端供电方式，从监控站机房向监控点设备进行输电。

　　另一个是防雷问题，水利工程往往建设在野外空旷之处，易受到雷电侵袭，监控点设备的电源一般在现场就近取用，也易受雷电影响产生高压和浪涌电流，为了设备能可靠、长久地运行，摄像机杆和前端机箱必须接地；对摄像机的视频信号均应配置防雷设备，以防止雷电对摄像机等设备的损坏；对各监控站点均应配置电源浪涌保护器，防止雷电的侵袭。

　　第三个是夜间监控问题，现有水利工程中，不少未安装照明系统，而夜间又往往是抗洪的关键时刻，因而在系统设计时应充分考虑夜间监控的要求，可采用射灯照明或红外方式。建设优先选用射灯照明模式。夜间监控中，辅助照明设备开启时投射到被监控区域的有效照度应不低于40W白炽灯照度。红外摄像机的有效监视距离应根据实际状况确定，室外一般不应低于30米。

　　传输线路

　　业内一般将水利监控的传输线路分为两类，一类是接入线路，一类是骨干线路。接入线路解决将位于水库、枢纽、河道等各地监控点图像、数据传到监控站或汇聚点，骨干线路则将图像、数据等信息远程传输到上级监控中心。

　　对于骨干线路，通常采用水利政务专网，各省在防汛抗旱指挥系统项目建设时已做了网络建设和改造，除视频监控外，还承载了视频会商与水情监测等业务。鉴于大流域管理的需求，有的还建设了跨省线路，便于下游地区对上游水情的及时了解。

　　由于水利环境的复杂性，接入线路就存在较多不确定因素，通常我们会结合监控的要求和环境两方面来选择传输方式，对于监控画面要求清晰、实时的点位（比如水库、堤围、渔港、枢纽等），一般采用有线传输，借助水利部门自建专网或租用运营商的专线资源。一些无人值守泵站、河道监测站、水文站，位于崇山峻岭深处或荒无人烟之地，或者即便在城区，但有线网络难以到达或者投资较大的地区，则考虑无线网络（以3G网络为主）或点对点传输通道（如微波无线扩频、OFDM）。

　　这里特别提到一点，山洪灾害是我国现阶段造成生命财产损失较大的水患类型，有突发性、隐蔽性、破坏性强的特点，因为环境偏僻恶劣，难以利用常规手段加以监测。我们在山洪预警方面融合了物联网WSN技术，将水情传感器洒落分布在山洪多发地区，利用ZigBee传输手段，将采集的信息传到观测区域的监控主机，再通过3G网络汇聚到监控中心进行分析处理，从而加强了对山洪灾害的预报能力。

　　监控中心管理平台

　　水利部门垂直管理特征明显，为了既保障统一的指挥，又能实现分散自主管理，从跨省的流域管理委员会，到各省、市、水利工程的多级管理单位，都会建设规模、复杂度不一的监控中心，通过各级监控中心的管理平台，既可以访问管辖范围内的水利监控点，也可以向上级监控中心提供级联服务的能力，或者向有关部门共享部分视频资源。

　　监控管理平台针对水利行业的特点，进行了大量优化，大致包括以下几大特点：

　　·大容量接入与并发访问。在水资源较丰富的省份，由于河道水网密布、大小水利工程星罗棋布，水文监测和水利设施监控所需的监控点往往数以千计，这就需要平台具有大容量接入的管理能力，及对各地图像并发访问的处理能力。特别在易发生水文、气象灾害的汛期、台风等特定时间，往往需要同时关注很多具有险情的水利设施、河道等监控点，平台和网络都将面对较大的负荷考验；

　　·多厂家设备兼容。各地水文监测、水利监控的信息化建设先后不一，设备选型各异，造成在后期建设平台进行统一管理时面临多厂家的设备分布，为保护已有投资，避免重复建设的浪费，就要求平台能兼容很多厂家，至少是主流厂家的设备；

　　·多业务融合。管理平台能综合前端采集的视频信息与数据信息（如水情、风情、雨情、地质情况等），通过电子地图进行分析、观察，并产生预警提示，在监控终端上可以在图像叠加所在点的水文信息，在水利电子地图上可以选取监测点进行现场图像调看。另外可以通过与水雨情及工情数据库对接，获得现有闸门和水库的水雨情及工情信息，实现有效联动，例如在水位超过某个警戒值时联动视频实现报警，便于领导和相关人员及时做出决策。也可以为水文信息发布系统提供各时期的现场图片，便于直观地展示水雨情、工情；

　　·多级管理与互联。由于水利行业是垂直管理、跨区域协同特征很明显的一个行业，一个流域、一条河从上游到下游，纵向上从省厅到流域到地市到区县，需分级调度指挥，横向上沿途的地市相互间有沟通、共享的需求，如上游爆发山洪，在下游的城市如果能看到上游城市水域的图像，就可以早做防灾准备。因此我们充分考虑了平台间的级联与互联特性，一方面通过二维权限体系和资源管理，实现水利部门上下级监管的有序性，另一方面通过级联互联保障了用户对数据、图像获取的有效性。

      结束语

　　结合水利行业不同场景及特点，水利行业在工程联网监控、防灾预警、水资源监测与管理等领域有着迫切的监管需求，集合高清视频监控系统、综合智能数据采集系统、网络传输系统、融合监控平台的创新型融合监控系统，采用多级大联网架构，结合云计算及物联网技术，系统兼容性好、易扩展、网络适应性强、智能化程度高，是水利行业信息化管理的重要支撑手段，在水利监控领域有着广阔的应用前景。对减少洪水灾害，缓解防洪压力，合理调度水资源，防止污染与非法用水，保障人民群众生命财产安全、生活生产供水具有重要作用。