物联网水利大数据平台建设与实践.ppt

,物联网水利大数据平台建设与实践,汇报人：刘福胜,2023年8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,PART 1,物联网的概念,PART 1,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,PART 1,云平台的概念,PART 1,由传统计算转向云计算(cloud computing)，是业界将要面临的一个重大改变。各种云平台(cloud platforms)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-demand platform）、平台即服务（platform as a service，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,PART 2,1.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,PART 2,2.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,PART 2,3.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0.70.8。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,PART 2,4.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（69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,PART 2,4.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,PART 2,5.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,PART 2,5.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,PART 3,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,PART 3,1.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,PART 3,一体化闸门实例：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,PART 3,一体化闸门实例：中国山西汾河灌区,物联网大数据与水利,PART 3,一体化闸门实例：中国宁夏青铜峡灌区,物联网大数据与水利,PART 3,一体化闸门实例：中国安徽淠史杭灌区,物联网大数据与水利,PART 3,一体化闸门实例：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,PART 3,“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,PART 3,2.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,PART 3,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,PART 3,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,PART 3,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,PART 3,3.一体化泵站集成了泵、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,PART 3,一体化泵站现场效果图,物联网大数据与水利,PART 3,一体化泵站运输和施工图,物联网大数据与水利,PART 3,4.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,PART 3,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,PART 3,5.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,PART 3,污水处理用的推流泵图,物联网大数据与水利,PART 3,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,PART 3,6.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,PART 3,7.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,PART 3,8.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,PART 3,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,PART 3,物联网大数据与水利,PART 3,移动应急通讯系统,物联网大数据与水利,PART 3,9.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,PART 3,10.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、高效和节水的灌溉技术。,物联网与水利,PART 3,11.城乡供水设施我国大多数城乡供水系统的运行管理都采用比较原始的方法进行生产调度和生产管理，运行效率低下，基础设施损毁严重。而通过对供水管道中水压力、水速、水质等信息的实时监测，利用大数据技术开发智能基础设施管理系统，可以将水厂工程基础设施、供水管网基础设施、供水社区基础设施、地理基础设施等供水相关的基础设施连接起来，使其成为新一代的智慧化基础设施，提高供水服务质量和供水企业的生产效率。,物联网大数据与水利,PART 3,12.城市防汛近年来城市暴雨积水成灾频繁发生，对城市居民造成的损失愈来愈大。通过对城市积水点进行实时视频监测，采集降雨量、水库、河道、易积水点的水位、流量信息，分析水流汇集信息、管道水流动态和积水动态，并根据往年长期统计数据进行预测预报，以实现积水事件预警、应急物资管理和多部门应急协同，最大限度的减轻水灾害损失。,物联网大数据与水利,PART 3,物联网大数据在水利中应用存在的问题水利信息化是实现水利现代化和推动水利事业重大变革的关键。虽然我国已经加快物联网在水利中应用的步伐，但仍存在一些问题：1.在水利信息基础设施的建设与应用方面，普遍存在分散建设、规范标准不统一、技术异构等问题。2.基础设施资源难以整合，软硬件环境得不到高效利用。3.在业务应用系统开发与应用方面，普遍存在只能满足基本业务处理需求，无法满足业务协同发展需要的问题。4.应用系统共享程度低，“信息孤岛”现象严重。,工程应用实例,PART 4,一、平原水库智慧化大数据管理系统1.数据采集（1）水库历史调度资料，即入库泵站的开、停机时间，入库泵站每日的前池水位、水库水位、流量和提水量，不同供水对象的供水时间、流量和供水量，水库渗漏量，日降雨，日蒸发量等资料。（2）水库的安全资料，包括围坝的沉降量、位移量、裂缝，坝体内部测压管水位、浸润线走势、坝体渗流量、坝基渗流量、渗流压力，工程地质和水文地质，附属建筑物安全等资料。（3）水库生态资料，包括水库水质、生物种类、库区植被类型等资料。,工程应用实例,PART 4,一、平原水库智慧化大数据管理系统2.系统组成及功能平原水库健康信息化系统主要由数据信息管理、水库健康综合诊断和预测、水库优化调度三部分组成。通过现场安装物联网感知节点，感知节点完成现场水位、流量、提水量等信息的监测并通过无线传输到平原水库健康信息化平台，平台进行数据信息管理和挖掘，通过模糊层次分析法，按照一定的评价指标，准确判断水库的健康状况；按照水库健康状况相关各种信息进行分类建立水库健康预警决策树，按照“if-and-then”的形式从树根到树叶获取预警规则，对水库的健康状况进行预测预报；采用数据挖掘技术，总结出入库泵站的开、停机时间、流量和提水量的规律，进而在保证供水量和水库安全的情况下，制定出入库泵站的开、停机时间、流量和提水量，作为指导水库调度的依据。,工程应用实例,PART 4,一、平原水库智慧化大数据管理系统3.系统说明,工程应用实例,PART 4,一、平原水库智慧化大数据管理系统丁东水库基本情况丁东水库位于陵县丁庄乡境内，其平面形状似靴状，水库大坝为均质土坝，采用了碾压式筑坝技术施工，其供水源主要是通过潘庄引黄干渠调引黄河水入库。其设计指标如右表所示：,工程应用实例,PART 4,一、平原水库智慧化大数据管理系统3.1水库三维图,工程应用实例,PART 4,一、平原水库智慧化大数据管理系统3.2平台界面,数据信息管理目录,工程应用实例,PART 4,一、平原水库智慧化大数据管理系统3.3泵站运行实时控制界面,工程应用实例,PART 4,一、平原水库智慧化大数据管理系统3.4水库日蒸发量实时与预测,工程应用实例,PART 4,一、平原水库智慧化大数据管理系统3.5水库健康诊断和预测,工程应用实例,PART 4,一、平原水库智慧化大数据管理系统3.6平原水库优化调度系统,工程应用实例,PART 4,二、基于物联网的水肥一体化节水灌溉智慧化大数据系统1.基本情况,滨州市沾化区智慧化高效节水项目，依托山东农业大学农业大数据中心和水利土木工程学院，建立基于物联网的水肥一体化节水灌溉智慧化大数据系统。,工程应用实例,PART 4,二、基于物联网的水肥一体化节水灌溉智慧化大数据系统2.系统设计,系统构成示意图,工程应用实例,PART 4,二、基于物联网的水肥一体化节水灌溉智慧化大数据系统2.系统设计,平台设计图,工程应用实例,PART 4,二、基于物联网的水肥一体化节水灌溉智慧化大数据系统2.系统设计,整个系统设计为三层网络构成，第一层是山东农业大学大数据中心与外网的连接以及大数据中心计算机之间的连接；第二层是大数据中心与物联网信息处理终端之间构成数据通讯网络；第三层是物联网信息处理终端与水源地、管网和田间的监测执行机构构成监控网络。,网络架构示意图,工程应用实例,PART 4,二、基于物联网的水肥一体化节水灌溉智慧化大数据系统3.现场设备设施,物联网气象信息采集站图,气象站、水肥一体化机房图,工程应用实例,PART 4,二、基于物联网的水肥一体化节水灌溉智慧化大数据系统3.现场设备设施,水肥一体化机房图,物联网智慧化控制出水口图,工程应用实例,PART 4,二、基于物联网的水肥一体化节水灌溉智慧化大数据系统3.现场设备设施,物联网土壤墒情1#监测站图,物联网土壤墒情2#监测站图,工程应用实例,PART 4,二、基于物联网的水肥一体化节水灌溉智慧化大数据系统4.系统网站,水肥一体化节水灌溉智慧化大数据平台首页图,工程应用实例,PART 4,四、山东省智慧水文大数据平台1.研发背景,通过多年的努力，山东省水文信息化建设取得了较大成绩，但在其建设过程中还存在以下几个方面的不足。,除降雨、水位测验项目数据以自动观测为主、人工观测为辅外，其它测验项目数据均为人工观测,水文资料整编通用软件版本过低,全省行业内的各个专题、不同规模的数据库名目繁多，数据存储分散、共享不足,数据采集,资料整编,数据管理,水资源、水环境管理等水文业务信息化程度偏低,水文业务,工程应用实例,PART 4,三、山东省智慧水文大数据平台1.研发背景,为解决上述问题，更好地发挥已建各水文工程、系统成果，实现水文各个业务综合应用平衡发展，在2015年国务院印发的关于积极推进“互联网+”行动的指导意见和促进大数据发展行动纲要等文件提出的“推动大数据与云计算、物联网、移动互联网等新一代信息技术融合发展，探索大数据与传统产业协同发展的新业态、新模式”的精神指导下，采用大数据、互联网、物联网和云计算等先进技术提高水文业务管理水平，建设山东省智慧水文大数据平台迫在眉睫。,工程应用实例,PART 4,三、山东省智慧水文大数据平台2.建设目标,山东省智慧水文大数据平台，按照水利信息化顶层设计要求，实现五统一（统一技术标准、统一运行环境、统一安全保障、统一数据中心和统一门户），达到“一张地图、一个门户、一个数据库、一个平台、一数一源”的目标。强化水文基础数据库体系的建设和各类信息资源整合，利用物联网、互联网、大数据、云计算等先进技术，建设水文业务应用系统开发，为更为全面的掌握全省水文水资源及水环境状况提供了基础，为与之向相关的社会服务带来便利。,工程应用实例,PART 4,三、山东省智慧水文大数据平台3.平台设计,前景与展望,PART 5,1.在物联网与水利的核心技术开发方面，需要按照“需求牵引、重点跨越、推广应用、支撑发展、引领未来”的原则，突破智能传感器和部分业务软件开发等关键技术，推动物联网与水利项目的结合，以典型工程为示范，引领带动整个相关产业的健康发展。2.要充分考虑我国水利信息化的发展现状，结合物联网、大数据等技术，深入开发和高度整合水利信息资源，实现水利信息感知、传输、存储、处理的可视化和智能化，有效实现水利信息的共享，提升水利工程运用和管理的效率，加快水利信息化平台标准的制定、密切关注大数据安全问题和云计算平台整合问题。,前景与展望,PART 5,第34届IAHR（International Association for Hydro-Environment Engineering and Research）大会(2011.6.26-7.1,Brisbane，Australia)开幕式的主题报告“信息技术在水系统管理中的角色”(Dr.Sharon Nunes)，指出新一代水信息系统的物联网特点：,前景与展望,PART 5,从“数字水利”向“智慧水利”转变：智在管理、慧在应用,通过“智慧水利”建设，达到“五个目标”,业务管理一体化,水利监控可视化,水利信息规范化,水利资源共享化,水利决策科学化,THANK YOU!,Tel：13053819636 e-mail：,