專利名稱：水利工程影響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水文水資源監(jiān)控和水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的針對水利工程影響下的流域水文和水質(zhì)監(jiān)測及保護(hù)方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國大江大河往往大型水利工程群密布，人為干擾強(qiáng)烈，以至水文與水質(zhì)時空分布差異很大，水環(huán)境問題十分復(fù)雜。例如，大型水庫建成后，庫區(qū)內(nèi)支流易發(fā)生富營養(yǎng)化與水華，而壩下河段出現(xiàn)珍稀魚類生境退化，通江湖泊濕地退化，以及河口鹽水入侵等問題；上述水環(huán)境問題出現(xiàn)的時間與地點(diǎn)雖然不盡相同，但其本質(zhì)原因均是大型水利水電工程建設(shè)和運(yùn)行導(dǎo)致流域水文情勢發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)區(qū)域性水動力特征與水質(zhì)時空分布變化與顯著差異。由此可見，在水利工程影響下維系流域健康的首要任務(wù)是在流域內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域(主河道、支流、通江湖泊、水庫、河口區(qū))全過程跟蹤監(jiān)測水文(水位、流量、流速、泥沙、降雨、蒸發(fā)等)和水質(zhì)(水溫、濁度、酸堿度、電導(dǎo)度、溶解氧、生化需氧量、化學(xué)需氧量、營養(yǎng)鹽、葉綠素、微量毒素等)參數(shù)，及時、準(zhǔn)確、全面地反映流域水資源與水環(huán)境現(xiàn)狀，并對其發(fā)展趨勢做出科學(xué)評估和預(yù)測，為流域水安全規(guī)劃、管理、防治提供科學(xué)依據(jù)。我國雖已對太湖、巢湖、滇池等開展了大量的湖泊水文水質(zhì)監(jiān)測工作，但針對水利工程影響強(qiáng)烈、空間尺度更大、支流眾多、地理環(huán)境更為復(fù)雜的流域監(jiān)測與保護(hù)，技術(shù)水平比較有限:(1)尚無統(tǒng)一的流域監(jiān)測和保護(hù)的方法與體系，在針對水利工程影響下流域一體化水文水質(zhì)監(jiān)控時，在數(shù)據(jù)匯交、新技術(shù)應(yīng)用、動態(tài)監(jiān)測等方面存在明顯不足；(2)傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)基本依賴于固定站點(diǎn)人工監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理，監(jiān)測指標(biāo)和斷面偏少，監(jiān)測頻率低，數(shù)據(jù)較為稀疏，缺乏現(xiàn)場自動測報(bào)能力，機(jī)動監(jiān)測能力不足，難以第一時間獲得全面的水環(huán)境質(zhì)量狀況；(3)監(jiān)測信息有效轉(zhuǎn)化能力弱，在數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)挖掘、信息融合等方面，遠(yuǎn)不能滿足流域水環(huán)境一體化保護(hù)的需要。上述可知，對水利工程影響下的大尺度流域水資源與水環(huán)境的一體化有效監(jiān)管，必須突破傳統(tǒng)的水文和水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息自動采集、多點(diǎn)數(shù)據(jù)交互傳輸、數(shù)據(jù)信息充分挖掘等功能。雖然我國在部分水系嘗試性地建立了一些水質(zhì)自動監(jiān)測站，但只是在傳統(tǒng)靜態(tài)監(jiān)控結(jié)構(gòu)之下的局部技術(shù)改善，并沒有根本改變流域數(shù)據(jù)上報(bào)延遲和多源信息融合困難的問題。近年來在交通、安全、工業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域發(fā)展起來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是改變上述缺陷的有效途徑；該技術(shù)借助無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將微型感應(yīng)芯片、射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備融合在一起，實(shí)現(xiàn)物與物之間的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。有文獻(xiàn)(張?jiān)?，蔡彬?基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的水文監(jiān)測系統(tǒng)研究.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2012,23:173-175)提出了 一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水文監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用ZigBee和GPRS技術(shù)實(shí)施水文遠(yuǎn)程監(jiān)測，但僅針對很小范圍內(nèi)的水位、流量兩個指標(biāo)；另有文獻(xiàn)(蔣云鐘，冶運(yùn)濤，王浩.智慧流域及其應(yīng)用前景.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2011，31:1174-1181)提出“智慧流域”之一概念，建議在流域范圍內(nèi)融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算、數(shù)值模擬平臺等，為防洪減災(zāi)和水資源管理提供助力，但該文獻(xiàn)是對物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)在流域監(jiān)管方面的宏觀定性展望和建議?？傮w而言，已有成果存在兩方面的明顯不足:(1)盡管已有部分專家學(xué)者初步展望了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水文水質(zhì)監(jiān)測的結(jié)合，但均是將水文水質(zhì)監(jiān)測活動與物聯(lián)網(wǎng)的直觀疊加，未能給出實(shí)際技術(shù)路線和解決方案；(2)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管已經(jīng)應(yīng)用在一些與水產(chǎn)相關(guān)的流域，但均是非常小范圍的孤立應(yīng)用，例如在水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)或者水源地監(jiān)測中的案例，尺度均非常小(米級)，所涉及參數(shù)也十分有限，遠(yuǎn)不能勝任大流域尺度的水文水質(zhì)復(fù)雜監(jiān)測工作?？傊?，我國迫切需要開發(fā)出適用于水利工程影響下的跨區(qū)域、多技術(shù)手段融合、實(shí)時在線的流域水文水質(zhì)監(jiān)測及保護(hù)的遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，本發(fā)明專利所要解決的技術(shù)問題是，克服目前已有的河流水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)，彌補(bǔ)河流水文水質(zhì)信息監(jiān)控技術(shù)方法的不足，提供一種水利工程影響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)及方法，可以對水利工程影響下的流域復(fù)雜水文水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時、可靠及完整的流域水資源及水質(zhì)狀態(tài)監(jiān)控和保護(hù)。本發(fā)明解決以上技術(shù)問題的技術(shù)方案是:
水利工程影響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，由相互通信連接的流域水文水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、流域水文水質(zhì)信息管理系統(tǒng)以及流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)分析與決策支持系統(tǒng)組成；
(-)所述流域水文水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由水文水質(zhì)信息采集與通信子系統(tǒng)和視頻信息采集子系統(tǒng)組成，用于水文水質(zhì)的信息采集及通信傳輸；
所述水文水質(zhì)信息采集與通信子系統(tǒng)包括:
水文水質(zhì)信息采集模塊，由各個功能傳感器組成，用于定時對監(jiān)測流域的流量、流速、水位、水溫、泥沙、濁度、酸堿度、電導(dǎo)度、溶解氧、生化需氧量、化學(xué)需氧量、營養(yǎng)鹽和葉綠素這些重要的常規(guī)水文水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行探測；
監(jiān)測模塊，根據(jù)監(jiān)測斷面水文水質(zhì)深度的不同，設(shè)置在設(shè)定的不同深度的水域斷面，用于監(jiān)測高、中、低三個不同水深部位的水文水質(zhì)特征；所述各個功能傳感器將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過各自的串行端口傳輸給所述監(jiān)測裝置，通過監(jiān)測裝置的無線數(shù)據(jù)傳輸功能傳輸給無線數(shù)據(jù)傳輸終端，無線傳輸終端運(yùn)用GPRS或3G技術(shù)將數(shù)據(jù)傳出；
監(jiān)測信息采集對象、接入對象與通信傳輸模塊，包括流域重要控制性斷面信息采集子模塊、控制性水庫信息采集子模塊、梯級電站信息采集子模塊、重要取水口信息采集子模塊和主要入河排污口信息采集子模塊，信息采集內(nèi)容包括這些對象的水量、水質(zhì)、水工程以及視頻監(jiān)控信息；所述流域重要控制性斷面信息采集子模塊由遠(yuǎn)程終端控制器、聲學(xué)多普勒流速儀、GPRS模塊、功能傳感器、UPS、磁飽和隔離變壓器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、電池組、太陽能板、充電控制器和交直流信號避雷器構(gòu)成，以遠(yuǎn)程終端控制器為核心構(gòu)建各固定監(jiān)測站點(diǎn)現(xiàn)地采集和現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)存儲，同時通過無線通訊傳輸?shù)搅饔蛩乃|(zhì)流域監(jiān)測中心；所述控制性水庫信息采集子模塊由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、GPRS、功能傳感器、UPS和相關(guān)監(jiān)測軟件構(gòu)成，現(xiàn)地監(jiān)測實(shí)時水情、庫水位和流量數(shù)據(jù)，現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)存入監(jiān)測模塊，信息通過GPRS上傳到同時上傳到流域監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫并存儲，用于對流域控制性水庫雨量信息、水量信息、水質(zhì)信息進(jìn)行監(jiān)測和獲取水庫及發(fā)電尾水處的水面實(shí)時視頻圖像，從現(xiàn)地工控機(jī)流域監(jiān)測中心數(shù)據(jù)服務(wù)器；所述梯級電站信息采集子模塊由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、功能傳感器、通信模塊、UPS、觸摸屏、閘位計(jì)和相關(guān)監(jiān)測軟件組成，用于監(jiān)測水量信息、水質(zhì)信息、工況信息，獲取上游及機(jī)組發(fā)電尾水處的水面實(shí)時視頻圖像信息；所述重要取水口信息采集子模塊由遙測終端機(jī)、功能傳感器、GPRS通信模塊、交直流信號避雷器和電源組成，用于監(jiān)測取水信息、取水口處水質(zhì)信息和獲取取水口處水面實(shí)時視頻圖像；所述主要入河排污口信息采集子模塊由遙測終端機(jī)、功能傳感器、GPRS通信模塊、交直流信號避雷器和電源組成，用于獲取排污口入河處的水面實(shí)時視頻圖像，監(jiān)測入河排污口排污信息和水質(zhì)信息；
通信傳輸模塊，包括GPRS網(wǎng)絡(luò)、有線通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)、超遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)和電臺通信中的至少一種，無線傳輸終端運(yùn)用GPRS或3G技術(shù)將數(shù)據(jù)傳出，采集的信息通過無線通信方式進(jìn)行通信傳輸，并組成流域水文水質(zhì)無線傳感器監(jiān)測分布式網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)議協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，再將采集來的數(shù)據(jù)信息，通過優(yōu)化后經(jīng)無線通訊傳輸?shù)搅饔蛩乃|(zhì)信息處理中心；
所述視頻信息采集子系統(tǒng)包括:
現(xiàn)地水文水質(zhì)視頻監(jiān)視模塊，由固定監(jiān)測站點(diǎn)子模塊、接入站點(diǎn)子模塊和流動監(jiān)視點(diǎn)子模塊組成；所述固定監(jiān)測站點(diǎn)子模塊由網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器、本地硬盤存儲、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、云臺及云臺解碼器組成，用于重要控制斷面和排污口視頻監(jiān)視；所述接入站點(diǎn)子模塊由網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器和本地硬盤存儲組成，用于流域的控制性水庫、梯級電站和取水口視頻監(jiān)視；所述流動監(jiān)視點(diǎn)子模塊由安裝在流動的監(jiān)測站點(diǎn)上的便攜式無線視頻終端和高清攝像機(jī)組成,用于流動視頻監(jiān)視；
流域監(jiān)測中心模塊，由視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、視頻管理服務(wù)器、視頻數(shù)據(jù)管理服務(wù)器和視頻工作站組成，用于流域視頻監(jiān)測；
遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控模塊，采用集中監(jiān)控服務(wù)模式，通過安裝和部署的視頻監(jiān)控、存儲、管理和服務(wù)設(shè)備，用于流域監(jiān)測中心和水調(diào)值班監(jiān)控室對固定視頻監(jiān)控對象、流動監(jiān)視對象的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視監(jiān)控和視頻接入點(diǎn)的視頻監(jiān)視；
(二)所述流域水文水質(zhì)信息管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)和應(yīng)用支撐平臺子系統(tǒng)組成，用于輔以形成水文水質(zhì)預(yù)警管理、水量調(diào)度管理、水質(zhì)監(jiān)控管理和綜合信息服務(wù)；
所述數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)，用以通過流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)存儲和管理平臺，形成工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、遙感影像數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫這些公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，同時形成服務(wù)于各業(yè)務(wù)應(yīng)用的適合全流域?qū)嶋H情況的調(diào)度管理數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行工況數(shù)據(jù)庫、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、水情數(shù)據(jù)庫、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫這些專業(yè)數(shù)據(jù)庫；
所述應(yīng)用支撐平臺子系統(tǒng)，用于平臺硬件系統(tǒng)的部署，應(yīng)用服務(wù)中間件、應(yīng)用系統(tǒng)整合及數(shù)據(jù)交換組件及GIS服務(wù)構(gòu)件的部署配置，通用服務(wù)的部署，專用服務(wù)的部署，覆蓋數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲、應(yīng)用、決策輔助和發(fā)布各個環(huán)節(jié)；
曰所述流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)分析與決策支持系統(tǒng)包括預(yù)測子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)、專家子系統(tǒng)和大屏幕顯示子系統(tǒng)；
所述預(yù)測子系統(tǒng)，用于基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立預(yù)測模塊，對上傳的監(jiān)測信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和智能分析，實(shí)現(xiàn)流域?qū)崟r0-4小時、短期0-72小時、中期1-4周、季節(jié)性以及突發(fā)期的水文及水質(zhì)精確預(yù)測，將預(yù)測自動輸入專家子系統(tǒng)進(jìn)行決策分析，同時上報(bào)流域調(diào)度管理部門，滿足監(jiān)管部門對流域水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)要求；
所述信息管理子系統(tǒng)包括水量調(diào)度管理模塊、調(diào)度業(yè)務(wù)處理模塊、水質(zhì)監(jiān)控管理模塊、水質(zhì)評價模塊和水污染預(yù)測預(yù)警模塊；所述水量調(diào)度管理模塊包括來水預(yù)報(bào)子模塊、需水預(yù)測子模塊、年/月/旬調(diào)度方案編制子模塊、應(yīng)急調(diào)度子模塊、調(diào)度結(jié)果評估子模塊和調(diào)度查詢統(tǒng)計(jì)分析子模塊；所述來水預(yù)報(bào)子模塊，用于對流域年總來水、各水資源區(qū)及控制斷面年、月、旬的來水進(jìn)行預(yù)報(bào)；所述需水預(yù)測子模塊，用于對流域年總需水、各水資源區(qū)及控制斷面年、月、旬的需水進(jìn)行預(yù)報(bào)；所述年/月/旬調(diào)度方案編制子模塊，用于對流域年度、月、旬的調(diào)度方案進(jìn)行編制；所述應(yīng)急調(diào)度子模塊，用于當(dāng)流域出現(xiàn)水文水質(zhì)的某種風(fēng)險(xiǎn)因素，或特殊供水需求情況，需要進(jìn)行非正常調(diào)度時采取的應(yīng)急響應(yīng)對策；所述調(diào)度查詢統(tǒng)計(jì)分析子模塊，用于對每年的調(diào)度成果作出評價；所述調(diào)度業(yè)務(wù)處理模塊包括用水戶信息管理子模塊、用水計(jì)劃受理子模塊和用水督察子模塊；所述用水戶信息管理子模塊，用于對用水戶的基本信息和取水許可證信息的查詢、檢索和修改；所述用水計(jì)劃受理子模塊，用于用水戶通過互聯(lián)網(wǎng)登陸流域管理部門網(wǎng)站填寫和提交用水計(jì)劃；所述用水督察子模塊，用于用水督察人員填寫用水戶的用水信息，對超標(biāo)引水、違規(guī)放水的情況和處罰情況進(jìn)行記錄；所述水質(zhì)監(jiān)控管理模塊，用于通過監(jiān)控管理，及時評價流域主要控制斷面以及主要取水口、入河排污口的水質(zhì)情況，為入河水污染源監(jiān)督、水質(zhì)監(jiān)控管理和水資源保護(hù)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；所述水質(zhì)評價模塊，用于根據(jù)實(shí)時監(jiān)測的流域河流、水庫、取水口、入河排污口、閘壩等的水質(zhì)動態(tài)資料，在分析往年監(jiān)測資料兼顧水體的使用功能、充分考慮水體特性的基礎(chǔ)上確定適當(dāng)?shù)乃|(zhì)監(jiān)測指標(biāo)，并采用相關(guān)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和方法，實(shí)施水質(zhì)分析評價；所述水污染預(yù)測預(yù)警模塊，用于對水質(zhì)狀況進(jìn)行模擬和評價，對水環(huán)境發(fā)生的影響變化進(jìn)行預(yù)測和分析，通過對變化因素和變化過程的分析，對其發(fā)生及未來發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行預(yù)測，確定水質(zhì)的狀況和水質(zhì)變化的趨勢；
所述專家子系統(tǒng)，用于接受監(jiān)測子系統(tǒng)和預(yù)測子系統(tǒng)傳輸?shù)乃乃|(zhì)現(xiàn)狀和預(yù)測信息，對流域整體、局部的不同時間段的水文水質(zhì)變化作出決策和依據(jù)；
所述大屏幕顯示子系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息圖形化、預(yù)測結(jié)果顯示、操作員站、管理終端、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、專家決策多畫面同步展示。水利工程影響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控方法，按以下步驟進(jìn)行:
㈠基于物聯(lián)網(wǎng)通過固定監(jiān)測站和流動車船相結(jié)合的方式，實(shí)時采集流域水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時以視頻監(jiān)控的方式監(jiān)視流域水文水質(zhì)環(huán)境實(shí)時狀況；
(二)將步驟(-)中采集的流域水文水質(zhì)信息和視頻信號存儲到水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)
庫；
曰采集流域氣象和地理信息，結(jié)合已采集到的流域水文水質(zhì)信息和視頻資料，對流域水文水質(zhì)情況進(jìn)行分析，開展基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的流域水文水質(zhì)初步預(yù)測，初步預(yù)測步驟如下:
(1)對某指標(biāo)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，輸入輸出數(shù)據(jù)映射到-1-1范圍內(nèi)，采用公式為(X-Xmin)/ (Xmax-Xmin)，其中X為某指標(biāo)樣本值，Xmin為樣本中最小值，Xmax為最大值；⑵建立流域水文水質(zhì)初步預(yù)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用BP算法，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層，其中輸入層7個節(jié)點(diǎn)，分別代表某時間段之前該指標(biāo)(如水位、葉綠素、總磷、總氮等)的測量值(按照小時、天、周、季節(jié)劃分)，隱含層包括12個節(jié)點(diǎn)，采用雙曲正切函數(shù)tanh(x)模擬神經(jīng)元響應(yīng)方式，輸出節(jié)點(diǎn)I個，用于輸出該指標(biāo)在下一時間段實(shí)現(xiàn)流域(0-4小時、0-72小時、1-4周、季節(jié)性)的初步預(yù)測值；
⑶采用該指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)對上述模型進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，一直到預(yù)測與實(shí)測結(jié)果誤差小于10_3，表明訓(xùn)練成功，所述歷史數(shù)據(jù)不少于5組；
⑷將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于實(shí)測流域水文水質(zhì)初步預(yù)測，此時將采集到的流域水文水質(zhì)信息輸入到輸入層，結(jié)果運(yùn)算得到的歸一化的預(yù)測結(jié)果，再通過反映射到原數(shù)據(jù)范圍內(nèi)并最終輸出；
(5)在每個監(jiān)測站點(diǎn)，針對每個檢測指標(biāo)重復(fù)上述步驟⑴-(4)，得到每個監(jiān)測站點(diǎn)每個檢測指標(biāo)在下一天的所有預(yù)測值；
㈣根據(jù)已知的流域水文水質(zhì)現(xiàn)狀和流域在所區(qū)域地質(zhì)和人群情況，結(jié)合步驟㈢的初步預(yù)測結(jié)果，利用專家?guī)爝M(jìn)行預(yù)案篩查對流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)及預(yù)測結(jié)果進(jìn)行初步分析，對可能會發(fā)生的災(zāi)害或其他不利狀況進(jìn)行預(yù)判與決策，排除可能出現(xiàn)的不準(zhǔn)確預(yù)報(bào)；
將步驟(0)中的初步分析及決策結(jié)果返回到預(yù)測模塊，預(yù)測模塊根據(jù)水文水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)及專家分析決策結(jié)果，對實(shí)施專家決策后流域水文水質(zhì)可能的變化情況進(jìn)行二次預(yù)測，所述二次預(yù)測步驟如下:
⑴以實(shí)施專家決策后流域水文水質(zhì)可能的變化情況為新的樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行歸一化處理，輸入輸出數(shù)據(jù)映射到I范圍內(nèi)，采用公式為(X-Xmin) / (Xmax-Xmin)，其中X為某指標(biāo)樣本值，Xmin為樣本中最小值，Xmax為最大值；
⑵采用步驟曰訓(xùn)練成功的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為預(yù)測工具，即采用BP算法，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層，其中輸入層7個節(jié)點(diǎn)，分別代表，某時間段之前該指標(biāo)(如水位、葉綠素、總磷、總氮等)的測量值(按照小時、天、周、季節(jié)劃分)，隱含層包括12個節(jié)點(diǎn)，采用雙曲正切函數(shù)tanh(x)模擬神經(jīng)元響應(yīng)方式，輸出節(jié)點(diǎn)I個，用于輸出該指標(biāo)在下一時間段實(shí)現(xiàn)流域(0-4小時、0-72小時、1-4周、季節(jié)性)的初步預(yù)測值；
⑶將新的樣本數(shù)據(jù)輸入到輸入層，結(jié)果運(yùn)算得到的歸一化的預(yù)測結(jié)果，再通過反映射到原數(shù)據(jù)范圍內(nèi)并最終輸出；
⑷在每個監(jiān)測站點(diǎn)，針對每個檢測指標(biāo)重復(fù)上述步驟⑴-⑶，得到每個監(jiān)測站點(diǎn)每個檢測指標(biāo)在下一天的二次預(yù)測結(jié)果；
(六)根據(jù)步驟(5)中預(yù)測模塊得到的二次預(yù)測結(jié)果及其他流域相關(guān)資料，對初始分析決策結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，利用專家?guī)爝M(jìn)行預(yù)案篩查對流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)及預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析，二次預(yù)測結(jié)果為實(shí)際預(yù)測具體指標(biāo)值，作為專家?guī)爝M(jìn)行預(yù)案篩查的第一篩查選項(xiàng)；其他流域相關(guān)資料包括水利水電工程調(diào)度運(yùn)行工況、氣象預(yù)測信息、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)估和地理屬性變更預(yù)測，為初始分析決策提供輔助信息，作為專家?guī)爝M(jìn)行預(yù)案篩查的輔助篩查選項(xiàng)，用于對出現(xiàn)多個篩查結(jié)果時候進(jìn)行調(diào)整的依據(jù)；
㈦將上述步驟中所產(chǎn)生的監(jiān)測、視頻、預(yù)測及分析決策結(jié)果以大屏幕集成顯示的方式，為流域管理部門提供直觀的控制方式，各監(jiān)測信息、預(yù)測數(shù)據(jù)及專家預(yù)測結(jié)果及時上傳至流域管理部門。本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案是: 前述的水利工程影響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，通信傳輸模塊的通信結(jié)構(gòu)為:是以流域管理局為中心節(jié)點(diǎn)，流域內(nèi)各監(jiān)測對象直接與中心節(jié)點(diǎn)相連接，組成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸或是租用公網(wǎng)方式傳輸方式，直接上連至流域水文水質(zhì)信息處理中心。前述的水利工程影響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，功能傳感器傳感器包括:流速傳感器、流量傳感器、水壓傳感器、水溫傳感器、含氧量傳感器和PH值傳感器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明專利的有益效果是:
首先，本發(fā)明專利考慮了水利工程對流域水文水質(zhì)的顯著影響，結(jié)合定點(diǎn)監(jiān)測站與流動車船實(shí)施監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)分散式采集數(shù)據(jù)的實(shí)時集成與處理，借助視頻子系統(tǒng)進(jìn)一步提供實(shí)時現(xiàn)場環(huán)境信息，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水文水質(zhì)預(yù)報(bào)和專家決策功能，確保了從水文水質(zhì)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)到水資源及水環(huán)境的一體化監(jiān)管，具有統(tǒng)一管理，統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一調(diào)度的優(yōu)勢；其次，將流域水資源與水質(zhì)保護(hù)分成若干層及若干子系統(tǒng)，在跨平臺上融合了多區(qū)域、多機(jī)型、多協(xié)議智能轉(zhuǎn)換與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)、海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)、基于智能語音的告警技術(shù)及手機(jī)短信或web發(fā)布技術(shù)，解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)對單一軟硬件平臺的依賴，保證了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、可用性及靈活性；
最后，本系統(tǒng)主要應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對流域生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測及水質(zhì)保護(hù)遠(yuǎn)程管控的數(shù)據(jù)采集、匯總、存儲、篩選和分析直至終端顯示和處理的完整監(jiān)控；只需極少有線設(shè)備，在節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)中大量使用集成技術(shù)，裝置體積小，功耗低，制備、使用和維護(hù)成本等大大低于類似系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明提供的水利工程影響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控方法流程圖。圖2為采用本系統(tǒng)對長江中上游某流域?qū)嵤┧乃|(zhì)監(jiān)測的站點(diǎn)布設(shè)圖。圖3采用本系統(tǒng)對某流域?qū)嵤┧乃|(zhì)監(jiān)測的站點(diǎn)布設(shè)圖。圖4為采用本系統(tǒng)對某大型水庫建成前后水位實(shí)時監(jiān)控結(jié)果圖。圖5為采用本系統(tǒng)對某流域部分監(jiān)測斷面水溫監(jiān)測結(jié)果圖。圖6為采用本系統(tǒng)對某通江湖泊臨近流域?qū)嵤┧乃|(zhì)監(jiān)測的站點(diǎn)布設(shè)圖。圖7為采用本系統(tǒng)對某通江湖泊臨近流域部分監(jiān)測斷面水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
本實(shí)施例提供的一種水利工程影響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)由:流域水文水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)(含監(jiān)測裝置)、流域水文水質(zhì)信息管理系統(tǒng)、流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)分析與決策支持系統(tǒng)三部分組成。第一部分:流域水文水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)
流域水文水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由“水文水質(zhì)信息采集與通信子系統(tǒng)”、“視頻信息采集子系統(tǒng)”組成。涵蓋了水文水質(zhì)的信息采集、通信傳輸、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)行環(huán)境、應(yīng)用系統(tǒng)等。一、水文水質(zhì)信息采集與通信子系統(tǒng) 1、水文水質(zhì)的信息采集有各功能傳感器組成。傳感器包括:流速傳感器、流量傳感器、水壓傳感器、水溫傳感器、含氧量傳感器、PH值傳感器等在內(nèi)的十余種類型，定時對監(jiān)測流域的流量、流速、水位、水溫、泥沙、濁度、酸堿度、電導(dǎo)度、溶解氧、生化需氧量、化學(xué)需氧量、營養(yǎng)鹽、葉綠素等重要的常規(guī)水文水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行探測。2、監(jiān)測裝置的各功能傳感器設(shè)置水中，根據(jù)監(jiān)測斷面水文水質(zhì)深度的不同，設(shè)置在設(shè)定的不同深度的水域斷面并自動調(diào)整在水中的深度，監(jiān)測高、中、低三個不同水深部位的水文水質(zhì)特征。3、各功能傳感器將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過各自的串行端口傳輸給監(jiān)測裝置，通過監(jiān)測裝置的無線數(shù)據(jù)傳輸功能，傳輸給無線數(shù)據(jù)傳輸終端，無線傳輸終端運(yùn)用GPRS或3G技術(shù)將數(shù)據(jù)傳出。4、監(jiān)測信息采集對象、接入對象與通信傳輸:
信息的采集對象、接入對象與通信傳輸，包括流域重要控制性斷面、控制性水庫、梯級電站、重要取水口和主要入河排污口等部位，信息采集內(nèi)容包括這些監(jiān)測對象的水量、水質(zhì)、水工程等情況，以及視頻監(jiān)控等信息。⑴流域控制性斷面:主要由RTU、ADCP (聲學(xué)多普勒流速儀)、GPRS模塊、功能傳感器、UPS、磁飽和隔離變壓器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、電池組、太陽能板、充電控制器、交直流/信號避雷器等構(gòu)成。實(shí)時的斷面流量和水位、斷面水質(zhì)、控制斷面處的水面實(shí)時視頻圖像。流域重要控制斷面水文信息由以RTU (遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng))為核心構(gòu)建的各固定監(jiān)測站點(diǎn)現(xiàn)地采集、現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)存儲，同時通過無線通訊傳輸?shù)搅饔蛩乃|(zhì)流域監(jiān)測中心。①水位、流速和溫度等的在線監(jiān)測。②信息現(xiàn)地采集并存儲，存儲容量大于3月個月的數(shù)據(jù)量。③采集數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到流域監(jiān)測中心，為保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性，同時采用以太網(wǎng)和GPRS兩種方式同時工作，且在長時間斷電的情況下保證GPRS模塊正常工作。⑵流域控制性水庫:由以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、GPRS模塊、功能傳感器、UPS和相關(guān)監(jiān)測軟件構(gòu)成，現(xiàn)地監(jiān)測實(shí)時水情、庫水位和流量數(shù)據(jù)，現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)存入監(jiān)測裝置。信息通過GPRS上傳到同時上傳到流域監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫并存儲。主要對流域控制性水庫雨量信息、水量信息、水質(zhì)信息進(jìn)行監(jiān)測和獲取水庫及發(fā)電尾水處的水面實(shí)時視頻圖像，從現(xiàn)地工控機(jī)流域監(jiān)測中心數(shù)據(jù)服務(wù)器。⑶流域梯級電站:由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、功能傳感器、通信模塊、UPS或由遠(yuǎn)動IXU、觸摸屏、閘位計(jì)、UPS和相關(guān)監(jiān)測軟件組成，主要監(jiān)測水量信息、水質(zhì)信息、工況信息，獲取上游及機(jī)組發(fā)電尾水處的水面實(shí)時視頻圖像信息。①壩上/壩下水位、閘位、發(fā)電量、流量和機(jī)組的啟停信息、槳葉開度、導(dǎo)葉開度等的在線監(jiān)測。②在梯級電站監(jiān)控室實(shí)時存儲現(xiàn)地監(jiān)測數(shù)據(jù)。③從監(jiān)測裝置通過專網(wǎng)或GPRS上傳到流域監(jiān)測中心服務(wù)器。⑷流域重要取水口:由遙測終端機(jī)、功能傳感器、GPRS通信模塊、交直流/信號避雷器和電源等部分組成，主要監(jiān)測取水信息、取水口處水質(zhì)信息和獲取取水口處水面實(shí)時視頻圖像。①在線流量、累積流量和已有水質(zhì)信息的實(shí)時監(jiān)測。
②信息現(xiàn)地采集并存儲，存儲容量大于3月個月的數(shù)據(jù)量。③采集的數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到流域監(jiān)測中心服務(wù)器。(5)流域主要入河排污口:由遙測終端機(jī)、功能傳感器、GPRS通信模塊、交直流/信號避雷器和電源等部分組成，獲取排污口入河處的水面實(shí)時視頻圖像，監(jiān)測入河排污口排污信息、水質(zhì)信息。5、通信傳輸及其方式
⑴通信網(wǎng)絡(luò)包括GPRS網(wǎng)絡(luò)、有線通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)、超遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)和電臺通信中的任意一種。無線傳輸終端運(yùn)用GPRS或3G技術(shù)將數(shù)據(jù)傳出。⑵采集的信息通過無線通信方式進(jìn)行通信傳輸，并組成流域水文水質(zhì)無線傳感器監(jiān)測分布式網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)議協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，再將采集來的數(shù)據(jù)信息，通過優(yōu)化后經(jīng)無線通訊傳輸?shù)搅饔蛩乃|(zhì)信息處理中心，其目的在于形成一個自組織網(wǎng)絡(luò)化的流域水文水質(zhì)自動化監(jiān)測系統(tǒng)。⑶通信傳輸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu):主要是以流域管理局為中心節(jié)點(diǎn)，流域內(nèi)各監(jiān)測對象直接與中心節(jié)點(diǎn)(流域管理局)相連接，組成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸或是租用公網(wǎng)方式傳輸方式，直接上連至流域水文水質(zhì)信息處理中心。⑷重要控制斷面水文水質(zhì)監(jiān)測在交流電源中斷的情況下，依靠太陽能供電系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的上傳和本地的存儲；在以太網(wǎng)故障的情況下，系統(tǒng)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)上傳下達(dá)監(jiān)測和控制信息。(5)水庫、取水口水文水質(zhì)監(jiān)測在實(shí)現(xiàn)上述功能的同時，能夠與水庫、取水口已建系統(tǒng)兼容，在不影響已建系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水文水質(zhì)信息的接入和共享；監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性不受網(wǎng)絡(luò)中斷的影響——在網(wǎng)絡(luò)中斷，連接恢復(fù)后，系統(tǒng)自動把丟失的監(jiān)測數(shù)據(jù)補(bǔ)齊，上傳到流域水文水質(zhì)信息處理中心。二、視頻信息采集子系統(tǒng)
視頻信息采集子系統(tǒng)分為三級組織結(jié)構(gòu):現(xiàn)地水文水質(zhì)視頻監(jiān)視、流域監(jiān)測中心、水調(diào)值班監(jiān)控室和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。1、現(xiàn)地視頻監(jiān)視點(diǎn) 現(xiàn)地視頻監(jiān)視點(diǎn)分為三類:
⑴固定監(jiān)測站點(diǎn)，主要為重要控制斷面和排污口，由網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器、本地硬盤存儲、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、云臺及云臺解碼器等組成；
⑵接入站點(diǎn)，主要為流域的控制性水庫、梯級電站和取水口等已有視頻，由網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器和本地硬盤存儲組成。⑶流動監(jiān)視點(diǎn)，主要由安裝在流動的監(jiān)測站點(diǎn)上的便攜式無線視頻終端和高清攝像機(jī)組成。2、水文水質(zhì)流域監(jiān)測中心由視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、視頻管理服務(wù)器、視頻數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、IPSAN、視頻工作站等組成。3、水調(diào)值班監(jiān)控室配置視頻工作站。4、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)
遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用集中監(jiān)控服務(wù)模式，通過安裝和部署的視頻監(jiān)控、存儲、管理和服務(wù)等設(shè)備和軟件，實(shí)現(xiàn)流域監(jiān)測中心和水調(diào)值班監(jiān)控室對固定視頻監(jiān)控對象、流動監(jiān)視對象的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視監(jiān)控和視頻接入點(diǎn)的視頻監(jiān)視。⑴圖像編碼采用H.264算法編碼速率控制在每路1.5M — 3M，分辨率支持4CIF(01)、2(:正、(:正，部分站點(diǎn)分辨率支持720 。⑵圖像存儲采用前后端分布式架構(gòu)一前端視頻編碼器采用嵌入式硬件結(jié)構(gòu)，支持本地硬盤存儲，后端采用存儲服務(wù)器IP SAN方式。一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞或其它問題，數(shù)據(jù)可在前端保存下來，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行后，監(jiān)測中心可直接從前端設(shè)置的本地硬盤中下載缺失的數(shù)據(jù)。⑶圖像存儲時間最長為I個月，圖像存儲分辨率達(dá)到2CIF。第二部分:流域水文水質(zhì)信息管理系統(tǒng)
流域水文水質(zhì)信息管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)和應(yīng)用支撐平臺子系統(tǒng)組成。輔以形成水文水質(zhì)預(yù)警管理、水量調(diào)度管理、水質(zhì)監(jiān)控管理和綜合信息服務(wù)等內(nèi)容。1、數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)
采用SAN架構(gòu)和D2D2T或D2D2R管理模式，通過具有高可用性、高可靠性、高可擴(kuò)充性的大容量存儲設(shè)備和管理軟件，構(gòu)建以冗余的光纖通道為傳輸載體的開放式存儲局域網(wǎng)，建成流域管理局?jǐn)?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)存儲和管理平臺，建立健全數(shù)據(jù)存儲管理體制，形成流域數(shù)據(jù)存儲管理體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲、集中式管理等功能。同時利用較先進(jìn)的主流備份管理軟件和磁帶庫，構(gòu)建數(shù)據(jù)安全備份及恢復(fù)管理體系，實(shí)現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)存取和安 全備份，保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全及滿足大規(guī)模用戶并發(fā)性數(shù)據(jù)讀寫的要求，使數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)存儲網(wǎng)絡(luò)易于維護(hù)和管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全自動備份與恢復(fù)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)安全保障。

通過流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)存儲和管理平臺，形成工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、遙感影像數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫等公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，同時形成服務(wù)于各業(yè)務(wù)應(yīng)用的，適合全流域?qū)嶋H情況的調(diào)度管理數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行工況數(shù)據(jù)庫、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、水情數(shù)據(jù)庫、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫等專業(yè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。2、應(yīng)用支撐平臺子系統(tǒng)
流域水文水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用支撐平臺的建設(shè)任務(wù)主要包括:建立統(tǒng)一的水利數(shù)據(jù)資源環(huán)境和共享交換體系，建設(shè)支持東江全流域水利系統(tǒng)和相關(guān)部門信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同的公共核心支撐平臺。具體任務(wù)包括:平臺硬件系統(tǒng)的部署；應(yīng)用服務(wù)中間件、應(yīng)用系統(tǒng)整合及數(shù)據(jù)交換組件及GIS服務(wù)構(gòu)件的部署配置；通用服務(wù)的部署；專用服務(wù)的部署。覆蓋了數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲、應(yīng)用、決策輔助和發(fā)布等各個環(huán)節(jié)，基本組成包括:信息采集、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲平臺及數(shù)據(jù)庫體系、應(yīng)用支撐平臺、水量水質(zhì)監(jiān)控管理應(yīng)用系統(tǒng)、會商環(huán)境和保障措施。根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)情況，采用第三代全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)視頻集中監(jiān)控模式以網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器為核心，依托發(fā)包人的計(jì)算機(jī)專用網(wǎng)絡(luò)，把監(jiān)控中心和網(wǎng)絡(luò)可以到達(dá)的任何地方的監(jiān)控目標(biāo)組合成一個系統(tǒng)，真正適應(yīng)對視頻監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程、實(shí)時、集中監(jiān)控的需求。第三部分:
1、預(yù)測子系統(tǒng)
監(jiān)測系統(tǒng)所獲取的信息上傳至水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫后，再輸入預(yù)測子系統(tǒng)執(zhí)行流域水文水質(zhì)預(yù)測功能。該子系統(tǒng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立預(yù)測模塊，對上傳的監(jiān)測信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和智能分析，實(shí)現(xiàn)流域?qū)崟r(0-4小時)、短期(0-72小時)、中期(1-4周)、季節(jié)性以及突發(fā)期的水文及水質(zhì)精確預(yù)測功能，將預(yù)測自動輸入專家子系統(tǒng)進(jìn)行決策分析，同時上報(bào)流域調(diào)度管理部門，滿足監(jiān)管部門對流域水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)要求。2、信息管理子系統(tǒng):
該子系統(tǒng)的作用是為系統(tǒng)的正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)提供規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)，是其他子系統(tǒng)建立、運(yùn)行和評估的依據(jù)。該子系統(tǒng)通過建立一套針對水利工程影響下的流域水文水質(zhì)信息處理和事務(wù)處理業(yè)務(wù)規(guī)范，促進(jìn)監(jiān)測、預(yù)測、分析、管理工作的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、程序化、科學(xué)化，理順各涉及職能部門內(nèi)部及彼此之間關(guān)系。包括水量調(diào)度管理模塊、調(diào)度業(yè)務(wù)處理模塊、水質(zhì)監(jiān)控管理模塊、水質(zhì)評價模塊和水污染預(yù)測預(yù)警模塊。水量調(diào)度管理模塊包括:
⑴來水預(yù)報(bào)子模塊:對流域年總來水、各水資源區(qū)及控制斷面年、月、旬的來水進(jìn)行預(yù)報(bào)。來水預(yù)報(bào)模塊調(diào)用預(yù)報(bào)模型，得到的預(yù)報(bào)結(jié)果可以通過人工修改確認(rèn)。⑵需水預(yù)測子模塊:對流域年總需水、各水資源區(qū)及控制斷面年、月、旬的需水預(yù)報(bào)。需水預(yù)測模塊調(diào)用預(yù)測模型，得到的預(yù)報(bào)結(jié)果可以通過人工修改確認(rèn)。⑶年/月/旬調(diào)度方案編制子模塊:對流域年度、月、旬的調(diào)度方案。方案編制模塊調(diào)用水資源配置模型，得到的方案配置結(jié)果可以經(jīng)人工修改確認(rèn)，然后調(diào)用河道演進(jìn)模型進(jìn)行驗(yàn)證直到滿意。⑷應(yīng)急調(diào)度子模塊:
是指當(dāng)流域出現(xiàn)水文水質(zhì)的某種風(fēng)險(xiǎn)因素，或特殊供水需求情況，需要進(jìn)行非正常調(diào)度時所采取的應(yīng)急響應(yīng)對策。根據(jù)非正常調(diào)度的成因不同分為:調(diào)度安全、水質(zhì)安全、工程運(yùn)行安全，以及特殊供水需求等。(5)調(diào)度結(jié)果評估子模塊:
主要目的是對每年的調(diào)度成果作出評價，總結(jié)調(diào)度成果，積累調(diào)度經(jīng)驗(yàn)。(6)調(diào)度查詢統(tǒng)計(jì)分析子模塊
對調(diào)度密切相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)，總結(jié)調(diào)度情況供調(diào)度情況評估報(bào)告編寫使用。⑴公文編制子模塊:
進(jìn)行水量調(diào)度方案公文和水量調(diào)度情況評估公文的編制。⑶調(diào)度管理子模塊
應(yīng)對調(diào)度方案、調(diào)度模型、調(diào)度參數(shù)等進(jìn)行管理。調(diào)度業(yè)務(wù)處理模塊包括:
⑴用水戶信息管理子模塊:對用水戶的基本信息和取水許可證信息的查詢檢索修改等內(nèi)容。⑵用水計(jì)劃受理子模塊:①用水戶(取水口、水庫電站)通過互聯(lián)網(wǎng)登陸流域管理部門網(wǎng)站，填寫、提交用水計(jì)劃流域管理部門接收到用戶的用水計(jì)劃傳真或其他文件后填寫用戶的用水計(jì)劃信息。⑶用水督察子模塊，用水督察人員填寫用水戶的用水信息，對超標(biāo)引水、違規(guī)放水的情況和處罰情況進(jìn)行記錄。目前違規(guī)情況不影響對用水戶的下一次調(diào)度分配情況。
⑷取水許可信息管理及水資源費(fèi)征收管理子模埠，取水許可證信息管理、取水許可監(jiān)督管理、取水許可年終總結(jié)等取水許可管理和水資源費(fèi)征收及監(jiān)督管理。(5)公文管理子模塊，對調(diào)度方案公文、調(diào)度情況評估公文以及其他公文的管理，建立公文與公文聯(lián)系對象的關(guān)系，能通過公文管理向相關(guān)用戶發(fā)送電子郵件。水質(zhì)監(jiān)控管理模塊，水質(zhì)監(jiān)控管理是以保護(hù)流域水資源質(zhì)量為目的。通過監(jiān)控管理，及時評價流域主要控制斷面以及主要取水口、入河排污口的水質(zhì)情況，為入河水污染源監(jiān)督、水質(zhì)監(jiān)控管理和水資源保護(hù)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保障分水方案順利實(shí)施。建立水質(zhì)分析評價模型和水質(zhì)預(yù)測模型，開發(fā)水質(zhì)評價模塊、水污染預(yù)測預(yù)警模塊、水環(huán)境監(jiān)督管理模塊、標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)管理模塊及水質(zhì)監(jiān)控管理數(shù)據(jù)庫。水質(zhì)監(jiān)控管理系統(tǒng)中的兩個計(jì)算模型:水質(zhì)分析評價模型和水質(zhì)預(yù)測模型分別在水質(zhì)評價模塊和水污染預(yù)測預(yù)警模塊中實(shí)現(xiàn)。水質(zhì)評價模塊包括，根據(jù)實(shí)時監(jiān)測的流域河流、水庫、取水口、入河排污口、閘壩等的水質(zhì)動態(tài)資料，在分析往年監(jiān)測資料(確定重要污染物類型)、兼顧水體的使用功能、充分考慮水體特性的基礎(chǔ)上確定適當(dāng)?shù)乃|(zhì)監(jiān)測指標(biāo)，并采用相關(guān)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和方法，實(shí)施水質(zhì)分析評價，通過水質(zhì)動態(tài)管理模式，定時或連續(xù)評價水質(zhì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行趨勢分析，從而為水污染預(yù)警、水質(zhì)監(jiān)控管理和污染監(jiān)督管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。水污染預(yù)測預(yù)警模塊，在一定范圍一定污染源下對一定時期的水質(zhì)狀況進(jìn)行模擬、評價，對水環(huán)境發(fā)生的影響變化進(jìn)行預(yù)測和分析，通過對變化因素和變化過程的分析，對其發(fā)生及未來發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行預(yù)測，確定水質(zhì)的狀況和水質(zhì)變化的趨勢，從而按需要適時地給出水質(zhì)惡化的各種信息及相應(yīng)的綜合性處理措施。水污染預(yù)測預(yù)警主要包括:水污染預(yù)測預(yù)警、預(yù)警處理輔助、預(yù)測結(jié)果管理和預(yù)測模型管理等。3、專家子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)的作用是接受監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)測子系統(tǒng)傳輸?shù)乃乃|(zhì)現(xiàn)狀和預(yù)測信息，對流域整體、局部的不同時間段的水文水質(zhì)變化作出決策和依據(jù)。實(shí)現(xiàn)該子系統(tǒng)的辦法是，通過對流域水文及水質(zhì)的數(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)挖掘，建立流域水資源及水質(zhì)保護(hù)知識庫，分析各項(xiàng)指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對流域水資源及水環(huán)境狀態(tài)的預(yù)判與決策，優(yōu)化流域生態(tài)環(huán)境及水質(zhì)保護(hù)計(jì)劃。4、大屏幕顯示子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)的功能是，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息圖形化、預(yù)測結(jié)果顯示、操作員站、管理終端、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、專家決策等多畫面同步展示。該子系統(tǒng)采用了多個投影系統(tǒng)組合而成，包括投影機(jī)、投影屏幕、圖形圖像工作站、矩陣、大屏幕控制軟件等組成，提供比普通的標(biāo)準(zhǔn)投影系統(tǒng)更大的顯示尺寸、更寬的視野、更多的顯示內(nèi)容、更高的顯示分辨率以及更具沖擊力和沉浸感的視覺效果。本發(fā)明的應(yīng)用應(yīng)用支撐平臺:
系統(tǒng)構(gòu)成:
應(yīng)用支撐平臺采用分層設(shè)計(jì)的方法，劃分為基礎(chǔ)平臺、服務(wù)支撐、公共服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、服務(wù)管理和安全管理等六個部分，形成基于統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)的監(jiān)控中心業(yè)務(wù)開發(fā)與運(yùn)行支撐環(huán)境，面向各類應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)服務(wù)和通用的應(yīng)用服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)信息資源共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。基礎(chǔ)平臺: 基礎(chǔ)平臺為整個系統(tǒng)提供信息傳輸、交換、運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境，主要由數(shù)據(jù)庫、存儲系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、硬件服務(wù)器等組成?；A(chǔ)平臺層是各個服務(wù)層的基礎(chǔ)，是軟件和硬件共同組成的一個支撐服務(wù)運(yùn)行以及數(shù)據(jù)訪問與存儲的平臺。服務(wù)支撐:
服務(wù)支撐主要包含了與各類系統(tǒng)資源密切聯(lián)系的基礎(chǔ)服務(wù)支撐功能。由多種商用組件組成的支撐層，包括應(yīng)用服務(wù)器、地理信息服務(wù)器等，是整個系統(tǒng)開發(fā)、運(yùn)行的環(huán)境。數(shù)據(jù)交換功能:
數(shù)據(jù)交換服務(wù)主要是為了在流域監(jiān)測中心不同層級之間交換數(shù)據(jù)而開辟的服務(wù)，其主要作用是實(shí)現(xiàn)流域監(jiān)測中心與外部單位及時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而滿足應(yīng)用系統(tǒng)的需要，主要應(yīng)用在不同網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳遞、異構(gòu)數(shù)據(jù)庫間數(shù)據(jù)整合及傳遞。在保證數(shù)據(jù)信息的安全性、可用性、實(shí)時性的同時，達(dá)到數(shù)據(jù)交換的可監(jiān)控、可管理、可統(tǒng)計(jì)的要求。數(shù)據(jù)交換服務(wù)通過集成和整合常用通信手段和工具實(shí)現(xiàn)，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)如下數(shù)據(jù)的交換功能:
大文本類數(shù)據(jù)傳遞；
時效性要求不高的文件傳輸；
實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸；
系統(tǒng)通知和狀態(tài)類數(shù)據(jù)傳輸；
數(shù)據(jù)分發(fā)。GIS服務(wù)功能:
通過在服務(wù)器GIS、桌面GIS等基礎(chǔ)軟件的支撐下，部署支持各應(yīng)用系統(tǒng)對地圖調(diào)用、地圖操作、查詢定位等的功能接口，為各應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的地圖服務(wù)以及GIS功能服務(wù)。綜合檢索功能:
根據(jù)各級應(yīng)用系統(tǒng)的請求，通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口，完成對數(shù)據(jù)庫的查詢，得到系統(tǒng)所需的應(yīng)用數(shù)據(jù)。綜合檢索系統(tǒng)包括應(yīng)用系統(tǒng)查詢功能，內(nèi)容檢索服務(wù)功能，智能檢索功能，位置檢索功能，二次檢索/漸進(jìn)檢索功能，邏輯檢索功能，與GIS緊密集成檢索功能等。具體綜合檢索功能如下:
定制查詢條件:
要求定制查詢條件支持的字段類型:整數(shù)、實(shí)數(shù)、時間、日期、字符串、字符；定制的條件包括:大于、小于、大于等于、小于等于、等于、不等于、包含、不包含；定制的條件邏輯關(guān)系包括:與、或、非。支持多種數(shù)據(jù)格式的檢索:
系統(tǒng)支持包括TEXT、HTML、PDF, RTF、MS Office等多種文件格式的存儲、索引和檢索。支持XML數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)XML的全文索引。支持多種字符編碼格式，如GB2312、GBK、GB18030、BIG5、UTF-8、Unicode 等。智能化檢索:
針對中文的特點(diǎn)進(jìn)行檢索，提供按字、按詞、字詞結(jié)合等索引方式。多種檢索方式:
支持按詞、按字、按句索引，支持多種檢索邏輯如與、或、非、包含、不包含、嚴(yán)格匹配等，支持位置檢索、二次檢索、漸進(jìn)檢索等多種檢索方式。
與GIS系統(tǒng)結(jié)合檢索:
對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，輸出空間信息，如包含、不包含、相交、相離等空間信息檢索。對空間屬性信息進(jìn)行檢索，輸出符合檢索條件的空間實(shí)體信息。根據(jù)空間信息限定檢索范圍，對于和空間信息相關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)信息可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)空間信息限定檢索范圍，如根據(jù)行政區(qū)查詢、根據(jù)流域查詢、根據(jù)相關(guān)性查詢、根據(jù)距離查詢、根據(jù)任意多邊形查詢等。檢索結(jié)果輸出:
對于非空間數(shù)據(jù)支持報(bào)表格式輸出。支持按一個或多個特征字段、按關(guān)鍵詞相關(guān)度排序，支持關(guān)鍵詞反顯，文本信息摘要輸出等。對于與空間數(shù)據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)檢索支持結(jié)合地圖的輸出方式，如動態(tài)標(biāo)注、靜態(tài)標(biāo)注、專題圖，檢索結(jié)果在地圖中快速定位等。數(shù)據(jù)展現(xiàn)功能:
數(shù)據(jù)展現(xiàn)服務(wù)提供交互靈活、友好的用戶界面給用戶定制數(shù)據(jù)展現(xiàn)的內(nèi)容、形式，以及開放給哪一類乃至哪一個用戶。展現(xiàn)工具同時要支持多維數(shù)據(jù)庫，要有比較豐富的圖標(biāo)案例，并且提供高度靈活的可定制特性，使展現(xiàn)出來的數(shù)據(jù)更加真實(shí)、生動。根據(jù)數(shù)據(jù)展現(xiàn)的不同方式和功能側(cè)重，數(shù)據(jù)展現(xiàn)服務(wù)要求包括:報(bào)表定制與展現(xiàn)、圖表展現(xiàn)等。報(bào)表定制與展現(xiàn):
用戶對報(bào)表的需求是整個報(bào)表服務(wù)組件設(shè)計(jì)的基本參考點(diǎn)，所以必須理清整個報(bào)表系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。報(bào)表一般與時間都有比較強(qiáng)的聯(lián)系，因此首先考慮按時間分類，即分為年報(bào)表、月報(bào)表、日報(bào)表和時報(bào)表四大類，同時也可以加入旬或者季度等等時間跨度不同的時間分類。用戶當(dāng)前日常使用的報(bào)表應(yīng)有現(xiàn)成模板供選擇，選擇模板后用戶只需要簡單地選擇或輸入?yún)?shù)(如站名、時間等)即可生成報(bào)表，該報(bào)表滿足一些要求，包括:快速生成，布局合理，整體美觀，方便查看；可打印，亦可保存為電子文檔。在業(yè)務(wù)需求有變動時(只是對報(bào)表表現(xiàn)的新要求，不涉及數(shù)據(jù)存儲方式的改變)，允許用戶對現(xiàn)有報(bào)表模板進(jìn)行修改，或者設(shè)計(jì)新的模板。報(bào)表展現(xiàn)服務(wù)要求基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口，使用戶不必關(guān)心底層數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。定制報(bào)表獨(dú)立運(yùn)行，供開發(fā)人員或其它用戶使用，其他的功能以控件等形式提交給開發(fā)人員使用。圖表展現(xiàn):
圖表展現(xiàn)服務(wù)要求為用戶提供與行業(yè)背景結(jié)合更緊密的圖表功能，符合水利應(yīng)用習(xí)慣。圖表類型一般包括過程線圖、柱形圖、餅圖、條形圖、折線圖、散點(diǎn)圖等。均應(yīng)提供現(xiàn)成的符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的模板。模板要求可以修改和靈活定制。圖表展現(xiàn)可以控件等形式提交給開發(fā)人員使用。統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口:
統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口主要為上層服務(wù)層、同層的其它服務(wù)等提供基本的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。其目標(biāo)是使應(yīng)用系統(tǒng)能夠統(tǒng)一、透明、高效地訪問和操縱位于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的各種分布的數(shù)據(jù)資源，為實(shí)現(xiàn)全流域數(shù)據(jù)訪問、加快應(yīng)用開發(fā)、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和方便系統(tǒng)管理提供支持。統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問組件對外的接口方式至少包括:
1、數(shù)據(jù)庫訪問接口
2、基于XML技術(shù)的數(shù)據(jù)訪問接口
3、服務(wù)接口訪問
統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口包含標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問接口、數(shù)據(jù)映射、數(shù)據(jù)查詢等模塊，此外，還必須滿足以下基本要求:
(1)提供身份認(rèn)證功能，使得其他系統(tǒng)或應(yīng)用可安全地連接到數(shù)據(jù)資源層；
(2)建立連接后，其他系統(tǒng)或應(yīng)用可以通過XML文檔向本系統(tǒng)發(fā)起數(shù)據(jù)訪問請求，包括數(shù)據(jù)的增、刪、改和查詢；
(3)響應(yīng)數(shù)據(jù)訪問請求，將XML形式的訪問請求轉(zhuǎn)換為SQL語句,執(zhí)行對數(shù)據(jù)庫作增、刪、改和查詢操作；
(4)將數(shù)據(jù)庫操作的相應(yīng)結(jié)果(包括操作結(jié)果和出錯信息)以XML格式返回給請求者；
(5)提供日志功能，將用戶、操作時間、操作類型、操作表名、成功與否等信息輸出到指定文件中。服務(wù)管理功能:
服務(wù)管理是將平臺的功能以構(gòu)件形式提供服務(wù)，包括服務(wù)的基本信息管理，服務(wù)的策略、安全管理，訪問控制管理。支撐平臺提供代理的角色，為了保證發(fā)布服務(wù)的完整性、正確性、安全性，平臺提供服務(wù)管理包括注冊登記、服務(wù)查詢、更新、刪除、測試、部署、服務(wù)調(diào)用安全、服務(wù)監(jiān)控及服務(wù)報(bào)告統(tǒng)計(jì)分析的功能。安全管理功能:
建立統(tǒng)一的用戶管理，結(jié)合數(shù)字證書的應(yīng)用，建立基于數(shù)字證書的用戶安全管理系統(tǒng)，統(tǒng)一對所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的用戶進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)的“一庫”管理，并能對業(yè)務(wù)系統(tǒng)所有用戶進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。統(tǒng)一并集中各應(yīng)用軟件的單位、部門、用戶、權(quán)限管理，為各應(yīng)用軟件提供用戶身份認(rèn)證服務(wù)。要求實(shí)現(xiàn)對用戶的集中管理和對業(yè)務(wù)系統(tǒng)權(quán)限的分布式管理。統(tǒng)一安全管理應(yīng)該具備以下的基本功能:
統(tǒng)一用戶登錄；
統(tǒng)一用戶管理；
權(quán)限分級管理；
應(yīng)用系統(tǒng)注冊管理功能。消息服務(wù):
消息服務(wù)為應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種格式的信息從一個地方傳遞到另外一個地方的功能服務(wù)。消息服務(wù)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:
(1)信息的統(tǒng)一封裝、統(tǒng)一編址；
(2)信息的可靠傳輸；
(3)消息的路由；
(4)消息傳輸效率優(yōu)化。根據(jù)未來業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點(diǎn)，在各應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部，不規(guī)定采用何種消息隊(duì)列標(biāo)準(zhǔn)，在平臺上，統(tǒng)一部署遵循JMS的消息隊(duì)列服務(wù)。消息服務(wù)要求具有較強(qiáng)的可伸縮性，能夠靈活適應(yīng)未來子節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)張，為不同節(jié)點(diǎn)之間的消息傳遞和信息共享提供支持。告警服務(wù):
根據(jù)預(yù)先定制的規(guī)則產(chǎn)生實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行中的各種報(bào)警信息。報(bào)警信息可以通過開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時顯示出來，或者以短信的形式發(fā)送給相關(guān)責(zé)任人。告警服務(wù)功能的輸入為需要告警的信息參數(shù)配置文件，輸出是輸出告警信息的具體數(shù)據(jù)。該項(xiàng)服務(wù)的配置文件可通過應(yīng)用程序進(jìn)行定制，告警服務(wù)通過配置文件進(jìn)行解析來對信息進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控的結(jié)果可通過消息服務(wù)或其它方式通知應(yīng)用系統(tǒng)，由應(yīng)用系統(tǒng)對監(jiān)控的的結(jié)果進(jìn)行反解析和處理。告警服務(wù)可在應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行時后臺自動加載啟動，也可通過系統(tǒng)干預(yù)人工啟動。用戶可以通過告警服務(wù)控制臺設(shè)置和修改告警參數(shù)。數(shù)據(jù)字典服務(wù):
數(shù)據(jù)字典中存儲了系統(tǒng)需要使用的各類配置信息以及各類服務(wù)組件所使用的公共信息。本系統(tǒng)應(yīng)用支撐平臺主要定義公共數(shù)據(jù)字典和系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)字典兩類數(shù)據(jù)字典，同時開發(fā)數(shù)據(jù)字典服務(wù)組件，對整個系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)字典進(jìn)行管理。其中，公共字典主要包括服務(wù)和模型數(shù)據(jù)字典、訪問操作數(shù)據(jù)字典；系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)字典以系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫形式存儲，要求至少包括系統(tǒng)配置參數(shù)庫和用戶權(quán)限數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)字典中對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和各類操作數(shù)據(jù)的命名參考國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中業(yè)務(wù)類核心數(shù)據(jù)必須符合國家行業(yè)頒布的最新標(biāo)準(zhǔn)，如水利部制定的河流、工程、水文參數(shù)等命名；操作數(shù)據(jù)參考國家和國際上的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)類相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對于尚未明確規(guī)定的元數(shù)據(jù)，由本系統(tǒng)給定統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)存儲平臺及數(shù)據(jù)庫體系:
數(shù)據(jù)存儲平臺及數(shù)據(jù)庫體系包括數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲平臺及管理系統(tǒng)兩部分。數(shù)據(jù)庫分類
流域水文水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和專業(yè)數(shù)據(jù)庫兩類。專業(yè)數(shù)據(jù)庫包括:調(diào)度管理數(shù)據(jù)、運(yùn)行工況數(shù)據(jù)、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)、水情數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、氣象信息數(shù)據(jù)等?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫:
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包括:工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫等。專業(yè)數(shù)據(jù)庫技術(shù):
專業(yè)數(shù)據(jù)庫包括:調(diào)度管理數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行工況數(shù)據(jù)庫、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、水情數(shù)據(jù)庫、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫、氣象信息數(shù)據(jù)庫。①調(diào)度管理數(shù)據(jù)庫。主要包括年月旬調(diào)度計(jì)算方案數(shù)據(jù)、調(diào)度模型參數(shù)數(shù)據(jù)、取水用水計(jì)劃數(shù)據(jù)、水庫運(yùn)用計(jì)劃數(shù)據(jù)、梯級運(yùn)用計(jì)劃數(shù)據(jù)、調(diào)度實(shí)施方案數(shù)據(jù)、取水許可管理數(shù)據(jù)、調(diào)度指令及執(zhí)行情況數(shù)據(jù)、以及徑流和氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)等。 運(yùn)行工況數(shù)據(jù)庫。運(yùn)行工況數(shù)據(jù)庫主要接入水庫、電站、泵站等的運(yùn)行工況信息，本期項(xiàng)目只建庫，不在現(xiàn)場安裝接入設(shè)備，如果條件允許，可以數(shù)據(jù)文件包的形式接入信息。 實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包括各類在線實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)及綜合監(jiān)視預(yù)警預(yù)測等數(shù)據(jù)，實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)包括:取水口實(shí)測數(shù)據(jù)、引水工程實(shí)測數(shù)據(jù)、水庫和電站實(shí)測數(shù)據(jù)、排污口實(shí)測數(shù)據(jù)、巡測水質(zhì)數(shù)據(jù)、巡測水質(zhì)圖片、實(shí)測水質(zhì)，以及河道水情、水庫水情等信息。綜合監(jiān)視預(yù)警預(yù)測信息包括:信息采集入庫情況、水量報(bào)警信息、水質(zhì)報(bào)警信息、單站雨量報(bào)警信息、水量預(yù)警信息、水質(zhì)預(yù)警信息、報(bào)警級別信息、值班記錄等信息。③水情數(shù)據(jù)庫。水情數(shù)據(jù)庫的建設(shè)參照水利部頒布的《實(shí)時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識符標(biāo)準(zhǔn)》(SL 323-2011)，并參考實(shí)時水雨情數(shù)據(jù)和流域歷史水雨情數(shù)據(jù)進(jìn)行。 水質(zhì)數(shù)據(jù)庫。水質(zhì)監(jiān)控管理系統(tǒng)將產(chǎn)生以下數(shù)據(jù):水質(zhì)評價數(shù)據(jù)、水環(huán)境容量數(shù)據(jù)、分水控制斷面數(shù)據(jù)、水質(zhì)控制指標(biāo)、水污染預(yù)測結(jié)果、水污染預(yù)測預(yù)警內(nèi)容、水污染預(yù)警結(jié)果、水質(zhì)和相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、入河污染物總量監(jiān)督結(jié)果、入河排污口監(jiān)督結(jié)果、違規(guī)處理等。 視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫。視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫主要包括各類視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)視頻監(jiān)視點(diǎn)直接在線采集的視頻信息，和從各用水單位直接接入的各類視頻信息，當(dāng)出現(xiàn)故障或異常情況時，視頻信息能自動或人工干預(yù)下允許采用抽幀或粗化或減色存儲。 氣象信息數(shù)據(jù)庫。氣象信息數(shù)據(jù)庫直接引用流域有個省“氣象信息數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)”，并可以只接入流域氣象信息。數(shù)據(jù)庫維護(hù)管理系統(tǒng):
數(shù)據(jù)庫維護(hù)管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫的管理平臺，是數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)庫建立和維護(hù)的主要工具，也是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理和查詢的主要手段。應(yīng)具有建庫管理、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)查詢輸出、數(shù)據(jù)資源管理、數(shù)據(jù)維護(hù)管理、代碼維護(hù)管理、數(shù)據(jù)庫狀態(tài)監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)庫安全管理、數(shù)據(jù)庫備份恢復(fù)、數(shù)據(jù)庫外部接口等功能。數(shù)據(jù)存儲平臺及管理系統(tǒng):流域存儲系統(tǒng)采用基于LAN-FREE的FC-SAN架構(gòu)。(I)主機(jī)層。主機(jī)層主要進(jìn)行信息處理和數(shù)據(jù)庫運(yùn)行，在主機(jī)端安裝多塊光纖通道(HBA)卡，提供多條數(shù)據(jù)通道，通過安裝數(shù)據(jù)通道管理軟件，可以提供多通道之間的故障切換和流量負(fù)載均衡，確保高性能的數(shù)據(jù)訪問。主機(jī)層由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器、備份管理服務(wù)器等構(gòu)成。(2)網(wǎng)絡(luò)層。SAN網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)層是非常關(guān)鍵的一個部分，它負(fù)責(zé)將主機(jī)和存儲系統(tǒng)連接在一起，并且提供一個高靈活性、高擴(kuò)展性的環(huán)境，以適應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)不斷發(fā)展帶來的主機(jī)和存儲系統(tǒng)的擴(kuò)展。在SAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，本系統(tǒng)采用冗余的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，配置2臺光纖通道交換機(jī)，為主機(jī)和存儲系統(tǒng)提供冗余的連接路徑。網(wǎng)絡(luò)層由光纖交換機(jī)、光纜、HBA卡等構(gòu)成。(3)存儲層。整個SAN網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)的核心設(shè)備是磁盤陣列，存儲層建設(shè)規(guī)模按照不少于6 — IOTB數(shù)據(jù)裸容量配置，存儲層的最大可擴(kuò)充能力至少應(yīng)大于20TB。(4)備份管理層。備份管理層由虛擬磁帶庫、物理磁帶庫、備份服務(wù)器、備份管理軟件等組成。備份介質(zhì)容量按存儲平臺實(shí)際存儲容量的3 5倍進(jìn)行配置，非壓縮備份介質(zhì)容量不能少于實(shí)際存儲容量的3倍。虛擬磁帶庫配置13.5TB存儲介質(zhì)容量，磁盤可熱插拔，支持異地存放管理。配置管理軟件，制定備份策略，可設(shè)置存儲壓縮比，以及重復(fù)數(shù)據(jù)刪除等。支持LAN - FREE備份和主流備份軟件。根據(jù)安全要求，需要數(shù)據(jù)備份介質(zhì)可離線異地存放，采用物理磁帶庫作為存儲介質(zhì)，磁帶介質(zhì)的容量配置不少于13.5TB。備份服務(wù)器選用國際國內(nèi)知名品牌PC Server, Windows Server 2008操作系統(tǒng)，可降低管理難度，需加強(qiáng)病毒防范。備份管理軟件選用目前國內(nèi)、國際較實(shí)用、先進(jìn)、性能穩(wěn)定、兼容性好、易維護(hù)、易升級的主流專業(yè)備份管理軟件，并充分考慮其發(fā)展升級空間。水利工程影響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控方法，如圖1所示:按以下步驟進(jìn)行:
㈠基于物聯(lián)網(wǎng)通過固定監(jiān)測站和流動車船相結(jié)合的方式，實(shí)時采集流域水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時以視頻監(jiān)控的方式監(jiān)視流域水文水質(zhì)環(huán)境實(shí)時狀況；
(二)將步驟(-)中采集的流域水文水質(zhì)信息和視頻信號存儲到水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)
庫；
曰采集流域氣象和地理信息，結(jié)合已采集到的流域水文水質(zhì)信息和視頻資料，對流域水文水質(zhì)情況進(jìn)行分析，開展基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的流域水文水質(zhì)初步預(yù)測，初步預(yù)測步驟如下:
(1)對某指標(biāo)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，輸入輸出數(shù)據(jù)映射到-1-1范圍內(nèi)，采用公式為(X-Xmin)/ (Xmax-Xmin)，其中X為某指標(biāo)樣本值，Xmin為樣本中最小值，Xmax為最大值；⑵建立流域水文水質(zhì)初步預(yù)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用BP算法，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層，其中輸入層7個節(jié)點(diǎn)，分別代表某時間段之前該指標(biāo)(如水位、葉綠素、總磷、總氮等)的測量值(按照小時、天、周、季節(jié)劃分)，隱含層包括12個節(jié)點(diǎn)，采用雙曲正切函數(shù)tanh(x)模擬神經(jīng)元響應(yīng)方式，輸出節(jié)點(diǎn)I個，用于輸出該指標(biāo)在下一時間段實(shí)現(xiàn)流域(0-4小時、0-72小時、1-4周、季節(jié)性)的初步預(yù)測值；
⑶采用該指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)對上述模型進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，一直到預(yù)測與實(shí)測結(jié)果誤差小于10-3，表明訓(xùn)練成功，所述歷史數(shù)據(jù)不少于5組；
⑷將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于實(shí)測流域水文水質(zhì)初步預(yù)測，此時將采集到的流域水文水質(zhì)信息輸入到輸入層，結(jié)果運(yùn)算得到的歸一化的預(yù)測結(jié)果，再通過反映射到原數(shù)據(jù)范圍內(nèi)并最終輸出；
(5)在每個監(jiān)測站點(diǎn)，針對每個檢測指標(biāo)重復(fù)上述步驟⑴-(4)，得到每個監(jiān)測站點(diǎn)每個檢測指標(biāo)在下一天的所有預(yù)測值；
㈣根據(jù)已知的流域水文水質(zhì)現(xiàn)狀和流域在所區(qū)域地質(zhì)和人群情況，結(jié)合步驟㈢的初步預(yù)測結(jié)果，利用專家?guī)爝M(jìn)行預(yù)案篩查對流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)及預(yù)測結(jié)果進(jìn)行初步分析，對可能會發(fā)生的災(zāi)害或其他不利狀況進(jìn)行預(yù)判與決策，排除可能出現(xiàn)的不準(zhǔn)確預(yù)報(bào)；
將步驟(E)中的初步分析及決策結(jié)果返回到預(yù)測模塊，預(yù)測模塊根據(jù)水文水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)及專家分析決策結(jié)果，對實(shí)施專家決策后流域水文水質(zhì)可能的變化情況進(jìn)行二次預(yù)測，所述二次預(yù)測步驟如下:
⑴以實(shí)施專家決策后流域水文水質(zhì)可能的變化情況為新的樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行歸一化處理，輸入輸出數(shù)據(jù)映射到-1-1范圍內(nèi)，采用公式為(X-Xmin) / (Xmax-Xmin)，其中X為某指標(biāo)樣本值，Xmin為樣本中最小值，Xmax為最大值；
⑵采用步驟曰訓(xùn)練成功的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為預(yù)測工具，即采用BP算法，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層，其中輸入層7個節(jié)點(diǎn)，分別代表，某時間段之前該指標(biāo)(如水位、葉綠素、總磷、總氮等)的測量值(按照小時、天、周、季節(jié)劃分)，隱含層包括12個節(jié)點(diǎn)，采用雙曲正切函數(shù)tanh(x)模擬神經(jīng)元響應(yīng)方式，輸出節(jié)點(diǎn)I個，用于輸出該指標(biāo)在下一時間段實(shí)現(xiàn)流域(0-4小時、0-72小時、1-4周、季節(jié)性)的初步預(yù)測值；
⑶將新的樣本數(shù)據(jù)輸入到輸入層，結(jié)果運(yùn)算得到的歸一化的預(yù)測結(jié)果，再通過反映射到原數(shù)據(jù)范圍內(nèi)并最終輸出；
⑷在每個監(jiān)測站點(diǎn)，針對每個檢測指標(biāo)重復(fù)上述步驟⑴-⑶，得到每個監(jiān)測站點(diǎn)每個檢測指標(biāo)在下一天的二次預(yù)測結(jié)果；
(六)根據(jù)步驟(5)中預(yù)測模塊得到的二次預(yù)測結(jié)果及其他流域相關(guān)資料，對初始分析決策結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，利用專家?guī)爝M(jìn)行預(yù)案篩查對流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)及預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析，二次預(yù)測結(jié)果為實(shí)際預(yù)測具體指標(biāo)值，作為專家?guī)爝M(jìn)行預(yù)案篩查的第一篩查選項(xiàng)；其他流域相關(guān)資料包括水利水電工程調(diào)度運(yùn)行工況、氣象預(yù)測信息、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)估和地理屬性變更預(yù)測，為初始分析決策提供輔助信息，作為專家?guī)爝M(jìn)行預(yù)案篩查的輔助篩查選項(xiàng)，用于對出現(xiàn)多個篩查結(jié)果時候進(jìn)行調(diào)整的依據(jù)；
⑴將上述步驟中所產(chǎn)生的監(jiān)測、視頻、預(yù)測及分析決策結(jié)果以大屏幕集成顯示的方式，為流域管理部門提供直觀的控制方式，各監(jiān)測信息、預(yù)測數(shù)據(jù)及專家預(yù)測結(jié)果及時上傳至流域管理部門。實(shí)施例2
長江中上游某流域建立了一系列水利工程，利用本發(fā)明所提供的方法開展水利工程影響下的流域水文水質(zhì)監(jiān)控與保護(hù)。該流域支流眾多，呈扇形分布，同時考慮到臨近水利工程影響波及范圍，在流域范圍內(nèi)共設(shè)立13個斷面自動監(jiān)測站，4個人工監(jiān)測站；此外，該流域地處山區(qū)，支流河道相對狹窄，為此還配備了和5個流動監(jiān)測車船。該實(shí)施例的監(jiān)測布置站點(diǎn)如圖2所示，具體監(jiān)測實(shí)施流程如下:
㈠斷面自動監(jiān)測站安裝水文水質(zhì)監(jiān)測器和無線數(shù)據(jù)傳輸終端，監(jiān)測器通過自身的串行口連接有多個類型的傳感器，包括流速傳感器、水溫傳感器、含氧量傳感器、紅外線傳感器、攝像頭等在內(nèi)的十余種傳感器類型，各傳感器對斷面水文水質(zhì)特性進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測器，監(jiān)測器再將數(shù)據(jù)傳輸給無線數(shù)據(jù)傳輸終端，傳輸終端通過3G或GPRS將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸給數(shù)據(jù)采集工作站。㈡人工檢測站布置在已有的水文站內(nèi)，主要配備專屬的水質(zhì)檢測儀器，工作人員定期采集所負(fù)責(zé)區(qū)域水樣并帶回人工檢測站，采用分光光度法、比色法、滴定法等對水質(zhì)、底質(zhì)及水生生物進(jìn)行分析。監(jiān)測頻率為水質(zhì)每月一次；底質(zhì)監(jiān)測每年2次，在I (或2)月、7 (或8)月與水質(zhì)監(jiān)測同時進(jìn)行；水生生物于每年的1、4、7、10月進(jìn)行采樣監(jiān)測。曰流動車船監(jiān)測在每月月初與月末定期在臨近幾個斷面間流動巡查，對監(jiān)測斷面儀器進(jìn)行檢修，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充校核。㈣以上三種流域水文水質(zhì)特性監(jiān)測方式，共同組成了監(jiān)測子系統(tǒng)的信息采集模塊，采集到的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)為主、互聯(lián)網(wǎng)為輔的手段中轉(zhuǎn)上傳給數(shù)據(jù)采集工作站進(jìn)行保存和預(yù)處理，并通過調(diào)度員工作站模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)以圖表圖形、信息等形式展示給調(diào)度員。實(shí)施例3
某流域在中游建立了一座大型水利工程，造成了大面積的淹沒并形成庫區(qū)，對庫區(qū)及相鄰的流域造成了強(qiáng)烈影響。利用本發(fā)明提出的方法對該水利工程運(yùn)行前后庫區(qū)及附近流域范圍內(nèi)水文特性變化進(jìn)行監(jiān)測，共計(jì)斷面自動監(jiān)測站13個，人工監(jiān)測站站4個，移動監(jiān)測車船4個(圖3)。監(jiān)測項(xiàng)目包括水位、流速、水溫、電導(dǎo)率、泥沙等；監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作站，經(jīng)調(diào)度員工作站等模塊預(yù)處理后進(jìn)行各類必要的分析，可以得到在水利工程影響下該流域不同水域的水文對比情況，部分結(jié)果示例如下:
(-)水位:水庫蓄水前，庫區(qū)干流水位維持在70m左右，水庫開始蓄水后，庫區(qū)水位上漲迅速，短短20天內(nèi)由80m上升為135m (如圖4所示)。㈡水溫:庫區(qū)及中下游干流水域，各斷面多年均值變幅為17.7V 19.(TC，季節(jié)性變化明顯，各監(jiān)測斷面水溫測值變幅為4.(TC 29.(TC ;受水利工程的影響，與中下游相t匕，冬季庫區(qū)江段水溫高于壩下江段的水溫，夏季則相反，年變幅較小(如圖5所示)。實(shí)施例4
某流域建立了一系列水利工程，為了監(jiān)控和評判這些水利工程對下游某通江湖泊的水文水質(zhì)特性影響，利用本發(fā)明提供的技術(shù)建立一套水利工程影響下的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的流域水文水質(zhì)自動監(jiān)控系統(tǒng)，對水利工程運(yùn)行前后該通江湖泊及附近支流的水文水質(zhì)特性進(jìn)行監(jiān)測。共計(jì)斷面自動監(jiān)測站13個，人工檢測站4個，移動監(jiān)測車船5個(圖6)。監(jiān)測項(xiàng)目包括高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮等，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作站，經(jīng)調(diào)度員工作站等模塊預(yù)處理后進(jìn)行各類必要的分析，可以得到在水利工程影響下該流域不同水域的水質(zhì)對比情況，部分結(jié)果示例如下:
(-)DO:溶氧條件良好，各斷面多年均值變幅為8.0 9.lmg/1,實(shí)測值變幅為5.1 12.5mg/l,均達(dá)到地面水III類水標(biāo)準(zhǔn)O 5 mg/1)。㈡CODMn:各斷面多年均值變幅為2.3 4.3 mg/Ι，總體上達(dá)到地面水III類水標(biāo)準(zhǔn) 6 mg/Ι)。實(shí)測值變幅較大，為0.9 12.4 mg/1。㈢N03—N:各斷面多年均值變幅為0.99 1.73mg/l,實(shí)測值變幅為0.21 3.70mg/l,均達(dá)到地面水I類用水標(biāo)準(zhǔn)(〈10mg/l)(如圖7所示)。除上述實(shí)施例外， 本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.水利工程影響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:由相互通信連接的流域水文水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、流域水文水質(zhì)信息管理系統(tǒng)以及流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)分析與決策支持系統(tǒng)組成； (-)所述流域水文水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由水文水質(zhì)信息采集與通信子系統(tǒng)和視頻信息采集子系統(tǒng)組成，用于水文水質(zhì)的信息采集及通信傳輸； 所述水文水質(zhì)信息采集與通信子系統(tǒng)包括: 水文水質(zhì)信息采集模塊，由各個功能傳感器組成，用于定時對監(jiān)測流域的流量、流速、水位、水溫、泥沙、濁度、酸堿度、電導(dǎo)度、溶解氧、生化需氧量、化學(xué)需氧量、營養(yǎng)鹽和葉綠素這些重要的常規(guī)水文水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行探測； 監(jiān)測模塊，根據(jù)監(jiān)測斷面水文水質(zhì)深度的不同，設(shè)置在設(shè)定的不同深度的水域斷面，用于監(jiān)測高、中、低三個不同水深部位的水文水質(zhì)特征；所述各個功能傳感器將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過各自的串行端口傳輸給所述監(jiān)測裝置，通過監(jiān)測裝置的無線數(shù)據(jù)傳輸功能傳輸給無線數(shù)據(jù)傳輸終端，無線傳輸終端運(yùn)用GPRS或3G技術(shù)將數(shù)據(jù)傳出； 監(jiān)測信息采集對象、接入對象與通信傳輸模塊，包括流域重要控制性斷面信息采集子模塊、控制性水庫信息采集子模塊、梯級電站信息采集子模塊、重要取水口信息采集子模塊和主要入河排污口信息采集子模塊，信息采集內(nèi)容包括這些對象的水量、水質(zhì)、水工程以及視頻監(jiān)控信息；所述流域重要控制性斷面信息采集子模塊由遠(yuǎn)程終端控制器、聲學(xué)多普勒流速儀、GPRS模塊、功能傳感器、UPS、磁飽和隔離變壓器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、電池組、太陽能板、充電控制器和交直流信號避雷器構(gòu)成，以遠(yuǎn)程終端控制器為核心構(gòu)建各固定監(jiān)測站點(diǎn)現(xiàn)地采集和現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)存儲，同時通過無線通訊傳輸?shù)搅饔蛩乃|(zhì)流域監(jiān)測中心；所述控制性水庫信息采集子模塊由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、GPRS、功能傳感器、UPS和相關(guān)監(jiān)測軟件構(gòu)成，現(xiàn)地監(jiān)測實(shí)時水情、庫水位和流量數(shù) 據(jù)，現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)存入監(jiān)測模塊，信息通過GPRS上傳到同時上傳到流域監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫并存儲，用于對流域控制性水庫雨量信息、水量信息、水質(zhì)信息進(jìn)行監(jiān)測和獲取水庫及發(fā)電尾水處的水面實(shí)時視頻圖像，從現(xiàn)地工控機(jī)流域監(jiān)測中心數(shù)據(jù)服務(wù)器；所述梯級電站信息采集子模塊由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、功能傳感器、通信模塊、UPS、觸摸屏、閘位計(jì)和相關(guān)監(jiān)測軟件組成，用于監(jiān)測水量信息、水質(zhì)信息、工況信息，獲取上游及機(jī)組發(fā)電尾水處的水面實(shí)時視頻圖像信息；所述重要取水口信息采集子模塊由遙測終端機(jī)、功能傳感器、GPRS通信模塊、交直流信號避雷器和電源組成，用于監(jiān)測取水信息、取水口處水質(zhì)信息和獲取取水口處水面實(shí)時視頻圖像；所述主要入河排污口信息采集子模塊由遙測終端機(jī)、功能傳感器、GPRS通信模塊、交直流信號避雷器和電源組成，用于獲取排污口入河處的水面實(shí)時視頻圖像，監(jiān)測入河排污口排污信息和水質(zhì)信息； 通信傳輸模塊，包括GPRS網(wǎng)絡(luò)、有線通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)、超遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)和電臺通信中的至少一種，無線傳輸終端運(yùn)用GPRS或3G技術(shù)將數(shù)據(jù)傳出，采集的信息通過無線通信方式進(jìn)行通信傳輸，并組成流域水文水質(zhì)無線傳感器監(jiān)測分布式網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)議協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，再將采集來的數(shù)據(jù)信息，通過優(yōu)化后經(jīng)無線通訊傳輸?shù)搅饔蛩乃|(zhì)信息處理中心； 所述視頻信息采集子系統(tǒng)包括: 現(xiàn)地水文水質(zhì)視頻監(jiān)視模塊，由固定監(jiān)測站點(diǎn)子模塊、接入站點(diǎn)子模塊和流動監(jiān)視點(diǎn)子模塊組成；所述固定監(jiān)測站點(diǎn)子模塊由網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器、本地硬盤存儲、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、云臺及云臺解碼器組成，用于重要控制斷面和排污口視頻監(jiān)視；所述接入站點(diǎn)子模塊由網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器和本地硬盤存儲組成，用于流域的控制性水庫、梯級電站和取水口視頻監(jiān)視；所述流動監(jiān)視點(diǎn)子模塊由安裝在流動的監(jiān)測站點(diǎn)上的便攜式無線視頻終端和高清攝像機(jī)組成,用于流動視頻監(jiān)視； 流域監(jiān)測中心模塊，由視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、視頻管理服務(wù)器、視頻數(shù)據(jù)管理服務(wù)器和視頻工作站組成，用于流域視頻監(jiān)測； 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控模塊，采用集中監(jiān)控服務(wù)模式，通過安裝和部署的視頻監(jiān)控、存儲、管理和服務(wù)設(shè) 備，用于流域監(jiān)測中心和水調(diào)值班監(jiān)控室對固定視頻監(jiān)控對象、流動監(jiān)視對象的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視監(jiān)控和視頻接入點(diǎn)的視頻監(jiān)視； (二)所述流域水文水質(zhì)信息管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)和應(yīng)用支撐平臺子系統(tǒng)組成，用于輔以形成水文水質(zhì)預(yù)警管理、水量調(diào)度管理、水質(zhì)監(jiān)控管理和綜合信息服務(wù)； 所述數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)，用以通過流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)存儲和管理平臺，形成工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、遙感影像數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫這些公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，同時形成服務(wù)于各業(yè)務(wù)應(yīng)用的適合全流域?qū)嶋H情況的調(diào)度管理數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行工況數(shù)據(jù)庫、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、水情數(shù)據(jù)庫、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫這些專業(yè)數(shù)據(jù)庫； 所述應(yīng)用支撐平臺子系統(tǒng)，用于平臺硬件系統(tǒng)的部署，應(yīng)用服務(wù)中間件、應(yīng)用系統(tǒng)整合及數(shù)據(jù)交換組件及GIS服務(wù)構(gòu)件的部署配置，通用服務(wù)的部署，專用服務(wù)的部署，覆蓋數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲、應(yīng)用、決策輔助和發(fā)布各個環(huán)節(jié)； 曰所述流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)分析與決策支持系統(tǒng)包括預(yù)測子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)、專家子系統(tǒng)和大屏幕顯示子系統(tǒng)； 所述預(yù)測子系統(tǒng)，用于基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立預(yù)測模塊，對上傳的監(jiān)測信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和智能分析，實(shí)現(xiàn)流域?qū)崟r0-4小時、短期0-72小時、中期1-4周、季節(jié)性以及突發(fā)期的水文及水質(zhì)精確預(yù)測，將預(yù)測自動輸入專家子系統(tǒng)進(jìn)行決策分析，同時上報(bào)流域調(diào)度管理部門，滿足監(jiān)管部門對流域水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)要求； 所述信息管理子系統(tǒng)包括水量調(diào)度管理模塊、調(diào)度業(yè)務(wù)處理模塊、水質(zhì)監(jiān)控管理模塊、水質(zhì)評價模塊和水污染預(yù)測預(yù)警模塊；所述水量調(diào)度管理模塊包括來水預(yù)報(bào)子模塊、需水預(yù)測子模塊、年/月/旬調(diào)度方案編制子模塊、應(yīng)急調(diào)度子模塊、調(diào)度結(jié)果評估子模塊和調(diào)度查詢統(tǒng)計(jì)分析子模塊；所述來水預(yù)報(bào)子模塊，用于對流域年總來水、各水資源區(qū)及控制斷面年、月、旬的來水進(jìn)行預(yù)報(bào)；所述需水預(yù)測子模塊，用于對流域年總需水、各水資源區(qū)及控制斷面年、月、旬的需水進(jìn)行預(yù)報(bào)；所述年/月/旬調(diào)度方案編制子模塊，用于對流域年度、月、旬的調(diào)度方案進(jìn)行編制；所述應(yīng)急調(diào)度子模塊，用于當(dāng)流域出現(xiàn)水文水質(zhì)的某種風(fēng)險(xiǎn)因素，或特殊供水需求情況，需要進(jìn)行非正常調(diào)度時采取的應(yīng)急響應(yīng)對策；所述調(diào)度查詢統(tǒng)計(jì)分析子模塊，用于對每年的調(diào)度成果作出評價；所述調(diào)度業(yè)務(wù)處理模塊包括用水戶信息管理子模塊、用水計(jì)劃受理子模塊和用水督察子模塊；所述用水戶信息管理子模塊，用于對用水戶的基本信息和取水許可證信息的查詢、檢索和修改；所述用水計(jì)劃受理子模塊，用于用水戶通過互聯(lián)網(wǎng)登陸流域管理部門網(wǎng)站填寫和提交用水計(jì)劃；所述用水督察子模塊，用于用水督察人員填寫用水戶的用水信息，對超標(biāo)引水、違規(guī)放水的情況和處罰情況進(jìn)行記錄；所述水質(zhì)監(jiān)控管理模塊，用于通過監(jiān)控管理，及時評價流域主要控制斷面以及主要取水口、入河排污口的水質(zhì)情況，為入河水污染源監(jiān)督、水質(zhì)監(jiān)控管理和水資源保護(hù)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；所述水質(zhì)評價模塊，用于根據(jù)實(shí)時監(jiān)測的流域河流、水庫、取水口、入河排污口、閘壩等的水質(zhì)動態(tài)資料，在分析往年監(jiān)測資料兼顧水體的使用功能、充分考慮水體特性的基礎(chǔ)上確定適當(dāng)?shù)乃|(zhì)監(jiān)測指標(biāo)，并采用相關(guān)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和方法，實(shí)施水質(zhì)分析評價；所述水污染預(yù)測預(yù)警模塊，用于對水質(zhì)狀況進(jìn)行模擬和評價，對水環(huán)境發(fā)生的影響變化進(jìn)行預(yù)測和分析，通過對變化因素和變化過程的分析，對其發(fā)生及未來發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行預(yù)測，確定水質(zhì)的狀況和水質(zhì)變化的趨勢； 所述專家子系統(tǒng)，用于接受監(jiān)測子系統(tǒng)和預(yù)測子系統(tǒng)傳輸?shù)乃乃|(zhì)現(xiàn)狀和預(yù)測信息，對流域整體、局部的不同時間段的水文水質(zhì)變化作出決策和依據(jù)； 所述大屏幕顯示子系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息圖形化、預(yù)測結(jié)果顯示、操作員站、管理終端、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、專家決策多畫面同步展示。
2.如權(quán)利要求1所述的水利工程影響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:所述通信傳輸模塊的通信結(jié)構(gòu)為:是以流域管理局為中心節(jié)點(diǎn)，流域內(nèi)各監(jiān)測對象直接與中心節(jié)點(diǎn)相連接，組成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸或是租用公網(wǎng)方式傳輸方式，直接上連至流域水文水質(zhì)信息處理中心。
3.如權(quán)利要求1所述的水利工程影 響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:所述功能傳感器傳感器包括:流速傳感器、流量傳感器、水壓傳感器、水溫傳感器、含氧量傳感器和PH值傳感器。
4.用于權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的水利工程影響下基于物聯(lián)網(wǎng)的流域水文水質(zhì)監(jiān)控方法，其特征在于:按以下步驟進(jìn)行: ㈠基于物聯(lián)網(wǎng)通過固定監(jiān)測站和流動車船相結(jié)合的方式，實(shí)時采集流域水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時以視頻監(jiān)控的方式監(jiān)視流域水文水質(zhì)環(huán)境實(shí)時狀況； (二)將步驟(-)中采集的流域水文水質(zhì)信息和視頻信號存儲到水文水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫； 曰采集流域氣象和地理信息，結(jié)合已采集到的流域水文水質(zhì)信息和視頻資料，對流域水文水質(zhì)情況進(jìn)行分析，開展基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的流域水文水質(zhì)初步預(yù)測，初步預(yù)測步驟如下: ⑴對某指標(biāo)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，輸入輸出數(shù)據(jù)映射到-1-1范圍內(nèi)，采用公式為(X-Xmin)/ (Xmax-Xmin)，其中X為某指標(biāo)樣本值，Xmin為樣本中最小值，Xmax為最大值； ⑵建立流域水文水質(zhì)初步預(yù)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用BP算法，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層，其中輸入層7個節(jié)點(diǎn)，分別代表某時間段之前該指標(biāo)，隱含層包括12個節(jié)點(diǎn)，采用雙曲正切函數(shù)tanh(x)模擬神經(jīng)元響應(yīng)方式，輸出節(jié)點(diǎn)I個，用于輸出該指標(biāo)在下一時間段實(shí)現(xiàn)流域的初步預(yù)測值； ⑶采用該指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)對上述模型進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，一直到預(yù)測與實(shí)測結(jié)果誤差小于10_3，表明訓(xùn)練成功，所述歷史數(shù)據(jù)不少于5組； ⑷將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于實(shí)測流域水文水質(zhì)初步預(yù)測，此時將采集到的流域水文水質(zhì)信息輸入到輸入層，結(jié)果運(yùn)算得到的歸一化的預(yù)測結(jié)果，再通過反映射到原數(shù)據(jù)范圍內(nèi)并最終輸出； (5)在每個監(jiān)測站點(diǎn)，針對每個檢測指標(biāo)重復(fù)上述步驟⑴-(4)，得到每個監(jiān)測站點(diǎn)每個檢測指標(biāo)在下一天的所有預(yù)測值； ㈣根據(jù)已知的流域水文水質(zhì)現(xiàn)狀和流域在所區(qū)域地質(zhì)和人群情況，結(jié)合步驟㈢的初步預(yù)測結(jié)果，利用專家?guī)爝M(jìn)行預(yù)案篩查對流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)及預(yù)測結(jié)果進(jìn)行初步分析，對可能會發(fā)生的災(zāi)害或其他不利狀況進(jìn)行預(yù)判與決策，排除可能出現(xiàn)的不準(zhǔn)確預(yù)報(bào)； 將步驟(0)中的初步分析及決策結(jié)果返回到預(yù)測模塊，預(yù)測模塊根據(jù)水文水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)及專家分析決策結(jié)果，對實(shí)施專家決策后流域水文水質(zhì)可能的變化情況進(jìn)行二次預(yù)測，所述二次預(yù)測步驟如下: ⑴以實(shí)施專家決策后流域水文水質(zhì)可能的變化情況為新的樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行歸一化處理，輸入輸出數(shù)據(jù)映射到I范圍內(nèi)，采用公式為(X-Xmin) / (Xmax-Xmin)，其中X為某指標(biāo)樣本值，Xmin為樣本中最小值，Xmax為最大值； ⑵采用步驟曰訓(xùn)練成功的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為預(yù)測工具，即采用BP算法，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層，其中輸入層7個節(jié)點(diǎn)，分別代表，某時間段之前該指標(biāo)的測量值，隱含層包括12個節(jié)點(diǎn)，采用雙曲 正切函數(shù)tanh(x)模擬神經(jīng)元響應(yīng)方式，輸出節(jié)點(diǎn)I個，用于輸出該指標(biāo)在下一時間段實(shí)現(xiàn)流域的初步預(yù)測值； ⑶將新的樣本數(shù)據(jù)輸入到輸入層，結(jié)果運(yùn)算得到的歸一化的預(yù)測結(jié)果，再通過反映射到原數(shù)據(jù)范圍內(nèi)并最終輸出； ⑷在每個監(jiān)測站點(diǎn)，針對每個檢測指標(biāo)重復(fù)上述步驟⑴-⑶，得到每個監(jiān)測站點(diǎn)每個檢測指標(biāo)在下一天的二次預(yù)測結(jié)果； (六)根據(jù)步驟(5)中預(yù)測模塊得到的二次預(yù)測結(jié)果及其他流域相關(guān)資料，對初始分析決策結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，利用專家?guī)爝M(jìn)行預(yù)案篩查對流域水文水質(zhì)數(shù)據(jù)及預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析，二次預(yù)測結(jié)果為實(shí)際預(yù)測具體指標(biāo)值，作為專家?guī)爝M(jìn)行預(yù)案篩查的第一篩查選項(xiàng)；其他流域相關(guān)資料包括水利水電工程調(diào)度運(yùn)行工況、氣象預(yù)測信息、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)估和地理屬性變更預(yù)測，為初始分析決策提供輔助信息，作為專家?guī)爝M(jìn)行預(yù)案篩查的輔助篩查選項(xiàng)，用于對出現(xiàn)多個篩查結(jié)果時候進(jìn)行調(diào)整的依據(jù)； ⑴將上述步驟中所產(chǎn)生的監(jiān)測、視頻、預(yù)測及分析決策結(jié)果以大屏幕集成顯示的方式，為流域管理部門提供直觀的控制方式，各監(jiān)測信息、預(yù)測數(shù)據(jù)及專家預(yù)測結(jié)果及時上傳至流域管理部門。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的適用于水利工程影響下的流域水文水質(zhì)監(jiān)控方法，通過加裝固定的與流動的各類傳感器獲取重點(diǎn)水域水文及水質(zhì)實(shí)時數(shù)據(jù)，并配合以視頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)控，利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的傳輸，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展流域水文水質(zhì)的智能化預(yù)測，最后通過專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)狀評估、趨勢評估、實(shí)施效果評估、極端事件處理等關(guān)鍵應(yīng)用。本發(fā)明可為水利工程影響下的流域提供實(shí)時、可靠、完整的水文水質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)流域跨區(qū)域、多機(jī)型的一體化遠(yuǎn)程保護(hù)。
文檔編號G01N31/18GK103175513SQ20131006680
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者戴會超, 毛勁喬, 吳建華, 董坤, 何鐵軍 申請人:戴會超