[发明专利]水利工程影响下基于物联网的流域水文水质监控系统及方法

摘要

本发明提供了一种基于物联网技术的适用于水利工程影响下的流域水文水质监控方法，通过加装固定的与流动的各类传感器获取重点水域水文及水质实时数据，并配合以视频技术实现对现场环境的监控，利用物联网实现监测信息的传输，通过神经网络开展流域水文水质的智能化预测，最后通过专家系统实现现状评估、趋势评估、实施效果评估、极端事件处理等关键应用。本发明可为水利工程影响下的流域提供实时、可靠、完整的水文水质信息，实现流域跨区域、多机型的一体化远程保护。

主权项

水利工程影响下基于物联网的流域水文水质监控系统，其特征在于：由相互通信连接的流域水文水质监测系统、流域水文水质信息管理系统以及流域水文水质数据分析与决策支持系统组成；㈠所述流域水文水质监测系统由水文水质信息采集与通信子系统和视频信息采集子系统组成，用于水文水质的信息采集及通信传输；所述水文水质信息采集与通信子系统包括：水文水质信息采集模块，由各个功能传感器组成，用于定时对监测流域的流量、流速、水位、水温、泥沙、浊度、酸碱度、电导度、溶解氧、生化需氧量、化学需氧量、营养盐和叶绿素这些重要的常规水文水质指标进行探测；监测模块，根据监测断面水文水质深度的不同，设置在设定的不同深度的水域断面，用于监测高、中、低三个不同水深部位的水文水质特征；所述各个功能传感器将监测数据通过各自的串行端口传输给所述监测装置，通过监测装置的无线数据传输功能传输给无线数据传输终端，无线传输终端运用GPRS或3G技术将数据传出；监测信息采集对象、接入对象与通信传输模块，包括流域重要控制性断面信息采集子模块、控制性水库信息采集子模块、梯级电站信息采集子模块、重要取水口信息采集子模块和主要入河排污口信息采集子模块，信息采集内容包括这些对象的水量、水质、水工程以及视频监控信息；所述流域重要控制性断面信息采集子模块由远程终端控制器、声学多普勒流速仪、GPRS模块、功能传感器、UPS、磁饱和隔离变压器、网络交换机、电池组、太阳能板、充电控制器和交直流信号避雷器构成，以远程终端控制器为核心构建各固定监测站点现地采集和现地数据存储，同时通过无线通讯传输到流域水文水质流域监测中心；所述控制性水库信息采集子模块由工业控制计算机、GPRS、功能传感器、UPS和相关监测软件构成，现地监测实时水情、库水位和流量数据，现地数据存入监测模块，信息通过GPRS上传到同时上传到流域监测中心数据库并存储，用于对流域控制性水库雨量信息、水量信息、水质信息进行监测和获取水库及发电尾水处的水面实时视频图像，从现地工控机流域监测中心数据服务器；所述梯级电站信息采集子模块由工业控制计算机、功能传感器、通信模块、UPS、触摸屏、闸位计和相关监测软件组成，用于监测水量信息、水质信息、工况信息，获取上游及机组发电尾水处的水面实时视频图像信息；所述重要取水口信息采集子模块由遥测终端机、功能传感器、GPRS通信模块、交直流信号避雷器和电源组成，用于监测取水信息、取水口处水质信息和获取取水口处水面实时视频图像；所述主要入河排污口信息采集子模块由遥测终端机、功能传感器、GPRS通信模块、交直流信号避雷器和电源组成，用于获取排污口入河处的水面实时视频图像，监测入河排污口排污信息和水质信息；通信传输模块，包括GPRS网络、有线通信网络、远程无线网络、超远程无线网络和电台通信中的至少一种，无线传输终端运用GPRS或3G技术将数据传出，采集的信息通过无线通信方式进行通信传输，并组成流域水文水质无线传感器监测分布式网络，通过协议协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，再将采集来的数据信息，通过优化后经无线通讯传输到流域水文水质信息处理中心；所述视频信息采集子系统包括：现地水文水质视频监视模块，由固定监测站点子模块、接入站点子模块和流动监视点子模块组成；所述固定监测站点子模块由网络视频编码器、本地硬盘存储、监控摄像机、云台及云台解码器组成，用于重要控制断面和排污口视频监视；所述接入站点子模块由网络视频编码器和本地硬盘存储组成，用于流域的控制性水库、梯级电站和取水口视频监视；所述流动监视点子模块由安装在流动的监测站点上的便携式无线视频终端和高清摄像机组成，用于流动视频监视；流域监测中心模块，由视频转发服务器、视频管理服务器、视频数据管理服务器和视频工作站组成，用于流域视频监测；远程视频监控模块，采用集中监控服务模式，通过安装和部署的视频监控、存储、管理和服务设备，用于流域监测中心和水调值班监控室对固定视频监控对象、流动监视对象的远程视频监视监控和视频接入点的视频监视；㈡所述流域水文水质信息管理系统由数据库管理子系统和应用支撑平台子系统组成，用于辅以形成水文水质预警管理、水量调度管理、水质监控管理和综合信息服务；所述数据库管理子系统，用以通过流域水文水质数据中心的数据存储和管理平台，形成工程基础数据库、遥感影像数据库、基础地理数据库、社会经济数据库这些公共基础数据库，同时形成服务于各业务应用的适合全流域实际情况的调度管理数据库、运行工况数据库、实时监测数据库、水情数据库、水质数据库、视频监控数据库、气象数据库这些专业数据库；所述应用支撑平台子系统，用于平台硬件系统的部署，应用服务中间件、应用系统整合及数据交换组件及GIS服务构件的部署配置，通用服务的部署，专用服务的部署，覆盖数据采集、传输、处理、存储、应用、决策辅助和发布各个环节；㈢所述流域水文水质数据分析与决策支持系统包括预测子系统、信息管理子系统、专家子系统和大屏幕显示子系统；所述预测子系统，用于基于神经网络技术建立预测模块，对上传的监测信息进行数据挖掘和智能分析，实现流域实时0‑4小时、短期0‑72小时、中期1‑4周、季节性以及突发期的水文及水质精确预测，将预测自动输入专家子系统进行决策分析，同时上报流域调度管理部门，满足监管部门对流域水生态环境的保护要求；所述信息管理子系统包括水量调度管理模块、调度业务处理模块、水质监控管理模块、水质评价模块和水污染预测预警模块；所述水量调度管理模块包括来水预报子模块、需水预测子模块、年/月/旬调度方案编制子模块、应急调度子模块、调度结果评估子模块和调度查询统计分析子模块；所述来水预报子模块，用于对流域年总来水、各水资源区及控制断面年、月、旬的来水进行预报；所述需水预测子模块，用于对流域年总需水、各水资源区及控制断面年、月、旬的需水进行预报；所述年/月/旬调度方案编制子模块，用于对流域年度、月、旬的调度方案进行编制；所述应急调度子模块，用于当流域出现水文水质的某种风险因素，或特殊供水需求情况，需要进行非正常调度时采取的应急响应对策；所述调度查询统计分析子模块，用于对每年的调度成果作出评价；所述调度业务处理模块包括用水户信息管理子模块、用水计划受理子模块和用水督察子模块；所述用水户信息管理子模块，用于对用水户的基本信息和取水许可证信息的查询、检索和修改；所述用水计划受理子模块，用于用水户通过互联网登陆流域管理部门网站填写和提交用水计划；所述用水督察子模块，用于用水督察人员填写用水户的用水信息，对超标引水、违规放水的情况和处罚情况进行记录；所述水质监控管理模块，用于通过监控管理，及时评价流域主要控制断面以及主要取水口、入河排污口的水质情况，为入河水污染源监督、水质监控管理和水资源保护管理提供基础数据；所述水质评价模块，用于根据实时监测的流域河流、水库、取水口、入河排污口、闸坝等的水质动态资料，在分析往年监测资料兼顾水体的使用功能、充分考虑水体特性的基础上确定适当的水质监测指标，并采用相关的水质标准和方法，实施水质分析评价；所述水污染预测预警模块，用于对水质状况进行模拟和评价，对水环境发生的影响变化进行预测和分析，通过对变化因素和变化过程的分析，对其发生及未来发展状况进行预测，确定水质的状况和水质变化的趋势；所述专家子系统，用于接受监测子系统和预测子系统传输的水文水质现状和预测信息，对流域整体、局部的不同时间段的水文水质变化作出决策和依据；所述大屏幕显示子系统，用于实现监测信息图形化、预测结果显示、操作员站、管理终端、视频监控系统、专家决策多画面同步展示。