信息采集及通信系統(tǒng)在堤防及泵站中的應用

［摘要］文章介紹利用信息采集及通信系統(tǒng)實現(xiàn)對堤防及其相關(guān)工程設(shè)施、水位的實時監(jiān)測。

［關(guān)鍵詞］防洪堤；信息采集；通信系統(tǒng)

［作者簡介］林慧，梧州市防洪排澇工程管理處助理工程師，廣西梧州，543002

［中圖分類號］ TP29 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1007-7723（2012）03-0019-0004

一、工程概況

梧州市河東防洪堤起點于梧州龍母廟下游125m處至梧州口岸聯(lián)檢大樓。防洪堤設(shè)計防洪標準為10年一遇，設(shè)計水位為24.50m，防洪堤全長3.364公里，總投資為3.2億元。防洪堤的建成，有效地保護了梧州市河東2.25平方公里面積、主要商業(yè)區(qū)和10多萬城市居民。梧州市河東防洪堤非工程措施調(diào)度系統(tǒng)工程的建設(shè)總目標：應用信息技術(shù)，建成可靠、快速、實用、先進的防汛調(diào)度決策支持系統(tǒng)。做到信息采集準確及時、傳遞迅速、處理高效，為梧州市的經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展提供良好的發(fā)展環(huán)境，決策人員可據(jù)此進行防洪物料調(diào)度、防汛工作部署指揮。通過這個系統(tǒng)，實現(xiàn)面向防洪堤管理處、河東區(qū)領(lǐng)導、區(qū)辦、鎮(zhèn)（街道）指揮所、水利局及其他主管科室、洪水預報人員、系統(tǒng)管理員等多種用戶。對河東防洪堤圍、險段、水閘、電排站等工程的基本信息、工程圖紙、照片和多媒體信息實現(xiàn)統(tǒng)一的入庫、管理和查詢；集成多種洪水水情預報方法的預報成果，提供水情會商發(fā)播功能。梧州市河東堤防汛決策支持信息系統(tǒng)的建成，為防汛會商提供實時動態(tài)的水情、雨情、工情、氣象信息，提高防汛搶險指揮的時效性、準確性，以非工程措施提高水利工程在防洪搶險中的效益，為防汛指揮行政領(lǐng)導提供先進的、可靠的防汛決策支持，達到防洪減災防災的目的。

在梧州市河東防洪堤非工程措施調(diào)度系統(tǒng)工程中，信息采集系統(tǒng)的作用是負責完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)、信息的采集和實時傳輸，其中實時水雨情采集、泵站工況、閘門狀態(tài)、堤防工況等是信息管理自動化的中樞神經(jīng)。

實時水雨情采集是通過水情信息通信處理軟件，將梧州水文局的相關(guān)實時水雨情信息采集到本系統(tǒng)中。

二、通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是梧州市河東防洪堤非工程措施調(diào)度系統(tǒng)工程的中樞神經(jīng)，為完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)、信息的實時傳輸，實施防汛指揮調(diào)度、水利工程遠程監(jiān)控等業(yè)務實時傳輸?shù)男枰ㄔO(shè)的。通信系統(tǒng)按功能劃分為：語音傳輸、數(shù)據(jù)處理傳輸、圖像處理傳輸和跨部門信息交換等。暢通可靠的通信網(wǎng)是實現(xiàn)水利信息化、現(xiàn)代化的基本要求。因此，充分利用現(xiàn)代通信手段，建立高效的水利信息傳輸網(wǎng)絡(luò)是超標準洪水防汛調(diào)度信息系統(tǒng)工程建設(shè)的重要內(nèi)容。 所以，通信系統(tǒng)部分的主要需求為：語音的傳輸；數(shù)字信號的傳輸；圖像資料的傳輸；監(jiān)控閉路電視的傳輸；自動化監(jiān)控的傳輸；計算機網(wǎng)絡(luò)。

在本系統(tǒng)中，負責完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)、信息的實時傳輸,通過通信系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)信息實時匯總，為防汛指揮調(diào)度提供科學、及時、可靠、完整的決策依據(jù)。

（二）數(shù)據(jù)采集的主要內(nèi)容及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.河東防洪堤兩座排澇泵站的主機機組、輔助設(shè)備、配套水工建筑物的各種電量、非電量運行數(shù)據(jù)、水情數(shù)據(jù)、圖像信息以及各種計算、綜合和統(tǒng)計信息。

2.信息采集系統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為三個層次：水利局中心級、本地級（地區(qū)醫(yī)院泵站、鴛江碼頭泵站）和現(xiàn)場級（各泵站PLC群、現(xiàn)場傳感器及儀表）。整個信息采集系統(tǒng)設(shè)計本著可靠、先進、實用、智能、標準化、靈活可擴性、安全性和可維護性及高性價比的原則進行。

信息采集處理中心計算機、信息采集處理分中心計算機、PLC主站、各視頻網(wǎng)絡(luò)服務器之間通過光纖組成TCP/IP協(xié)議的專用局域網(wǎng)。各泵站PLC主站、從站與遠程從站之間通過專用PROFIBUS工業(yè)總線網(wǎng)連接。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖如下：

（二）汛情監(jiān)視

汛情監(jiān)視是為各級防汛部門的值班人員提供實時汛情自動監(jiān)視和汛情發(fā)展趨勢預測服務的應用系統(tǒng)。它主要是把數(shù)據(jù)庫中的汛情信息直觀、醒目地提供給用戶，并滿足值班人員對汛情深層次的專題查詢和分析比較等要求。它是一個信息輸出的系統(tǒng)，通過綜合數(shù)據(jù)庫與其他子系統(tǒng)聯(lián)系。

（三）堤防輔助管理

堤防輔助管理模塊主要服務于梧州河東防洪堤管理部門的日常管理，并為非工程措施決策的實施提供支持，包括如下部分：防汛部門和防汛責任管理、文檔管理、汛前管理、汛期管理、汛后管理、物資管理、日常辦公管理、活動日常安排、文件收發(fā)管理、工程項目管理、會議管理、防汛經(jīng)費、電子郵件和網(wǎng)絡(luò)傳真等。

三、通信系統(tǒng)技術(shù)方案

（一）通信單元

通信單元是梧州市出現(xiàn)超標準洪水時的防汛調(diào)度信息系統(tǒng)工程的中樞神經(jīng)，為完成數(shù)據(jù)信息、實施防汛指揮調(diào)度、水利工程遠程監(jiān)控等業(yè)務實時傳輸?shù)男枰ㄔO(shè)的。通信系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)信息時間性強，種類繁多，并且其輸入輸出量巨大，數(shù)據(jù)信息的加工、處理、管理工作十分復雜。所以，充分利用現(xiàn)代通信手段，建立高效的水利信息傳輸網(wǎng)絡(luò)是超標準洪水防汛調(diào)度信息系統(tǒng)工程建設(shè)的重要內(nèi)容。

1.主要功能

通信單元負責完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)、信息的實時傳輸，是信息管理自動化的中樞神經(jīng)。通過這個單元可以將底層的各類數(shù)據(jù)信息實時匯總到水利局的監(jiān)控中心，為防汛指揮調(diào)度提供科學、及時、可靠、完整的決策依據(jù)。

2.單元組成

通信單元主要包括：超短波移動通信網(wǎng)（已有）、TCP/IP協(xié)議的專用監(jiān)控局域網(wǎng)、現(xiàn)場專用PROFIBUS工業(yè)總線網(wǎng)。要充分利用已經(jīng)建有的400MHz超短波移動通信網(wǎng)，完成語音話務、通信聯(lián)絡(luò)、指揮調(diào)度和無線數(shù)據(jù)采集等工作任務。

（二）防雷單元

防雷單元需要多方面同時顧及，互相配合。在內(nèi)部采用屏蔽技術(shù)、光電隔離、浮空等措施，使系統(tǒng)本身具有一定的防雷性能，減少雷擊損失；在系統(tǒng)外部，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)特點，加設(shè)避雷裝置和地網(wǎng)，構(gòu)造完整的避雷系統(tǒng)。

防雷單元應包括：現(xiàn)場采集元器件的防雷避雷措施，泵站數(shù)據(jù)處理分中心的防雷避雷措施。主要防雷措施包括：供電電源的保護、網(wǎng)絡(luò)通訊和數(shù)據(jù)信號線的保護、直擊雷的防護、接地網(wǎng)和設(shè)備絕緣。

1. 主要功能

主要是防止雷電通過供電電源、網(wǎng)絡(luò)通訊線路等途徑對設(shè)備安全造成危害。

在設(shè)備電源配線端接入電源避雷器，保護設(shè)備安全；

在滲壓模擬信號PLC端安裝信號隔離器，濾除干擾，保護設(shè)備安全；

建筑物內(nèi)部設(shè)備接入建筑物內(nèi)部地網(wǎng)，保護人身及設(shè)備安全；

在兩個泵站分中心分別安裝1臺在線UPS進一步濾除電源的不穩(wěn)定干擾。

四、主要設(shè)備配置

（一）防雷系統(tǒng)設(shè)備其主要性能指標

指標要求

1.室內(nèi)電源避雷器指標參數(shù)

（1）通流容量：Imax=40KA(8/20μS)

（2）保護功能強：熱感斷路器，過流熔斷器

（3）模塊式設(shè)計，安裝、更換方便

（4）響應時間≤20ns

2.室外220伏交流電源防雷器指標參數(shù)

（1）工作電壓（V）：AC220V±10%

（2）通流容量8/20us（KA）：40

（3）響應時間（ns）：≤25

（4）標稱導通電壓（V）：560

（5）限制電壓8/20us 3KA（KV）：≤1

3.RS-485接口指標參數(shù)

（1）傳輸速率：1Mbit/s

（2）插入損耗：≤0.5dB

（3）通流容量8/20us（KA）：1.5

（4）限制電壓10/700us：≤25V

4.視頻信號防雷器指標參數(shù)

（1）接口：BNC

（2）同軸電纜標稱阻抗：75Ω

（3）工作電壓：24V

（4）傳輸速率：10 Mbit/s

（5）插入損耗：≤0.5dB

（6）通流容量8/20us（KA）：3

（7）限制電壓10/700us：1KV/us：50V

（二）光端機設(shè)備其主要性能指標

指標要求

連接光纖可采用：8.3/125, 8.7/125, 9/125, 10/125μm 等單模光纖。

一根光纖上傳輸視頻信號與控制信號具有較強的抗干擾能力，可以在惡劣的環(huán)境下工作，保證極高的可靠性和穩(wěn)定性，高視頻質(zhì)量，各路信號之間無相互干擾。

五、系統(tǒng)整體性能

（一）實時性

集控層及現(xiàn)地控制單元的響應能力應滿足數(shù)據(jù)采集、人機通信、控制功能和系統(tǒng)通信的時間要求。

1.數(shù)字量采集周期＜1S；

2.實時數(shù)據(jù)庫更新周期＜1-2S；

3.控制命令響應時間：（1）控制命令回答響應時間＜1S；（2）接受執(zhí)行命令到執(zhí)行控制的響應時間＜1S。

4.模擬量采集周期：（1）電量≤1S；（2）非電量≤10S。

5.集控層對現(xiàn)地系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制的響應時間≤2S。

（二）安全可靠性

為保障網(wǎng)絡(luò)的安全可靠運行，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)有完整的數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選用性能優(yōu)良、可靠性高的技術(shù)產(chǎn)品，整體設(shè)計采用高容錯、高冗余、多鏈路組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并采用完善的網(wǎng)絡(luò)管理平臺。

（三）先進實用性

采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和選用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（包括路由器、網(wǎng)絡(luò)交換機、集線器等）均為國際上先進實用的技術(shù)和產(chǎn)品。建成的網(wǎng)絡(luò)不僅可以滿足近期內(nèi)計算機數(shù)據(jù)通信的需要，而且具有多媒體通信功能。在保證準確、快速的同時充分利用原有的資源和設(shè)備。

（四）標準化和開放性

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用國際上流行、成熟、完善并被廣泛認可的工業(yè)標準（如TCP／IP通訊協(xié)議等），以實現(xiàn)與Internet的平滑聯(lián)接。

（五）可用率

1.對于主機硬件設(shè)備、應用程序錯誤、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)故障、網(wǎng)絡(luò)端口故障、網(wǎng)線接觸故障、主機響應故障等，應用系統(tǒng)應配備Cluster高可用備份軟件，做到不停機應用切換，確保系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

2.系統(tǒng)可用率是在整個系統(tǒng)交接前的試運行期間30天內(nèi)不應低于99.9%，在設(shè)備驗收后的兩年保證期內(nèi)應達到98.8%。

3.可用率定義為：A＝可使用時間/（可使用時間+故障時間）。其中故障時間包括故障控制和預防性檢修時間。故障檢修時間只計及關(guān)鍵功能損壞時，把事故設(shè)備恢復到正常運行的時間（有備件和檢驗設(shè)備）。

4.其他性能如系統(tǒng)安全性、可擴性、可變性均應滿足《水電廠自動化控制系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)規(guī)范》的要求。

（六）擴充性和靈活性

1.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有良好的擴充性能，能夠適應局部、分階段的更新要求；同時隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐步發(fā)展，在增加新節(jié)點時易操作，且不影響網(wǎng)絡(luò)的正常運行。該網(wǎng)絡(luò)同時具有支持多種通信媒體、多種物理接口、多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的靈活性。

2.應提供下列方面的可變性的限制：（1）變化的點參數(shù)在只讀存貯器之類的永久性存貯設(shè)備中的限制；（2）由數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的限制；（3）對硬件或軟件兼容性的限制；（4）硬件限制；（5）軟件操作系統(tǒng)的限制。

河東防洪堤第一期工程按十年一遇標準設(shè)防，這需要準確預報出超標準洪水的時間，作出開閘放水、確保堤防及人員財產(chǎn)安全的決策，要在短時間內(nèi)完成人員撤離、物資轉(zhuǎn)移工作；同時控制開閘放水的準確時間和閘門放、充水流量，避免出洪水漫過堤頂、危及堤身的現(xiàn)象。另一面，在汛期的前前后后需把大量的工作轉(zhuǎn)移到防汛搶險上來，需投入大量的人力、物力、財力，耗費很大。因此，梧州的經(jīng)濟社會發(fā)展很大程度上受洪水的制約。以上這個系統(tǒng)已于2005年開始逐步投入使用，并在不斷更新完善當中，現(xiàn)在已經(jīng)成為河東防洪堤堤防防汛指揮調(diào)度系統(tǒng)的主要技術(shù)信息來源之一，為梧州市的防洪防汛工作提供了強有力的信息支持，發(fā)揮出良好的社會效益。

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