現(xiàn)代水利工程信息自動(dòng)化系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)

文學(xué)鴻

（水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

現(xiàn)代水利工程信息自動(dòng)化系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)

文學(xué)鴻

（水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

為更好地推動(dòng)水利信息化建設(shè)，通過梳理各類水利工程的信息自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，歸納總結(jié)設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，并針對(duì)問題出現(xiàn)的原因提出相關(guān)建議，以供大家探討。

水利工程；信息化；自動(dòng)化；需求設(shè)計(jì)

0 引言

“十一五”以來，隨著水利信息化建設(shè)的快速推進(jìn)，全國水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施已初具規(guī)模、業(yè)務(wù)支撐逐步增強(qiáng)、保障環(huán)境明顯改善[1]。大范圍水利信息采集、高速數(shù)據(jù)傳輸及高效的水利工程遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)，不但提升了水利工程運(yùn)行調(diào)度的現(xiàn)代化水平，更有力地支撐了水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理等各項(xiàng)工作。

信息技術(shù)的迅猛發(fā)展促進(jìn)了水利工程信息化建設(shè)水平的不斷提高，但與此同時(shí)，工程設(shè)計(jì)中也漸漸出現(xiàn)了盲目追求信息化的現(xiàn)象，不顧及工程運(yùn)用特點(diǎn)及規(guī)模，不遺余力地追求高標(biāo)準(zhǔn)和套用先進(jìn)技術(shù)，既增加了國家建設(shè)資金的投入，也增加了日常使用與維護(hù)的復(fù)雜性。同時(shí)，對(duì)大型水利工程自動(dòng)化水平要求過低，繼續(xù)禁錮在“傳統(tǒng)”甚至“落后”的“弱信息化”運(yùn)行模式的設(shè)計(jì)方案也是存在的，過低的自動(dòng)化水平不僅降低了工程運(yùn)用效率和水資源調(diào)度的精確性，也增加了工程運(yùn)行維護(hù)的人員成本，同樣造成資金的浪費(fèi)。

因此，為避免出現(xiàn)上述設(shè)計(jì)問題，本著建設(shè)一個(gè)具有功能實(shí)用、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便等特點(diǎn)的信息自動(dòng)化系統(tǒng)，本文對(duì)各類水利工程信息自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行了梳理，歸納總結(jié)出常見的設(shè)計(jì)問題，并針對(duì)問題出現(xiàn)的原因提出了相應(yīng)解決建議，以供大家探討。

1 設(shè)計(jì)需求

本文把可能涉及到信息自動(dòng)化設(shè)計(jì)的水利工程大體分為 3 類，即水資源配置、水庫和蓄滯洪工程。其中，水資源配置工程主要指引（調(diào)）水和灌溉工程；水庫工程在本文特指水利行業(yè)建設(shè)的以防洪或供水為主要開發(fā)任務(wù)的綜合運(yùn)用的水利工程。

1.1 水資源配置工程

對(duì)于水資源配置工程，工程措施往往是建設(shè)取水樞紐，把集中后的水資源通過輸配水系統(tǒng)（渠道、管道、涵洞、倒虹吸、水庫、閘門等）輸送到受水端，輸水沿線可根據(jù)需要建設(shè)泵站或動(dòng)能回收電站。水資源配置工程涉及的建筑物種類、數(shù)量較多，地域跨度一般會(huì)很大，可能會(huì)有多級(jí)管理機(jī)構(gòu)分工負(fù)責(zé)工程的運(yùn)行維護(hù)，其管理組織結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，如圖1 所示。

圖1 水資源配置工程典型管理組織結(jié)構(gòu)

水資源配置工程的信息化系統(tǒng)特點(diǎn)主要是監(jiān)控對(duì)象數(shù)量多，數(shù)據(jù)規(guī)模大，通信節(jié)點(diǎn)分散，數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，公共通信網(wǎng)絡(luò)一般不能全覆蓋，通信接入系統(tǒng)投資較大，數(shù)據(jù)的應(yīng)用較豐富。

設(shè)計(jì)上通常會(huì)包含以下功能需求：1）閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控；2）泵站或水電站遠(yuǎn)程監(jiān)控；3）視頻監(jiān)視；4）安全監(jiān)測；5）雨情、水情、墑情監(jiān)測；6）水質(zhì)（在線）監(jiān)測；7）視頻會(huì)商；8）移動(dòng)視頻傳輸；9）安防系統(tǒng)；10）三維仿真；11）分控中心或備調(diào)中心等。

在各等級(jí)的水資源配置工程中，上述功能需求的前 6 項(xiàng)幾乎都包括在內(nèi)，以保障實(shí)現(xiàn)此類工程的基本功能。而后 5 項(xiàng)只出現(xiàn)在少數(shù)大型水資源配置工程中，屬于較高級(jí)的應(yīng)用配置。

以安防系統(tǒng)為例，某些特別重要的水資源配置工程若遭到人為破壞，不僅威脅到工程運(yùn)行安全，其社會(huì)影響也將不可挽回。此時(shí)，對(duì)工程整體或局部運(yùn)用安防措施，全天候進(jìn)行安全監(jiān)視是很有必要的，發(fā)現(xiàn)問題能及時(shí)報(bào)警并迅速定位，既提升了工程管理效率，也增強(qiáng)了工程的安全性。對(duì)于移動(dòng)視頻傳輸，一般情況下長距離輸水工程的視頻監(jiān)視很難做到全覆蓋，有些位置甚至無法安裝視頻監(jiān)視設(shè)備。當(dāng)有視頻需求時(shí)，附近的運(yùn)行人員可持便攜視頻采集設(shè)備，通過無線傳輸通道把現(xiàn)場實(shí)時(shí)畫面?zhèn)骰乇O(jiān)控中心，以供后方人員及時(shí)分析判斷，指導(dǎo)處置突發(fā)事件，省去了大量人員趕赴現(xiàn)場的成本，提高了運(yùn)行維護(hù)效率。

1.2 水庫工程

與水資源配置工程相比，水庫工程的內(nèi)容就相對(duì)簡單一些，其工程措施往往是建設(shè)大壩形成水庫，以防洪、供水運(yùn)用為主并兼顧其他運(yùn)用方式，比如發(fā)電、航運(yùn)等。水庫工程涉及的建筑物種類、數(shù)量較少，地域跨度小，運(yùn)行及管理機(jī)構(gòu)單一。此類工程的信息自動(dòng)化系統(tǒng)特點(diǎn)是監(jiān)控對(duì)象數(shù)量不多，數(shù)據(jù)規(guī)模不大，通信節(jié)點(diǎn)分布較集中，公共通信網(wǎng)絡(luò)一般覆蓋較差，通信接入系統(tǒng)投資較大，數(shù)據(jù)的應(yīng)用較豐富。

設(shè)計(jì)上通常會(huì)包含以下功能需求：1）閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控；2）水電站遠(yuǎn)程監(jiān)控；3）視頻監(jiān)視；4）安全監(jiān)測；5）雨、水情監(jiān)測及預(yù)報(bào)；6）水質(zhì)（在線）監(jiān)測；7）視頻會(huì)商；8）三維防洪仿真等。

在上述各項(xiàng)功能需求中，前 6 項(xiàng)功能是絕大多數(shù)水庫工程的基本配置，而視頻會(huì)商功能往往在特別重要的具備防洪運(yùn)用的水庫工程中才會(huì)配置，因?yàn)檫@樣的工程關(guān)系著廣大人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，一旦出現(xiàn)問題，將對(duì)社會(huì)利益產(chǎn)生巨大影響，所以為更合理地調(diào)度運(yùn)用工程、更有效地處置重大突發(fā)事件，合理配置視頻會(huì)商系統(tǒng)是有必要的。

對(duì)于三維防洪仿真系統(tǒng)，國內(nèi)在此領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用已有些年頭，常作為工程防洪調(diào)度決策的一個(gè)輔助工具。該系統(tǒng)具體應(yīng)用于三維場景展示、洪水演進(jìn)、洪災(zāi)預(yù)警、洪水淹沒評(píng)估、防洪調(diào)度措施模擬等[2-5]，在當(dāng)今信息化系統(tǒng)建設(shè)中很受推崇。

1.3 蓄滯洪工程

蓄滯洪工程主要利用河堤外的低洼地區(qū)及湖泊臨時(shí)貯存洪水。此類工程涉及到的建筑物種類較少，但可能數(shù)量較多，地域跨度一般不大，管理分支機(jī)構(gòu)有可能較多。此類工程信息自動(dòng)化系統(tǒng)特點(diǎn)是系統(tǒng)隨蓄滯洪區(qū)的使用率很低，監(jiān)控對(duì)象的數(shù)量一般不多，數(shù)據(jù)規(guī)模不大，通信節(jié)點(diǎn)分布較分散，公共通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋較好，通信接入系統(tǒng)投資一般不大，數(shù)據(jù)的應(yīng)用較簡單。

設(shè)計(jì)上通常會(huì)包含以下功能需求：1）閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控；2）泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控；3）視頻監(jiān)視；4）預(yù)警系統(tǒng)；5）雨情、水情監(jiān)測；6）視頻會(huì)商；7）移動(dòng)視頻傳輸；8）三維防洪仿真等。

同樣，前 5 項(xiàng)是蓄滯洪工程基本的功能配置，特別是通信預(yù)警系統(tǒng)。在蓄滯洪區(qū)運(yùn)用時(shí)，如何保證在最短時(shí)間內(nèi)快速組織人畜安全轉(zhuǎn)移，通信預(yù)警系統(tǒng)便起著至關(guān)重要的作用，設(shè)計(jì)中常以不同的通信手段相互備用。預(yù)警系統(tǒng)可采用的預(yù)警方式也是多種多樣，現(xiàn)代的方式有語音電話、電視、無線（有線）廣播、手機(jī)短信等；傳統(tǒng)的方式有銅鑼、手持報(bào)警器、擴(kuò)音器等。

對(duì)于視頻會(huì)商系統(tǒng)，多是在需要與上級(jí)指揮中心（主會(huì)場）會(huì)商防汛策略時(shí)以視頻分會(huì)場形式設(shè)置，如圖2 所示。會(huì)場有時(shí)設(shè)置在工程管理單位內(nèi)，有時(shí)也會(huì)設(shè)在蓄滯洪區(qū)現(xiàn)場（比如進(jìn)洪閘或退洪閘），以便與上級(jí)主管部門共享現(xiàn)場信息。蓄滯洪區(qū)視頻分會(huì)場的設(shè)備應(yīng)從簡配置，因?yàn)樾顪閰^(qū)使用率很低，作為分會(huì)場的場所面積有限且一般情況下并非專用，簡化的配置既實(shí)現(xiàn)了所需的基本功能，又避免了昂貴設(shè)備的閑置與荒廢。

圖2 視頻會(huì)商系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 存在的問題

通過對(duì)現(xiàn)代水利工程信息自動(dòng)化系統(tǒng)需求的梳理可知，各設(shè)計(jì)單位對(duì)有些信息化需求的認(rèn)識(shí)是一致的，這些需求是工程得以安全、可靠、高效運(yùn)行的基本保障；但對(duì)于另一些信息化需求而言，比如視頻會(huì)商、三維防洪仿真、移動(dòng)視頻傳輸、安防系統(tǒng)等，不同的設(shè)計(jì)單位就有了各自的理解，對(duì)其應(yīng)用尺度地把握不盡相同，由此產(chǎn)生一些問題。

2.1 設(shè)計(jì)原則

信息自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則方面的問題主要集中在以下 3 點(diǎn)：

1）信息自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)模與工程的規(guī)模及重要性不協(xié)調(diào)。這種情況往往是信息化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)超出了工程本身的規(guī)模，比如某灌溉工程在前期設(shè)計(jì)中，各級(jí)渠道上總共近百個(gè)灌溉泵站、閘門均采用遠(yuǎn)程控制；再比如某蓄滯洪工程的管理處及其所屬管理所均配置監(jiān)控設(shè)備分別作為總控及分控中心。這種用巨大資金投入換來過于精細(xì)控制的做法并不劃算，已經(jīng)超出了該工程的規(guī)模。

2）不以需求為導(dǎo)向，為信息化而信息化。比如為某調(diào)水工程管理處配置視頻會(huì)商分會(huì)場的顯示設(shè)備，擬采用 55 in 拼接屏 4 行 3 列布置，拼接后的電視墻凈尺寸至少為 3.6 m 寬、2.8 m 高，這一尺寸幾乎布滿了會(huì)議室整面墻，而且根據(jù)工程管理設(shè)計(jì)，該管理處常設(shè)人員只有 4 人，根本沒有視頻會(huì)商的必要，如此盲目的信息化設(shè)計(jì)嚴(yán)重脫離了實(shí)際需求。

3）沒有合理的資源共享規(guī)劃，導(dǎo)致重復(fù)建設(shè)。在某工程中，新設(shè)的水量、水位采集站點(diǎn)附近就有正在使用的水文站，所需的數(shù)據(jù)都有采集，但由于此數(shù)據(jù)無法共享，工程被迫新建數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)。在分階段實(shí)施的工程中也存在類似問題，后期建設(shè)的應(yīng)用系統(tǒng)又獨(dú)立配備了數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，先期建成的設(shè)備所預(yù)留的傳輸、處理能力完全被閑置，造成資源浪費(fèi)。

2.2 設(shè)計(jì)深度

設(shè)計(jì)深度的問題常常體現(xiàn)為信息化專題設(shè)計(jì)報(bào)告中缺少技術(shù)方案比選、土建及配套工程的設(shè)計(jì)內(nèi)容和工程量、實(shí)施計(jì)劃說明等。而這些問題的出現(xiàn)，其實(shí)就是沒有很好地執(zhí)行信息化設(shè)計(jì)在各建設(shè)階段的編制要求。

目前，水利部發(fā)布的與信息化相關(guān)的規(guī)程規(guī)范主要有：SL/Z 346-2006《水利信息系統(tǒng)項(xiàng)目建議書編制規(guī)定》、SL/Z 331-2005《水利信息系統(tǒng)可行性研究報(bào)告編制規(guī)定（試行）》、SL/Z 332-2005《水利信息系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)報(bào)告編制規(guī)定（試行）》。另外，2014 年 2 月剛剛實(shí)施的水利水電工程三階段報(bào)告編制規(guī)程中也對(duì)信息化設(shè)計(jì)有相應(yīng)的要求[6-8]，建議遵照?qǐng)?zhí)行。

2.3 功能需求

對(duì)于功能需求方面的問題，一方面是實(shí)用性不足而先進(jìn)性有余，比如某工程擬將視頻會(huì)商會(huì)場設(shè)計(jì)為如圖3 所示的虛擬會(huì)場。

圖3 虛擬會(huì)議會(huì)場

這種虛擬會(huì)議與傳統(tǒng)視頻會(huì)議相比場景更自然、真實(shí)，異地用戶感覺猶如在同一個(gè)會(huì)議室開會(huì)，但其在水利工程中的應(yīng)用卻顯得弊大于利，具體如下：1）布置上對(duì)參會(huì)人數(shù)有很大限制，實(shí)用性降低；2）需要有專用的會(huì)議場所，很不經(jīng)濟(jì)，且與國家要求精簡辦公用房的目標(biāo)相左；3）當(dāng)參會(huì)各方會(huì)場有相同布置時(shí)才會(huì)有如此真實(shí)的體驗(yàn)，這顯然很難實(shí)現(xiàn)。

另一方面是方案可行性的問題，比如蓄滯洪區(qū)采用微波接力通信，但蓄滯洪區(qū)運(yùn)用時(shí)形成的大面積水域?qū)ξ⒉▊鬏斒怯胸?fù)面影響的，作為主用通道不夠可靠；再比如，當(dāng)采用無線對(duì)講機(jī)通信時(shí)，選用的設(shè)備頻率范圍和發(fā)射功率常常超出相關(guān)法律法規(guī)的限制等。

2.4 通信系統(tǒng)及其他

通信系統(tǒng)的問題往往是在通信方式選擇方面，常常是過多地采用自建長距離光纖通信網(wǎng)，而較少地使用公共網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，這樣做不僅增加了工程投資和通信系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的工作量，也很難發(fā)揮公共網(wǎng)絡(luò)的多路由保護(hù)能力。至于衛(wèi)星通信資源的使用率就更低了，尤其是水利衛(wèi)星。水利衛(wèi)星通信網(wǎng)可承載水利工程信息自動(dòng)化全部業(yè)務(wù)類型，且具備衛(wèi)星通信抗陸地災(zāi)害的特點(diǎn)，目前用于水利業(yè)務(wù)的通信應(yīng)用是免除入網(wǎng)費(fèi)和頻率使用費(fèi)的[9]。

其他方面存在的問題主要是備用調(diào)度中心、數(shù)據(jù)災(zāi)備中心、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)及安防系統(tǒng)的設(shè)立原則和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不清晰，目前這些需求只是在建設(shè)單位有明確要求的情況下才被提出來，或者后期需要時(shí)補(bǔ)充建設(shè)，缺少統(tǒng)一、明確的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為參照，不利于信息自動(dòng)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范和統(tǒng)一。

3 結(jié)語

經(jīng)過分析認(rèn)為，出現(xiàn)信息自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則方面的問題或者說設(shè)計(jì)上不當(dāng)之處的原因有以下幾點(diǎn)：1）設(shè)計(jì)人員對(duì)水利工程的重要性、功能定位理解有誤；2）設(shè)計(jì)上沒有更加系統(tǒng)的規(guī)程規(guī)范作為參照；3）資源節(jié)約意識(shí)不強(qiáng)。

因此，針對(duì)問題出現(xiàn)的原因，結(jié)合個(gè)人對(duì)水利工程信息自動(dòng)化設(shè)計(jì)的理解提出以下幾點(diǎn)建議供大家討論：

1）水利工程多為公益性事業(yè)，建設(shè)投資很大程度上需要靠國家財(cái)政，因此，信息自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以其功能經(jīng)濟(jì)實(shí)用為首要原則，同時(shí)具備運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)，兼顧適度的先進(jìn)性。

2）制定完善的信息化標(biāo)準(zhǔn)體系，提高信息化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)管理精度。所謂提高管理精度，是指制定的標(biāo)準(zhǔn)可以更加細(xì)致地規(guī)范信息自動(dòng)化系統(tǒng)各類功能的適用范圍和建設(shè)規(guī)模，使水利工程信息自動(dòng)化系統(tǒng)在技術(shù)上具有適當(dāng)先進(jìn)性的同時(shí)，其規(guī)模也能與工程建設(shè)規(guī)模相匹配。

3）《水利水電工程可行性研究報(bào)告編制規(guī)程》中提出：“特別重要樞紐、輸水工程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)進(jìn)行專題研究”。除考慮工程等別之外，從節(jié)約投資的角度考慮，建議當(dāng)信息自動(dòng)化系統(tǒng)估算總投資在 3 000 萬元及以上時(shí)也應(yīng)編制專題報(bào)告，報(bào)告通過詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選確定推薦的方案。

4）通過開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的水利信息技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)品及軟件，在數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)以及應(yīng)用環(huán)節(jié)最大化地實(shí)現(xiàn)資源共享。

5）提高水利衛(wèi)星通信在水利工程信息化建設(shè)中的應(yīng)用水平。

6）增強(qiáng)水利工程自動(dòng)化專網(wǎng)信息安全防護(hù)的意識(shí)。

當(dāng)前，水利工程信息化建設(shè)已處在良好的發(fā)展環(huán)境下，其走向成熟除了需要設(shè)計(jì)人員認(rèn)真務(wù)實(shí)的態(tài)度以外，更需要制度與規(guī)范的引導(dǎo)。

[1] 水利部信息化工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.全國水利信息化發(fā)展“十二五”規(guī)劃[R].北京：水利部，2012: 3-9.

[2] 李云，范子武，吳時(shí)強(qiáng)，等.大型行蓄洪區(qū)洪水演進(jìn)數(shù)值模擬與三維可視化技術(shù)[J].水利學(xué)報(bào)，2005, 36 (10): 1158-1164.

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[8] 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.SL 619-2013 水利水電工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告編制規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，2013: 44-46.

[9] 水利部.水利衛(wèi)星通信網(wǎng)管理辦法[R].北京：水利部辦公廳，2014: 1.

Demand Design of Automatic Information System in Modern Water Resources Projects

WEN Xuehong
(General Institute of Water Resources and Hydropower Planning and Design, the Ministry of Water Resources, Beijing 100120，China)

To promote the construction of water resources informatization, this paper introduces the demands of automatic information system in all kinds of water conservancy project, and summarizes the problems in designing of automatic information system.To avoid these problems, the suggestions are proposed in this paper for discussion.

water resources projects; informatization; automation; demand design

TV39

A

1674-9405(2014)04-0064-05

2014-06-30

文學(xué)鴻（1981－），男，山東濟(jì)南人，工程師，主要從事電氣工程和信息化的設(shè)計(jì)、管理工作。