甘肅省引大入秦工程灌區(qū)信息化系統(tǒng)研究與應(yīng)用

朱薛琰 章飛

【摘要】 根據(jù)甘肅省引大入秦工程灌區(qū)的實(shí)際情況，對灌區(qū)的運(yùn)行管理模式進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，并基于信息化技術(shù)提出了引大入秦灌區(qū)信息化系統(tǒng)的總體方案，為進(jìn)一步實(shí)施奠定了可靠的基礎(chǔ)，同時對類似工程的科學(xué)管理具有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】 灌區(qū) 信息化 研究與應(yīng)用

一、工程概況

引大入秦工程是一項(xiàng)跨流域大型自流灌溉工程，工程主要包括引水樞紐、總干渠、東一干渠、東二干渠等項(xiàng)目?？偢汕L86.81km，設(shè)計引水流量32m3/s，干渠及分干渠5條，全長254.63km，支渠及分支渠61條，全長766km。灌區(qū)信息化系統(tǒng)包括通訊環(huán)網(wǎng)光纜265km，水位監(jiān)測站點(diǎn)92處，水位計量點(diǎn)111處，面測流點(diǎn)13處，水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)3處，引水閘閥監(jiān)控3處，視頻監(jiān)視站點(diǎn)29處以及在調(diào)度中心配置計算平臺、網(wǎng)絡(luò)交換平臺、存儲平臺、視音頻平臺、管理平臺、系統(tǒng)平臺等集計算、處理、存儲、服務(wù)、查詢、共享、發(fā)布功能于一體的信息工程。

二、系統(tǒng)背景及功能

引大入秦工程灌區(qū)信息化系統(tǒng)總體設(shè)計遵循適用可靠、技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、經(jīng)濟(jì)合理、主控設(shè)備和配套設(shè)備穩(wěn)定可靠的指導(dǎo)思想和設(shè)計原則，以建設(shè)分布式水情量測系統(tǒng)、水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)、閘閥自動控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視系統(tǒng)為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)集中遠(yuǎn)程監(jiān)測重要渠系水位、流量、水量、水質(zhì)參數(shù)，重點(diǎn)閘閥泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控、重要水工設(shè)施遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視、計量計費(fèi)、供水分析、節(jié)水控水、水務(wù)公開、信息共享、輔助決策等多種科學(xué)化管理功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、內(nèi)外信息共享、資源廣泛整合、業(yè)務(wù)深度協(xié)同，以提高現(xiàn)有的調(diào)水、配水能力，減少人為干預(yù)，從而提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，實(shí)現(xiàn)工程和灌溉整體水平和綜合效益，為科學(xué)管理、高效控制、節(jié)能增效將起到直接的作用而構(gòu)筑的一個自動化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的信息系統(tǒng)。

系統(tǒng)包括基于GIS平臺的水資源監(jiān)測管理模塊、工程管理模塊、水量計量計費(fèi)模塊、水量調(diào)度運(yùn)行模塊、巡檢檢修跟蹤模塊、水質(zhì)監(jiān)測分析評價模塊、工程安全分析評估模塊、數(shù)據(jù)查詢和綜合信息服務(wù)模塊、供水調(diào)度決策模塊等灌區(qū)應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

三、主要系統(tǒng)設(shè)計

信息化系統(tǒng)工程核心采用10G網(wǎng)絡(luò)中樞，匯聚和接入層為全千兆，桌面終端至少為100M的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且核心交換路由設(shè)備實(shí)現(xiàn)熱備冗余。工程主要包括光纖通訊系統(tǒng)、水情測報系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、閘閥監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、調(diào)度中心系統(tǒng)、調(diào)度分中心系統(tǒng)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)八大系統(tǒng)，依據(jù)功能介紹以下四個系統(tǒng)。

3.1 水情測報系統(tǒng)

水情測報系統(tǒng)是在遙測終端控制下，自動完成對各干、支、斗渠水位、流量等參數(shù)的采集和預(yù)處理，并經(jīng)通信鏈路向中心站報送所采集的數(shù)據(jù)。實(shí)行定期采集或每當(dāng)流量參數(shù)發(fā)生一個計量單位的變化時，遙測終端機(jī)就自動采集，并進(jìn)行合理性處理，加注時標(biāo)，按指定的格式存儲并上報中心站。如遙測站與中心站發(fā)生通信線路中斷時，數(shù)據(jù)在本地保存，若再通信鏈路恢復(fù)，依據(jù)中心指令再將歷史數(shù)據(jù)發(fā)送到中心。測站數(shù)據(jù)的報送方式有自報體制、自報-確認(rèn)體制、應(yīng)答體制、混合體制等幾種方式。本系統(tǒng)水情監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式主要采用GPRS數(shù)據(jù)傳輸通信方式，能夠完全滿足對水位、流量及水尺圖像監(jiān)測的要求，且節(jié)約了運(yùn)行成本。

3.2 閘閥監(jiān)控系統(tǒng)

灌區(qū)閘閘閥控制系統(tǒng)是自動調(diào)節(jié)水資源和水利調(diào)度的控制執(zhí)行系統(tǒng)，也是灌區(qū)重要的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。根據(jù)調(diào)度中心的指令，在閘門控制器設(shè)備控制下，自動完成各閘門的啟閉操作，同時完成對閘前、閘后的液位、流量等參數(shù)進(jìn)行采集、預(yù)處理及存入固態(tài)存儲器，并經(jīng)通信鏈路向中心站傳送所采集的數(shù)據(jù)。

3.3 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視系統(tǒng)是信息化技術(shù)在水利工程中的又一項(xiàng)成功應(yīng)用，通過實(shí)時的視頻圖像，水資源調(diào)度管理人員和運(yùn)行看護(hù)人員可以足不出戶地通過顯示設(shè)備實(shí)時監(jiān)視或錄像查詢水工設(shè)施運(yùn)行情況，及時發(fā)現(xiàn)水情汛潮并通過錄像進(jìn)行供水事故跟蹤追憶分析。視頻監(jiān)視系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)采集控制分為四個層級，一層前端為視頻采集層，適應(yīng)大范圍、全天候的監(jiān)視水工工程設(shè)施和設(shè)備運(yùn)行工況，系統(tǒng)采用技術(shù)先進(jìn)的全數(shù)字的高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)；二層為視頻圖像網(wǎng)絡(luò)接入傳輸層，進(jìn)行H.264/H.265壓縮，所有視頻監(jiān)控點(diǎn)全部接入光纖專用網(wǎng)絡(luò)；三層為視頻圖像信號的集中監(jiān)控，視頻資料存儲和雙碼流轉(zhuǎn)發(fā)，配置專業(yè)的視頻集中管理平臺，實(shí)現(xiàn)視頻通道管理、視頻圖像訪問授權(quán)認(rèn)證、視頻集中存儲及多媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能，監(jiān)控中心配備CVS全1080P的數(shù)字高清網(wǎng)絡(luò)存儲陣列；四層為控制訪問層，配置專門的網(wǎng)絡(luò)視頻客戶端，授權(quán)實(shí)時監(jiān)看視頻、查閱錄像資料、進(jìn)行視頻輪巡、處理報警信息等。視頻監(jiān)視系統(tǒng)由一體化網(wǎng)絡(luò)視頻攝像機(jī)（IPC）、前端視頻壓縮存儲、傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和監(jiān)控中心平臺及視頻光纖終端組成。視頻信號經(jīng)視頻IPC處理壓縮后上傳光纖通訊網(wǎng)絡(luò)，通過分布式授權(quán)體系，在視頻監(jiān)視終端上通過監(jiān)視軟件可以對視頻監(jiān)視點(diǎn)的進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視和云臺控制，根據(jù)組織機(jī)構(gòu)可形成多級視頻監(jiān)控管理體系。

3.4 調(diào)度中心系統(tǒng)

調(diào)度中心系統(tǒng)建設(shè)是整個灌區(qū)信息化系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)和關(guān)鍵，其核心任務(wù)是系統(tǒng)的高度集成、深度融合和灌區(qū)信息化系統(tǒng)應(yīng)用支撐平臺。主要設(shè)施有服務(wù)器設(shè)備、存儲設(shè)備、視頻會議主機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全及接入設(shè)備、大樓綜合布線MDF、服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜設(shè)施、UPS動力供電設(shè)施、空調(diào)設(shè)施等。

調(diào)度中心大屏幕系統(tǒng)是調(diào)度中心的窗口工程，采用國際領(lǐng)先的高清晰度數(shù)碼顯示技術(shù)、無縫拼接技術(shù)、多屏圖像處理技術(shù)、信號切換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的應(yīng)用綜合為一體，集成為一個擁有高亮度、高對比度、全色彩、全視角、高分辨率高智能化控制、操作方法先進(jìn)的大屏幕顯示系統(tǒng)。

四、系統(tǒng)集成

4.1 數(shù)據(jù)庫

在信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫在整個系統(tǒng)中占有非常重要的地位，它不但起著存儲各種信息，供統(tǒng)計、查詢、分析等作用，而且使各個子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口更為協(xié)調(diào)化，提高數(shù)據(jù)共享程度，降低數(shù)據(jù)的冗余，優(yōu)化整個系統(tǒng)的運(yùn)行性能。數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個系統(tǒng)完成效率好壞的關(guān)鍵所在。數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)OPC、DDE、MODBUS、ODBC等通信方式和SQLSERVER、ORACLE、Access等適用范圍組建了綜合數(shù)據(jù)庫、公用數(shù)據(jù)庫/共享數(shù)據(jù)庫、專業(yè)主題數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫四層關(guān)系數(shù)據(jù)庫。作為100% 基于Web的企業(yè)信息系統(tǒng)，完全按照組態(tài)設(shè)計，具有良好的系統(tǒng)開放性。系統(tǒng)充分利用MS SQL Server數(shù)據(jù)庫，面向?qū)ο笤O(shè)計，以確保建立一個數(shù)據(jù)庫完整、系統(tǒng)強(qiáng)大，并且擴(kuò)展自如的信息系統(tǒng)。系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，運(yùn)用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)，幫助用戶隨時通過標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器訪問。數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用服務(wù)器承擔(dān)了絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作，這樣，在增加用戶數(shù)時不會明顯增加網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)擔(dān)、昂貴的硬件投資，以及IT系統(tǒng)管理成本。系統(tǒng)建立在開放的Internet標(biāo)準(zhǔn)上，如HTTP和XML，與其他信息系統(tǒng)集成非常容易。

4.2 應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件以調(diào)度中心高性能服務(wù)器集群為計算平臺，以關(guān)系數(shù)據(jù)庫和GIS為支撐，構(gòu)筑應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行平臺。應(yīng)用平臺軟件及中間件部署在應(yīng)用服務(wù)器上；SQL Server數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫部署在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上；數(shù)據(jù)采集接口和實(shí)時數(shù)據(jù)庫部署在SCADA服務(wù)器上；視頻管理及流媒體服務(wù)部署在視頻存儲管理平臺；協(xié)同辦公軟件部署在OA服務(wù)器上；統(tǒng)一信息門戶及WEB部署在WEB服務(wù)器上；網(wǎng)絡(luò)管理及防病毒服務(wù)部署在管理服務(wù)器上。

灌區(qū)信息化系統(tǒng)應(yīng)用軟件是灌區(qū)信息化系統(tǒng)建設(shè)的核心。應(yīng)用軟件采用企業(yè)私有云架構(gòu)，基于WEB體系架構(gòu)，基于UCML應(yīng)用框架，面向SOA開發(fā)，以MS DotNet/J2EE+ SQL Server為基礎(chǔ)平臺，采用先進(jìn)成熟的技術(shù)體系架構(gòu)，以MS DotNet Framework或J2EE及Web Server / Browser為底層應(yīng)用框架，采用Browser/Server或Client/Server相結(jié)合的多層體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用高級開發(fā)語言C#，AJAX++，Java Script，Html/Java等多種語言綜合開發(fā)，開發(fā)灌區(qū)統(tǒng)一信息門戶、協(xié)同辦公系統(tǒng)、水費(fèi)計量征收管理系統(tǒng)、綜合信息服務(wù)系統(tǒng)、水量調(diào)度決策支持系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測分析評價、工程安全分析評估及衛(wèi)星遙感影像及三維虛擬仿真等高級應(yīng)用軟件，并以XML實(shí)現(xiàn)與其他應(yīng)用系統(tǒng)在數(shù)據(jù)層的無縫集成。

4.3 系統(tǒng)集成

通過定制開發(fā)應(yīng)用軟件邏輯功能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與管理的業(yè)務(wù)深度融合，并通過訪問權(quán)限控制和功能邏輯組合實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程重組；通過中心平臺海量數(shù)據(jù)深度挖掘動態(tài)調(diào)度決策和水利灌區(qū)管理信息化高級應(yīng)用，為各級管理人員進(jìn)行綜合信息服務(wù)。

應(yīng)用支撐平臺集成是整個信息化系統(tǒng)集成的關(guān)鍵，以統(tǒng)一信息門戶為灌區(qū)信息化系統(tǒng)的軟件入口，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一登錄、認(rèn)證、信息推送、內(nèi)部公告、郵件提醒、辦公事務(wù)列表；集成實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)層集成、邏輯功能層集成、信息轉(zhuǎn)換層集成、數(shù)據(jù)訪問層集成。

五、運(yùn)行管理

信息化是一個跨地域、多部門的系統(tǒng)工程，運(yùn)行管理以調(diào)度監(jiān)控信息中心為主要職能部門、分中心設(shè)信息化和自動化專管機(jī)構(gòu)、最基層設(shè)信息化專管人員的三級管理組織管理體系。在多年實(shí)際運(yùn)行，提高了管理水平，實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)觀測點(diǎn)無人值守，降低了工程運(yùn)行成本，提高水量計量的準(zhǔn)確性和及時性，創(chuàng)建了良好的工作環(huán)境，為水利工程的進(jìn)一步改革與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

六、結(jié)束語

信息化系統(tǒng)在引大工程中發(fā)揮了許多優(yōu)點(diǎn)，也使引大工程的管理上了一個層次，但隨著計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步，工程的缺點(diǎn)逐漸顯露，太陽能設(shè)備的供電、前臺及終端設(shè)備的更新等問題，使系統(tǒng)不能高效和可靠的運(yùn)行。為此提出幾點(diǎn)建議：一是水利工程中的設(shè)備選型一定要結(jié)合實(shí)際，考慮壓力、溫度、濕度、水流沖刷、泥砂沉積等因素；二是系統(tǒng)的兼容性、耐久性和可擴(kuò)展性是工程效益能否發(fā)揮的關(guān)鍵因素；三是系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)必不可少，而且運(yùn)行維護(hù)投資也是信息化系統(tǒng)工程面臨的最大問題。