南水北調(diào)中線干線工程自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)現(xiàn)狀及優(yōu)化建議

董新亮 杜宇峰 馬玉霞

南水北調(diào)中線工程是為緩解京、津、冀、豫等北部地區(qū)水資源短缺緊張狀況，是21世紀(jì)京津華北地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。其輸水干渠包括總干渠和天津干渠兩部分，渠道運(yùn)行控制采用節(jié)制閘閘前常水位的實(shí)時(shí)閉環(huán)自動(dòng)控制方式，利用地勢(shì)條件，基本實(shí)現(xiàn)自流輸水。由于南水北調(diào)中線干線工程具有自動(dòng)化控制要求高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、系統(tǒng)龐雜、管理復(fù)雜等特點(diǎn)，需采用先進(jìn)信息采集技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和現(xiàn)代化的運(yùn)營、維護(hù)、管理技術(shù)與理念，建設(shè)一套完善先進(jìn)的南水北調(diào)中線干線自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)對(duì)中線干線工程進(jìn)行運(yùn)營、維護(hù)和管理，保證全線調(diào)水安全。

1. 自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)概述

南水北調(diào)中線干線工程自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)在南水北調(diào)中線一期工程可行性研究初期，工程安全監(jiān)測(cè)、閘站監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等作為機(jī)電系統(tǒng)的組成部分列在各個(gè)工程段。

1.1 工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要可以分為工程安全信息采集、安全監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)智能化綜合分析、工程安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)綜合評(píng)估3部分。

安全監(jiān)測(cè)信息采集主要包含對(duì)水閘、渡槽、倒虹吸、隧洞及壓力管道、穿黃隧洞工程、泵站、特殊渠段等設(shè)施的水平和垂直位移、滲流、結(jié)構(gòu)及環(huán)境量、水平和沉降等數(shù)據(jù)采集和傳輸。主要監(jiān)測(cè)儀器包含垂直、水平位移測(cè)點(diǎn)、土壓力計(jì)、滲壓計(jì)、測(cè)壓管、應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)、鋼筋計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、測(cè)縫計(jì)和溫度計(jì)。水平、垂直位移和測(cè)壓管水位數(shù)據(jù)采用人工采集外，其他數(shù)據(jù)均實(shí)現(xiàn)軟件自動(dòng)化采集。

信息智能化綜合分析包括在線綜合分析、離線綜合分析、綜合查詢、報(bào)表制作、Web查詢等。

工程安全評(píng)估系統(tǒng)，主要通過綜合分析評(píng)估，對(duì)有安全隱患的，上報(bào)歸口主管部門，提出安全決策和維護(hù)方法，對(duì)工程進(jìn)行維護(hù)，對(duì)存在重大安全隱患的，由調(diào)度管理部門提出調(diào)度方案和維護(hù)決策，協(xié)調(diào)各部門綜合處理。

工程安全監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

1.2 閘站監(jiān)控系統(tǒng)

閘站監(jiān)控系統(tǒng)是自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)的核心系統(tǒng)之一，是全線集中控制方式的執(zhí)行系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以在調(diào)度中心對(duì)全線分水閘、節(jié)制閘、退水閘、倒虹吸工作閘、排冰閘等進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，并在調(diào)度中心顯示閘門開度、水位、流量、啟閉設(shè)備及供電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，出現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)警至調(diào)度中心進(jìn)行處理。系統(tǒng)主要功能包括權(quán)限管理、監(jiān)控管理、控制管理、接入第3方系統(tǒng)。

一是監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流程。監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流程主要是由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)部門完成，先采集現(xiàn)地水位、流量、閘位等信息，對(duì)該信息進(jìn)行處理，通過PLC通信至監(jiān)控服務(wù)器，同時(shí)調(diào)用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門進(jìn)行控制，通過公共的監(jiān)控服務(wù)，取得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

二是控制業(yè)務(wù)流程。各級(jí)管理單位的控制指令也是按照系統(tǒng)賦予的權(quán)限，通過公共的監(jiān)控服務(wù)的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的啟閉控制。閘站監(jiān)控業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

1.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

水質(zhì)信息采集系統(tǒng)建設(shè)主要包括：在總干渠重點(diǎn)渠段建設(shè)11個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，在河南、河北境內(nèi)建設(shè)2個(gè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，在河南、河北分公司建設(shè)2個(gè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在陶岔、天津分公司建設(shè)2個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室。

圖1 工程安全監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流程圖

圖2 閘站監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流程圖

圖3 閘站監(jiān)控系統(tǒng)控制業(yè)務(wù)流程圖

一是水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要業(yè)務(wù)描述。水質(zhì)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)全線安全供水的基本保障之一，主要是通過采集干渠水質(zhì)數(shù)據(jù)，分析評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況，及時(shí)發(fā)布水質(zhì)信息，并快速應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的水污染事件，保護(hù)輸水干渠水質(zhì)。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)的主要業(yè)務(wù)內(nèi)容包括水質(zhì)信息采集與應(yīng)用兩大部分，其中水質(zhì)信息采集業(yè)務(wù)包括：站網(wǎng)布設(shè)、水質(zhì)固定監(jiān)測(cè)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等，應(yīng)用業(yè)務(wù)包括：站網(wǎng)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、水質(zhì)評(píng)價(jià)、水質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、水質(zhì)信息發(fā)布、水質(zhì)信息查詢、水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料整匯編、水質(zhì)會(huì)商支持等。

二是業(yè)務(wù)流程。根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)置與職能，南水北調(diào)中線干線工程水質(zhì)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)分為3級(jí)管理，總公司負(fù)責(zé)整個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的管理工作，包括監(jiān)測(cè)站網(wǎng)管理、監(jiān)測(cè)計(jì)劃制定、監(jiān)測(cè)任務(wù)下達(dá)、監(jiān)測(cè)資料管理與信息發(fā)布、水質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、緊急會(huì)商與應(yīng)急方案制定等。各分公司承擔(dān)具體監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，包括落實(shí)總公司下達(dá)的各項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)任務(wù)，實(shí)施各項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，對(duì)分管區(qū)域水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，編制上報(bào)監(jiān)測(cè)成果，及時(shí)報(bào)告水質(zhì)動(dòng)態(tài)等。各管理處承擔(dān)固定監(jiān)測(cè)樣品采集、自動(dòng)站日常管理和巡視水質(zhì)變化、及時(shí)報(bào)告水質(zhì)異常情況或突發(fā)水污染事故、協(xié)助應(yīng)急調(diào)查監(jiān)測(cè)處理處置等任務(wù)。

1.4 閘站視頻及安防監(jiān)控系統(tǒng)

中線干線工程大部分現(xiàn)地建筑物及閘站采用 “無人值班、少人值守”方式，為便于水量調(diào)度人員和維護(hù)人員及時(shí)了解各閘站的工作狀態(tài)、閘站的安全狀況，以直觀的現(xiàn)場(chǎng)圖像和聲光報(bào)警了解現(xiàn)場(chǎng)情況，需要建設(shè)遠(yuǎn)程閘站視頻及安防監(jiān)控系統(tǒng)。

根據(jù)需求，近遠(yuǎn)期將對(duì)閘站的閘前、閘后和閘室環(huán)境和設(shè)備狀況進(jìn)行全方位視頻監(jiān)控，現(xiàn)地管理站和周圍環(huán)境進(jìn)行安全監(jiān)視，沿渠設(shè)置的各種建筑物進(jìn)行視頻監(jiān)視。閘站監(jiān)視系統(tǒng)不但為總干渠輸水調(diào)度運(yùn)行提供視頻監(jiān)視服務(wù)，還為工程安全監(jiān)測(cè)與運(yùn)行管理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等其他相關(guān)系統(tǒng)提供所需的監(jiān)視服務(wù)，各級(jí)管理部門根據(jù)授權(quán)，皆可對(duì)現(xiàn)地站視頻進(jìn)行遠(yuǎn)程共享訪問控制。因此，閘站視頻及安防監(jiān)控系統(tǒng)一方面具有很高的共享性，另一方面該系統(tǒng)充分考慮將來整個(gè)視頻系統(tǒng)的擴(kuò)容，在增加視頻監(jiān)視點(diǎn)的情況下，只需增加前端設(shè)備和少許后端管理設(shè)備就可以輕易集成到整個(gè)視頻監(jiān)視系統(tǒng)中來。

2. 自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)改進(jìn)建議

2.1 工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一是設(shè)備設(shè)施方面。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用GPRS模式進(jìn)行傳輸，局部山區(qū)內(nèi)信號(hào)不穩(wěn)，難以滿足定時(shí)數(shù)據(jù)采集要求，影響數(shù)據(jù)時(shí)間一致性和時(shí)效性。建議和所在地通信部門聯(lián)系，增強(qiáng)該地區(qū)信號(hào)強(qiáng)度，保障安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按時(shí)采集。

二是外部環(huán)境。安全監(jiān)測(cè)儀器、設(shè)施大多數(shù)容易遭受破壞，一旦損壞就會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失和不連續(xù)，影響數(shù)據(jù)分析。所以應(yīng)做保護(hù)和宣傳工作，提醒人們對(duì)其重視，減少無意識(shí)損壞。在運(yùn)行管理中加強(qiáng)巡視檢查，一旦發(fā)現(xiàn)損壞應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，且應(yīng)在渠道永久占地內(nèi)，增加部分工作基點(diǎn)保障數(shù)據(jù)采集工作順利開展。

三是人員配置。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)管理人員應(yīng)是具有水工建筑物或安全監(jiān)測(cè)專業(yè)知識(shí)的固定人員，在使用系統(tǒng)時(shí)能根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)管理和分析工具及系統(tǒng)提供的初步判斷，結(jié)合自己的專業(yè)知識(shí)和建筑物長期運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)所管轄內(nèi)的建筑物的安全狀況進(jìn)行判斷，對(duì)于可能發(fā)生的險(xiǎn)情進(jìn)行預(yù)測(cè)，盡可能發(fā)揮安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用。

2.2 閘站監(jiān)控系統(tǒng)

一是設(shè)備設(shè)施。閘站監(jiān)控系統(tǒng)軟件啟動(dòng)服務(wù)后，出現(xiàn)dos窗口顯示數(shù)據(jù)，很多數(shù)據(jù)不經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)很難看懂，同時(shí)軟件出現(xiàn)Bug現(xiàn)象，使采集到的數(shù)據(jù)突然消失，影響數(shù)據(jù)的連續(xù)性。建議對(duì)該軟件進(jìn)行改進(jìn)，杜絕軟件出現(xiàn)Bug現(xiàn)象，服務(wù)顯示窗口數(shù)據(jù)采用漢化版，便于值班人員對(duì)數(shù)據(jù)的理解。

二是分水口門流量計(jì)量。南水北調(diào)中線尤其是京石段通水時(shí)間較長，但是流量計(jì)未進(jìn)行率定，對(duì)渠道沿線流量計(jì)準(zhǔn)確性是否滿足要定不能確定。建議按照要求對(duì)流量計(jì)進(jìn)行按時(shí)率定，保障流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。選取精確標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量設(shè)備，或開發(fā)專用計(jì)量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)中線干線工程和配套工程分水量統(tǒng)計(jì)的協(xié)調(diào)性及一致性。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)及安防監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)及安防監(jiān)控系統(tǒng)只在建筑物和閘站安裝，沿線渠道內(nèi)沒有設(shè)計(jì)，圍網(wǎng)內(nèi)是否有外單位或其他人員進(jìn)入不能實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)輸水安全存在隱患，建議對(duì)渠道沿線合理安裝視頻監(jiān)控和安防系統(tǒng)，使分公司內(nèi)科實(shí)時(shí)監(jiān)控工程沿線狀況，保障安全輸水。

2.4 自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)

自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)涉及通信、信息、自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)電等技術(shù)，涉及面廣，而現(xiàn)有自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)沒有專業(yè)的維護(hù)單位對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，建議盡快將自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)委托給專業(yè)的單位進(jìn)行管理，保障自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)合理、高效運(yùn)行。

自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)的建成是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)“無人值守、少人值班”的必然途徑。目前南水北調(diào)中線河北段工程輸水調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)雖然已投入運(yùn)行，但功能尚未完善，運(yùn)行穩(wěn)定性需進(jìn)一步檢驗(yàn)，建議加快自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)功能完善，系統(tǒng)解決各類接口問題，盡快實(shí)現(xiàn)最終調(diào)度模式。