疏勒河昌馬水庫信息管理控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

【摘要】根據(jù)昌馬水庫管理運(yùn)行情況，研究開發(fā)出了昌馬水庫信息控制管理系統(tǒng)，將閘門開度儀及雷達(dá)物位計(jì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高了水庫管理效率，實(shí)現(xiàn)了水庫管理現(xiàn)代化。

【關(guān)鍵詞水庫控制管理；物位計(jì)；開發(fā)

1、引言

昌馬水庫是甘肅省河西走廊（疏勒河）農(nóng)業(yè)灌溉暨移民安置綜合開發(fā)項(xiàng)目的龍頭工程，總庫容1.934億m3，是以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧工業(yè)供水、水力發(fā)電和防汛等綜合利用的大（2）型水利樞紐。由于水庫管理工作人員少，水庫管理信息化程度不高，水庫管理工作存在著諸多的不利因素。

1 水位觀測存在諸多困難。昌馬水庫所在庫區(qū)位置常年多風(fēng)，庫區(qū)水面起伏不定，人工水位觀測難度大精度低；在冬季枯水期昌馬水庫蓄水位達(dá)到設(shè)計(jì)洪水位2000.8m，高水位蓄水期間要求水庫運(yùn)行管理人員加強(qiáng)觀測，實(shí)行24小時(shí)不間斷觀測制度，運(yùn)行人員觀測水位，夜間觀測不準(zhǔn)確且不安全；在每年的7月水庫放空后，上游來水直進(jìn)直出，因庫底沒有水尺，無法觀測水位，只能依靠上游水文站提供流量數(shù)據(jù)。

2 水庫巡視管理難度大。冬季天氣嚴(yán)寒，極端氣溫達(dá)到-38℃，運(yùn)行人員夜間巡視不可預(yù)知危險(xiǎn)因素較多。

3 水庫信息管理程度低。水庫水文觀測數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行人工整理，數(shù)據(jù)的查詢使用很不方便，不能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、記錄、分析的全程數(shù)字化。

4 閘門設(shè)備啟閉操作信息化控制手段薄弱。閘門操作必須現(xiàn)場人工操作，一人監(jiān)護(hù)，一人操作，加之水庫通訊設(shè)施不完善，遠(yuǎn)程現(xiàn)場不能及時(shí)準(zhǔn)確的得到閘門控制信息。

茲于以上原因，昌馬水庫信心控制管理系統(tǒng)應(yīng)用而生，解決汛期低水位、人工觀測精度低和冬季高水位觀測難度大等問題。

2、系統(tǒng)介紹及硬件構(gòu)成

昌馬水庫信息管理控制系統(tǒng)充分考慮了庫區(qū)水利設(shè)施建設(shè)、水資源環(huán)境狀況、水庫工程現(xiàn)狀、以及生態(tài)環(huán)境與水資源的關(guān)系等特點(diǎn)，主要服務(wù)于水庫管理過程中存在的一些問題的解決，并根據(jù)需要對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。系統(tǒng)的技術(shù)路線是利用水資源信息的監(jiān)測和獲取技術(shù)、信息分析和數(shù)據(jù)集成與可視化技術(shù)、決策支持技術(shù)等技術(shù)原理與方法，利用現(xiàn)代信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了庫區(qū)信息化平臺和應(yīng)用系統(tǒng)地建設(shè)。

根據(jù)昌馬水庫自動觀測水位的研究項(xiàng)目需要，并充分考慮水庫現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上，構(gòu)建昌馬水庫信息管理控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件主要組成部分包括：

雷達(dá)物位計(jì)：雷達(dá)物位計(jì)天線發(fā)射及窄的微波脈沖，這個脈沖以光速在空間傳播，遇到被測介質(zhì)表面，其部分能量被反射回來，被同一天線接收。發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔與天線到被測介質(zhì)表面的距離成正比。由于電磁波的傳播速度極高，發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔很?。{秒量級）很難確認(rèn)，90X系列26G雷達(dá)物位計(jì)采用一種特殊的解調(diào)技術(shù)，可以準(zhǔn)確識別發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔，從而進(jìn)一步計(jì)算出天線到被測介質(zhì)表面的距離。

開度傳感器：稱閘門開度測控儀是由絕對值型旋轉(zhuǎn)編碼器、自動收纜裝置或或其它形式的耦合器、顯示、控制器、傳輸電纜、RS485數(shù)字通信接口等部分組成，閘門運(yùn)動通過耦合器帶動傳感器旋轉(zhuǎn)，即可輸出與閘位相對應(yīng)的格雷碼編碼信號。

PLC：可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

光纖收發(fā)器：光纖收發(fā)器，是一種將短距離的雙絞線電信號和長距離的光信號進(jìn)行互換的以太網(wǎng)傳輸媒體轉(zhuǎn)換單元，在很多地方也被稱之為光電轉(zhuǎn)換器（Fiber Converter）。

終端盒：終端盒系列產(chǎn)品是光纖傳輸通信網(wǎng)絡(luò)中終端配線的輔助設(shè)備，終端盒主要用于光纜終端的固定，光纜與尾纖的熔接及余纖的收容和保護(hù)。

交換機(jī)：用于電信號轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它可以為接入交換機(jī)的任意兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)享的電信號通路。

視頻監(jiān)控：采用可360度旋轉(zhuǎn)的高清攝像頭。

系統(tǒng)各組成部分通過信號線進(jìn)行連接，以完成管理控制系統(tǒng)的信號采集、反饋任務(wù)。系統(tǒng)的運(yùn)行關(guān)系如下圖所示。

系統(tǒng)的運(yùn)行關(guān)系圖

3、系統(tǒng)軟件功能構(gòu)成

昌馬水庫信息管理控制系統(tǒng)基本可分為三部分：監(jiān)測部分、傳輸部分、應(yīng)用部分。

監(jiān)測部分主要用于對水庫水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，并實(shí)時(shí)反饋；數(shù)據(jù)傳輸部分用于將監(jiān)測所得數(shù)據(jù)、信號化信息、拍攝水庫實(shí)況等傳輸至信息中心數(shù)據(jù)庫，以及應(yīng)用部分；應(yīng)用部分水庫聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)、水情實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)以及渠系閘門自動監(jiān)控該系統(tǒng)，主要是數(shù)據(jù)反饋信息的執(zhí)行部分?？刂葡到y(tǒng)通過三部分的連接，可實(shí)現(xiàn)功能如下：

1 水位觀測功能：實(shí)現(xiàn)水位自動監(jiān)測，水位觀測精度達(dá)到了厘米級別；

2 閘門遠(yuǎn)程控制：實(shí)現(xiàn)閘門遠(yuǎn)程控制，并且實(shí)時(shí)顯示閘門開度等狀態(tài)；

3 水位歷史曲線：對采集到的水位進(jìn)行處理后繪制成的線條，查看歷史水位變化情況；

4 登錄操作事件：記錄登錄及登陸后進(jìn)行的操作事件。

5 視頻監(jiān)控：在溢洪道、發(fā)電洞、排砂洞檢修閘門、排砂洞工作閘門處設(shè)置了

6處高清旋轉(zhuǎn)式攝像頭，對水庫現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控。

4、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

4.1 水位自動監(jiān)測

雷達(dá)物位計(jì)是通過雷達(dá)發(fā)射微波脈沖，微波脈沖遇到水面后反射，雷達(dá)物位計(jì)接收水面反射的微波脈沖，通過時(shí)間差測算出雷達(dá)距離水面距離，并將測算得到的距離轉(zhuǎn)化成4-20ma電信號（0-40m量程）。

水面高程計(jì)算如下：

H—水面高程；

HW—雷達(dá)物位計(jì)安裝高程；

t—時(shí)間差；

V—微波脈沖波速。

由于風(fēng)的影響，物位計(jì)采集到的水位會隨著波浪起伏而變化。因此，必須對物位計(jì)采集到的水位值進(jìn)行一定的處理，根據(jù)信號干擾以及波浪上下起伏的特點(diǎn)，本次數(shù)據(jù)處理采用算術(shù)平均值的方法。

對某一量進(jìn)行一系列等精度測量，由于存在隨機(jī)誤差，其測得值皆不相同，應(yīng)以全部測得值的算術(shù)平均值作為最后的測量結(jié)果。

算術(shù)平均值的意義：在系列測量中，被測量所得的值的代數(shù)和除以n而得的值成為算術(shù)平均值。

雷達(dá)物位計(jì)每秒采集到一個數(shù)據(jù)，在90秒內(nèi)可以得到x1，x2，……，x90，共90個數(shù)據(jù)，取得這90個數(shù)據(jù)的平均值，隨著時(shí)間的推移，可以得到其中，

所以，組態(tài)王程序每個90秒便可得到一個水位值，通過水位值，可以得到與水位值一一對應(yīng)的水庫庫容、庫區(qū)面積。

4.2 水位監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差分析

為了更好的驗(yàn)證雷達(dá)物位計(jì)的準(zhǔn)確性，從2014年2月份開始至2014年12月底，對雷達(dá)物位計(jì)經(jīng)過半年的運(yùn)行和比測，該儀器性能非常穩(wěn)定，精度非常高。本次比測嚴(yán)格按GB/T 50138-2010《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。比測的水位變幅為1956.29m-2001.23m。時(shí)間為4個月。主要采用每天8時(shí)和2月份的最高水位及5月最低水位人工整點(diǎn)觀測的水位值，共計(jì)120組數(shù)據(jù)與雷達(dá)物位計(jì)值作對比分析，二者關(guān)系為換算系數(shù)為1.0，測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Se=0.2%，隨機(jī)誤差為0.4%，系統(tǒng)不確定度為0.8cm，置信水平95%的綜合不確定度為0.8cm，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求。

4.3 其他觀測數(shù)據(jù)的處理

水位觀測數(shù)據(jù)、閘門控制數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、管理系統(tǒng)登錄及操作數(shù)據(jù)都將以數(shù)字化形式存入系統(tǒng)管理中，操作人員可以隨時(shí)調(diào)取軟件運(yùn)行期間內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，每一條操作都會被記錄在案。

5、結(jié)語

疏勒河昌馬水庫信息管理控制系統(tǒng)的建成加快了疏勒河流域水資源管理局水利信息化建設(shè)步伐，保證了疏勒河灌區(qū)產(chǎn)生良好的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。通過實(shí)施水利信息化，利用當(dāng)今比較先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，建成疏勒河昌馬水庫信息管理控制系統(tǒng)，以全面提高疏勒河管理局的管理技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)水資源的合理配制和優(yōu)化調(diào)度。昌馬水庫信息管理控制系統(tǒng)的建設(shè)，為促進(jìn)科學(xué)化、規(guī)范化和現(xiàn)代化管理提供了有力的科學(xué)支撐，取得了以下幾方面的明顯成效：

1 減輕了水庫觀測人員的工作負(fù)擔(dān)。依靠自動化系統(tǒng)提供快速及時(shí)、準(zhǔn)確可靠的工程信息，對水庫安全運(yùn)行、水雨情、突發(fā)事件及歷史事件等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控和記錄，最大程度上降低了因天氣因素帶來的觀測不便、觀測實(shí)時(shí)等影響，減小了工作強(qiáng)度，減輕了工作負(fù)擔(dān)。同時(shí)，昌馬水庫擔(dān)負(fù)著給灌區(qū)供水的重要任務(wù)，建成信息化控制管理系統(tǒng)可以方便快捷的實(shí)現(xiàn)灌水的配置和調(diào)度，大大節(jié)約了人力成本。

2 有效提高了水庫的現(xiàn)代化管理水平。通過快速、準(zhǔn)確的信息傳遞，克服了過去對突發(fā)事件防范能力差的缺陷，可以通過水情及大壩安全的動態(tài)監(jiān)測和預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故，迅速做出反應(yīng)，為防洪排澇、水資源優(yōu)化配置等決策提供科學(xué)依據(jù)。疏勒河昌馬水庫信息管理控制系統(tǒng)是從工程水利向資源水利轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利、可持續(xù)發(fā)展水利轉(zhuǎn)變；從過去重點(diǎn)對水資源的開發(fā)、利用和治理，轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒Y源的開發(fā)、利用和治理的同時(shí)，更為注重對水資源的配置、節(jié)約和環(huán)境生態(tài)保護(hù)；從過去對水質(zhì)、水量、水能的分別管理轉(zhuǎn)變?yōu)閷λY源的統(tǒng)一配置、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理，在這個歷史轉(zhuǎn)變過程中，水利信息化是實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)變的重要技術(shù)基礎(chǔ)和前提，通過現(xiàn)代化的管理手段，實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置，這也是水利現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。

3 極大提高了水庫的運(yùn)行效益。水庫信息控制管理系統(tǒng)的建成，提高了信息的可靠性和科學(xué)性，可以進(jìn)一步挖掘水庫的潛力，實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)合理調(diào)配，加強(qiáng)水庫運(yùn)行的可靠性，充分利用洪水資源，增加興利效益。 疏勒河昌馬水庫信息管理控制系統(tǒng)建成以水庫水情、大壩與閘門運(yùn)行狀態(tài)信息自動采集為基礎(chǔ)，以公專結(jié)合的信息網(wǎng)絡(luò)平臺為支撐，以水庫工程的安全運(yùn)行為主體，以水庫信息管理與決策支持為核心，以水庫閘門的自動化監(jiān)控為手段，實(shí)現(xiàn)水庫調(diào)度與水資源統(tǒng)一管理和優(yōu)化配置，全面提高水資源的利用率和水利工程管理水平，增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)能力，為玉門、瓜州農(nóng)業(yè)發(fā)展起到重要的作用，為當(dāng)?shù)靥峁┝溯^好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益，為敦煌生態(tài)項(xiàng)目提供了保障基礎(chǔ)。

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作者簡介：周會榮，男，漢，甘肅玉門，本科，助理工程師，所長，主要從事水庫和水電站的運(yùn)行管理工作及水利水電工程施工管理。