南水北調(diào)東線一期工程山東段調(diào)度運行管理系統(tǒng)需求分析與設(shè)計實現(xiàn)

徐永兵，孫水英（山東省水利勘測設(shè)計院，山東濟(jì)南250013）

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南水北調(diào)東線一期工程山東段調(diào)度運行管理系統(tǒng)需求分析與設(shè)計實現(xiàn)

徐永兵，孫水英
（山東省水利勘測設(shè)計院，山東濟(jì)南250013）

南水北調(diào)東線工程是一項旨在緩解山東、天津等北方省市水資源短缺的國家戰(zhàn)略性調(diào)水工程。山東段調(diào)度運行管理系統(tǒng)是山東段干線工程運營管理的支撐系統(tǒng)，對山東段干線工程的高效運行、可靠監(jiān)控、科學(xué)調(diào)度和安全管理起著至關(guān)重要作用。本文從調(diào)度運行系統(tǒng)的需求入手，就系統(tǒng)用戶、輸水工程特點及系統(tǒng)功能等方面展開分析，明確了系統(tǒng)設(shè)計原則，梳理了系統(tǒng)設(shè)計思路，進(jìn)行了系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計。本文還就輸水控制關(guān)鍵技術(shù)方案展開了論證，建議目前采用分三階段進(jìn)行輸水控制方式，待今后條件成熟時再實行實時閉環(huán)自動控制方式。

南水北調(diào)；運行管理系統(tǒng)；需求分析；輸水控制；關(guān)鍵技術(shù)

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.008

南水北調(diào)東線一期山東段工程主干線自蘇魯省界進(jìn)入韓莊運河，經(jīng)臺兒莊、萬年閘、韓莊泵站提水進(jìn)入南四湖的下級湖，由二級壩泵站提水進(jìn)入上級湖，經(jīng)湖內(nèi)航道進(jìn)入梁濟(jì)運河，由長溝、鄧樓泵站提水進(jìn)入柳長河，再由八里灣泵站提水入東平湖，經(jīng)東平湖后，分兩路分別向黃河以北和膠東地區(qū)供水。向黃河北供水線路，經(jīng)穿黃隧洞過黃河，自流進(jìn)入小運河至臨清，一期經(jīng)七一、六五河進(jìn)入大屯水庫；二期經(jīng)穿衛(wèi)樞紐工程向河北省、天津市供水［1］。向膠東地區(qū)供水線路，由東平湖渠首閘引水，經(jīng)膠東輸水干渠輸水，向濟(jì)南市及其以東地區(qū)供水。工程在山東境內(nèi)分為南北、東西兩大輸水干線，形成“T”字形輸水大動脈，干線長1191.81km。

針對山東段工程具有線路長、供水范圍大、用水戶多、控制性建筑物多、水質(zhì)污染源多、影響調(diào)水計劃的因素多、運行管理機(jī)構(gòu)地域分布廣和層次多、管理復(fù)雜、系統(tǒng)龐雜的特點，需采用先進(jìn)的信息采集［2］、信息處理，自動化控制、通信和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)視、數(shù)據(jù)庫及信息管理技術(shù)以及現(xiàn)代化的運營、維護(hù)、管理理念，建設(shè)一套完善的、先進(jìn)的調(diào)度運行管理系統(tǒng)來對工程進(jìn)行運營、維護(hù)和管理，確保山東段干線輸水安全、可靠、長期、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行［3］。

1 需求分析

圍繞著實現(xiàn)供水目標(biāo)，分析工程調(diào)度特點和業(yè)務(wù)流程，系統(tǒng)總體需求歸納為：全線水量統(tǒng)一調(diào)度，全線輸水分段閉環(huán)自動控制，保障全程調(diào)水安全、保障工程運行安全，快速響應(yīng)突發(fā)事件、進(jìn)行調(diào)度會商科學(xué)決策。

1.1 系統(tǒng)用戶分析

（1）主管上級用戶：能夠了解調(diào)水工作情況、水事件處理情況、審批調(diào)水指標(biāo)和計劃，協(xié)調(diào)處理相關(guān)事宜，具有與上級主管部門聯(lián)網(wǎng)和交換數(shù)據(jù)信息的功能。

（2）會商決策用戶：對調(diào)水方案進(jìn)行決策會商，面對突發(fā)事件進(jìn)行分析決策，系統(tǒng)提供的決策信息環(huán)境盡可能地再現(xiàn)現(xiàn)場或者仿真未來情形，為決策者做出正確的決定提供依據(jù)。

（3）調(diào)度作業(yè)用戶：從事調(diào)水運行方案制定、調(diào)度計劃編制、實施調(diào)水計劃監(jiān)控、工程運行監(jiān)測與日常管理。

（4）普通員工用戶：需要進(jìn)行日常辦公、公文及文件處理、各種信息查詢和互聯(lián)網(wǎng)信息瀏覽。

（5）社會公眾用戶：需要了解供水水質(zhì)信息、水量信息，以及用戶取水許可、用水申請、繳納水費等內(nèi)容。

1.2 輸水工程調(diào)度分析

1.2.1 輸水工程特點

時空差異大：山東段三片輸水時間不同，其中魯南片從南四湖、東平湖引水，引水時間為240天；膠東片從膠東干線引水，引水時間按膠東干線總體水量調(diào)度方案設(shè)置；魯北片從魯北干線引水，引水時間122天。時空差異大決定了調(diào)水控制方式，要求最終應(yīng)具有全線實時閉環(huán)自動控制功能和分三片實時閉環(huán)自動控制功能。

調(diào)水過程控制復(fù)雜：工程調(diào)水與防洪、排澇、灌溉和航運等功能相互結(jié)合，而且沿線跨越的河流及道路眾多，各類水工建筑物眾多，沿線取水口門眾多，輸水過程復(fù)雜；東平湖以南采用梯級泵站提水方式輸水，魯北和膠東地區(qū)采用節(jié)制閘、分水口門控制方式自流輸水，需要考慮聯(lián)調(diào)聯(lián)控，由于采取分區(qū)供水、按時供水，輸水控制方式復(fù)雜。

水資源分配復(fù)雜：東線工程存在本地水與客水的混合配置問題，在供水區(qū)內(nèi)存在現(xiàn)有的跨流域調(diào)水和新增的調(diào)水并存情況，水資源調(diào)配比較復(fù)雜。

水質(zhì)安全隱患多：沿線周邊經(jīng)濟(jì)快速增長帶來排污量的日益增加，城鎮(zhèn)、船舶生活污染還沒有得到有效控制，加之突發(fā)性污染事故時有發(fā)生，水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)艱巨。要有實時的、有效的水質(zhì)監(jiān)測手段和水質(zhì)信息收集手段對輸水沿線河道、湖泊、水庫和各支流匯入輸水河道的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測［4］。

渠道安全隱患多：山東段有不少河流是用于防洪、排澇的，工程安全較易受洪水影響。冰期輸水使得工程安全問題尤為突出，需要全面收集工程運行信息，準(zhǔn)確分析判斷、及時預(yù)警，以保障工程的安全運行。

系統(tǒng)龐大復(fù)雜：東線工程是一項跨流域的長距離特大型調(diào)水工程，跨越區(qū)域廣、工程規(guī)模大、建筑物多、實時控制性強(qiáng)，工程運行調(diào)度管理非常復(fù)雜，需要先進(jìn)的自動化調(diào)度系統(tǒng)作支撐。

1.2.2 輸水工程分類

正常調(diào)度：根據(jù)各分水口門的供水計劃，確定各段的輸水流量。

非常調(diào)度：供水運行的非常調(diào)度情況有以下幾個方面：冰期輸水、渠道局部檢修、計劃停水檢修、應(yīng)急調(diào)水、突發(fā)事故。

1.3 輸水調(diào)度建設(shè)重點

（1）開發(fā)建設(shè)內(nèi)容全面、概化與模型適用范圍基本獨立的水量分配調(diào)度模型；開發(fā)建設(shè)以此模型為基礎(chǔ)的、功能完善、適用方便的水調(diào)業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)，是實現(xiàn)本工程調(diào)水目標(biāo)的核心。為保證水調(diào)業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)的運行，需要閘站監(jiān)控、視頻監(jiān)視、水質(zhì)監(jiān)測、工程安全監(jiān)測、綜合辦公等一系列功能的支持。

（2）建設(shè)完善的信息采集系統(tǒng)是水量調(diào)度運行管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括自動采集、人工上報、外單位接入的各類信息，信息種類包括受水區(qū)社會、經(jīng)濟(jì)、生活、氣象、水文、需水、用水信息，東線全線氣象、水情、工程運行、工程安全、視頻監(jiān)視、水質(zhì)信息、黃河、淮河、相關(guān)防汛信息等［5］。

（3）建設(shè)穩(wěn)定可靠、安全快捷的閘（泵）站監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控的對象類型較多，包括泵站、閘站、分水口門、退水閘等，對泵、站、分水口門、退水閘實時進(jìn)行監(jiān)測和控制將是泵工程實現(xiàn)正常輸水后的日常工作任務(wù)。

1.4 系統(tǒng)功能及數(shù)據(jù)需求分析

總體功能需求包括正常情況下如何調(diào)水、緊急情況下如何調(diào)水、遇到重大問題時有決策會商環(huán)境、用于調(diào)水的輔助功能及滿足企業(yè)運營管理的相關(guān)功能等。山東段調(diào)度運行管理系統(tǒng)的功能需求如圖1所示。

根據(jù)對調(diào)度運行管理的功能需求分析，系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)包括如下幾類：水量調(diào)度數(shù)據(jù)、閘（泵）站監(jiān)控數(shù)據(jù)、工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、水情監(jiān)測數(shù)據(jù)、工程管理數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)、水量調(diào)度仿真數(shù)據(jù)等。

1.5 系統(tǒng)性能及接口需求分析

要求系統(tǒng)功能齊全、響應(yīng)速度快、人機(jī)界面友好、易操作、易維護(hù)、具有較強(qiáng)的容錯能力，與相關(guān)系統(tǒng)、平臺、數(shù)據(jù)等的接口設(shè)計全面清晰，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全可靠。

本系統(tǒng)是一個涉及區(qū)域廣、龐大的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，需要獲得外部水情、雨情、洪水預(yù)報信息，以充分利用社會資源［6］；同時，向外部提供調(diào)水有關(guān)信息服務(wù)社會，主要接口：

（1）主管部門：國調(diào)辦、水利部、省水利廳等上級主管部門，系統(tǒng)向上報送、請示，或回報情況，其接口可以是遠(yuǎn)程終端，也可能是專線應(yīng)用系統(tǒng)級的聯(lián)網(wǎng)。

（2）有關(guān)部委：如：國家防辦、省氣象部門、國土資源局、國家地震局等有關(guān)業(yè)務(wù)部門，相互之間互通信息，保障水量調(diào)度業(yè)務(wù)的正常運行，其接口可以是專線數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。

圖1 南水北調(diào)東線工程山東段調(diào)度運行管理系統(tǒng)的功能需求分析示意圖

（3）沿線防汛部門：與省水利廳（省防辦）等單位互通需水信息或者防汛信息，其接口可以是專線數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。

（4）淮委、黃委、海委等流域機(jī)構(gòu)，相互之間互通信息，其接口可以是專線數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。

（5）國家級業(yè)務(wù)系統(tǒng)，南水北調(diào)山東段調(diào)度運行管理系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，反恐、水質(zhì)、安全等方面將與國家級應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)相協(xié)調(diào)一致。

2 總體設(shè)計方案

2.1 設(shè)計原則

（1）堅持設(shè)計的科學(xué)性、合理性和公正性。

（2）堅持設(shè)計的統(tǒng)一性、完整性和先進(jìn)性。

（3）堅持“實用先進(jìn)、高效可靠”的原則。

（4）遵循“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)籌實施”的建設(shè)原則。

（5）要從各個層面進(jìn)行安全系統(tǒng)設(shè)計，確保系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)、可靠、安全運行。

2.2 設(shè)計思路

在對項目的特點、難點進(jìn)行深入分析和全面理解的基礎(chǔ)上，緊緊圍繞著水量調(diào)度運行管理特點，分析研究系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵問題，以調(diào)水業(yè)務(wù)為核心，以全線自動控制為重點，統(tǒng)籌考慮工程運行管理、綜合辦公要求，開發(fā)建設(shè)能夠應(yīng)對各種調(diào)水突發(fā)事件和調(diào)度決策的會商系統(tǒng)，滿足水量調(diào)度以及相關(guān)業(yè)務(wù)的用戶需求；進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲系統(tǒng)建設(shè)，做到采集數(shù)據(jù)全面、傳輸及時、數(shù)據(jù)暢通、信息共享，為調(diào)度決策提供功能強(qiáng)大的支持環(huán)境。充分考慮系統(tǒng)建設(shè)的開放性、可靠性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計

山東段調(diào)度運行管理系統(tǒng)是一個作業(yè)運行性強(qiáng)、決策支持要求高、用戶眾多的復(fù)雜系統(tǒng)。以水調(diào)業(yè)務(wù)為主，涉及設(shè)備控制、圖像監(jiān)控、工程安全監(jiān)測，水質(zhì)監(jiān)測、工程防洪預(yù)警、運行維護(hù)、自動化辦公和綜合會商等各個方面。具有空間跨度大，控制節(jié)點多，工程運行管理控制復(fù)雜，自動化、集成化要求高的特點。其系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容十分廣泛，涉及到信息采集、傳輸、存儲、信息標(biāo)準(zhǔn)與管理、應(yīng)用系統(tǒng)等的建設(shè)。整個項目將運用先進(jìn)的水利和信息技術(shù)，以數(shù)據(jù)的自動采集、泵/閘站的遠(yuǎn)程自動控制、虛擬現(xiàn)實與模型仿真、寬帶網(wǎng)絡(luò)、大容量數(shù)據(jù)存取和處理、智能化信息提取、動態(tài)互操作、地理信息系統(tǒng)等為技術(shù)基礎(chǔ)，全面、及時地采集所需數(shù)據(jù)，快速進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，安全可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲管理。并以業(yè)務(wù)流程為主線，采用多層結(jié)構(gòu)化軟件系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的方式進(jìn)行建設(shè)，為水量調(diào)度、信息監(jiān)測與管理、工程管理、綜合辦公、綜合會商等業(yè)務(wù)提供數(shù)字化的操作平臺和決策支撐環(huán)境。在該系統(tǒng)的支持下，全面提高水量調(diào)度等各項業(yè)務(wù)的處理能力，實現(xiàn)調(diào)水過程的自動化，保證全線調(diào)水安全，并運用綜合信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)企業(yè)管理現(xiàn)代化。

系統(tǒng)邏輯構(gòu)成包括：應(yīng)用系統(tǒng)、閘（泵）站監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)用支撐平臺、數(shù)據(jù)資源管理平臺、信息采集系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、系統(tǒng)實體運行環(huán)境、安全體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、建設(shè)運行管理體系等十一部分，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 南水北調(diào)東線山東段調(diào)度運行管理系統(tǒng)總體框架圖

3 輸水控制關(guān)鍵技術(shù)方案論證

一期工程南四湖下級湖和上級湖均具有輸水和調(diào)蓄功能［7］，但上級湖在調(diào)蓄時不允許抬高上級湖的正常蓄水位，在達(dá)到正常蓄水位時，要求調(diào)水在南四湖上級湖進(jìn)出平衡；東平湖的大汶河來水已在黃河水資源中分配，不再作為供水水源，只考慮其對調(diào)水水位的影響。東平湖擔(dān)負(fù)著重要的防汛任務(wù)，雖有調(diào)蓄能力，但在輸水期間調(diào)蓄能力不利用，即東平湖輸水期間沒有調(diào)蓄職能，要求調(diào)水隨進(jìn)隨出［8］。因此可以將南四湖上級湖和東平湖看作是特殊輸水河道。其輸水方式如圖3所示。

圖3 南水北調(diào)東線山東段輸水形式示意圖

3.1 分三階段進(jìn)行輸水控制

與東平湖連接的魯北段、膠東段及八里灣泵站至鄧樓泵站段，在輸水期間都不能進(jìn)行調(diào)蓄，對輸水控制都有實時性要求，而東平湖在南水北調(diào)輸水期間也不起調(diào)蓄作用，因此，上述圍繞東平湖三段輸水應(yīng)采用實時閉環(huán)自動控制方式。

由于二級壩泵站至韓莊泵站段之間有下級湖調(diào)蓄，二級壩泵站至鄧樓泵站段之間的梁濟(jì)運河也有一定的槽蓄作用，對輸水控制的實時性要求不高，但有及時性要求。韓莊運河調(diào)蓄能力較小，要求3座泵站聯(lián)動控制。另外三段之間還需進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度控制，以保證開放式河道輸水，引調(diào)水水量不流失。詳見圖4。

圖4 分三階段進(jìn)行輸水控制方式示意圖

3.2 分兩階段進(jìn)行輸水控制

東平湖、南四湖上級湖、梁濟(jì)運河在達(dá)到正常蓄水位時輸水按過水河道考慮，要求由下級湖經(jīng)二級壩泵站抽上來的北調(diào)水及時輸走，不能再占用上級湖、東平湖的庫容，因此，魯北段、膠東段、兩湖段以及二級壩泵站采取實時閉環(huán)集中控制方式。

由于南四湖下級湖有調(diào)蓄作用，上級湖與韓莊運河之間可以分片區(qū)進(jìn)行輸水控制。兩片區(qū)之間雖對實時性要求不高，但有及時性要求，因此，兩段之間還需進(jìn)行聯(lián)動控制，以保證開放式河道輸水，引江北調(diào)水水量不流失。詳見圖5。

圖5 分兩階段進(jìn)行輸水控制方式示意圖

3.3 實時閉環(huán)自動控制

不管采用三段控制還是兩段控制，為保證開放式河道輸水，調(diào)水水量不流失，段間還需要統(tǒng)一調(diào)度、聯(lián)動控制。因此，方案三采用全線實時閉環(huán)自動控制方式，這也是“無人值班，少人值守”最終目標(biāo)。詳見圖6。

圖6 實時閉環(huán)自動控制方式輸水控制方式示意圖

3.4 論證結(jié)果

由于實時閉環(huán)自動控制方式對閘泵站監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠性和網(wǎng)絡(luò)的安全性要求較高，要求雙路由，設(shè)備雙備份，因此投資比較大。一般用于沒有調(diào)蓄設(shè)施的自流輸水方式。因若實時閉環(huán)自動控制方式出現(xiàn)問題，即閘門監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)問題極易造成水溢渠壩、漫堤、渠堤坍塌、潰堤等事故，不僅造成設(shè)備損毀、水泵損壞，還會給周邊地區(qū)人民生命財產(chǎn)帶來損失，因此必需確保自流輸水時閘站監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠性和網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性。目前泵站、水庫等現(xiàn)地采用“有人值班，少人值守”、節(jié)制閘及分水口門等采用“無人值班，少人值守”的運行方式，考慮工期緊，為保證按時完工、節(jié)省工程投資、降低運維費用，采用分三階段進(jìn)行輸水控制方式。待今后條件成熟時或在二期中再進(jìn)行升級。

4 結(jié)語

山東段調(diào)度運行管理系統(tǒng)是山東段干線工程運營管理的支撐系統(tǒng)，對山東段干線工程的高效運行、可靠監(jiān)控、科學(xué)調(diào)度和安全管理起著至關(guān)重要作用。系統(tǒng)將為南水北調(diào)東線山東干線水量調(diào)度自動化、決策科學(xué)化、企業(yè)管理現(xiàn)代化奠定基礎(chǔ)，也為今后南水北調(diào)東線全線聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)自動化調(diào)度奠定了基礎(chǔ)。我們根據(jù)調(diào)度運行系統(tǒng)需求，進(jìn)行了系統(tǒng)方案的總體設(shè)計。根據(jù)南水北調(diào)東線山東段工程特點，建議目前采用分三階段進(jìn)行輸水控制方式，待今后條件成熟時再實行實時閉環(huán)自動控制方式。

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1672-2469（2016）01-0019-06

2015-09-02

徐永兵（1981年—），男，工程師。