基于B/S架構的閘門遠程調度設計

蔣 碧，吳有星，汪小東，方 增

(浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324000)

衢州市位于浙江省西部，錢塘江上游.在地理位置上南接福建，西連江西，北鄰安徽，省內與杭州、金華、麗水三市相銜，素有“四省通衢、五路總頭”之稱.衢州市中小流域、水庫、堤壩、閘門眾多，隨著國民經濟的迅猛發(fā)展，水利工程在國民經濟中所起到的作用越來越大.通信、傳感器、計算機等信息技術的快速發(fā)展，使得“互聯(lián)網(wǎng)+水利”的模式得到廣泛應用[1].閘門是水電站、大壩、泵站的關鍵運行設施，其控制系統(tǒng)通常由現(xiàn)地控制單元、遠程PLC等組成[2].水情數(shù)據(jù)采集與閘門自動控制系統(tǒng)在水利調度中的重要性日益顯現(xiàn)，系統(tǒng)安全可靠、操作簡單化、管理智能化在提高水資源利用率方面發(fā)揮著重要作用，成為閘門建設的重要組成部分[3].因此，加快水利工程的信息化進程，將水利工程管理工作逐步從被動轉為主動，從人工管理向智能化邁進，已成為我市各級水利部門的當務之急[4].

1 項目概況

衢州市南環(huán)河位于浙江省衢州市城區(qū)浙西大道南側，西起螺螄墩閘門，東至白沙溪，渠段為梯形斷面，底寬2～3 m，深2～4 m，頂寬6～12 m，長3.35 km，主要功能為排澇、景觀，下游匯入白沙溪.南環(huán)河承擔向下游人民塘、荷花溪和菊花溪提供生態(tài)景觀用水的功能.項目建設對象為南環(huán)河3#閘，其位于衢州市城區(qū)衢化路東側，該閘門建成于2001年，設計過閘流量為11.6 m3/s，其主要功能是控制往南環(huán)河東側排水.

南環(huán)河流域內閘群比較分散，且都處于偏遠地區(qū)，出現(xiàn)狀況時人員難以第一時間到達現(xiàn)場，為了提高水管部門的工作效率并在第一時間解決突發(fā)情況，本系統(tǒng)利用先進的技術手段，結合軟件、硬件、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡等實現(xiàn)流域內的閘群無人值守，通過網(wǎng)絡實時監(jiān)控閘群現(xiàn)地的設備狀況及水情信息，根據(jù)部署在云端的服務結合調度模型計算出閘群的調度預案，調度預案分藍色、黃色和紅色三種，在藍色范圍內對所有的閘群進行無人值守自動開閉；當出現(xiàn)黃色或紅色預案，把調度方案發(fā)送給不同級別的負責人進行審批，審批后閘群進行相應的操作；當紅色預案沒有被及時審批時，系統(tǒng)會自動發(fā)送信息給管理人員和開發(fā)人員，進行人工實時介入干預.

本系統(tǒng)特色包括以下幾點：(1)利用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術手段，結合軟件、硬件、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡等實現(xiàn)流域內的閘群無人值守.(2)實時監(jiān)控閘群的現(xiàn)地設備狀況及水情信息，并通過網(wǎng)絡實時上傳至部署在云端的調度系統(tǒng).(3)云端調度系統(tǒng)根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)，結合調度模型進行計算，得出調度預案，再把預案下發(fā)至終端，終端根據(jù)指令進行閘門的開閉，來調節(jié)流域的水情.(4)調度預案分藍色、黃色和紅色三種，在藍色預案，系統(tǒng)自動對所有的閘門進行無人值守自動開閉;當出現(xiàn)黃色或紅色預案，把預案發(fā)送給不同級別的負責人進行審批，審批后閘群進行動作；當出現(xiàn)紅色預案沒有及時審批，緊急信息發(fā)送給所有的干系包括系統(tǒng)開發(fā)方相應人員，人工能急時介入干預處理緊急情況.

2 閘門遠程控制系統(tǒng)結構

系統(tǒng)主要由系統(tǒng)硬件基礎設施和系統(tǒng)管理軟件平臺組成，其中系統(tǒng)硬件基礎設施包括集中控制中心、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡、現(xiàn)地監(jiān)測控制單元.管理平臺由水位實時監(jiān)測、閘門遠程控制、視頻監(jiān)控、智能報警等子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結構(見圖1).

圖1 閘門遠程控制系統(tǒng)結構圖

3 系統(tǒng)設計

3.1 現(xiàn)地控制單元

(1)閘門控制系統(tǒng)

閘門控制系統(tǒng)，對于解決灌區(qū)閘門控制粗放、流量測量不準確，數(shù)據(jù)獲取不及時，供水調度困難，輸水安全預警能力差等實際問題以及促進行業(yè)技術水平提升和可持續(xù)發(fā)展具有重大作用[5].閘控單元主要包括閘門就地控制LCU柜、閘位計、限位開關、金屬接地開關以及配套的基礎建設等，控制柜應支持就地控制、10 m內遙控器控制和平臺遠程控制3種控制方式，并且具備軟件限位保護、硬件限位包括二重保護功能，方便、安全的實現(xiàn)對閘門的啟閉操作.

(2)水位測報單元

水位測報單元主要包括水位計、無線RTU、太陽能電板、蓄電池、水位計支架、立桿等基礎硬件，實現(xiàn)自動采集水位數(shù)據(jù)并上傳到管理平臺.

(3)視頻語音單元

視頻語音單元主要包括視頻攝像頭、網(wǎng)絡廣播、立桿、線路以及配套基礎等，主要實現(xiàn)對現(xiàn)場圖像的采集和語音喊話預警，攝像頭應具備云臺旋轉功能，可方便調整監(jiān)控角度.

3.2 傳輸網(wǎng)絡

現(xiàn)場采集的信息依靠通信網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)中心，不同的通信方式直接影響信息傳輸?shù)臏蚀_性、時效性、安全性和可發(fā)展性，以及信息化建設的投資規(guī)模等，由于現(xiàn)地單元離城區(qū)比較近，信息傳輸方式可采用租用公網(wǎng)搭建VPN網(wǎng)絡.

3.3 系統(tǒng)管理平臺

傳統(tǒng)的洪水調度系統(tǒng)多采用C/S結構，早期開發(fā)的更是單機版系統(tǒng)，系統(tǒng)只能安裝在固定的電腦上使用，每次只能供一個人使用，無法實現(xiàn)多人、異地同時操作，系統(tǒng)使用極不方便[6].系統(tǒng)平臺以水文水力學技術、自動控制技術和互聯(lián)網(wǎng)信息技術為基礎，主要實現(xiàn)對水位信息、閘門工況信息的采集監(jiān)測以及對現(xiàn)場實時圖像的監(jiān)視.通過采集的數(shù)據(jù)對比預設值，按照預設值對閘群進行精確控制，系統(tǒng)管理平臺主要界面(見圖2).

圖2 閘門遠程調度管理平臺主要界面

(1)水位實時監(jiān)測系統(tǒng)

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設備，可在線實時24 h連續(xù)的采集和記錄監(jiān)測點位的水位參數(shù)情況，實時顯示和存儲監(jiān)測信息，可設定各監(jiān)測點的水位報警限值，當監(jiān)控點位數(shù)據(jù)異常時可自動發(fā)出報警信號.

(2)閘門遠程調度系統(tǒng)

將現(xiàn)場傳感器的數(shù)位模擬量和閘門的開關量數(shù)據(jù)通過遠程數(shù)據(jù)采集終端完成采集，并把采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡主動傳輸至集控中心，集控中心計算機監(jiān)測水閘現(xiàn)場的實時情況，根據(jù)實際情況遠程控制閘門的開關.系統(tǒng)帶有安全限位功能，當電機過載或閘門開度儀超過限制值時自動關閉，保護電機、螺桿和啟閉平臺.

(3)視頻監(jiān)控與語音報警系統(tǒng)

對閘站現(xiàn)場情況進行實時監(jiān)控，采用最新視頻監(jiān)控技術，能實現(xiàn)多路視頻的實時預覽、即時抓拍、云臺控制等功能，并對現(xiàn)場異常情況進行報警喊話，及時通知有關人員注意事項.

(4)智能報警系統(tǒng)

平臺有智能報警功能，無需人工實時觀測，當閘門操作、非法闖閘、設備異常、水位異常等異常情況時自動發(fā)送報警并通知相關工作人員.報警方式包括：現(xiàn)場多媒體聲光報警、網(wǎng)絡客戶端報警、手機短信報警.

(5)智能調度系統(tǒng)

平臺通過歷史數(shù)據(jù)構建水位、閘門開啟度以及過閘流量的關系，再根據(jù)最小動閘的原則確定，并結合實際情況進行預算，從而獲得最佳調度策略，指導調度.

4 系統(tǒng)關鍵技術

4.1 基于MVC5的前端框架

ASP.NET中基于MVC模式的開發(fā)框架與傳統(tǒng)的Web應用程序開發(fā)方式不同，它將用戶輸入、業(yè)務邏輯和用戶界面三者之間分離，從而達到降低開發(fā)復雜性，增強可測試性的目的[7].系統(tǒng)采用該框架有利于通過工程化、工具化管理程序代碼.該框架分為模型、視圖、控制器三部分，其中控制器來聯(lián)接不同的模型和視圖去完成用戶的需求，這樣控制器可以為構造應用程序提供強有力的手段.

4.2 基于WCF的分布式系統(tǒng)設計方式

系統(tǒng)采用WCF分布式設計方式，WCF(windows communication foundation)是用于構建面向服務的應用程序的框架，是由微軟發(fā)展的一組數(shù)據(jù)通信的應用程序開發(fā)接口.使用WCF能實現(xiàn)組件、應用程序、系統(tǒng)之間進行通信，能很好的實現(xiàn)系統(tǒng)的兼容性、互操作性、安全性與統(tǒng)一性.

4.3 基于NHibernate的數(shù)據(jù)庫訪問方式

NHibernate是從Java的Hibernate開源項目移植過來適應.NET平臺的對象/關系數(shù)據(jù)庫映射，利用反射機制，在系統(tǒng)啟動時生成SQL語句，進行對象的持久管理[8].系統(tǒng)采用NHibernate數(shù)據(jù)庫訪問技術，NHibernate對數(shù)據(jù)庫結構提供了較為完整的封裝，它將數(shù)據(jù)庫模式映射為較完全的對象模型，支持封裝，繼續(xù)機制，功能較強大.

5 結 論

閘門遠程控制系統(tǒng)采用現(xiàn)代化的技術手段，運用市場化的硬件產品，解決閘門遠程控制與水情監(jiān)測的關鍵性問題，大幅降低閘站調度的人力物力成本，應用前景非常廣闊.下一步應著手進行閘群聯(lián)合調度的研究，充分考慮河流上下游所有的水利工程運行情況與水情變化，科學制定調度規(guī)則，逐步實現(xiàn)水利工程管理的現(xiàn)代化、智能化、高效化.

參考文獻：

[1] 孫學宏，車 進，張 成.基于GPRS的水利數(shù)據(jù)采集及遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].安徽農業(yè)科學，2009，37(36)：18057-18059.

[2] 高偉中，孟飛鋒.通用閘門開度儀設計[J].浙江水利水電學院學報，2014，26(3)：72-74.

[3] 肖清平，蔣為洲，唐建洲.水利工程綜合自動化信息管理系統(tǒng)的應用研究[J].中華建設，2017(6)：86-87.

[4] 艾 萍.中國水利信息化評估研究與實踐[M].武漢：長江出版社，2011:1-5.

[5] 劉壽輝.水庫遠程自動控制計量閘門控制系統(tǒng)設計[J].中國水運(下半月)，2017,17(1)：145-146.

[6] 王 攀，陳小平，盧林全.寧波周公宅水庫洪水調度信息系統(tǒng)的開發(fā)[J].浙江水利水電學院學報，2015，27(4)：21-27.

[7] 黃東連.基于ASP.NET MVC框架的Web開發(fā)研究[J].河南科技，2015(13)：26-27.

[8] 孫志中，魏嘉銀，秦永彬.基于WCF和NHibernate的軟件架構研究及應用[J].計算機與數(shù)字工程，2015,43(4)：591-595.