潘莊灌區(qū)綜合信息調度管理系統(tǒng)規(guī)劃設計與研究

王珊珊

(德州市水利勘察設計研究院，山東 德州 253014)

德州市潘莊引黃灌區(qū)東接李家岸引黃灌區(qū)，南依黃河與濟南市對望，西臨聊城市，西北以衛(wèi)運河、漳衛(wèi)新河為界與河北省毗鄰。潘莊灌區(qū)控制灌溉面積500萬畝，渠首設計流量124m3/s，屬大型灌區(qū)。

潘莊引黃灌區(qū)信息化建設目標為：搭建高標準、穩(wěn)定可靠的灌區(qū)云數(shù)據平臺，實現(xiàn)灌區(qū)全方位、全時空的信息采集傳輸；實現(xiàn)灌渠調水、輸水、配水的智慧化綜合調度及動態(tài)化、精細化、定量化管理。

1 潘莊灌區(qū)綜合信息調度管理系統(tǒng)規(guī)劃的主要內容

綜合信息化調度管理系統(tǒng)主要內容包括：灌區(qū)基礎信息管理，干支渠基礎信息管理；灌區(qū)主要水工建筑物信息采集監(jiān)測及智能化控制；灌區(qū)雨量、墑情信息監(jiān)測管理；視頻信息管理；物聯(lián)網平臺管理；智慧灌溉建模，用水、節(jié)水綜合應用分析；流域水質分析及預警；標準化架構、模塊化擴展；綜合分析、統(tǒng)計報表、實現(xiàn)科學輔助決策；支持農作物信息管理、水肥一體化管理等現(xiàn)代農業(yè)領域的業(yè)務對接；支持大數(shù)據業(yè)務分析發(fā)掘和拓展。

2 潘莊灌區(qū)綜合信息化管理系統(tǒng)的架構

潘莊灌區(qū)綜合信化管理系統(tǒng)以輸配水、農業(yè)灌溉業(yè)務需求為主導，以干渠水工建筑物監(jiān)控、管理為基礎，以信息傳輸為紐帶，通過建設光纖局域網絡、VPN專線網絡實現(xiàn)系統(tǒng)內監(jiān)測數(shù)據、視頻圖像等信息的綜合管理和智能分析應用。

管理所與各水工建筑物之間通過光纖組成局域網絡，并在趙莊管理所匯總，與潘莊引黃灌區(qū)管理局信息中心之間通過百兆VPN專線建立可靠通訊連接。

管理局信息中心部署核心交換機、數(shù)據服務器、視頻管理平臺、數(shù)據庫軟件、綜合信息化應用系統(tǒng)軟件等。各單項建筑物所有測控數(shù)據通過網絡實時傳輸?shù)叫畔⒅行臄?shù)據平臺，經信息化平臺系統(tǒng)統(tǒng)一綜合分析、利用、管理。灌區(qū)各管理所通過光纖局域網絡各自管轄范圍內的視頻監(jiān)控信息進行當?shù)卮鎯Γ芾砭中畔⒅行目呻S時查看、調取相關需要的視頻信息。

圖1 系統(tǒng)總體設計結構圖

3 潘莊灌區(qū)綜合信息化管理系統(tǒng)關鍵點

潘莊灌區(qū)綜合信化管理系統(tǒng)規(guī)劃設計的關鍵點有三個：遠程測控可以獲取信息，通訊網絡能夠傳輸信息，云數(shù)據平臺用來分析、存儲和管理信息。

3.1 通訊網絡

3.1.1網絡結構

灌區(qū)管理局信息中心與趙莊管理所分中心之間通過VPN專線寬帶通訊，其余各管理所分中心、干渠節(jié)制閘、分水口門、泵站之間采用鋪設光纖組成光纖局域環(huán)網的方式通訊，較偏僻的田間灌溉數(shù)據監(jiān)測站點通過GPRS方式與信息中心通訊。

圖2 通訊網絡總體結構示意圖

3.1.2網絡選用分析

(1)光纖局域網絡選擇分析

光纖網絡以其統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議和CSMA/CD多路訪問方式，具有廉價、高速、簡易、方便的特性。

由于各管理所與管理局信息中心之間的通訊網絡既要進行監(jiān)控數(shù)據傳輸，又要進行圖像傳輸，帶寬需求較大，采用高速以太網絡可以較好地滿足傳輸?shù)膸捫枨蟆?/p>

通過實際勘查，灌區(qū)各管理所均分布在渠道上或渠道附近，鋪設光纖不存在征地、協(xié)調等問題，光纖可沿渠道機械開挖敷設，具備較好的施工條件，且具有經濟性。根據工程特點，光纖沿渠道兩側敷設，組成高度穩(wěn)定可靠地冗余環(huán)網，可最大程度地保證控制和視頻通訊的安全可靠性。

(2)VPN專線網絡選擇分析

VPN專線網絡比光纖局域網絡維護安裝成本低，比普通公共網絡加密隧道安全性高。

灌區(qū)管理局位于禹城縣城內，距離最近的趙莊管理所約20km，之間村莊、道路、河流密集分布，若采用鋪設光纖的方式會有征地、借道、避讓等各項問題，協(xié)調難度大，施工干擾因素多，且施工和維護費用高，經濟性很差。故灌區(qū)管理局信息中心與趙莊管理所分中心之間通過VPN專線寬帶通訊。

3.2 云數(shù)據平臺

潘莊引黃灌區(qū)管理局辦公樓開設獨立機房作為信息中心，部署2臺高性能數(shù)據庫服務器、2臺應用服務器、1臺GIS服務器、1臺視頻服務器及計算機管理站、千兆網絡交換機、路由器、防火墻等設備，配合高速通訊網絡，組建起先進可靠的灌區(qū)云數(shù)據平臺。云數(shù)據平臺作為灌區(qū)業(yè)務數(shù)據的存儲中心和數(shù)據管理中心，支持系統(tǒng)內的數(shù)據交換與共享、各業(yè)務部門應用系統(tǒng)的建設、中心機房的宏觀決策、與相關部門的業(yè)務協(xié)同。

云數(shù)據平臺基于云計算技術，構建從源端到云端的架構體系，實現(xiàn)數(shù)據采集、傳輸、分析、存儲、預警等功能。系統(tǒng)主要由數(shù)據采集層、傳輸網絡層、數(shù)據層、應用支撐層、業(yè)務應用層、應用交互層等六個核心層。

圖3 信息中心云平臺系統(tǒng)示意圖

3.2.1數(shù)據采集層

數(shù)據采集層是水利信息化系統(tǒng)數(shù)據的主要來源，為業(yè)務應用提供基礎數(shù)據。數(shù)據采集的對象主要包括灌區(qū)渠道、調水閘、分水口門、泵站、行政邊界斷面、田間墑情等。采集信息有水位信息、流量信息、墑情、雨情、視頻信息、設備的運行狀態(tài)信息等。此外，還包括人工錄入和從其他系統(tǒng)接入的數(shù)據信息。

3.2.2傳輸網絡層

傳輸網絡層為信息化數(shù)據傳遞提供可靠的通道，主要是通過VPN寬帶網絡、光纖網絡、無線網橋和GPRS通訊方式實現(xiàn)。

圖4 閘門及分水口門測控示意圖

3.2.3數(shù)據層

數(shù)據層的作用是將與水利建設和管理相關的多來源、多尺度、多結構數(shù)據進行統(tǒng)一管理，保障數(shù)據一致性和安全性，實施交叉統(tǒng)計和融合分析。通過梳理并整合數(shù)據，有效降低或避免重復信息，減少資源管理成本。

3.2.4應用支撐層

應用支撐層采用虛擬化技術，將基礎設施資源進行虛擬化處理，形成一個虛擬化資源池。利用云服務技術，將數(shù)據整和組裝裝成獨立運行的信息資源后對外輸出，為數(shù)據庫及應用軟件提供信息存儲和計算服務。

3.2.5業(yè)務應用層

根據灌區(qū)工程實際，業(yè)務應用層包括：灌區(qū)綜合信息化管理系統(tǒng)、灌區(qū)運行調度系統(tǒng)、灌區(qū)供水服務門戶、視頻監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)等。

3.2.6應用交互層

應用交互層主要提供水利行政主管部門、涉水公眾服務及應用。

3.3 水工建筑物自動化遠程測控

水工建筑物自動化遠程測控可完成視頻監(jiān)控、啟閉控制及運行數(shù)據監(jiān)測等任務。

3.3.1節(jié)制閘測控系統(tǒng)

節(jié)制閘測控系統(tǒng)設計包括PLC測控終端設計、水位監(jiān)測系統(tǒng)設計、閘門開度測量設計、荷重測量設計。

(1)PLC測控系統(tǒng)

PLC測控系統(tǒng)通過網絡向上位計算機傳送被測控設備的運行參數(shù)和工作狀態(tài)，同時接收上位計算機的指令并通過PLC控制程序對設備進行操控。

PLC系統(tǒng)對設備的測控分為現(xiàn)地級和遠方計算機監(jiān)控遠方級兩種。兩種控制方式的切換在現(xiàn)地控制裝置上進行，雙向切換的操作過程應避免對現(xiàn)場設備狀態(tài)干擾的同時遵循“下級優(yōu)先”原則，即在現(xiàn)場設備控制裝置上對設備進行操作控制時，如果選擇“現(xiàn)地”為控制方式，管理站點、調度中心監(jiān)控計算機設備只可監(jiān)測，無權操控；如果選擇“遠方”控制方式，管理站點、調度中心操作站可以按CRT手動、半自動或全自動方式對設備進行操控。

(2)閘前后水位測量

根據河流的寬度在河岸立桿，采用雷達液位傳感器進行液位測量。雷達液位計通過串行RS485信號與PLC測控單元進行通訊。

(3)閘門開度測量

閘門開度測量可根據閘門實際情況選取直接測量法和間接測量法。直接測量法將傳感器安裝在閘門上直接測得閘門開度，間接測量法將傳感器安裝在卷揚機軸或其他可變部位上，采用相應算法得出閘門開度。

(4)荷重測量

現(xiàn)場的啟閉機有雙吊點式平板閘門和單吊點式平板閘門，全部為軸連接方式，因此采用座式荷重傳感器進行荷重測量，對于雙吊點閘門，每套啟閉機系統(tǒng)需要安裝2套荷重傳感器進行荷重測量。

3.3.2分水口門測控系統(tǒng)

口門閘測控系統(tǒng)設計涵蓋了供電系統(tǒng)、閘門遠程控制、閘門開度測量等內容。其中閘門開度監(jiān)測設計思路與節(jié)制閘相同。

(1)閘門系統(tǒng)供電

根據現(xiàn)場實際情況，閘門供電采用太陽能供電方式。

閘門測控系統(tǒng)的PLC、網絡收發(fā)器、攝像機等小功耗設備及啟閉電機等大功耗設備，統(tǒng)一使用太陽能供電。且傳統(tǒng)啟閉電機無法滿足使用要求，需要對啟閉電機及啟閉方式進行改造。

(2)太陽能遠程閘控系統(tǒng)

遠程太陽能閘控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，經濟適用，實現(xiàn)灌區(qū)閘門無人值守、安全防護、遠程智能化控制的目的，改變了傳統(tǒng)閘門控制模式，大大改善了灌區(qū)面貌，提升了灌區(qū)管理效能。

3.3.3泵站測控系統(tǒng)

泵站測控系統(tǒng)一般由計算機監(jiān)控子系統(tǒng)、微機保護子系統(tǒng)、計算機監(jiān)視子系統(tǒng)、通信網絡子系統(tǒng)及電源子系統(tǒng)組成，包括泵組控制LCU、監(jiān)控設備柜。

(1)現(xiàn)地控制級

現(xiàn)地控制級由泵組控制LCU構成。泵組控制LCU分別與10KV開關柜、0.4KV開關柜、微機保護單元、水位計等連接。

泵組控制LCU設有PLC可編程控制器，對機組及輔機進行自動控制。可編程控制器模擬量采集主要包括交流電流、有功功率、流量等；開關量主要包括斷路器跳合閘等。機組LCU控制屏顯示所有測量數(shù)據，并具有遙信、遙測、遙控功能。PLC與上位機相連，通過上位機可實現(xiàn)控制、測量及信號顯示。

在泵組控制LCU上可以實現(xiàn)監(jiān)控工作站對機組監(jiān)控的所有功能。若監(jiān)控工作站癱瘓，機組LCU控制屏可獨立完成機組的開?？刂?、信號及測量。泵組控制LCU設有緊急停機按鈕。在緊急情況下，可在現(xiàn)地緊急停機。

(2)主控級

主控級由監(jiān)控設備柜組成。其內裝設網絡交換機等設備。

3.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于廣、局域網的實時監(jiān)測系統(tǒng)，完成對各水利設施的圖像等多媒體信息的監(jiān)視。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)將攝像機采集信息通過以太網絡傳送到管理中心存儲，視頻系統(tǒng)上級監(jiān)管部分可實時觀看，實現(xiàn)流媒體管理、視頻管理、錄像管理、電子地圖等強大的功能。另外，視頻監(jiān)控系統(tǒng)還能分析判別拌線入侵、區(qū)域入侵、徘徊檢測、物品遺留、物品搬移、異常奔跑等行為并提供實時報警功能。

圖5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

4 效益分析

4.1 社會效益

4.1.1提高灌區(qū)水資源、水利設施的管理水平

灌區(qū)綜合信息化調度管理系統(tǒng)項目是提高灌區(qū)管理水平的基礎，對水資源可持續(xù)利用起到重要技術支撐作用，系統(tǒng)的建設將提升基礎設施建設和資源利用水平、提高環(huán)境綜合監(jiān)控能力。

4.1.2增強灌溉供水的調控能力

以水資源浪費、水利設施失盜失修、決堤災害、泥沙沉積嚴重為特征的水問題已制約了灌區(qū)農業(yè)發(fā)展的的可持續(xù)發(fā)展與布局，關系到人民生活水平的提高和經濟發(fā)展戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。灌區(qū)綜合信息化調度管理系統(tǒng)項目以先進的信息化為手段，為政策制定、設施管理和水資源合理調控提供依據，從而減少水資源浪費，提高水利設施的使用壽命周期和利用效率，加強灌區(qū)整體供水調控能力。

4.1.3提升政務公開和公眾參與水平

通過灌區(qū)綜合信息化調度管理系統(tǒng)項目的實施建設提供的技術服務，可以及時將供水用水信息、政策文件、發(fā)展動態(tài)提供給行政管理部門，通過門戶網站或其他方式公開或開放公眾查詢服務，提高政務公開水平和公眾參與水平。

4.2 經濟效益

灌區(qū)綜合信息化調度管理系統(tǒng)項目的建設將提高水資源的利用率，降低設備運行成本和調水成本。

灌區(qū)綜合信息化調度管理系統(tǒng)項目建設可大幅提高日常業(yè)務管理工作的效率，提高信息資源利用率，降低管理成本。

4.3 環(huán)境效益

通過現(xiàn)代高科技信息化手段，建設灌區(qū)綜合信息化調度管理系統(tǒng)項目，實現(xiàn)增加水資源實際利用率、減少水資源浪費、改善生態(tài)環(huán)境的目標，為促進環(huán)境逐步改善、生態(tài)逐步恢復的生態(tài)發(fā)展規(guī)劃提供有力支撐。

5 結語

潘莊灌區(qū)綜合信息化調度管理系統(tǒng)的規(guī)劃建設以“數(shù)字水利”“智慧水利”為中心，全面貫徹實施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一平臺、統(tǒng)一數(shù)據的“四統(tǒng)一”要求，實現(xiàn)了電子監(jiān)控網絡與水政執(zhí)法隊伍、地方公安系統(tǒng)、工程管理人員的“四位一體”管理模式。

信息化調度管理系統(tǒng)強大的空間數(shù)據、屬性數(shù)據網絡管理以及高效的查詢檢索功能，為灌區(qū)管理過程中實時獲取信息，為決策分析提供了一個有效的工作平臺和可靠的技術支撐，從而全面提升灌區(qū)控制管理能力、范圍和水平，實現(xiàn)精準化、智能化、現(xiàn)代化的管理目標。