塔里木河流域水閘遠程監(jiān)控系統(tǒng)應用研究

陳 亮

(新疆世紀農(nóng)豐土地科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

我國大部分流域，特別是北方地區(qū)出現(xiàn)了水資源供給不足的問題。從基礎理論研究來看，如何利用現(xiàn)代信息技術(shù)有效可靠地實現(xiàn)流域水資源的統(tǒng)一調(diào)度與管理，是近年來的研究熱點之一[1-2]。網(wǎng)絡傳輸、衛(wèi)星通信等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和應用，為流域的遠程實時監(jiān)控和管理提供了可能。我國自20世紀80年代開始開展流域水閘監(jiān)測研究，江河、水庫、灌區(qū)已基本實現(xiàn)了水位流量的現(xiàn)場自動采集和觀測。但遠程自動監(jiān)控的理論還不夠，我國傳統(tǒng)的管理方式是一個人通過電話手動記錄和傳輸信息，費時費力。這既不能為流域的實時調(diào)度和管理獲取實時數(shù)據(jù)，也不能適應現(xiàn)代技術(shù)實現(xiàn)“無人值守、少人值守”的水閘遠程監(jiān)控系統(tǒng)的需要，已經(jīng)成為流域現(xiàn)代化管理的一個方向[3-4]。

2 系統(tǒng)設計思路

塔里木河流域水閘監(jiān)控系統(tǒng)是水資源調(diào)度和信息化管理的重要組成部分，同時也是流域水資源集中控制和決策的關鍵。遠程實時數(shù)據(jù)信息通過地理編碼或關鍵字和空間信息進行相關顯示，該方法解決了多用戶并發(fā)共享的沖突、數(shù)據(jù)內(nèi)部標記與內(nèi)存數(shù)據(jù)速度相關的響應慢等問題。它方便了用戶遠程監(jiān)控，維護了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間的信息。

基于塔里木河流域的實際情況和實時水量特點，結(jié)合分布式和集中式的混合存儲方案，對閘門系統(tǒng)采用分層、多級的控制結(jié)構(gòu)進行管理。本地控制單元(LCU)監(jiān)控系統(tǒng)是利用InTouch 8.0軟件開發(fā)的，采用SQL Server軟件平臺進行管理?；贓SRI公司ArcGIS平臺的AO組件，采用VC編程語言對總控中心進行了二次開發(fā)。所有用戶應使用密碼訪問不同權(quán)限級別的相應數(shù)據(jù)庫，圖1顯示了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 監(jiān)控系統(tǒng)分析

3.1 遠程數(shù)據(jù)采集

定位數(shù)據(jù)是閘門遠程監(jiān)控的基礎。能否準確采集位置數(shù)據(jù)，快速執(zhí)行相關控制命令，是塔里木河流域水閘遠程監(jiān)控系統(tǒng)能否成功運行的關鍵。如圖2所示，根據(jù)數(shù)據(jù)流通，可將數(shù)據(jù)分為三個部分，包括數(shù)據(jù)流、控制流和視頻流。

圖2 遠程監(jiān)控策略

(1)數(shù)據(jù)流。它是指實時采集的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)。分級管理系統(tǒng)通過VLAN的IP地址，采用閘門可編程邏輯控制器(PLC)的循環(huán)技術(shù)，直接從本地控制單元獲取一系列數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)換處理后，傳輸并保存在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中。

(2)控制流量。它包括所有的控制命令信息，如閘門的開啟方式。通過比較和識別LCU的每個控制命令與預設的管理權(quán)限，比較確定更高級別的控制命令，然后將執(zhí)行命令發(fā)送給PLC或傾斜控制系統(tǒng)。

(3)視頻流。意思是視頻信息。由于其容量大，占用網(wǎng)絡資源較多，經(jīng)常會造成網(wǎng)絡阻塞，影響實時數(shù)據(jù)的傳輸和視頻質(zhì)量。因此需要對視頻數(shù)據(jù)進行編碼壓縮，本系統(tǒng)基于MPEG-4技術(shù)對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮，從而通過建立視頻索引和單播的方式實現(xiàn)遠程視頻數(shù)據(jù)監(jiān)控。當用戶同時訪問視頻數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)能自動判斷和區(qū)分用戶的權(quán)限，并識別出權(quán)限級別較高的用戶優(yōu)先瀏覽視頻數(shù)據(jù)。自動中斷低級用戶的監(jiān)控功能，減輕網(wǎng)絡負擔。

3.2 通信方式選擇

網(wǎng)絡通信傳輸遙測數(shù)據(jù)，接收并執(zhí)行不同的調(diào)度命令，是連接LCU和水調(diào)中心的信息通道。衛(wèi)星傳輸技術(shù)成熟，但延遲時間過長，容量有限，信號質(zhì)量不穩(wěn)定，成本較高。光纖傳輸具有頻帶寬、使用衰減小、保密性高、無電磁感應等特點，是通信的首選。根據(jù)塔里木河流域的現(xiàn)狀和未來發(fā)展要求，考慮到塔里木河流域自然條件惡劣，電力、通信、交通等方面發(fā)展不足，分析多種通信方式的差異，建立基于光纖與光纖混合的遠程傳輸系統(tǒng)VSAT衛(wèi)星。數(shù)據(jù)根據(jù)各地情況進行傳輸，主要集中在公網(wǎng)上。數(shù)據(jù)在基于VSAT衛(wèi)星73.6KBPS帶寬的阿其克樞紐和烏斯曼排污口區(qū)域傳輸，在其他站基于2M數(shù)字透明信道傳輸。LCU數(shù)據(jù)傳輸采用工業(yè)以太網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的更好結(jié)合，同時避免了上位機遠程監(jiān)控異常的影響。

該系統(tǒng)網(wǎng)絡通信條件復雜。如何保證光纖和衛(wèi)星兩種通信方式的無縫連接，是實現(xiàn)水閘遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵。對于傳播延遲較長(反向傳播延遲約540 ms)的衛(wèi)星，應盡量減小其帶寬利用率低和傳輸速度慢的影響。結(jié)合TCP/IP協(xié)議和SCPS-TP協(xié)議(means space communication protocol)的特點，基于TCP欺騙技術(shù)、選擇性確認技術(shù)、不同協(xié)議優(yōu)化(如增加TCP半離位判斷處理)和評估技術(shù)。從而減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，保證了光纖與衛(wèi)星的“無縫”鏈路通信方式，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

3.3 綜合信息顯示

塔里木河流域水閘遠程監(jiān)控系統(tǒng)由總控中心、分控中心和水閘管理站組成。它還具有遠程監(jiān)控組態(tài)、數(shù)據(jù)管理服務器等軟件平臺相結(jié)合的多級分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)。因此系統(tǒng)集成是非常重要的。WebGIS的迅速發(fā)展為水工業(yè)信息管理提供了先進的技術(shù)手段。它不僅支持基于地理元素的地圖與屬性之間的信息處理和交互查詢，而且在管理廣域分布的多客戶端應用系統(tǒng)方面具有明顯的優(yōu)勢。有鑒于此，本系統(tǒng)以塔里木河流域的基礎數(shù)據(jù)為背景，采用多級消隱方法，建立在WebGIS的基礎上。江河、湖泊、水閘的水情專用數(shù)據(jù)可按分類比例顯示。局域網(wǎng)中的每個普通終端用戶都可以通過瀏覽器查詢閘門的基本信息、通信狀態(tài)、實時數(shù)據(jù)、視頻信息和閘門狀態(tài)的相關控制和管理。先進的用戶可以實現(xiàn)遠程閘門的啟閉自動控制、系統(tǒng)的連接、維護和診斷。實時視頻可以直觀地了解運行工況和周邊環(huán)境。

4 實際應用

下面的例子展示了2018年8月在塔里木河流域阿其克河口引水工程中閘門監(jiān)控系統(tǒng)的工作情況。

阿其克河口引水工程位于塔里木河中游，距庫爾勒市100 km。本工程規(guī)模為Ⅲ級，中型閘門9扇。閘機、液壓啟閉機局部施工條件較好，但自然條件較差。由于周圍沒有公共網(wǎng)絡傳輸，這些數(shù)據(jù)是從VSAT衛(wèi)星最佳傳輸?shù)?。系統(tǒng)管理員遠程登錄塔里木河總控制中心阿其克河口引水工程，分別對渭干河部分閘門和塔里木河老化部分閘門進行遠程上下控制。實現(xiàn)了對亞齊克河口引水工程的遠程監(jiān)控。表1顯示了2018年8月25日和30日上午10時水閘遠程監(jiān)控的數(shù)據(jù)結(jié)果。圖3顯示了工作站中的監(jiān)控操作界面，圖4顯示了塔河引水渠泵站的水位運行示例圖，操作員可以通過該控件進行監(jiān)視工作站的操作。圖形布局與工作站中的實際技術(shù)有關，這種數(shù)據(jù)表示方法可幫助操作員從控制中心控制泵站系統(tǒng)。

圖3 泵站監(jiān)控系統(tǒng)操作界面

圖4 塔里木河引水渠水位記錄

表1 遠程監(jiān)控結(jié)果數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

(1)利用現(xiàn)代傳感、網(wǎng)絡傳輸、衛(wèi)星通信、數(shù)字視頻等信息技術(shù)，完成了塔里木河流域水閘遠程數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)庫建設和系統(tǒng)開發(fā)工作。應用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一體化理論，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫集成。實現(xiàn)了塔里木河流域水閘的遠程監(jiān)控和管理，有力地提高了業(yè)務人員的工作效率。

(2)水閘遠程監(jiān)控系統(tǒng)的建立和應用，為塔里木河流域水資源海量信息的集中管理提供了綜合服務平臺。為全面了解和準確分析塔里木河流域現(xiàn)狀，掌握基本地形、地貌、水閘等空間特征的分布特征提供了基礎。為全面管理、科學決策和人水和諧環(huán)境的建立奠定了基礎。對塔里木河流域的健康生活具有重要意義。

(3)塔里木河流域水閘遠程監(jiān)控系統(tǒng)的建設和完善是一個長期而復雜的過程。由于系統(tǒng)需要網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，必須加強網(wǎng)絡安全、病毒防范、數(shù)據(jù)安全等方面的管理，杜絕非法使用系統(tǒng)，確保系統(tǒng)在7×24 h內(nèi)正常、持續(xù)、穩(wěn)定運行，實現(xiàn)“閘門自動化、網(wǎng)絡通訊、可視化監(jiān)控、科學管理”的一體化管理目標。