廣東省吳川市吳陽攔河閘壩信息化系統(tǒng)的構(gòu)建研究

阮洋 廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司

由于我國攔河閘壩閘門大多仍采用傳統(tǒng)鑄鐵閘門，配套螺桿啟閉機或手動操作實現(xiàn)閘門啟閉，自動化程度低，不能實現(xiàn)遠程控制，不能精準計量或沒有計量能力，不能實現(xiàn)水資源的精準控制[1-2]。傳統(tǒng)的閘門控制需要大量工作人員進行維護和巡視，分水控制與測流計量主要靠手動操作和經(jīng)驗估算，運行管理非常繁雜、工作效率低[3]。為確保攔河閘的安全運行，提高管理人員效率，提高水資源優(yōu)化配置及用水效率，近年來我國注重水利閘門信息化系統(tǒng)建設[4]。閘門信息化系統(tǒng)可遠程進行閘門控制、水情自動測報、設備工況視頻圖像采集的綜合管理平臺，為閘門自動化領域?qū)ｉT設計開發(fā)[5]。其數(shù)據(jù)可通過光纖、2G/3G/4G蜂窩網(wǎng)絡、LORA、數(shù)傳電臺等通信介質(zhì)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，管理中心可實現(xiàn)遠程操作和監(jiān)控的目的[6]。

1.工程概況

吳陽攔河閘壩是以供水、灌溉、排洪澇為主、兼顧航運的大型攔河水閘工程。擔負吳川市58萬人的生活和生產(chǎn)用水，為鑒江供水樞紐工程供水東海島提供2594萬m3調(diào)節(jié)庫容，同時承擔吳川市梅菉、振文、黃坡等鎮(zhèn)0.35hm2農(nóng)田灌溉。吳川市吳陽攔河壩建于1958年，1962年竣工，大壩建成至今已有47年，原有管理運行方式已不能滿足工程現(xiàn)狀管理及運行要求，需新建工程信息化系統(tǒng)。

2.信息化系統(tǒng)總體設計

本次新建工程信息化系統(tǒng)，由攔河閘自動控制系統(tǒng)、船閘自動控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水情自動測報系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信系統(tǒng)及語音系統(tǒng)等組成。為滿足本工程各相關信息資源的管理及各系統(tǒng)運行維護，結(jié)合本工程的管理運行需求，設立信息控制中心及船閘控制室，信息控制中心設在水閘管理樓內(nèi)，建筑面積約90m2，包括控制室和設備機房；船閘控制室設在船閘啟閉機層，包括控制室和設備機房，建筑面積約50m2。

設如下系統(tǒng)：①攔河閘和船閘監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)整個工程的水閘自動控制和監(jiān)視。提高工程安全運行和管理水平，改善管理人員的工作條件并接受調(diào)度指令。②視頻監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)視對象主要包括水閘管理處、攔河閘、船閘、閘頂交通橋等，作為水閘運行調(diào)度的輔助手段。③水情自動測報系統(tǒng)，對工程閘前閘后水位計進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，同時獲取化州水文站的水文信息。④網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，實現(xiàn)各子系統(tǒng)的信息、數(shù)據(jù)予以整合、處理，實現(xiàn)吳陽攔河閘、當?shù)厝啦块T及有關上級單位之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)信息資源共享。⑤語音通信系統(tǒng)，滿足水閘生產(chǎn)調(diào)度及行政的語音通信需求，作為水閘管理運行調(diào)度。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

3.信息化系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 攔河閘自動控制系統(tǒng)

3.1.1 控制對象

攔河閘自動控制系統(tǒng)監(jiān)控對象為攔河閘工作閘門，設固定卷揚機，12孔?？刂茖ο笾饕〝r河閘上游檢修閘門、攔河閘工作閘門、攔河閘下游檢修閘門、攔河閘啟閉機檢修設備等。其中攔河閘上游檢修閘門、攔河閘下游檢修閘門、攔河閘啟閉機檢修設備為現(xiàn)地控制，考慮其控制柜由啟閉機成套。

3.1.2 控制方式

攔河閘監(jiān)控系統(tǒng)采用星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分為現(xiàn)地控制和集中控制，采用1對1控制方式，設手動/自動控制，管理人員可通過本系統(tǒng)下達指令對閘門進行控制。①現(xiàn)地控制：在調(diào)試或主控級故障時，操作人員可通過現(xiàn)地控制的人機界面實現(xiàn)控制。②集中控制：操作人員在中控室下命令，通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)全部過程自動控制或采用分步按順序控制。③控制方式：水閘控制采用遠方集中控制為主，現(xiàn)地控制為輔的控制的方式。閘門啟閉機能夠在全開全關位置及揚程上極限位置自動停機，其余位置可手動控制。每一扇工作閘門有遠方控制和現(xiàn)地控制2種控制方式，可由控制柜中的切換開關進行選擇，可在現(xiàn)地和遠方實現(xiàn)各閘門全開、全關和停機操作，并能設置操作控制權(quán)限。④控制權(quán)限采用兩級權(quán)限：第一級為現(xiàn)地控制，具有最高優(yōu)先權(quán)，設置權(quán)限切換裝置。

3.1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

該系統(tǒng)利用通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡采用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，在信息控制中心設置1套閘門監(jiān)控工作站，在現(xiàn)地設置閘門PLC柜，以實現(xiàn)閘門自動控制。①現(xiàn)地層：現(xiàn)地層設置在啟閉機閘室，配置12套以PLC為核心的現(xiàn)地控制柜，設現(xiàn)地/遠方控制切換?，F(xiàn)地控制柜配置帶有以太網(wǎng)通信接口的PLC，通過光纜連接位于信息控制中心的工業(yè)交換機。②中控層：在信息控制中心，配置1套閘門工作站。

3.1.4 系統(tǒng)軟件

閘門監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)軟件、監(jiān)控組態(tài)軟件、有關通信接口軟件等。

3.2 船閘自動控制系統(tǒng)

3.2.1 控制對象

船閘監(jiān)控系統(tǒng)控制對象主要包括船閘上閘首檢修閘門、船閘上閘首工作閘門、船閘下閘首檢修閘門、船閘下閘首工作閘門、船閘充（泄）水廊道工作閘門、船閘充（泄）水廊道檢修閘門，其中船閘上閘首檢修閘門、船閘下閘首檢修閘門、船閘充（泄）水廊道檢修閘門為現(xiàn)地控制，考慮其控制柜由啟閉機成套。

表1 視頻監(jiān)控對象配置一覽表

3.2.2 控制方式

船閘監(jiān)控系統(tǒng)采用星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分為現(xiàn)地控制和集中控制。①現(xiàn)地控制：操作人員通過現(xiàn)地控制的人機界面實現(xiàn)控制。②集中控制：通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)全部過程自動控制或采用分步按順序控制。

3.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

利用通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡采用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括現(xiàn)地層與中控層。利用網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡交換機通過光纜與現(xiàn)地控制柜相連，網(wǎng)絡協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議，系統(tǒng)通過光纜與攔河閘中控層相連。

3.2.4 系統(tǒng)軟件

船閘監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)軟件、監(jiān)控組態(tài)軟件、船閘收費系統(tǒng)軟件及有關通信接口軟件等。

3.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

3.3.1 監(jiān)控對象

視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控范圍包括水閘管理處、攔河閘、船閘、閘頂交通橋等。設置共21套高清網(wǎng)絡攝像機，在信息控制中心及船閘控制中心各設1套視頻工作站、1套存儲陣列。主要監(jiān)視對象配置見表1。

3.3.2 系統(tǒng)組成

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端設備、傳輸設備、控制設備、存儲設備四部分組成。①前端設備：包括21套攝像機、室外專業(yè)防護設備、防雷設備及立桿等。選用200萬像素高分辨率IP彩色攝像機負責圖像和數(shù)據(jù)的采集及信號處理；②傳輸設備：本工程利用光纜傳輸設備，負責將視頻和數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；③控制設備：選用視頻工作站，負責完成前端設備和圖像切換的控制、系統(tǒng)可分區(qū)控制和分組同步控制、存以及圖像檢索與處理等諸多功能；④存儲設備：選用硬盤存儲陣列，負責將前端設備的視頻數(shù)據(jù)進行存儲，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的存儲與回放。

3.3.3 技術實現(xiàn)與設備

（1）設備配置：為監(jiān)視攔河閘閘門啟閉的情況，在信息控制中心設置1套視頻工作站、1套存儲陣列和一套1套10m2LED屏幕顯示器。在各水閘相關場所及信息控制中心等場所設置16套高清網(wǎng)絡攝像機，通過光纜及通信網(wǎng)絡交換機與信息控制中心視頻工作站相連。為監(jiān)視船閘閘門啟閉的情況，在船閘控制中心設置1套工作站、1套存儲陣列和1套6m2LED屏幕顯示器。在船閘上下閘首相關場所設置5套高清網(wǎng)絡攝像機進行視頻監(jiān)視，通過光纜及通信網(wǎng)絡交換機與船閘控制室視頻工作站相連并上傳至信息控制中心。

（2）技術方案：現(xiàn)場視頻信號通過光纜及通信網(wǎng)絡交換機傳到信息控制中心和船閘控制室視頻工作站。工作站可選擇顯示任意監(jiān)視點的滿屏畫面，并可實現(xiàn)多畫面分割，液晶顯示屏可同時任意顯示多幅或單幅不同監(jiān)視點攝像機的圖像。操作人員還可通過編程設定為自動循環(huán)切換畫面或手動切換畫面。實現(xiàn)對水閘控制中心對各主要設備的運行情況和重要場所進行監(jiān)視。

3.3.4 視頻監(jiān)控軟件

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要包括操作系統(tǒng)軟件、圖像管理軟件、接口通信軟件等。

3.4 水情自動測報系統(tǒng)

該工程水情自動測報系統(tǒng)，主要負責水閘及船閘水位等信息的接收、處理、轉(zhuǎn)換和存儲，其他信息資料通過公網(wǎng)連接湛江市三防指揮中心獲取化州水文站所測得的流量數(shù)據(jù)，同時，系統(tǒng)通過公網(wǎng)上傳水情至當?shù)厝啦块T，實現(xiàn)資料信息的共享。

3.4.1 技術實現(xiàn)與設備

在水閘上、下閘首及船閘上、下閘首和船閘連接段設置水位計，就近接入現(xiàn)地LCU控制柜，通過LCU柜的PLC與中控層相連其他信息資料通過公網(wǎng)連接湛江市三防指揮中心獲取化州水文站所測得的流量數(shù)據(jù)。

3.4.2 信息采集流程

（1）水位數(shù)據(jù)采集流程：各水位計→閘門現(xiàn)地LCU柜→信息控制中心。

（2）其他數(shù)據(jù)采集流程：化州水文站→湛江市三防指揮中心→信息控制中心。

3.5 網(wǎng)絡通信系統(tǒng)

網(wǎng)絡通信是本工程信息化的重要組成部分，是實現(xiàn)信息實時迅速傳輸、處理、查詢、共享及水閘控制、工程監(jiān)測監(jiān)控、行政辦公等的技術保障和物質(zhì)基礎。

3.5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組網(wǎng)技術

（1）網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)：根據(jù)本工程自動控制及信息化系統(tǒng)的特點及技術需要，系統(tǒng)設水閘控制網(wǎng)絡和船閘控制網(wǎng)絡，結(jié)構(gòu)采用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。水閘控制網(wǎng)絡和船閘控制網(wǎng)絡通過光纜鏈接組成本工程管理信息網(wǎng)絡。

（2）組網(wǎng)技術：該系統(tǒng)計算機局域網(wǎng)絡組網(wǎng)技術采用100/1000Mbps以太網(wǎng)。為實現(xiàn)本工程自動控制及信息化系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡與上一級網(wǎng)絡的互聯(lián)，配置1臺具有撥號接入功能的路由器，通過租用電信6M寬帶，采用VPN SSL/IPset方式與上級有關單位、當?shù)厝啦块T互聯(lián)。

（3）網(wǎng)絡協(xié)議：該工程局域網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議初采用TCP/IP協(xié)議，同時可以并行運行IPX/SPX、NetBEUI等協(xié)議。

（4）設備配置：考慮在信息控制中心設置1臺數(shù)據(jù)服務器、1臺工業(yè)級網(wǎng)交換機、防火墻、路由器及應用軟件，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的迅速傳輸、處理、查詢、共享等功能，同時在船閘控制中心配置1臺工業(yè)級網(wǎng)交換機。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL，操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows Server 2008系統(tǒng)。

3.5.2 防雷與接地

（1）防雷設計：信息控制中心利用管理樓防雷設施，采用防雷器和避雷針方式設計，閘室、船閘設備利用閘室防雷設施，采用防雷器和避雷針方式設計。

（2）接地設計：信息系統(tǒng)接地利用管理樓、閘壩、船閘等水工建筑物接地裝置。信息控制中心接地電阻要求：不大于4Ω。閘室接地電阻要求：不大于10Ω。

3.6 語音通信系統(tǒng)

語音通信系統(tǒng)主要包括生產(chǎn)調(diào)度通信系統(tǒng)、行政通信系統(tǒng)和對外的通信接口。系統(tǒng)控制中心配置1臺容量30門、具備基本功能的小型程控交換機，通過軟件分割實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度通信與行政通信的區(qū)別。

3.6.1 生產(chǎn)調(diào)度通信

生產(chǎn)調(diào)度通信系統(tǒng)對生產(chǎn)調(diào)度電話的語音進行綜合處理和交換。生產(chǎn)調(diào)度電話用戶的基本配置為：信息控制中心5門，東壩1門，西壩1門，船閘中控室2門。

3.6.2 行政通信

行政通信系統(tǒng)對行政電話的話音進行交換。行政通信電話用戶的基本配置：信息控制中心5門，東壩1門，西壩：1門，船閘中控室2門。

3.6.3 與電信公網(wǎng)的連接

程控交換機配置相應的E1中繼接口接入當?shù)毓秒娫捑W(wǎng)絡，構(gòu)成對外行政通信聯(lián)絡通道。用戶經(jīng)程控用戶交換機呼出至公用電話網(wǎng)為半自動撥號呼出（DOD2）方式，呼入經(jīng)話務臺轉(zhuǎn)撥到分機用戶（BID）。

4.結(jié)語與展望

針對吳陽攔河閘壩管理效率低、河道運行狀態(tài)不明等問題，重新構(gòu)建吳陽攔河閘壩信息化系統(tǒng)，對其攔河閘、閘門及視頻等控制系統(tǒng)的相關技術要求等進行系統(tǒng)總結(jié)。以期為類似水利信息化管理提供思路。下一步，完善流域計劃用水智慧管理數(shù)據(jù)庫，深入開發(fā)節(jié)約用水信息化管理平臺功能模塊，是后續(xù)信息化建設研究應用的主要方向。