鴛鴦灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造中信息化建設(shè)與實踐

蒲寧海

(金塔縣鴛鴦池水庫管理所,甘肅 酒泉 735300)

0 引言

鴛鴦大型灌區(qū)位于甘肅省酒泉市金塔縣,灌區(qū)轄8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)89個村委會516個村民小組,有效灌溉面積37.92萬畝,是酒泉市金塔縣糧、棉、糖生產(chǎn)和林、牧業(yè)發(fā)展的重要基地。經(jīng)過60多年的建設(shè)運行,形成了1條總干渠(7.202 km)、3條干渠(55.925 km)、3條支干渠(33.317 km)、76條支渠、分支渠(431.450 km)的“長藤結(jié)瓜”工程格局。灌區(qū)于2008-2010年進行了灌區(qū)調(diào)度管理中心、地下水位監(jiān)測等灌區(qū)信息化一期建設(shè),于2017年進行了灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)與提升,灌區(qū)調(diào)度管理及灌區(qū)現(xiàn)代化系統(tǒng)已經(jīng)具備一定的現(xiàn)代化手段,為灌區(qū)現(xiàn)代化調(diào)度管理奠定了基礎(chǔ)。但是隨著信息技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展,灌區(qū)早期建設(shè)的部分軟、硬件系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)施均無法滿足智慧水利與智慧水管理體系建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和要求,故十四五期間對灌區(qū)進一步進行信息化建設(shè),逐步建設(shè)完善的灌區(qū)現(xiàn)代化。

1 信息化建設(shè)現(xiàn)狀及需求分析

1.1 信息化建設(shè)現(xiàn)狀

鴛鴦灌區(qū)現(xiàn)代化一期工程建設(shè)時間是2008-2010年,2017年建設(shè)實施了灌區(qū)現(xiàn)代化維修養(yǎng)護,更進一步完善了灌區(qū)現(xiàn)代化系統(tǒng)。信息化建設(shè)現(xiàn)狀分述如下。

1.1.1 閘門遠(yuǎn)程自動控制現(xiàn)狀

鴛鴦灌區(qū)已建設(shè)完成了8處33孔閘門自動遠(yuǎn)程監(jiān)控站點,閘門及其啟閉系統(tǒng)配置了PLC自動控制系統(tǒng),33孔閘門所在區(qū)域已經(jīng)建設(shè)了光纖網(wǎng)絡(luò),可以實現(xiàn)閘門現(xiàn)地及遠(yuǎn)方自動控制,除此,其余閘門不具備自動控制功能[1],閘門所在區(qū)域內(nèi)僅有4G/3G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋,不具備閘門遠(yuǎn)程測控功能。

1.1.2 監(jiān)測灌區(qū)現(xiàn)代化現(xiàn)狀

水位監(jiān)測:灌區(qū)已建設(shè)完成了地表水水位流量自動監(jiān)測站點15處,實現(xiàn)了灌區(qū)小部分干渠、支渠等重要節(jié)點處的水位/流量自動監(jiān)測,據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,目前已建設(shè)的15處地表水位監(jiān)測點,已損壞廢棄,需重新考慮建設(shè)。

地下水監(jiān)測系統(tǒng):灌區(qū)現(xiàn)有灌溉機井1 800眼,安裝井電雙控機井智能化水表及控制設(shè)備1 800套,可以實現(xiàn)用水總量控制。灌區(qū)共建設(shè)有12眼專用監(jiān)測機井,可以動監(jiān)測地下水位等參數(shù),自動報送酒泉市水文站后臺系統(tǒng),實施地下水位等的實時自動監(jiān)測。

網(wǎng)絡(luò)視頻圖像監(jiān)視系統(tǒng):鴛鴦灌區(qū)已在第一分水閘、第二分水閘、共青分水閘等8個重點閘站閘房內(nèi)都設(shè)置安裝了16路視頻攝像機及后臺系統(tǒng)設(shè)備,可以實現(xiàn)對分水閘電機及啟閉設(shè)施,對閘門及渠水及周圍環(huán)境的監(jiān)視,為閘門安全運行及調(diào)度運行提供了有效保障。

灌區(qū)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè):灌區(qū)已建設(shè)1個信息中心站(水利管理所),11個信息分中心站的計算機網(wǎng)絡(luò)和電話網(wǎng)絡(luò),4個分水閘管理段的電話網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)中心站與分站站的基礎(chǔ)水利數(shù)據(jù)的共享,管理段與中心站之間的電話通信。

灌區(qū)調(diào)度管理系統(tǒng)建設(shè):經(jīng)過多年的運行,各個管理信息中心、分中心主要自動化設(shè)備已存在老舊落后、缺乏配件、功能失效等,已基本不能實現(xiàn)自動化調(diào)度、運行及管理,亟待提升改造,尤其是局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及管理模式有待整合優(yōu)化,以滿足灌區(qū)現(xiàn)代化調(diào)度管理要求。

1.2 需求分析

根據(jù)灌區(qū)的水情、商情、氣象等實際情況,結(jié)合續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造[2],從滿足水利工程運行監(jiān)控、水資源配置、行政事務(wù)管理、防汛抗旱等方面需求出發(fā),制定灌區(qū)現(xiàn)代化的技術(shù)方案,以保證灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)投資的可行性和長效性。需求分析如下:

(1)功能需求。隨著灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的不斷加強與持續(xù)完善,調(diào)度中心現(xiàn)有的硬件系統(tǒng)已經(jīng)老舊,需要更新?lián)Q代,存儲系統(tǒng)容量也需及時擴容升級。在已建軟硬件平臺的基礎(chǔ)上,基于現(xiàn)有業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)使用實際,進行系統(tǒng)完善優(yōu)化,建設(shè)負(fù)載均衡系統(tǒng);優(yōu)化辦公自動化系統(tǒng),提升辦公自動化使用率;開發(fā)灌區(qū)水費營收管理,提升水費收繳管理效率;開發(fā)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),共享田間土壤墑情監(jiān)測等。

(2)性能需求。灌區(qū)通過在調(diào)度中心的調(diào)度管理平臺,統(tǒng)一完成各項業(yè)務(wù)。通過平臺發(fā)出的指令,完成各項監(jiān)測及遠(yuǎn)程監(jiān)控工作,滿足沿線閘門現(xiàn)地監(jiān)測系統(tǒng)的采集精度、滿足數(shù)據(jù)的實時性、滿足系統(tǒng)的可靠性。

(3)安全需求。當(dāng)前信息系統(tǒng)所面臨的安全威脅與日俱增,安全威脅的來源也日益廣泛,為了確保灌區(qū)在遠(yuǎn)程控制下,能夠安全穩(wěn)定的運行。應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行水利部網(wǎng)信辦組織制定的《水利網(wǎng)絡(luò)安全管理辦法(試行)》等安全管理要求,生產(chǎn)控制大區(qū)主機操作系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)進行安全加固。

2 建設(shè)方案

2.1 建設(shè)目標(biāo)

結(jié)合灌區(qū)灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)現(xiàn)狀及多年灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)運行經(jīng)驗,本次灌區(qū)現(xiàn)代化改造完成后灌區(qū)現(xiàn)代化達(dá)到一級水平。結(jié)合灌區(qū)目前的實際情況,本次現(xiàn)代化總體框架按照“立體感知、自動控制、智慧應(yīng)用、信息服務(wù)和支撐保障”五個方面構(gòu)建,將灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)框架確定為五層四體系,即立體感知體系、自動控制體系等五層,各層應(yīng)遵循基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范系統(tǒng)、建設(shè)運行維護管理體系和網(wǎng)信安全保障體系等四體系,共九部分,總體框架如圖1所示。

圖1 鴛鴦灌區(qū)灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)總體框架圖

2.2 建設(shè)方案

2.2.1 立體感知體系建設(shè)

結(jié)合灌區(qū)實際,繼續(xù)完善灌區(qū)立體感知體系建設(shè),主要建設(shè)任務(wù)包含灌區(qū)調(diào)度自動化系統(tǒng)建設(shè)、斗口水量在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)等內(nèi)容。

1)灌區(qū)地下水監(jiān)測

對灌區(qū)現(xiàn)有井電雙控機井智能化水表及控制設(shè)備融合接入灌區(qū)調(diào)度管理系統(tǒng),同時對12眼監(jiān)測機井的監(jiān)測成果,融合接入至新建的灌區(qū)調(diào)度自動化系統(tǒng)。

2)灌區(qū)水位監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

灌區(qū)總干渠、干渠、支干渠共有175個分水口,灌區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)需要水量計量的灌溉分水口有70個,本次考慮建設(shè)安裝36套水位流量監(jiān)測站點;灌區(qū)支渠共有1 419個分水口,本次考慮建設(shè)安裝6套水位流量監(jiān)測站點,水位計量站點監(jiān)測數(shù)據(jù)通過現(xiàn)有的4G/3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至其后臺監(jiān)測系統(tǒng),再集成融合至灌區(qū)調(diào)度管理系統(tǒng),為灌區(qū)調(diào)度管理提供決策依據(jù)。

考慮到本工程主要監(jiān)測對象為灌區(qū)來水,綜合考慮水位精度和現(xiàn)場安裝環(huán)境等要求,且為節(jié)省投資、便于設(shè)備的統(tǒng)一配置與管理,對總干渠、干渠、支干渠建設(shè)的所有水位計統(tǒng)一采用雷達(dá)水位計,對支渠建設(shè)的所有水位計統(tǒng)一采用超聲波水位計,對渠道進行適當(dāng)?shù)臄嗝鏄?biāo)準(zhǔn)化處理后,通過采集水位信息,結(jié)合斷面率定方式自動計算流量。

本次建設(shè)的水位流量監(jiān)測站點,均處于無線公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi),監(jiān)測設(shè)備需配置4G通信模塊,配置SIM數(shù)據(jù)卡等,便于通過無線公網(wǎng)接入調(diào)度管理系統(tǒng)。水位流量監(jiān)測設(shè)備用電量相對很小,本次設(shè)計中,考慮配套采用交流電源供電方式,水位流量監(jiān)測設(shè)備還需配置安裝支架、電線電纜、輔助設(shè)備等輔助材料,便于工程實施。

3)灌區(qū)水量計量系統(tǒng)建設(shè)

水量計量和水位監(jiān)測采用同一套設(shè)備,即自動監(jiān)測水位,同時又換算出流量(水量)。水位計量及流量監(jiān)測是將雷達(dá)水位計(或超聲波水位計)、數(shù)據(jù)采集器、通信模塊、交流電源供電、安裝附件集成而成的成套系統(tǒng)設(shè)備,流量是在標(biāo)準(zhǔn)斷面上,通過采集水位信息,結(jié)合斷面率定方式自動計算流量,進而自動計量水量,為調(diào)度管理系統(tǒng)提供決策依據(jù)。

2.2.2 自動控制體系建設(shè)

1)分控水設(shè)施測控系統(tǒng)改造

對總干渠、干渠、支干渠的33孔節(jié)制閘,在閘門及啟閉機系統(tǒng)改造的同時,改造其PLC閘門自動控制系統(tǒng)。對總干渠、干渠、支干渠的48孔分水閘,在閘門及啟閉機系統(tǒng)改造的同時,改造其PLC閘門自動控制系統(tǒng)。通過對閘門及其啟閉系統(tǒng)配置了PLC自動控制系統(tǒng)的升級改造,可以實現(xiàn)閘門現(xiàn)地及遠(yuǎn)方自動控制。

2)網(wǎng)絡(luò)視頻圖像監(jiān)視系統(tǒng)

本次暫不考慮增設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備,但需要將原有視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備進行梳理、優(yōu)化、整合,集成融合至新建的灌區(qū)綜合調(diào)度管理信息系統(tǒng)中。

2.2.3 智慧應(yīng)用與信息服務(wù)平臺體系建設(shè)

可考慮在灌區(qū)調(diào)度中心硬件平臺的基礎(chǔ)上,對現(xiàn)有業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)進行升級完善,提升業(yè)務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。建設(shè)內(nèi)容如下:

1)水量調(diào)度管理系統(tǒng)

調(diào)度中心的建設(shè)是整個灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的重點和關(guān)鍵,灌區(qū)現(xiàn)代化調(diào)度管理系統(tǒng)具備一定的現(xiàn)代化手段,可對本灌區(qū)相關(guān)系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、運行、管理。本次考慮原有基礎(chǔ)上進行必要的升級改造,對已有的水位流量監(jiān)測站點的接入及后臺處理,提高調(diào)度管理自動化、現(xiàn)代化水平。

2)灌區(qū)水量分配系統(tǒng)

灌區(qū)水量分配計劃系統(tǒng)的功能是依據(jù)灌區(qū)自開灌以來的實際運行資料,分析灌區(qū)內(nèi)經(jīng)濟社會各部門水資源需求,進行灌區(qū)的水量分配,同時可根據(jù)水量調(diào)度修正配水計劃。

3)灌區(qū)水費計收管理系統(tǒng)

根據(jù)具體的收費業(yè)務(wù)流程和結(jié)算管理對象的不同,在保證系統(tǒng)的先進性、可靠性、可擴展性和安全性的前提下,水費計收管理系統(tǒng)使用了組件設(shè)計,模塊開發(fā)以及事務(wù)處理等先進的軟件設(shè)計開發(fā)技術(shù)[3],以適應(yīng)不同灌區(qū)的業(yè)務(wù)處理模式、滿足需求的變化以及保護現(xiàn)有投資的需要。灌區(qū)水費計收管理利用PDA、智能手機、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫等技術(shù),同時研發(fā)水費微信公共平臺將相關(guān)信息向公眾發(fā)布。

根據(jù)水費計收業(yè)務(wù)需要,灌區(qū)水費征收管理系統(tǒng)包括用水協(xié)會管理、定價管理、水費計算、收費管理、統(tǒng)計分析[4]。

4)信息綜合管理系統(tǒng)完善

在對灌區(qū)調(diào)度中心硬件平臺升級的基礎(chǔ)上,對現(xiàn)有業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)進行升級完善,提升閘控業(yè)務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性,實現(xiàn)現(xiàn)地閉環(huán)自調(diào)節(jié)運行。開發(fā)服務(wù)于灌區(qū)的綜合管控平臺,建設(shè)灌區(qū)專用數(shù)據(jù)庫,對數(shù)據(jù)進行實時分析、存儲、備份,根據(jù)灌區(qū)業(yè)務(wù)需求,基于“水利一張圖”定制開發(fā)能服務(wù)于全灌區(qū)水信息管理等業(yè)務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)。考慮到國家、省、市建設(shè)統(tǒng)一范圍平臺的需要,水信息綜合管理系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留通用接口,以便將來和上級系統(tǒng)的對接。

2.2.4 支撐保障體系建設(shè)

結(jié)合灌區(qū)實際需求,擬對改造提升灌區(qū)調(diào)度管理基礎(chǔ)支撐平臺建設(shè)、調(diào)度指揮中心等內(nèi)容。主要是在灌區(qū)原有調(diào)度管理系統(tǒng)建設(shè)基礎(chǔ)上,新增及提升相關(guān)的軟硬件系統(tǒng),尤其是水量計量系統(tǒng)等必需軟硬件系統(tǒng),并完成集成安裝調(diào)試,相關(guān)系統(tǒng)融合接入等;并為納入國家、省、市遠(yuǎn)景發(fā)展建設(shè)的統(tǒng)一信息管理平臺預(yù)留接口,同時考慮灌區(qū)已建相關(guān)系統(tǒng)的融合接入,包括但不限于地下水監(jiān)測系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)等。

1)灌區(qū)調(diào)度管理系統(tǒng)建設(shè)

本次設(shè)計擬建設(shè)高效的現(xiàn)代化灌區(qū)調(diào)度管理系統(tǒng),即:取消原來的1個信息中心站、11個信息分中心站、4個分水閘管理段的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及管理建設(shè)模式,改為集中建設(shè)1座信息總中心及1座分中心,就可對灌區(qū)進行綜合自動化調(diào)度管理。本次灌區(qū)調(diào)度綜合管理系統(tǒng)方案如下:

(1)在鴛鴦灌區(qū)水利管理所建設(shè)鴛鴦灌區(qū)調(diào)度管理總中心,在金塔縣水務(wù)局建設(shè)鴛鴦灌區(qū)調(diào)度管理分中心。

(2)鑒于原有總中心及各個分中心的綜合調(diào)度自動化管理系統(tǒng)配置偏低、功能不夠完善、設(shè)備老化、缺失配件等,本次新建的調(diào)度管理總中心、分中心及各個閘站點,均新建自動化系統(tǒng)設(shè)備軟硬件系統(tǒng)。具體任務(wù)是:在調(diào)度總中心配置工作站、服務(wù)器、核心及匯聚工業(yè)以太網(wǎng)交換機、高性能存儲器等硬件設(shè)施,在分中心僅配置主機工作站及一體化應(yīng)用終端等主要設(shè)備系統(tǒng);在調(diào)度管理總中心配置灌區(qū)辦公綜合自動化系統(tǒng)、灌區(qū)工程管理系統(tǒng)、灌區(qū)工程綜合調(diào)度運行管理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等軟件系統(tǒng),同時考慮現(xiàn)有灌區(qū)視頻監(jiān)視系統(tǒng)集成融合等建設(shè)任務(wù)。

(3)在本次閘門改造時升級改造配置閘門PLC控制系統(tǒng)的站點、原有完好的閘門PLC控制系統(tǒng)且本次敷設(shè)光纜已聯(lián)通的閘門站點,均配置工業(yè)以太網(wǎng)交換機;其它已配置PLC控制系統(tǒng)的閘門,暫時不能實現(xiàn)光纜連接的閘門站點,考慮閘門的手動/電動操作方式、在閘室PLC控制柜(箱)上實現(xiàn)閘門的就地自動控制方式,不考慮在調(diào)度總中心實現(xiàn)閘門的遠(yuǎn)程無線控制。

2)灌區(qū)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

灌區(qū)原有自建光纜均為6芯,且有部分光纜通路采用租用電信網(wǎng)絡(luò)通道,本次所采用新建光纜(自建采用16芯光纜),包括灌區(qū)水利管理所、0#分水閘、第一分水閘、第二分水閘、第三分水閘、中坪分水閘、頂閘分水閘、榆樹溝分水閘、平交道分水閘、共青分水閘等9處站點,實現(xiàn)調(diào)度總中心對上述9處重要站點的閘門遠(yuǎn)程控制;而灌區(qū)水利管理所調(diào)度總中心與金塔縣水務(wù)局調(diào)度管理分中心之間,則租用電信網(wǎng)絡(luò)VPN通道方式,從而實現(xiàn)在灌區(qū)調(diào)度總中心、分中心及主要閘站之間通過光纜有線聯(lián)通,實現(xiàn)調(diào)度管理中心對主要閘門的遠(yuǎn)程調(diào)度控制,極大地提高調(diào)度管理效率,提高自動化程度,減少人工工作任務(wù)。

3 結(jié)語

結(jié)合鴛鴦灌區(qū)目前信息化建設(shè)的實際情況和需求,建立了以“立體感知、自動控制、智慧應(yīng)用、信息服務(wù)和支撐保障”五個方面為總體框架的灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)方案,優(yōu)先解決制約鴛鴦灌區(qū)現(xiàn)代化改造“卡脖子”工程,后期逐步建設(shè)完善的灌區(qū)現(xiàn)代化。通過本次方案的實施,有效推進灌區(qū)信息化、現(xiàn)代化建設(shè),使灌區(qū)服務(wù)達(dá)到智能化,不斷提升灌區(qū)水資源的高效利用與高效管理水平。