平湖市城市防洪系統(tǒng)南市圩區(qū)工程自動化控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

胡正松，馮 磊，劉 鋒，陸乙君，翁 敏，張凱平，丁揚威

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.平湖市城市防洪工程管理所，浙江 平湖 314200）

1 問題的提出

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化率也隨之顯著提高，城市作為經(jīng)濟、文化和政治的中心，是社會發(fā)展的核心。當(dāng)前，中國設(shè)置有668個建制市，存在防洪任務(wù)有639座，其中防洪標準不足50 a一遇的達80%，不足20 a一遇的約占60%，有些小的城市甚至不設(shè)防[1]。對比國外，日本大中城市采用100 ～ 200 a一遇的防洪標準，美國陸軍工程兵團建議采用200 a一遇的城市防洪標準，瑞士采用100 ～ 500 a一遇的防洪標準，英國倫敦更是采用1 000 a一遇的防洪標準，我國的防洪標準相對較低。一旦遭受暴雨、臺風(fēng)爆潮等的侵害，便會造成嚴重的經(jīng)濟損失和社會損失。

目前，世界各國城市的防洪措施大同小異，一般依據(jù)城市的特點采用堤防、水庫和分洪工程對洪水采取攔蓄、排泄、分滯等工程措施。但20世紀60年代以來，國內(nèi)外在防洪理論和策略上有新的發(fā)展，認為城市防洪安全靠工程措施不僅是非人力所能及，也不一定經(jīng)濟合理，采用工程措施和非工程措施相結(jié)合成為主流趨勢。因此，近20多年，國內(nèi)外特別強調(diào)對洪水的管控，要求做好洪水立法、洪水保險、宣傳教育及水土保持等非工程措施，尤其重要的是利用信息化技術(shù)加強洪水預(yù)報、建立統(tǒng)一的現(xiàn)代化調(diào)度中心和報警系統(tǒng)[2]。

由于信息化技術(shù)對于現(xiàn)代化城市防洪建設(shè)的重要性，平湖市城市防洪系統(tǒng)南市圩區(qū)工程采用分層分布式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)按少人值守或無人值守的目標進行總體設(shè)計和系統(tǒng)配置，同時與原有的城市防洪體系進行無縫銜接，實現(xiàn)對閘泵站設(shè)備的重要運行參數(shù)和狀態(tài)的實時監(jiān)測以及遠程控制，為提高平湖城市防洪體系日常運行效率，減輕管理人員的負擔(dān)，降低運營成本，保障平湖城區(qū)包圍圈的安全，有效防范洪水的侵襲，保護人民的生命安全和財產(chǎn)安全。同時結(jié)合平湖市被列為水利工程標準化管理試點的契機，對實現(xiàn)標準化管理的水閘、泵站進行研究，為其他水利工程標準化創(chuàng)建工作提供很好的借鑒。

2 工程概況

原有平湖市城市防洪工程包圍圈面積13.60 km2，堤線總長16.900 km，其中14.980 km以路為堤，1.920 km為新建防洪堤，沿堤各河口建節(jié)制閘17座，泵站7座（與閘結(jié)合），防洪控制中心1座。防洪標準為50 a一遇，排澇標準為20 a一遇，24 h降雨24 h排出且內(nèi)河水位不超過2.2 m（1985國家高程基準，下同），排澇流量68 m3/s。

平湖市南市圩區(qū)工程包圍圈面積1.56 km2，堤線總長5.523 km，其中5.000 km以路為堤，523.0 m結(jié)合景觀設(shè)置土堤，沿堤各河口布置曹兌港閘站和北河溇水閘。本工程防洪標準為20 a一遇；排澇標準為20 a一遇，24 h降雨24 h排出且圩區(qū)內(nèi)控制水位不超過2.2 m。本工程等級為Ⅳ級，相應(yīng)水工建筑物級別：單閘主要建筑物4級，閘站主要建筑物3級，次要建筑物為5級，臨時建筑物為5級。

平湖市城市防洪系統(tǒng)控制的閘泵站點多面廣，如各個站點均需值守，則要投入大量的人力、物力，同時人工記錄的數(shù)據(jù)散亂且誤差較大。因此需要建設(shè)自動化控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對閘泵站設(shè)備的重要運行參數(shù)和狀態(tài)的實時監(jiān)測以及遠程控制[3]。

2016年1月，浙江省政府印發(fā)《全面推行水利工程標準化管理的意見》（以下簡稱《意見》），浙江省水利廳制訂《全面推進水利工程標準化管理實施方案（2016 —2020）》，平湖市被列為浙江全省全面推進水利工程標準化管理的試點，這將有助于加快平湖市城市防洪系統(tǒng)標準化建設(shè)的進程，也將進一步提高平湖市城市防洪系統(tǒng)南市圩區(qū)工程的管理水平。

依據(jù)上述2個文件的精神，水利工程標準化管理即制定完善的工程管理標準、明確工程管護主體、界定工程管理范圍、足額保障管護經(jīng)費、依標落實管理人員，充分利用信息化手段，嚴格達到相關(guān)考核要求[4]?！兑庖姟分忻鞔_：“依托和整合現(xiàn)有水利信息資源，建立水利工程標準化管理運行管理平臺?！薄！墩憬∷こ虡藴驶芾硇畔⒒ㄔO(shè)總體設(shè)計方案要點》也提出：“依托信息技術(shù)，構(gòu)建省、市、縣三級監(jiān)管體系和水利工程運行管理體系”[5]。因此，可以看出充分利用信息化手段顯得尤為重要，對平湖市城市防洪系統(tǒng)標準化的建設(shè)至關(guān)重要。

3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

平湖市城市防洪系統(tǒng)南市圩區(qū)工程自動化控制系統(tǒng)采用分層分布式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)按少人值守或無人值守的目標進行總體設(shè)計和系統(tǒng)配置，以滿足平湖市南市圩區(qū)防洪抗旱、水質(zhì)調(diào)節(jié)、船只通航等諸多功能。

系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由城防控制層、現(xiàn)地控制單元（LCU）、現(xiàn)地手動控制層組成。現(xiàn)地手動控制層包括繼電器、接觸器、電磁閥、示流信號器、軟啟動器、水位傳感器、按鈕、指示燈、交通燈、廣播等，可實現(xiàn)對現(xiàn)地設(shè)備的獨立控制，在所有控制層中具有最高優(yōu)先級[6]。曹兌港閘站現(xiàn)地控制單元（LCU）包括1#閘門控制柜、2#閘門控制柜、UPS柜、公用LCU柜和1#泵組LCU柜、2#泵組LCU柜；北河溇水閘為1個公用LCU柜。LCU控制層通過工業(yè)光纖以太網(wǎng)方式接入城防控制層（平湖市城防管理所中心控制室）。城防控制層采集處理閘泵站的各種相關(guān)參數(shù)，并自動監(jiān)控閘泵站的運行過程，實時顯示有關(guān)參數(shù)，同時形成各類報表、故障表等；對監(jiān)控系統(tǒng)各運行參數(shù)進行修改和設(shè)置；與現(xiàn)地控制單元和上級管理機構(gòu)通信。為加強現(xiàn)地層控制功能，配以圖像監(jiān)視方式，提高現(xiàn)地層的可靠性；同時布置安防防盜探測器，遠程、現(xiàn)地均可對閘站內(nèi)的防盜探測器進行布防、撤防操作和接警處理。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)地以太網(wǎng)、控制中心監(jiān)控網(wǎng)及控制中心應(yīng)用網(wǎng)3部分組成。

現(xiàn)地以太網(wǎng)：由各現(xiàn)地交換機連接各閘泵站內(nèi)的現(xiàn)地網(wǎng)絡(luò)，通過光端機的以太網(wǎng)口與控制中心監(jiān)控網(wǎng)相連。

控制中心監(jiān)控網(wǎng)：由來自2個閘泵站的以太網(wǎng)以及城防控制中心的監(jiān)控主機構(gòu)成，網(wǎng)內(nèi)進行大量的計算機監(jiān)控數(shù)據(jù)交互，監(jiān)控主機采集現(xiàn)地LCU數(shù)據(jù)并發(fā)出控制指令，該監(jiān)控網(wǎng)通過一個千兆口和控制中心應(yīng)用網(wǎng)相連。

控制中心應(yīng)用網(wǎng)：其中一個接口和控制中心監(jiān)控網(wǎng)相連并配置相應(yīng)路由，一個接口和外網(wǎng)相連，也進行嚴格的路由配置，通過路由和防火墻配置，有效屏蔽非法的訪問請求。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

曹兌港閘站計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要包括閘門控制系統(tǒng)和泵組控制系統(tǒng)。曹兌港閘站的閘門形式為直升門，采用卷揚式啟閉機，閘門具有通航要求。1#、2#閘門控制柜通過公用LCU柜與城防控制層的上位機相接，具體的運行流程見圖2，閘門可單步運作，也可聯(lián)動運作。過船指揮及廣播系統(tǒng)同閘門控制系統(tǒng)緊密聯(lián)系，當(dāng)滿足通航條件時，切換上下游的通航燈，引導(dǎo)船只通行。語音廣播可輔助通航燈，協(xié)助船只通航[7]。1#、2#泵組LCU柜監(jiān)控著8臺軸流泵及其潤滑水管道、其他輔助設(shè)備等，在潤滑水開啟5 s后啟動水泵，同樣在潤滑水關(guān)閉5 s后再關(guān)閉水泵。北河溇水閘的閘門形式為一字門，左右門可單獨開啟、關(guān)閉，也可同時運行。

圖2 閘門運行流程圖

平湖市城市防洪系統(tǒng)南市圩區(qū)工程自動化控制系統(tǒng)的軟件依據(jù)分散原則編制，各分站不依賴控制中心，能獨立完成所屬監(jiān)控區(qū)域的控制。軟件采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)具有簡易的可操作性、數(shù)據(jù)的可修改性、規(guī)模的可擴展性。其與平湖市城市防洪工程的軟件設(shè)計思路保持一致，并能“無縫”接入原系統(tǒng)中。

上位機軟件具備監(jiān)測和管理2種功能，由過程控制、監(jiān)測、運行統(tǒng)計、WEB發(fā)布等模塊組成。城防控制層采集處理閘泵站的各種有關(guān)參數(shù)，并自動監(jiān)控閘泵站的運行過程，實時顯示當(dāng)前運行過程的有關(guān)參數(shù)，如：閘門開度、水位的動態(tài)模擬數(shù)值顯示、故障內(nèi)容顯示和聲音報警，提供設(shè)備運行圖、重要參數(shù)趨勢圖、運行棒圖等，實現(xiàn)對現(xiàn)地設(shè)備進行遠程監(jiān)控。管理功能主要是軟件自動記錄每次運行過程操作命令、操作記錄、設(shè)備啟閉時間、故障內(nèi)容和故障時間等，形成各類表，上位機主界面見圖3 ～ 圖5。

圖3 平湖市城市防洪工程計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機主界面圖

圖4 曹兌港閘站計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機主界面圖

圖5 北河溇水閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機主界面圖

4 圖像監(jiān)視系統(tǒng)

4.1 監(jiān)視系統(tǒng)總體設(shè)計

圖像監(jiān)視系統(tǒng)采用模擬與數(shù)字相結(jié)合的方案。圖像信號由前端監(jiān)視點采集后，通過數(shù)字光端機經(jīng)裸光纖傳入城防管理所的圖像監(jiān)視中心。所傳入的圖像信號經(jīng)過視頻分配器處理后一路輸入嵌入式硬盤錄像機，另一路輸入視頻矩陣。中心運行管理人員通過操作矩陣鍵盤對圖像進行選擇切換輸出至電視墻顯示，并能通過RS485總線控制被選定的前端監(jiān)視點設(shè)備，為現(xiàn)場人員提供圖像信息依據(jù)。嵌入式硬盤錄像機作為圖像存儲及遠程瀏覽設(shè)備，對輸入的視頻信號進行數(shù)字化處理后錄像存儲，并經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機接入系統(tǒng)內(nèi)部局域網(wǎng)，供遠程用戶通過客戶端或IE進行訪問瀏覽實時圖像、歷史圖像及其他相關(guān)操作[8]。

安防系統(tǒng)作為圖像監(jiān)視系統(tǒng)的一個有效補充，能實現(xiàn)控制中心對堤防沿線閘泵站建筑物內(nèi)部重點區(qū)域的防盜監(jiān)視與報警。監(jiān)控信號由前端安防探測器采集后，通過網(wǎng)絡(luò)報警主機經(jīng)以太網(wǎng)傳入視頻/安防工作站。報警裝置必須符合微波及被動紅外技術(shù)探測報警同時觸發(fā)才會報警。城防控制中心的圖像/安防工作站可對閘站內(nèi)的防盜探測器進行遠程布防、撤防操作和接警處理；也可由報警鍵盤或者無線遙控器進行現(xiàn)地布防、撤防操作和接警處理。

圖像監(jiān)視系統(tǒng)（包含安防系統(tǒng)）主要用于閘泵站的重要區(qū)域和設(shè)備進行遠程監(jiān)視，對現(xiàn)場狀況進行定期巡視及安保防衛(wèi)。系統(tǒng)能對監(jiān)視場景進行錄像，便于閘站控制和事故分析。且可通過網(wǎng)絡(luò)將圖像信息傳輸至上級管理機構(gòu)。為平湖南市圩區(qū)工程的運行控制提供圖像信息依據(jù)。

4.2 監(jiān)視系統(tǒng)的實現(xiàn)

圖像信息接入平湖市城防管理所中心控制室，下位閘泵站2個，共設(shè)前端監(jiān)視點15個，下位閘泵站實現(xiàn)無人值守運行。

圖像監(jiān)視系統(tǒng)是由前端攝像機、數(shù)字光端機、視頻分配器、數(shù)字硬盤錄像機、視頻矩陣及鍵盤、監(jiān)視器等主要設(shè)備組成。數(shù)字硬盤錄像機存儲歷史視頻數(shù)據(jù)，鍵盤控制視頻矩陣并在監(jiān)視器上實時顯示所需畫面。

圖像監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 圖像監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié) 語

2016年開始，平湖市對城市防洪工程開展標準化建設(shè)，目前已經(jīng)完成整個城市防洪工程的標準化建設(shè)工作。根據(jù)建設(shè)要求，參與創(chuàng)建的水利工程均建立信息化運行管理平臺，在實現(xiàn)標準化管理的水閘、泵站，都設(shè)置有手機APP二維碼，可實時記錄巡查人員在巡查工程設(shè)施、設(shè)備時的相關(guān)情況。目前，平湖市防洪工程標準化運行管理平臺和浙江省水利工程標準化管理監(jiān)督與服務(wù)平臺相連接，可受浙江省水利廳實時監(jiān)控，標準化創(chuàng)建效果顯著，為其他水利工程的標準化創(chuàng)建工作提供很好的借鑒。

自動化控制系統(tǒng)在平湖市城市防洪系統(tǒng)南市圩區(qū)工程的應(yīng)用，實現(xiàn)對閘泵站的實時性遠程操作和控制。系統(tǒng)投入運行后，實踐證明自動化控制系統(tǒng)功能齊全、運行穩(wěn)定、操作方便，大大提高平湖城市防洪體系日常運行效率，減輕管理人員的負擔(dān)，降低運營成本，達到預(yù)期效果。