信息自動(dòng)化系統(tǒng)在高湖水庫(kù)擴(kuò)容及灌溉工程中的應(yīng)用

李 亮

（山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 臨沂 276000）

高湖水庫(kù)擔(dān)負(fù)著其流域上下游的防洪保護(hù)任務(wù)，是以防洪、灌溉為主的大型水庫(kù)。因此，該水庫(kù)的防汛工作十分重要。本文針對(duì)高湖水庫(kù)擴(kuò)容及灌溉工程現(xiàn)狀，對(duì)該水庫(kù)防汛通訊與水情預(yù)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)施進(jìn)行探討分析，以便能夠較快而準(zhǔn)確地向有關(guān)部門上報(bào)汛情資料[1]。

1 工程概況

高湖水庫(kù)擴(kuò)容及灌溉工程設(shè)計(jì)灌溉面積74.2 km2，高湖水庫(kù)原有溢洪道改建為有閘控制；新建或改建東干渠15.66 km，采用1.5 m×3.7 m 鋼筋混泥土暗涵輸水，設(shè)計(jì)灌溉取水口41個(gè)，安全引水口5 個(gè)；西干渠及一分支改建長(zhǎng)度4.33 km,設(shè)計(jì)灌溉取水口4 個(gè)，安全引水口3 個(gè)。

2 水庫(kù)管理系統(tǒng)

2.1 管理中心系統(tǒng)

水庫(kù)管理系統(tǒng)的工作流程主要為將監(jiān)測(cè)信息匯集到相應(yīng)的水庫(kù)管理中心，并由該管理中心主站完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、水利計(jì)算、圖形/曲線顯示、報(bào)表管理和打印、安全預(yù)警、故障報(bào)警、水量調(diào)度，以及設(shè)備管理、負(fù)荷預(yù)測(cè)、視頻監(jiān)控等功能。同時(shí)，在滿足本地信息管理的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)[2]。管理中心配置調(diào)度指揮中心平臺(tái)，對(duì)高湖水庫(kù)閘門運(yùn)行進(jìn)行直接管理，實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)室、配電室等的無(wú)人值守遠(yuǎn)程操作以及重點(diǎn)部位視頻監(jiān)控；對(duì)水庫(kù)東西干渠共計(jì)53 個(gè)取水口進(jìn)行全天候流量監(jiān)控以及視頻監(jiān)控。

2.2 管理中心設(shè)備

管理中心部署服務(wù)器，工作站、UPS 電源、打印機(jī)、移動(dòng)數(shù)據(jù)專線，飲水安全管理軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件及防火墻等，設(shè)置大型拼接屏（3*3）用于信息管理與會(huì)議需求。本項(xiàng)目管理中心設(shè)備主要包括:數(shù)據(jù)庫(kù)/WEB 服務(wù)器；調(diào)度監(jiān)控工作站；網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備；不間斷電源UPS；大屏幕顯示系統(tǒng)。

3 高湖水庫(kù)溢洪閘自控系統(tǒng)

3.1 閘門監(jiān)控系統(tǒng)

閘門監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式控制，信號(hào)傳輸基于工業(yè)通訊數(shù)據(jù)總線；同時(shí)具有現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)視功能，使用安全可靠。高湖水庫(kù)閘門現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式安裝，分散安裝于各自動(dòng)化機(jī)旁箱內(nèi)，如圖1 所示。其主要任務(wù)是完成閘室現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)采集、處理、顯示以及上傳工作，同時(shí)接受各種控制命令，以實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉和自動(dòng)控制。支持無(wú)線、光纜等通信方式，支 持 RS-232/485、Modbus/ProfiBus 現(xiàn) 場(chǎng) 總 線 及 以 太 網(wǎng)（TCP/IP）等接口方式。各子系統(tǒng)通過(guò)通訊總線實(shí)現(xiàn)與管理所中控室相連，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。通訊線路基于光纖通訊。

圖1 高湖水庫(kù)溢洪閘閘門監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)主控級(jí)功能：數(shù)據(jù)巡檢和處理、安全運(yùn)行監(jiān)視、事件順序記錄、定時(shí)、人工報(bào)表打印、記錄、事故處理指導(dǎo)和恢復(fù)操作指導(dǎo)、工程設(shè)備運(yùn)行管理、系統(tǒng)診斷等。現(xiàn)地LCU 功能：數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理、具有限制非法操作者的軟、硬件多重閉鎖功能、可在現(xiàn)地LCU 柜上實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的切換、與主控級(jí)實(shí)時(shí)通訊。

3.2 安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

高湖水庫(kù)閘壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要設(shè)備包括水庫(kù)自動(dòng)化系統(tǒng)前置機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制單元（MCU）設(shè)備、傳感器及通訊網(wǎng)絡(luò)四大部分。

MCU 放置在涵閘的觀測(cè)房?jī)?nèi)，與傳感器進(jìn)行聯(lián)接；前置機(jī)作為通信處理機(jī)，為一或兩臺(tái)工業(yè)控制機(jī)（IPC），通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)將其與測(cè)站內(nèi)的各個(gè)MCU 聯(lián)接，以完成數(shù)據(jù)的采集與處理，并及時(shí)上傳到水庫(kù)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)；水庫(kù)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)除需完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息共享、故障預(yù)測(cè)和報(bào)警等功能外，也綜合水情、水文、氣象等信息，對(duì)水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)時(shí)分析，更加準(zhǔn)確地得出水庫(kù)的安全狀態(tài)和發(fā)展態(tài)勢(shì)，為涵閘的安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)參考。

本系統(tǒng)共5 孔閘門，擬設(shè)計(jì)三個(gè)斷面，采用485 工業(yè)通訊總線進(jìn)行通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 高湖水庫(kù)溢洪閘安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

4 高湖水庫(kù)取水口遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)共涉及取水口53 處，其中東干渠，灌水口：馬牧池17 個(gè)、岸堤鎮(zhèn)24 個(gè)。飲水口：馬牧池3 個(gè)、岸堤鎮(zhèn)2 個(gè)。西干渠，灌水口：岸堤鎮(zhèn)4 個(gè)。飲水口：岸堤鎮(zhèn)3 個(gè)。每一個(gè)取水口設(shè)置監(jiān)測(cè)站一個(gè)，監(jiān)測(cè)取水口的流量、壓力及視頻等，系統(tǒng)基于市電和太陽(yáng)能供電的雙電源設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

監(jiān)測(cè)過(guò)程中通過(guò)GPRS 和3G 網(wǎng)絡(luò)將所有信息上傳到水庫(kù)管理中心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的全時(shí)段監(jiān)控，以掌握高湖水庫(kù)取水口供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)如供管網(wǎng)壓力過(guò)高、水管爆管、水質(zhì)超標(biāo)等管網(wǎng)異常問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行處理。處理方式是借助GPRS網(wǎng)絡(luò)將各種數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳送到水庫(kù)的監(jiān)控中心，并由GSM短信告知管理人員存在的問(wèn)題，以及時(shí)處理各種異常情況，最大程度降低損失。

同時(shí)，基于GIS 系統(tǒng)（圖3），將高湖水庫(kù)取水口的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和供水工程數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整合，建立與實(shí)際工況較為符合的整個(gè)供水工程的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)供水工程虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的合理化遷移，以便完成供水設(shè)備查詢、空間定位和可視化管理、供水信息實(shí)時(shí)監(jiān)控等操作，為監(jiān)控工作提供一個(gè)供水工程三維信息化輔助管理和決策平臺(tái)。

圖3 高湖水庫(kù)取水口GPRS 通訊方案示意圖

視頻通信部分，優(yōu)先考慮有線接入，在無(wú)有線接入地區(qū)，通訊網(wǎng)絡(luò)基于GPRS 或聯(lián)通3G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為用戶省節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用，實(shí)時(shí)性高，組網(wǎng)費(fèi)用低。經(jīng)過(guò)我方在近年多個(gè)成功項(xiàng)目實(shí)施中的測(cè)試結(jié)果，在大部分項(xiàng)目所在地， 中國(guó)移動(dòng)TD-SCDMA、中國(guó)電信CDMA2000（EVDO）在網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到位、信號(hào)強(qiáng)度稍差的時(shí)候至多只能傳輸2 路監(jiān)控視頻，只有中國(guó)聯(lián)通WCDMA 能穩(wěn)定傳輸4 路監(jiān)控視頻，因此一般主選WCDMA、次選CDMA2000，鑒于本項(xiàng)目傳輸網(wǎng)絡(luò)部分地區(qū)偏遠(yuǎn)情況，TD-SCDMA 更是難以保證穩(wěn)定可靠傳輸，因此不建議采用該3G 制式作為本項(xiàng)目傳輸通道。優(yōu)先考慮GPRS 和聯(lián)通 3G。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水利信息自動(dòng)化水平得到不斷提高，其在水庫(kù)工程中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。高湖水庫(kù)自動(dòng)化系統(tǒng)采用當(dāng)前國(guó)際上先進(jìn)的自動(dòng)化管理技術(shù)，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作較為靈活簡(jiǎn)便、易于掌握，可以形成精度較高的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景模擬圖，采集到較為準(zhǔn)確的工程實(shí)況信息，及時(shí)處理了水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題。且該系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，預(yù)留有與其他系統(tǒng)的接口，可隨時(shí)增加其他控制模塊。該系統(tǒng)的建立，對(duì)保證水庫(kù)安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮十分必要的作用。