中心涌泵閘站集群調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)方案研究

摘要：水利信息化技術(shù)是水利行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必要手段，也是水利現(xiàn)代化發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施。本文系結(jié)合掛影洲圍中心涌水環(huán)境綜合整治示范工程，對包括新舊閘站的中心涌泵閘站集群調(diào)度控制系統(tǒng)對建設(shè)方案進行了比對分析，依據(jù)“經(jīng)濟實用、安全可靠、技術(shù)先進”的原則選擇了具體的實施方案。通過實施科學(xué)的調(diào)度和統(tǒng)一的管理，加強對流域范圍內(nèi)的水害防治和水資源管理力度，實現(xiàn)引水活源、降低泵閘站運行成本、提高水利工程運行調(diào)度管理水平。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境；綜合整治；泵閘站；集群調(diào)度系統(tǒng)

引言

隨著信息科技在水利建設(shè)各個工程里的普及應(yīng)用，人們逐漸認(rèn)識到信息技術(shù)潛在的利用價值。如今，水利信息化已經(jīng)成為支撐及確保水利改革發(fā)展的關(guān)鍵，推動水利信息化發(fā)展已經(jīng)成為一項關(guān)乎水利發(fā)展全局的戰(zhàn)略性任務(wù)之一。水利信息化，是指在水利全行業(yè)普遍應(yīng)用現(xiàn)代通信、計算機網(wǎng)絡(luò)等先進的信息技術(shù)，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，深入開發(fā)和廣泛利用水利信息資源，實現(xiàn)水利信息采集、傳輸、存儲、處理和服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化與智能化，全面提升水利事業(yè)活動的效率和效能[1]。水利信息化起步于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時主要是圍繞水情信息匯總、處理展開的。從1979～1980年開始，水文信息化開始一些信息源的處理。20世紀(jì)90年代前后，水利信息化逐步向以微機和網(wǎng)絡(luò)為平臺轉(zhuǎn)型。2001年水利部黨組確立了“以水利信息化帶動水利現(xiàn)代化”的發(fā)展思路，同年召開的全國水利信息化工作座談會將水利信息化建設(shè)定名為“金水工程”，2001年是水利信息化建設(shè)標(biāo)志性的一年。到2003年《全國水利信息化規(guī)劃》正式出臺，標(biāo)志著全國水利信息化的全面展開。目前在防汛抗旱、水文系統(tǒng)、水土保持監(jiān)測系統(tǒng)、水資源調(diào)度等方面取得了一定的成績[2]。

泵閘站信息化是水利信息化的綜合體現(xiàn)，而泵閘站調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)正是我國大力推進水利信息化的重要組成部分[3]。泵閘站信息化建設(shè)的目標(biāo)是：運用先進的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理手段，初步建立一個覆蓋整個泵閘站群及相關(guān)地區(qū)，以信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)、通信傳輸系統(tǒng)為保障、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托、決策支持系統(tǒng)為核心的，能夠提高泵閘站管理水平、促進泵閘站技術(shù)優(yōu)化和提高用水效率的水利關(guān)系信息系統(tǒng)，為泵閘站群水資源的優(yōu)化配置和合理利用提供調(diào)度運行決策支持。目前，針對單一泵閘站的“單泵閘控制”調(diào)度系統(tǒng)效率低下，已經(jīng)不能滿足科學(xué)管理的要求。為了更好的發(fā)揮水閘泵站管理效率，提升水閘泵站的現(xiàn)代化管理水平，需要結(jié)合相關(guān)的優(yōu)化調(diào)度模型與自動化控制調(diào)度系統(tǒng)建立一個集自動化和智能化控制于一體的集群調(diào)度管理控制系統(tǒng)[4]。本文結(jié)合實際工程案例，探討泵閘站集群調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)方案。

1 泵閘站集群調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)成

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

本文所述泵閘站集群調(diào)度系統(tǒng)的工程范圍為掛影洲圍中心涌水流域。根據(jù)工程要求，中心涌泵閘站集群調(diào)度系統(tǒng)包括一個調(diào)度中心與一個調(diào)度分中心。調(diào)度中心下轄10座水閘，其中2座為新建、8座為已建舊閘；調(diào)度分中心下轄7座新建水閘和1座新建泵站。中心與分中心網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，中心為分中心的上級調(diào)度機構(gòu)。本泵閘站集群調(diào)度系統(tǒng)的主要任務(wù)是：以流域管轄范圍內(nèi)的已建或擬建泵閘站為監(jiān)控對象，以調(diào)度中心為主中心、調(diào)度分中心為副中心，建成一套“經(jīng)濟實用，安全可靠，技術(shù)先進，易于維護，擴展性強”的水利泵、閘站群聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)。實現(xiàn)流域內(nèi)以引水活源為目的、泵閘站運行控制集群化、管理信息化、日常維護專業(yè)化的目標(biāo)，并實現(xiàn)水利工程動態(tài)工情的網(wǎng)絡(luò)化。最終提高水利工程運行的科學(xué)性、安全性和可靠性；提高水利工程的管理效率和管理水平，適應(yīng)某區(qū)域水利現(xiàn)代化和城市化的整體要求。

調(diào)度中心及調(diào)度分中心的系統(tǒng)分別由管理服務(wù)器、計算機監(jiān)控工作站、圖像監(jiān)視工作站、存儲設(shè)備、以太網(wǎng)、UPS等設(shè)備組成。調(diào)度分中心通過光纖與調(diào)度中心連接，調(diào)度中心只對調(diào)度分中心控制范圍內(nèi)的泵閘站進行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視。調(diào)度（分）中心與遠(yuǎn)程泵、閘站現(xiàn)地控制單元采用光纜連接。調(diào)度（分）中心將采集到的各泵、閘站的信息加以處理、儲存、顯示，以此實時了解各泵閘站的運行工況、水位、圖像等情況，并作為對各泵閘站進行科學(xué)管理、合理調(diào)度的依據(jù)。

1.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本集群調(diào)度系統(tǒng)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)基于以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，采用24口以太網(wǎng)交換機，形成1000M自適應(yīng)的星型以太網(wǎng)。傳輸協(xié)議為TCP/IP，開放性好，可根據(jù)需要隨時擴展。以太網(wǎng)的傳輸速度為10/100M自適應(yīng)，并行采集數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。監(jiān)控結(jié)構(gòu)為遠(yuǎn)程調(diào)度和現(xiàn)地兩層。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)器采用雙機冗余配置，保證系統(tǒng)的正常運行。操作員工作站也是雙機配置，且為了便于觀察和了解多處情況，每個操作員工作站上連接兩臺液晶顯示器。利用一臺打印機作為各種報表、畫面、圖形和文字的輸出設(shè)備。一套GPS設(shè)備提供計算機設(shè)備的同步時鐘。UPS設(shè)備為監(jiān)控系統(tǒng)提供可靠的備用電源。整個中心的軟硬件設(shè)備配置滿足安全可靠性、技術(shù)先進性，易維護性的要求。系統(tǒng)還可以通過網(wǎng)絡(luò)光纜與流域最高管理機構(gòu)總調(diào)度中心進行信息交換（留出接口）。

2 實施方案研究

本工程為新舊閘站組成的調(diào)度群，情況較為復(fù)雜。設(shè)計階段，除新建水閘、泵站外，還要對已建水閘的技術(shù)現(xiàn)狀進行分析、研究，重點是研究其為接入本群控系統(tǒng)而進行的現(xiàn)地監(jiān)控設(shè)備改造的適應(yīng)性。

舊閘的情形有兩種：一種是獨立的水閘，另一種是附屬于泵站的自排閘門。前者解決方案是：只需要改造閘門行程開關(guān)、增加閘門開度裝置和閘前后水位計，同時對閘門控制箱進行PLC化改造，所有前端信號接入現(xiàn)地層控制箱PLC、再通過光纜上傳至調(diào)度層。

但附屬于泵站的自排閘門，情形則要復(fù)雜得多?，F(xiàn)狀是：泵站建設(shè)的年限已久，上下位機系統(tǒng)均已老化、且無網(wǎng)絡(luò)通訊功能和遠(yuǎn)程調(diào)度功能，現(xiàn)有 LCU既接收來自泵組的信號、又接收來自水閘的信號。解決方案是：自排閘門接入調(diào)度層的方式采用：通過對現(xiàn)有泵站上下位機軟件進行升級改造、更換通訊元件，增加網(wǎng)絡(luò)交換機，最終閘門信號通過泵站總網(wǎng)絡(luò)出口接入調(diào)度層。

由于工程施工后期才明確調(diào)度分中心、內(nèi)河涌的七座水閘的管理歸屬于另一個政府部門，為便于日后兩部門清晰管理界限，避免相互干擾，最后采取變更調(diào)度分中心地點來實現(xiàn)這一目的。實施前對兩個可供選擇的方案進行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟比較。

2.1 建設(shè)方案一

保持原設(shè)在調(diào)水動力泵站的調(diào)度分中心不變，1#～7#節(jié)制閘的數(shù)據(jù)匯集點仍在調(diào)水動力泵站、調(diào)度功能不變。新建一個調(diào)度分中心的副中心，設(shè)在1#節(jié)制閘處，具有對1#～7#節(jié)制閘的調(diào)度功能、但必須得到主調(diào)度分中心（調(diào)水動力泵站）的授權(quán)。方案一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

方案一的核心是保留調(diào)水動力泵站處調(diào)度分中心原有的后臺全部設(shè)備，在1#節(jié)制閘副調(diào)度中心處增加：操作員系統(tǒng)工作站、圖像工作站、語音系統(tǒng)工作站、打印機以及存儲設(shè)備；在人機界面上達到與分中心一致，并由調(diào)度分中心管理授權(quán)和軟件授權(quán)，調(diào)用調(diào)度分中心與1#～7#節(jié)制閘相關(guān)的全部有效數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)方面，此方案不需要新增光纜和設(shè)備，前期一次性投資只有少量的工程費和耗材。但在調(diào)水動力泵站和1#節(jié)制閘之間的網(wǎng)絡(luò)鏈路，需要將原30M帶寬提升至200M，以保證大量數(shù)據(jù)的快速傳輸。

2.2建設(shè)方案二

方案二取消原調(diào)水動力泵站處SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、視頻存儲服務(wù)器、前置服務(wù)器。在1#節(jié)制閘處新建一個調(diào)度分中心，新調(diào)度中心需要增加網(wǎng)絡(luò)機柜、交換機、SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、前置服務(wù)器、視頻服務(wù)器、語音系統(tǒng)服務(wù)器，用于1#～7#節(jié)制閘的數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制、視頻監(jiān)控及語音廣播，1#～7#節(jié)制閘的數(shù)據(jù)匯集點改到1#節(jié)制閘處。方案二網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

具體措施是取消調(diào)水動力泵站處對1#～7#節(jié)制閘的調(diào)度功能。將原調(diào)水動力泵站處的調(diào)度分中心的后臺服務(wù)器等設(shè)備全部移到1#節(jié)制閘處新建的調(diào)度分中心；調(diào)水動力泵站按常規(guī)泵站另配兩套操作員工作站和一套視頻工作站以及其它相關(guān)附屬設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)方面，將原調(diào)度分中心的設(shè)備移至1#節(jié)制閘處，將原調(diào)度中心指向調(diào)水動力泵站的200M帶寬鏈路改向1#節(jié)制閘、將原調(diào)度分中心移動設(shè)備遷移至新調(diào)度分中心處，移動方面只做數(shù)據(jù)上處理無需另加設(shè)備；已建調(diào)水動力泵站與1#節(jié)制閘之間的鏈路保持30M帶寬不變，用于采集泵站所需1#～7#節(jié)制閘的水位數(shù)據(jù)、閘門狀態(tài)信號以及向總中心傳輸泵站數(shù)據(jù)的功能。泵站所有數(shù)據(jù)經(jīng)由1#節(jié)制閘處的調(diào)度分中心上傳至總中心。

同時在1#節(jié)制閘、新調(diào)度分中心處多增加一條至外圍基站的光纜，移動需另外增加光電轉(zhuǎn)換器、交換機、VPN設(shè)備作為雙路由備份，以確保1#節(jié)制閘作為調(diào)度分中心匯聚功能點的穩(wěn)定性和可靠性。

2.3兩個方案的技術(shù)經(jīng)濟比較

（1）兩個方案的技術(shù)比較

方案一的優(yōu)點是：原調(diào)水動力泵站和調(diào)度分中心設(shè)備無變化，系統(tǒng)軟件調(diào)試無工作量增加。網(wǎng)絡(luò)方面不改變原有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前期不需要新增光纜和設(shè)備；缺點是：副調(diào)度分中心對1#～7#節(jié)制閘的運行管理和數(shù)據(jù)采集，副調(diào)度中心數(shù)據(jù)實際還是需要原調(diào)水動力泵站SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器數(shù)據(jù)以及前置服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，副調(diào)度中心視頻監(jiān)控系統(tǒng)同樣需要讀取原調(diào)水動力泵站視頻服務(wù)器存儲數(shù)據(jù)，兩管理單位并未從數(shù)據(jù)采集、存儲以及組態(tài)上完全分離，一旦原調(diào)度分中心光纖故障或者任何一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障，副中心對應(yīng)的系統(tǒng)會全面癱瘓。因此副調(diào)度中心的數(shù)據(jù)采集、控制、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)都受到原調(diào)水動力泵站系統(tǒng)的牽制，造成副調(diào)度中心無法獨立正常運行，失去建設(shè)意義。

方案二的優(yōu)點是：1#節(jié)制閘處新建的調(diào)度分中心，直接對1#～7#節(jié)制閘進行運行管理和數(shù)據(jù)采集，調(diào)水動力泵站和1#～7#節(jié)制閘系統(tǒng)從邏輯上完全分離，調(diào)水動力泵站數(shù)據(jù)采集、存儲、控制、視頻監(jiān)控獨立、便于運行和管理；新調(diào)度分中心只是通過SQL數(shù)據(jù)庫同步的方式將相關(guān)狀態(tài)及水位信息回傳至調(diào)水動力泵站；實質(zhì)上新調(diào)度分中心和調(diào)水動力泵站之間無權(quán)限約束，達到獨立運行，保證了兩套系統(tǒng)的安全可靠、穩(wěn)定，提高了運行人員的管理效率；系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，局部的故障不影響整個系統(tǒng)的可靠運行，上一層的故障不影響下一層控制、調(diào)節(jié)和安全操作，即調(diào)度層及其通訊通道故障時，不影響新調(diào)度分中心層和調(diào)水動力泵站層的功能，而新調(diào)度分中心層故障，不影響控制單元層的功能。控制層故障，不影響控制層的功能。

方案一中兩套系統(tǒng)并未完全獨立，方案二中兩套系統(tǒng)采用底層數(shù)據(jù)采集單元層分開的方式完全獨立，從系統(tǒng)技術(shù)層面中的安全性、穩(wěn)定性、控制先進性等方面上都明顯優(yōu)于方案一。

（2）兩個方案的經(jīng)濟比較

建設(shè)方案調(diào)整引起系統(tǒng)的設(shè)備變化：方案一，在調(diào)水動力泵站處沒有設(shè)備變化，而在1#節(jié)制閘副中心處有設(shè)備增加。方案二，在原調(diào)水動力泵站處的后臺設(shè)備全部移至1#節(jié)制閘，調(diào)水動力泵站按常規(guī)泵站另配兩套操作員工作站和一套視頻工作站以及其它相關(guān)附屬設(shè)備。

建設(shè)方案調(diào)整引起的網(wǎng)絡(luò)費用增加：方案一，不需要新增光纜和設(shè)備，施工期一次性投資只有少量的工程費和耗材。但調(diào)水動力泵站和1#節(jié)制閘之間的網(wǎng)絡(luò)鏈路，需要由原設(shè)計的30M帶寬提升至200M，提升后運營期每月將增加租用費。方案二，由于需要改變原有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，施工期需新增設(shè)備：1#節(jié)制閘新增一條光纜、中興PTN6110設(shè)備1臺，下掛2臺和記奧普泰小型化PTN，各種線纜若干，用于設(shè)備之間的互連。雖有施工期的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備增加，但運營期每月光纖租用費無變化。

經(jīng)核算，方案一系統(tǒng)增加的設(shè)備投資與后期的網(wǎng)絡(luò)租用費方面高于方案二。

3 結(jié) 語

經(jīng)以上對兩個建設(shè)方案進行技術(shù)和經(jīng)濟比較后可見：雖兩方案各有優(yōu)缺點，但方案二更能滿足兩個部門分界管理的實際需求，且總體投資增加稍低，運營期的光纜租用費用未增加。因此最終采用建設(shè)方案二。此系統(tǒng)建成后，調(diào)度中心數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)還可通過預(yù)留的接口與市三防指揮中心的綜合信息平臺的互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享，為流域內(nèi)各站點的優(yōu)化調(diào)度，以及合理引水活源、改善水環(huán)境的綜合調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

閘站集群調(diào)度系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、綜合性的信息管理平臺，作為水務(wù)系統(tǒng)數(shù)字化管理的核心部分、同時也是衡量水務(wù)信息化管理水平的標(biāo)準(zhǔn)之一。閘站集群調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)綜合考慮成本、技術(shù)要素進行綜合比較，確保系統(tǒng)建設(shè)的合理性、經(jīng)濟性與適用性。

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作者簡介：羅征宇（1967年生～），大學(xué)本科學(xué)歷，工作單位：廣東省科技基礎(chǔ)條件平臺中心，從事信息化項目與工程的咨詢規(guī)劃測評服務(wù)和監(jiān)理工作。

（作者單位：廣東省科技基礎(chǔ)條件平臺中心）