長(zhǎng)距離引調(diào)水工程信息化建設(shè)方案探討

暴占軍，惠世超，江澤宇

(河南省豫北水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，河南 安陽(yáng) 455000)

1 概述

近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水利行業(yè)的技術(shù)融合，水利行業(yè)在水土保持、水災(zāi)害防治、水資源管理等方面應(yīng)用不斷深入，有效提升了行業(yè)監(jiān)管水平與運(yùn)維效率，由傳統(tǒng)人力資源劃片分區(qū)管理逐步進(jìn)入智能科學(xué)管理現(xiàn)代化水利時(shí)代，水利網(wǎng)信及數(shù)據(jù)安全逐步加強(qiáng)，綜合服務(wù)水平持續(xù)提升，為人民用水安全、便捷提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。由于我國(guó)南北差異大、水資源分布不均衡等現(xiàn)實(shí)條件，導(dǎo)致各地區(qū)水信息建設(shè)發(fā)展不平衡，主要體現(xiàn)在監(jiān)測(cè)體系不完善，信息共享亟待加強(qiáng)，業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)混亂缺乏頂層設(shè)計(jì)，保障體系不健全等。針對(duì)以上問(wèn)題，文章以南水北調(diào)中線配套供水工程為例，闡述引調(diào)水工程信息化解決方案。

1.1 工程概況

西部調(diào)水工程地處華北平原安陽(yáng)市，為南水北調(diào)中線工程配套供水工程，工程自總干渠預(yù)留口門取水，將清澈甘甜的丹江水，通過(guò)管道輸送至安陽(yáng)市西部丘陵、山區(qū)等缺水區(qū)域，徹底改變現(xiàn)狀水質(zhì)差、水資源短缺的歷史性難題，提升廣大人民群眾生活幸福感、獲得感。因受水區(qū)位于太行山麓及丘陵地帶，與總干渠高差較大，工程通過(guò)梯級(jí)泵站及地埋管道建設(shè)，加壓輸水，即減少漏損同時(shí)保障輸水效率，沿途配套建設(shè)各類閥井及穿越建筑物上百座，主要工程建設(shè)內(nèi)容如圖1所示。

1.2 信息化概述

西部調(diào)水工程項(xiàng)目范圍廣，穿越平原、丘陵、山區(qū)地形，引水管道距離長(zhǎng)、高差大、輸水量大、運(yùn)行情況復(fù)雜多變，廠區(qū)分散且設(shè)備多，工程巡檢困難、效率低，極易因人為疏忽造成巨大損失。本方案通過(guò)構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)字化體系，即各類數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站，將工程運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)匯總至信息中心，獲得一套實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)，定制開(kāi)發(fā)綜合管理應(yīng)用平臺(tái)，基于數(shù)據(jù)分析輔助決策，由此服務(wù)于工程運(yùn)營(yíng)管理。

2 信息化建設(shè)方案

2.1 目標(biāo)與任務(wù)

建設(shè)目標(biāo)：以綜合管控為核心，建成引調(diào)水自動(dòng)化、信息化、智慧化的綜合管控平臺(tái)系統(tǒng)，依托新一代信息技術(shù)手段，加強(qiáng)對(duì)工程動(dòng)態(tài)監(jiān)管、提高工程應(yīng)急響應(yīng)速度，科學(xué)運(yùn)維管理為目標(biāo)，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)模式下，進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一開(kāi)發(fā)，建立適合引調(diào)水工程特征的智慧系統(tǒng)，西部調(diào)水項(xiàng)目的工程數(shù)字化、感知全面化、管理標(biāo)準(zhǔn)化、決策智慧化、應(yīng)用一體化。

建設(shè)任務(wù)：①數(shù)據(jù)中心建設(shè)：根據(jù)工程建設(shè)“一管線、一水廠、三泵站”分布情況，采用“集散型”管理方式，配套建設(shè)泵站調(diào)度中心1處，現(xiàn)地站分控中心3處。②信息平臺(tái)集成開(kāi)發(fā)：結(jié)合工程特點(diǎn)，圍繞調(diào)水工程運(yùn)維管理實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)一套工程調(diào)度綜合管理平臺(tái)，子項(xiàng)有：基于Web的泵站遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻集中監(jiān)視系統(tǒng)、水廠基本信息管理、泵站運(yùn)行實(shí)時(shí)信息管理系統(tǒng)、泵站運(yùn)行與調(diào)度管理系統(tǒng)、管道GIS一張圖、大屏幕系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)等開(kāi)發(fā)與建設(shè)。結(jié)合水廠生產(chǎn)工藝、巡查及日常管理定制水廠綜合管控平臺(tái)，水廠管理平臺(tái)與工程調(diào)度由數(shù)據(jù)接口互通。③數(shù)據(jù)采集配置：為確保中心數(shù)據(jù)即時(shí)、準(zhǔn)確，需對(duì)1座水廠、3座泵站及主管線關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采集工程運(yùn)行參數(shù)。儀表類型包括監(jiān)控探頭、壓力計(jì)、流量計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、濁度監(jiān)測(cè)、泵閥啟閉模塊等。④基礎(chǔ)通信建設(shè)：工程范圍覆蓋城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村，為保證工程區(qū)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)安全可靠，需配套建立基礎(chǔ)通信系統(tǒng)，擬租用運(yùn)營(yíng)商光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，分站由工業(yè)交換機(jī)組建局域網(wǎng)。廠區(qū)以光纖通信為主，對(duì)無(wú)光纖連接部分管段擬采用無(wú)線通信方式，采取光纖鋪設(shè)與無(wú)線通信相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)通信覆蓋。

2.2 總體思路

本工程由水務(wù)公司投資建設(shè)并運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)期滿后交付當(dāng)?shù)卣?，在保證工程運(yùn)行安全的前提下，節(jié)能、降耗、降低運(yùn)營(yíng)成本以提高收益率對(duì)運(yùn)營(yíng)公司來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。根據(jù)工程運(yùn)行維護(hù)管理實(shí)際情況，考慮運(yùn)行管理方便、高效，基于計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)工程進(jìn)行關(guān)鍵部位動(dòng)態(tài)監(jiān)管，工程宜采用“集中控制、分散管理”方式運(yùn)行，對(duì)節(jié)點(diǎn)建筑物或管理所盡可能少人值守，采用現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)手段實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，多方位采集工程運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管控、分析，用以科學(xué)決策支持，工程系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)平臺(tái)拓?fù)鋱D

根據(jù)西部調(diào)水工程的建設(shè)內(nèi)容以及信息化建設(shè)的任務(wù)，調(diào)度信息管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)將采用圖3所示的總體結(jié)構(gòu)，主要包括數(shù)據(jù)采集層、通信層、存儲(chǔ)層、服務(wù)層和應(yīng)用層5個(gè)部分。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

信息管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，共分兩層，分別是西部調(diào)水工程調(diào)度管理中心(第一級(jí))和現(xiàn)地站管理分中心(第二級(jí))，分控中心和調(diào)度中心站均建立起內(nèi)部局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各自區(qū)域范圍內(nèi)相關(guān)設(shè)備及辦公系統(tǒng)設(shè)備的互聯(lián)，同時(shí)調(diào)度中心與各分控中心建立起廣域環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各局域網(wǎng)系統(tǒng)之間的互聯(lián)。調(diào)度管理中心負(fù)責(zé)工程總體調(diào)度、管控及數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)、管理與應(yīng)用，同時(shí)作為水廠現(xiàn)地運(yùn)維管理中控室。

泵站分中心僅具備其管理區(qū)域操控權(quán)限，主要負(fù)責(zé)各類儀表設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)作為調(diào)度中心的二級(jí)分中心，信息與總控中心互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享，并接收上級(jí)指令。

2.3 分項(xiàng)設(shè)計(jì)

2.3.1泵站自控系統(tǒng)

泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由下列部分組成：中控室控制設(shè)備、平面顯示設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、現(xiàn)地站儀表設(shè)備等。

(1)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)及權(quán)限

泵站內(nèi)自建環(huán)形局域內(nèi)網(wǎng)，用以串聯(lián)各現(xiàn)地站監(jiān)測(cè)儀表設(shè)備，并將數(shù)據(jù)信息傳送至泵站控制室，該局域網(wǎng)與外部互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行物理隔離，確保自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全。泵站控制室網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度中心擬租用通信商專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)總控與分控間信息互通和數(shù)據(jù)共享，泵組設(shè)現(xiàn)地軟啟動(dòng)LCU柜，為最高控制權(quán)限，其次為泵站控制室遠(yuǎn)程操控為二級(jí)遠(yuǎn)控端，當(dāng)采用無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)調(diào)度中心進(jìn)行遠(yuǎn)程操控為三級(jí)遠(yuǎn)控端，三級(jí)遠(yuǎn)控端操作權(quán)限<二級(jí)遠(yuǎn)控權(quán)限<現(xiàn)地控制端權(quán)限，在監(jiān)控主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，亦可保證機(jī)組正常運(yùn)行。

泵站現(xiàn)地通過(guò)LCU進(jìn)行泵組控制，主要監(jiān)控泵組運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)有轉(zhuǎn)軸溫度、管道壓力、震動(dòng)頻率、轉(zhuǎn)速、電壓電流等，為了便于檢修及故障排查，LCU按一泵一屏設(shè)置，另對(duì)每級(jí)泵站公共設(shè)備如進(jìn)線、進(jìn)水閘門、變壓器等設(shè)置1套公共LCU，獨(dú)立運(yùn)行互不干擾。

(2)泵站管理中心

現(xiàn)地泵站管理中心也是主控級(jí)，根據(jù)泵站運(yùn)維管理機(jī)制開(kāi)發(fā)運(yùn)維管理平臺(tái)，平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示。泵站運(yùn)行及采集數(shù)據(jù)即時(shí)存儲(chǔ)于工位機(jī)硬盤同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)備份于泵站調(diào)度中心數(shù)據(jù)庫(kù)，現(xiàn)地控制中心不再設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)。現(xiàn)地泵站管理中心是泵站自動(dòng)化的主要功能實(shí)現(xiàn)級(jí)，主要廠站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程操控，通過(guò)儀表數(shù)據(jù)采集及歷時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，為工程運(yùn)行提供科學(xué)決策依據(jù)，并兼顧數(shù)據(jù)異常報(bào)警功能。

圖4 泵站管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3.2水廠現(xiàn)地控制系統(tǒng)

(1)水廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程聯(lián)合調(diào)度中心位于水廠辦公樓，兼做水廠控制中心。該調(diào)度中心與泵站、水務(wù)公司及上級(jí)行政主管單位間通信，通過(guò)租用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通與信息共享，同時(shí)，各廠區(qū)根據(jù)及廠區(qū)內(nèi)部根據(jù)崗位職責(zé)、管理權(quán)限設(shè)置不同角色登錄賬號(hào)，水廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由下列部分組成：中控室控制設(shè)備、平面顯示設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、現(xiàn)地站儀表設(shè)備等。水廠管理系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)詳見(jiàn)圖5，建設(shè)廠區(qū)環(huán)形局域網(wǎng)串聯(lián)各車間儀表設(shè)備，該網(wǎng)絡(luò)與外部互聯(lián)網(wǎng)物理隔離。

圖5 水廠管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

(2)水廠中央控制室

水廠控制室內(nèi)設(shè)的監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將負(fù)責(zé)全廠的自動(dòng)化運(yùn)行和生產(chǎn)管理，主要包括監(jiān)控操作站、工程師站、視頻系統(tǒng)控制主機(jī)、服務(wù)器、大屏顯示系統(tǒng)、打印機(jī)、工業(yè)級(jí)交換機(jī)等，中控室及設(shè)備間裝修需符合防雷、防靜電等安全要求，用電設(shè)備需采取過(guò)電壓保護(hù)措施。監(jiān)控系統(tǒng)控制也設(shè)在水廠控制室，并在門衛(wèi)處設(shè)分站。數(shù)字水廠功能應(yīng)用包括：①供水智能調(diào)度;②水質(zhì)管理模塊;③生產(chǎn)運(yùn)行管理模塊;④設(shè)備管理模塊;⑤巡檢管理模塊;⑥倉(cāng)庫(kù)物料管理模塊;⑦行政審批模塊。

2.3.3管線監(jiān)控系統(tǒng)

將供水管網(wǎng)的管線數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)等基本信息以圖層的方式展示在地圖上，用戶結(jié)合工作的實(shí)際需求通過(guò)圖層管理器對(duì)圖層進(jìn)行開(kāi)啟與關(guān)閉。此外，在GIS一張圖模塊中提供了地圖操作的一些常用的功能，便于管理人員全方位了解區(qū)域內(nèi)的地形地貌和供水管網(wǎng)的分布情況以及管網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。

將流量計(jì)、水位計(jì)、壓力計(jì)、水質(zhì)儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶可以在GIS地圖上點(diǎn)擊設(shè)備實(shí)時(shí)查看每個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以便實(shí)時(shí)掌握管網(wǎng)的運(yùn)行狀況。

2.3.4視頻監(jiān)視系統(tǒng)

視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)重要部位進(jìn)行監(jiān)視，滿足遠(yuǎn)程對(duì)運(yùn)行管理的要求。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由原水監(jiān)控、水廠生產(chǎn)監(jiān)控、水廠安防監(jiān)控、泵站監(jiān)控等部分組成。視頻監(jiān)控系統(tǒng)與門禁系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，安裝紅外報(bào)警探測(cè)器具備非法闖入報(bào)警功能。網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)安裝在中控室內(nèi)，具有控制器、服務(wù)器、錄像機(jī)、存儲(chǔ)器等多種功能，作為控制器；作為視頻服務(wù)器，可對(duì)畫(huà)面進(jìn)行切割處理，在LED 顯示屏上顯示多個(gè)畫(huà)面或一個(gè)畫(huà)面。工作人員刷卡進(jìn)入廠區(qū)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)異常；當(dāng)有外部人員非法闖入時(shí)，攝像頭自動(dòng)抓拍人像并報(bào)警。

2.4 信息安全建設(shè)

本方案依據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)的基本要求，對(duì)西部調(diào)水工控系統(tǒng)進(jìn)行等保2.0備案，并實(shí)施安全防護(hù)加固，信息安全體系框架如圖6所示，主要措施有包含視頻監(jiān)控、消防設(shè)計(jì)、門禁系統(tǒng)、溫濕度控制等物理環(huán)境建設(shè)，設(shè)置入侵防御系統(tǒng)串聯(lián)在辦公網(wǎng)絡(luò)與工控網(wǎng)絡(luò)邊界處，實(shí)時(shí)捕獲所有流經(jīng)的數(shù)據(jù)，在工控網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)之間采用工業(yè)防火墻進(jìn)行縱向區(qū)域隔離，在工控機(jī)及操作站等pc設(shè)備加裝安全防護(hù)類(殺毒、防入侵等)軟件，阻斷高威脅端口，防止病毒威脅擴(kuò)散，最后在網(wǎng)絡(luò)部署中有效結(jié)合防火墻和入侵防御系統(tǒng)，給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)全面的防御。

圖6 信息安全體系框架

3 關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)

3.1 系統(tǒng)平臺(tái)頂層設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)供水，協(xié)調(diào)水廠、管網(wǎng)和泵站的均衡生產(chǎn)，規(guī)范供水的各個(gè)業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效管理，全面整合所有生產(chǎn)運(yùn)行單位的生產(chǎn)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)分析利用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，為決策層多角度分析業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)情況提供科學(xué)依據(jù)，工程定制開(kāi)發(fā)綜合管理平臺(tái)，平臺(tái)包含多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，各子系統(tǒng)采取模塊化設(shè)計(jì)，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行集成，平臺(tái)功能根據(jù)管理職責(zé)設(shè)差異化權(quán)限，平臺(tái)開(kāi)發(fā)保持持續(xù)化建設(shè)，考慮后續(xù)擴(kuò)展及功能整合，預(yù)留國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)接口，配套建立完整的制度體系，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、集中監(jiān)管、設(shè)備集中管理等，提升工程運(yùn)行管理效率，讓工程管理手段更先進(jìn)、更科學(xué)，全面提升工程運(yùn)行效率，節(jié)約成本，更大發(fā)揮工程效益。

3.2 智能水廠運(yùn)維

智能水廠一體化依托現(xiàn)代化管理理念，根據(jù)水務(wù)公司及行政主管單位數(shù)據(jù)共享要求開(kāi)發(fā)專用數(shù)據(jù)接口，統(tǒng)籌考慮未來(lái)發(fā)展需求保持系統(tǒng)建設(shè)持續(xù)拓展空間，充分考慮到水廠的實(shí)際運(yùn)營(yíng)、節(jié)能降耗、內(nèi)部管理等實(shí)際需求。系統(tǒng)整合水廠的監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水廠生產(chǎn)、工藝、設(shè)備、業(yè)務(wù)等的實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析。為水廠提供生產(chǎn)自控、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、值班管理、廠內(nèi)巡檢管理、生產(chǎn)成本統(tǒng)計(jì)分析、藥劑與能耗管理分析、設(shè)備資產(chǎn)管理、監(jiān)控與門禁管理、自動(dòng)報(bào)警等全方位的生產(chǎn)管理一體化系統(tǒng)。

3.3 GIS“一張圖”

以GIS為核心的智慧管網(wǎng)系統(tǒng)的建立是對(duì)未來(lái)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理有著非常重要的作用。采用GIS空間信息技術(shù)，將地下管網(wǎng)及其附屬設(shè)備數(shù)據(jù)以可視化的方式進(jìn)行全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化和智能化管理，減少事故安全隱患和對(duì)環(huán)境的破壞，降低管理成本，保障城鄉(xiāng)用水安全，提升廣大人民群眾幸福感，為其他涉水基礎(chǔ)設(shè)施空間建筑物信息。系統(tǒng)為用戶提供空間分析功能，便于用戶根據(jù)空間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢與篩選以及根據(jù)空間信息進(jìn)行爆管模擬，輔助用戶制定事故預(yù)案。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然文章闡述的引調(diào)水工程信息化方案在數(shù)字水廠、泵站自控及管網(wǎng)GIS等方面應(yīng)用，極大改善了水利工程以人力為主巡查維護(hù)、信息采管理模式，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析建立安全預(yù)警機(jī)制，讓工程運(yùn)行管理智能、高效、準(zhǔn)確，促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步。當(dāng)前我國(guó)智慧水務(wù)發(fā)展仍處于萌芽與探索階段，受地域差異及水資源分布特點(diǎn)等制約，導(dǎo)致信息技術(shù)在水利行業(yè)發(fā)展極不均衡，因此筆者建議在當(dāng)前網(wǎng)信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀下，在水利及相關(guān)智慧工程、信息化設(shè)計(jì)過(guò)程中，勿盲目追求智能化，超標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)造成過(guò)度開(kāi)發(fā)和經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，需圍繞工程特點(diǎn)及運(yùn)維管理需求，做好平臺(tái)頂層設(shè)計(jì)和設(shè)備選型，因地制宜地開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化制度建設(shè)，讓工程運(yùn)行更高效、更科學(xué)、更合理。