智慧水利水閘系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫國(guó)慶++陳江天++張文劍++王勇

摘 要：文中針對(duì)閘站群水閘數(shù)量眾多、地理位置分散，運(yùn)行管理實(shí)時(shí)性、可靠性要求高等問(wèn)題，采用物聯(lián)網(wǎng)、GIS、云計(jì)算、智能控制等先進(jìn)信息技術(shù)，實(shí)時(shí)采集閘站數(shù)據(jù)，基于智慧水利云平臺(tái)構(gòu)建智慧水閘系統(tǒng)，結(jié)合內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)、河道湖泊巡查數(shù)據(jù)綜合分析，實(shí)現(xiàn)水閘、水泵的遠(yuǎn)程可視化集中統(tǒng)一管理和智能聯(lián)合調(diào)度，確保水閘高效、經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：水閘；地理信息系統(tǒng)；智能調(diào)度；智慧水利

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）10-00-02

0 引 言

水閘是重要的水利設(shè)施之一，在泄洪抗災(zāi)等方面具有重要作用，吳中區(qū)水網(wǎng)稠密，湖泊河道眾多，已建成基礎(chǔ)水利站點(diǎn)300多個(gè)，分布在吳中區(qū)的不同位置，作為擋潮排澇的重要樞紐，現(xiàn)有水閘運(yùn)行系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能和智能水量調(diào)控功能，不能滿足實(shí)時(shí)監(jiān)管需求。

智慧水利水閘系統(tǒng)研究閘站群的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行管理，針對(duì)閘站群水閘數(shù)量眾多、地域分散，運(yùn)行管理的實(shí)時(shí)性、可靠性要求高等特征，采用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)信息技術(shù)，建設(shè)智慧水利云平臺(tái)，實(shí)時(shí)采集河道水位信息，結(jié)合內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)、河道湖泊巡查數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，智能調(diào)控各個(gè)閘站閘門(mén)、水泵等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集中管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)各河道水閘遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理，切實(shí)增強(qiáng)防汛抗旱及水資源、水環(huán)境保護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)人水和諧。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)覆蓋吳中區(qū)水系范圍的水利閘站自動(dòng)控制、水利信息監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，改造吳中區(qū)水利監(jiān)控中心和分控中心，新建水利數(shù)據(jù)中心、水利監(jiān)控專網(wǎng)，搭建智慧水利軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)集信息采集、自動(dòng)控制和指揮調(diào)度為一體的現(xiàn)代化水利信息系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閘門(mén)信息的實(shí)時(shí)采集，以及相關(guān)環(huán)境參數(shù)和啟閉設(shè)備的監(jiān)視、控制及管理，使閘門(mén)啟閉準(zhǔn)確無(wú)誤。實(shí)現(xiàn)各河道水閘遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理，現(xiàn)場(chǎng)不需值班人員，只需不定期巡視即可，達(dá)到減員增效，降低管理成本的目的，在充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)和資源的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)吳中地區(qū)水資源優(yōu)化配置，提高水資源利用效率和保護(hù)能力，增強(qiáng)防汛抗旱能力。

1.2 系統(tǒng)功能

吳中區(qū)智慧水利水閘系統(tǒng)通過(guò)與現(xiàn)有水利已經(jīng)建設(shè)的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)融合，全面、高效、便捷的監(jiān)控水利工程設(shè)施實(shí)時(shí)工況及運(yùn)行管理的全過(guò)程。在防汛抗災(zāi)等重要時(shí)期，在吳中區(qū)水利局監(jiān)控中心及相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠匯合集中所有實(shí)時(shí)資料信息，并以GIS為基礎(chǔ)，以實(shí)時(shí)圖像、圖表、聲音、曲線、報(bào)表等直觀方式進(jìn)行展示。

可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘門(mén)狀態(tài)、上下游水位等信息；遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵、閥門(mén)等運(yùn)行狀態(tài)、故障信息以及水泵進(jìn)出口壓力等信息；遠(yuǎn)程點(diǎn)動(dòng)控制閘門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)；遠(yuǎn)程點(diǎn)動(dòng)控制水泵、閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)；根據(jù)水位自動(dòng)控制閘門(mén)啟閉；參數(shù)設(shè)置和調(diào)整；根據(jù)水位及系統(tǒng)運(yùn)行需求設(shè)定工況，自動(dòng)控制閘門(mén)、水泵及閥門(mén)；根據(jù)防汛抗旱系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合分析結(jié)果自動(dòng)控制閘門(mén)、水泵及閥門(mén)；具有系統(tǒng)運(yùn)行信息、水位水情信息存儲(chǔ)、查詢等功能，并能生成報(bào)表、曲線等；系統(tǒng)故障、水位越線報(bào)警等。

1.3 系統(tǒng)組成

智慧水利水閘系統(tǒng)分為調(diào)度管理系統(tǒng)、分控中心、現(xiàn)地控制三部分，由服務(wù)器、操作員站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、自動(dòng)控制系統(tǒng)、智慧水利平臺(tái)軟件、視頻監(jiān)控、智能電表及水位、壓力、開(kāi)度等傳感器組成，采用分層分布式體系結(jié)構(gòu)。智慧水利水閘系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D如圖1所示。

1.4 智慧水利平臺(tái)軟件

智慧水利平臺(tái)軟件以GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于SOA的共性服務(wù)平臺(tái)和運(yùn)行管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息和服務(wù)資源共享。系統(tǒng)融合吳中區(qū)基礎(chǔ)地理地形數(shù)據(jù)，標(biāo)注攝像頭、水閘、泵站、內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站地理位置，實(shí)現(xiàn)管理目標(biāo)快速定位，能夠快速瀏覽、查詢歷史資料與實(shí)時(shí)信息和預(yù)測(cè)信息；采集各閘站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后疊加在智慧水利平臺(tái)軟件上，在水利局調(diào)度中心操作員站和大屏幕上展示，供調(diào)度指揮人員及時(shí)掌握各站點(diǎn)的運(yùn)行情況。智慧水利平臺(tái)軟件架構(gòu)如圖2所示。

通過(guò)綜合分析各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，及時(shí)制定或優(yōu)化調(diào)度方案，對(duì)閘（泵）站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)防洪抗旱聯(lián)合調(diào)度方案調(diào)度控制閘站設(shè)備。通過(guò)遙測(cè)數(shù)據(jù)和視頻等實(shí)時(shí)上傳的信息合理調(diào)度工作人員進(jìn)行防洪搶險(xiǎn)、水環(huán)境保護(hù)、物資調(diào)度。建設(shè)專項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)服務(wù)，存儲(chǔ)、發(fā)布閘站數(shù)據(jù)，融入水利公共信息資源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一管理和統(tǒng)一存儲(chǔ)，對(duì)智慧水利各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源支撐和共性服務(wù)，并為其他業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供信息服務(wù)。

智慧水利軟件基礎(chǔ)功能模塊包括GIS、視頻監(jiān)控、實(shí)時(shí)展示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)報(bào)表、決策支持以及水利設(shè)施設(shè)備電子檔案等，實(shí)現(xiàn)閘站群的運(yùn)行監(jiān)測(cè)、智能調(diào)度、視頻監(jiān)測(cè)以及設(shè)施設(shè)備管理等功能。

1.4.1 運(yùn)行監(jiān)測(cè)

總體監(jiān)測(cè)以GIS為底圖，標(biāo)注各閘站的地理位置，點(diǎn)擊可進(jìn)入對(duì)應(yīng)閘站運(yùn)行監(jiān)測(cè)界面，實(shí)時(shí)顯示閘門(mén)開(kāi)閉狀態(tài)，閘前、閘后水位，以及閘門(mén)啟閉的整個(gè)過(guò)程。閘門(mén)操作時(shí)，可調(diào)出視頻監(jiān)控窗口，結(jié)合實(shí)時(shí)采集的閘門(mén)開(kāi)度、電機(jī)電流、電壓等實(shí)時(shí)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的可視化，確保系統(tǒng)安全。

1.4.2 智能調(diào)度

智能調(diào)度系統(tǒng)隨著水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的更新和內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)閘站動(dòng)作策略發(fā)送調(diào)度指令。根據(jù)閘站、河道監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的水位信息，天氣預(yù)報(bào)的降水、風(fēng)力等情況，同時(shí)兼顧水閘的擋潮、排淡、過(guò)魚(yú)、攔污、通航等功能，生成相關(guān)調(diào)度指令以控制水閘、水泵的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)閘站的智能聯(lián)合調(diào)度，達(dá)到防洪、排澇的目的。

1.4.3 視頻管理

查看閘站實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)安防功能。有云臺(tái)控制的攝像機(jī)可進(jìn)行云臺(tái)控制，所有視頻畫(huà)面可進(jìn)行抓圖、保存。利用多種視頻點(diǎn)播手段查看視頻，多模式的顯示方式實(shí)現(xiàn)閘站實(shí)時(shí)監(jiān)視，通過(guò)執(zhí)行輪巡預(yù)案、區(qū)域組預(yù)案，動(dòng)態(tài)掌握閘站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)；視頻回查實(shí)現(xiàn)視頻查詢功能，通過(guò)視頻快照、視頻倒放、播放控制等功能快速定位查詢內(nèi)容。endprint

1.4.4 設(shè)施設(shè)備管理

閘站群包含的設(shè)施設(shè)備數(shù)量大，種類多，應(yīng)建立電子檔案，管理各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)備信息，包括地理位置、編號(hào)、建成時(shí)間、投運(yùn)時(shí)間、檢修時(shí)間、設(shè)備廠家及參數(shù)等。

1.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)

閘站自動(dòng)控制系統(tǒng)分為主控制級(jí)和現(xiàn)地控制級(jí)。主控制級(jí)負(fù)責(zé)完成整個(gè)閘站的監(jiān)視和控制。現(xiàn)地控制單元具有相對(duì)獨(dú)立性，能脫離主控制層直接完成閘控過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，以及各設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、調(diào)整和控制等功能。

1.5.1 現(xiàn)地控制系統(tǒng)

采用基于PLC的閘門(mén)、水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制方式簡(jiǎn)便，PLC配置以太網(wǎng)通訊模塊和模擬量、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊，水閘控制系統(tǒng)增加SSI模塊，用于接收閘門(mén)開(kāi)度信息。水閘和水泵各設(shè)置一套現(xiàn)地控制單元，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制功能，與分控中心、調(diào)度中心通過(guò)以太網(wǎng)方式通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并能接收調(diào)度指令。

人機(jī)界面：現(xiàn)地LCU設(shè)置操作終端根據(jù)系統(tǒng)的控制要求設(shè)計(jì)各操作界面，現(xiàn)場(chǎng)操作人員根據(jù)屏幕上的中文提示，輕觸屏幕上的按鈕來(lái)控制閘門(mén)的啟閉，同時(shí)又可在屏幕上查看電機(jī)工作電壓、電流，以及閘位和水位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，顯示各種故障和報(bào)警信息等，具有顯示直觀，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

控制策略：水閘根據(jù)河道、湖泊水位或接收調(diào)度指令可實(shí)現(xiàn)全開(kāi)、全關(guān)及開(kāi)到設(shè)定開(kāi)度位置等，通過(guò)水閘開(kāi)度儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)度，開(kāi)到相應(yīng)位置時(shí)自動(dòng)關(guān)閉水閘電機(jī)；水泵根據(jù)水位自動(dòng)啟停及開(kāi)關(guān)閥門(mén)，在正常水位時(shí)，各水泵自動(dòng)輪換工作，在危險(xiǎn)水位時(shí)，自動(dòng)投入必要數(shù)量的水泵；根據(jù)所監(jiān)測(cè)的水位信號(hào)，設(shè)定低水位、中水位和高水位信號(hào)。可設(shè)置各種運(yùn)行工況，如低水位時(shí)停泵；中水位時(shí)水泵2臺(tái)運(yùn)行、2臺(tái)備用；高水位時(shí)，依據(jù)水位上升趨勢(shì)，依次開(kāi)啟1#、2#、3#、4#水泵。實(shí)現(xiàn)泵閥聯(lián)動(dòng)控制，對(duì)運(yùn)行中的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

系統(tǒng)保護(hù)：主回路和電機(jī)的繼電保護(hù)功能由帶脫扣裝置的斷路器及熱繼電器實(shí)現(xiàn)，具有短路、過(guò)載等功能。繼電保護(hù)信號(hào)獨(dú)立于現(xiàn)地控制單元，通過(guò)直接作用于控制回路來(lái)切斷主回路電源，保護(hù)負(fù)載設(shè)備。同時(shí)設(shè)有繼電保護(hù)信號(hào)顯示功能，并能通過(guò)現(xiàn)地控制單元實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，將故障信息傳遞給水閘控制單元。

1.5.2 分控中心

通常情況下配置一臺(tái)操作員工作站，關(guān)鍵的水利樞紐閘站可采用雙機(jī)冗余熱備工作方式。正常情況下一臺(tái)工作，一臺(tái)備用，主計(jì)算機(jī)故障，則由備用計(jì)算機(jī)接替，自動(dòng)完成雙機(jī)無(wú)擾動(dòng)切換。部署監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)管理器進(jìn)行標(biāo)簽管理，定義現(xiàn)地控制單元的過(guò)程變量或內(nèi)部變量標(biāo)簽，周期性讀取位狀態(tài)，自動(dòng)采集各現(xiàn)地控制單元的狀態(tài)量，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、顯示、報(bào)警和操控，能夠接收調(diào)度系統(tǒng)發(fā)來(lái)的調(diào)度指令并返回指令執(zhí)行結(jié)果。

2 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)閘站群地理位置分散、水閘數(shù)量眾多等特點(diǎn)，借助智慧水利項(xiàng)目建設(shè)，設(shè)計(jì)智能控制系統(tǒng)和水閘軟件，實(shí)現(xiàn)閘站群的智能聯(lián)合調(diào)度。吳中區(qū)智慧水利項(xiàng)目一期已建設(shè)完成并投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)閘站群運(yùn)行管理預(yù)期目標(biāo)，該項(xiàng)目的成功實(shí)施為類似閘站群實(shí)現(xiàn)集中高效管理提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有一定的參考價(jià)值。

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