自動化技術在水利工程中的應用

【摘要】隨著計算機、通訊技術、電子技術不斷的發展，水利工程施工建設及其運行管理逐漸的走向了高效準確地自動化采集、傳輸、分析、處理等數字化的管理。下面就結合作者實際工作經驗，簡要的分析疏浚駁船載運狀態監控系統在水利工程中的應用，以供借鑒。

【關鍵詞】水利工程；疏浚駁船載運；監控系統

1、 疏浚駁船載運狀態監控系統的分析

疏浚駁船載運狀態監控系統的整體規劃思路可以歸結為：整合疏浚區地理信息、駁船吃水變化信息和駁船GPS位置信息，借助衛星定位技術、GIS技術、三維聲納成像技術、圖像識別技術、通信技術、計算機技術等先進技術手段，通過載運狀態智能監測模型，實時監控疏浚駁船從河道疏浚區至淤泥傾倒區的整個航行過程中的載運狀態情況，從而實現監管部門對疏浚駁船載運狀態監測和管理智能化。

2、 系統總體的設計

2 .1 疏浚船船體監控分系統主要包括GPS終端、一體化遙控終端、供電系統、信號傳輸系統及其附屬設備等。其中根據疏浚船的種類及工作方式，系統針對主要在內河工作的小型疏浚船項目擬在船體通過安裝GPS終端，實時掌握疏浚船的運行路線，疏浚船運行路線偏移預定航線時系統自動報警，提醒監管人員。針對船體具備安裝泵機組和底閥的大中型船體，系統擬同時安裝GPS終端和一體化遙控終端，通過GPS獲取的疏浚船定位信息并通過一體化遙控終端控制泵機組或液壓裝置，疏浚船只能在到達指定區域才能啟動泵機組或底閥，防止疏浚船在運輸途中偷排事件的發生。

2.2 沿岸監測斷面監控系統主要包括聲吶三維成像系統、圖像識別監控設備、供電設備、圖像存儲設備、信號傳輸設備及其附屬設備等。

2.3 監控中心系統主要包括應用服務器、存儲設備、通訊設備、應用軟件等。

疏浚駁船載運狀態監控系統的總體框架結構如圖1所示：

2.4信息流

系統信息流為監管部門在監測斷面預先確定監測區域經緯度數據，并利用疏浚船船載GPS讀取其位置信息，待疏浚船GPS達到監測區域時，啟動聲納成像掃描系統和視頻抓拍系統。系統利用GPS定位終端確定并上傳疏浚船的位置和船體基本狀態信息；通過三維成像掃描船體水下成像，判斷疏浚船是否存在通過底閥或其他動力設備偷排現場；通過視頻監測設備判斷兩個監測斷面疏浚船吃水深度是否存在異常變化。平臺通過集成運用疏浚船GPS信息、聲納三維成像數據、船體吃水深度變化數據，進行疏浚船的識別和狀態判斷，若存在異常狀態向有關部門提供實時報警功能。

3 、船載測控終端設備詳細設計

3.1 系統組成

GPRS船載衛星定位系統由船載單元、GPRS無線網絡和監控中心3部分組成。GPRS船載系統包括嵌入式系統、GPS衛星接收模塊和GPRS無線通信模塊。GPRS無線鏈路是基于移動公司的GPRS移動通信公眾網， 包括MSC基站控制器、SGSN業務支撐節點和GGSN網關支撐節點。系統結構如圖3所示。

3.2 系統的硬件結構

整個系統硬件主要是由船載移動單元、通信網絡、監控中心所組成，船載移動單元經過GPS接收模塊接收船舶的定位信息，經過移動用戶板進行處理，經過GPRS模塊、監控中心通信，監控中心接收到的定位信息，將船舶位置顯示于電子地圖中，經過GPRS網絡實行船舶的調度。

4 、基于圖像識別的船舶吃水深度監測系統詳細設計

4.1 建設內容

項目擬依托現有兩個水文站點建立2套船舶吃水深度專用視頻探測設備，用以監測途徑監測站點的污泥運輸船過程中是否存在偷排漏排現場。

4.2 系統結構

一個完整的視頻監視系統由三大部分組成，主要有前端子系統、傳輸子系統和中心子系統。前端子系統主要完成前端圖像信號的獲取；傳輸子系統主要完成前端圖像的傳送和控制通信；中心站子系統主要完成圖像信號的切換控制、輸出顯示以及圖像的存儲。

4.3 系統功能

4.3.1視頻監視功能。要求各視頻前端圖像信息能準確、清晰、實時地傳送到監控中心，同時對多路視頻進行監控。攝像機采用品牌攝像機，確保在強光或夜間環境下，系統能可靠、穩定運行并能提供較好的圖像質量。

4.3.2遠程操控功能。監控中心可對攝像機鏡頭進行光圈、焦距、景深距離的控制操作，對云臺可做全方位控制。

4.3.3硬盤錄像功能。可隨時將現場情況錄像，并可進行智能回放及檢索。

4.3.4網絡支持功能。在網絡適應性及要求方面可支持網關、NAT（網絡地址轉換）、代理、防火墻、路由器等。

4.3.5系統擴充功能。系統擴充性能好，只需要增加視頻監視設備就可以擴大監視范圍，而不會影響原有系統的性能和質量。

4.3.6系統管理功能。具有完善的系統管理功能，包括安全管理、用戶管理、服務器管理等。

4.3.7船體吃水深度識別、計算功能。能根據船體特定標記，計算船體相對吃水深度。

4.4 三維實時成像聲納系統設計

4.4.1系統組成

聲吶成像系統主要由聲納頭、云臺、接線盒及數據傳輸電纜等部分組成。其中聲納頭通過以太網鏈路和USB傳輸線與PC連接，從而實現計算機與聲吶和云臺之間的通信，系統示意如圖4-9所示。聲吶頭包含發射器、接收器及手法轉換器，同時控制波束形成的電路。此外，系統自帶實時監測控制軟件，可控制云臺轉動及進行聲吶的參數的配置。

4.4.2系統功能及性能

系統可提供可靠、精確的水下圖像顯示。系統包括水下聲納和可選的傾角馬達（建議選配），通過以太網連接到基于Windows的電腦。可選的傾角馬達使用戶可以在+10°至-90°的垂直掃描范圍內以5°的增量進行調整。系統內置傾角驅動電子，加強垂直掃描功能；配置以太網接口（10/100Mbps），可編程；安裝設置簡易方便，能夠滿足1.25m-300m范圍；可集成視頻獲取和顯示，用戶可編程IP地址。

系統主要技術參數如下：

頻率：260kHz或可選的675kHz；

換能器波束寬度：接受120°（水平）*20°（垂直）；發射120°（水平）*20°（垂直）；

有效水平波束寬度：1.5°；

波束：120，240，480；

范圍分辨率：范圍的0.2%；

最小探測范圍：0.5m；

最大工作深度：300m；

接口：標準10/100Mbps以太網接口（10BASE-T）

最大電纜長度：標準10m，通過以太網擴展器可擴展至約9000m；

電源：22-32VDC；

重量（260kHz）：空氣中4.8kg（含傾角馬達），2kg（不含傾角馬達）。

4.5 中心站系統設計

4.5.1系統組成

中心站系統主要配置數據/應用服務器、GPRS接收裝置、視頻服務器、監控工作站及網絡設備等。由于中心站系統設置在水文總站，因而部分設備可以利用現有的技術裝備。

4.5.2系統功能

本系統基于Arcgis Server平臺開發，采用B/S架構，根據業務需求，分為電子地圖、監控信息采集與處理、實時信息監視預警、基礎信息查詢、疏浚船舶信息查詢、監控設備遠程控制、疏浚船舶偷排報警、疏浚船舶偷排識別取證、統計分析、設置與配置、用戶管理與日志記錄等功能模塊。具體功能如下：

（1）電子地圖

電子地圖是本系統交互設計的基礎，系統的大部分交互功能將在監控區域地圖基礎上進行設計和呈現。該模塊將實現標準電子地圖的瀏覽，提供通用地圖工具如測距、測面積、坐標顯示、標注、圖形輸出等，并可選擇疊加豐富的動態圖層，如船舶專題圖層、港區線劃圖層和其他參考要素。

（2）監控信息采集與處理

實時采集各類監控信息，如船舶的GPS信息、岸站監控點的視頻與圖像信息、岸站監控點的聲納掃描信息、船舶的任務信息等，實現各類信息的接收、處理、糾錯、分類、存儲等功能，并根據現場需求下發遠程監控指令，確保系統整體工作。

（3）實時信息監視預警

通過電子地圖實現各類實時信息的監視與預警功能，可實時顯示站點分布情況、實時航跡信息、實時圖像與視頻信息、實時聲納掃描信息等。同時根據監控設備的監控信息，對疏浚船舶航跡異常、航速異常、未到卸泥地停泊、圖像識別吃水深度異常、聲納掃描結果異常等行為進行聲、光報警，并形成日志記錄。

（4）基礎信息查詢

實現各類基礎信息，如站點信息、路線信息、設備信息、運行狀態信息等內容的各類簡單與組合查詢功能。

（5）疏浚船舶信息查詢

實現對疏浚船舶的基礎信息、運泥設備參數信息、運泥任務信息、運泥路線信息的綜合查詢，在任務狀態下可實現船舶的實時航行狀態監測。

（6）監控設備遠程控制

該模塊可以遠程控制監控設備的狀態信息，遠程操作監控設備。

（7）疏浚船舶偷排識別取證

根據報警信息，對偷排船只進行跟蹤、視頻拍攝記錄其偷排行為。

（8）統計分析

實現各類信息的綜合統計與分析功能。如單位時間內船舶的任務統計、船舶違法情況統計、船舶運行效率分析等專項統計分析功能。

（9）設置與配置

（10）用戶管理與日志記錄

結束語：

綜上所述，水利工程的自動化主要是集自動測報、通信、自動監控、數據庫、系統集成等高新技術在一體現代化信息的采集系統作為基礎、通信、計算機網絡系統作為保障，信息管理和決策支持系統是核心地一項結構復雜、規模龐大、建設較長地信息系統工程。

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作者簡介：魏廣（1982-），男，江蘇鹽城人，主要從事水利信息自動化、水資源管理工作.