信息自動化系統在高湖水庫擴容及灌溉工程中的應用

李 亮

（山東省臨沂市水利勘測設計院，山東 臨沂 276000）

高湖水庫擔負著其流域上下游的防洪保護任務，是以防洪、灌溉為主的大型水庫。因此，該水庫的防汛工作十分重要。本文針對高湖水庫擴容及灌溉工程現狀，對該水庫防汛通訊與水情預報系統的設施進行探討分析，以便能夠較快而準確地向有關部門上報汛情資料[1]。

1 工程概況

高湖水庫擴容及灌溉工程設計灌溉面積74.2 km2，高湖水庫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，設計灌溉取水口41個，安全引水口5 個；西干渠及一分支改建長度4.33 km,設計灌溉取水口4 個，安全引水口3 個。

2 水庫管理系統

2.1 管理中心系統

水庫管理系統的工作流程主要為將監測信息匯集到相應的水庫管理中心，并由該管理中心主站完成數據存儲與管理、水利計算、圖形/曲線顯示、報表管理和打印、安全預警、故障報警、水量調度，以及設備管理、負荷預測、視頻監控等功能。同時，在滿足本地信息管理的基礎上，實現數據的上級轉發[2]。管理中心配置調度指揮中心平臺，對高湖水庫閘門運行進行直接管理，實現啟閉機室、配電室等的無人值守遠程操作以及重點部位視頻監控；對水庫東西干渠共計53 個取水口進行全天候流量監控以及視頻監控。

2.2 管理中心設備

管理中心部署服務器，工作站、UPS 電源、打印機、移動數據專線，飲水安全管理軟件、數據庫軟件及防火墻等，設置大型拼接屏（3*3）用于信息管理與會議需求。本項目管理中心設備主要包括:數據庫/WEB 服務器；調度監控工作站；網絡與通信設備；不間斷電源UPS；大屏幕顯示系統。

3 高湖水庫溢洪閘自控系統

3.1 閘門監控系統

閘門監控系統采用分布式控制，信號傳輸基于工業通訊數據總線；同時具有現場視頻監視功能，使用安全可靠。高湖水庫閘門現場監控系統采用分布式安裝，分散安裝于各自動化機旁箱內，如圖1 所示。其主要任務是完成閘室現場的信號采集、處理、顯示以及上傳工作，同時接受各種控制命令，以實現閘門的啟閉和自動控制。支持無線、光纜等通信方式，支 持 RS-232/485、Modbus/ProfiBus 現 場 總 線 及 以 太 網（TCP/IP）等接口方式。各子系統通過通訊總線實現與管理所中控室相連，實現整個系統的自動化控制。通訊線路基于光纖通訊。

圖1 高湖水庫溢洪閘閘門監控系統

系統主控級功能：數據巡檢和處理、安全運行監視、事件順序記錄、定時、人工報表打印、記錄、事故處理指導和恢復操作指導、工程設備運行管理、系統診斷等。現地LCU 功能：數據的實時采集和處理、具有限制非法操作者的軟、硬件多重閉鎖功能、可在現地LCU 柜上實現設備自動控制和手動控制的切換、與主控級實時通訊。

3.2 安全監測子系統

高湖水庫閘壩安全監測系統為分布式網絡結構，主要設備包括水庫自動化系統前置機、現場測量控制單元（MCU）設備、傳感器及通訊網絡四大部分。

MCU 放置在涵閘的觀測房內，與傳感器進行聯接；前置機作為通信處理機，為一或兩臺工業控制機（IPC），通過現場總線或工業以太網將其與測站內的各個MCU 聯接，以完成數據的采集與處理，并及時上傳到水庫調度自動化系統；水庫調度自動化系統除需完成數據存儲、信息共享、故障預測和報警等功能外，也綜合水情、水文、氣象等信息，對水庫安全監測數據進行了進一步的實時分析，更加準確地得出水庫的安全狀態和發展態勢，為涵閘的安全運行提供數據參考。

本系統共5 孔閘門，擬設計三個斷面，采用485 工業通訊總線進行通訊。系統結構如圖2。

圖2 高湖水庫溢洪閘安全監測子系統

4 高湖水庫取水口遠程監測系統

本系統共涉及取水口53 處，其中東干渠，灌水口：馬牧池17 個、岸堤鎮24 個。飲水口：馬牧池3 個、岸堤鎮2 個。西干渠，灌水口：岸堤鎮4 個。飲水口：岸堤鎮3 個。每一個取水口設置監測站一個，監測取水口的流量、壓力及視頻等，系統基于市電和太陽能供電的雙電源設計，確保系統可靠運行。

監測過程中通過GPRS 和3G 網絡將所有信息上傳到水庫管理中心，實現自動化的全時段監控，以掌握高湖水庫取水口供水管網實時運行情況，發現如供管網壓力過高、水管爆管、水質超標等管網異常問題及時進行處理。處理方式是借助GPRS網絡將各種數據信息實時傳送到水庫的監控中心，并由GSM短信告知管理人員存在的問題，以及時處理各種異常情況，最大程度降低損失。

同時，基于GIS 系統（圖3），將高湖水庫取水口的基礎地理信息數據和供水工程數據進行加工整合，建立與實際工況較為符合的整個供水工程的虛擬現實場景，實現供水工程虛擬現實場景的合理化遷移，以便完成供水設備查詢、空間定位和可視化管理、供水信息實時監控等操作，為監控工作提供一個供水工程三維信息化輔助管理和決策平臺。

圖3 高湖水庫取水口GPRS 通訊方案示意圖

視頻通信部分，優先考慮有線接入，在無有線接入地區，通訊網絡基于GPRS 或聯通3G 無線網絡，實現大范圍內網絡運行狀態監測，為用戶省節省網絡建設和維護費用，實時性高，組網費用低。經過我方在近年多個成功項目實施中的測試結果，在大部分項目所在地， 中國移動TD-SCDMA、中國電信CDMA2000（EVDO）在網絡覆蓋不到位、信號強度稍差的時候至多只能傳輸2 路監控視頻，只有中國聯通WCDMA 能穩定傳輸4 路監控視頻，因此一般主選WCDMA、次選CDMA2000，鑒于本項目傳輸網絡部分地區偏遠情況，TD-SCDMA 更是難以保證穩定可靠傳輸，因此不建議采用該3G 制式作為本項目傳輸通道。優先考慮GPRS 和聯通 3G。

5 結語

隨著科學技術的發展，水利信息自動化水平得到不斷提高，其在水庫工程中的應用也越來越廣泛。高湖水庫自動化系統采用當前國際上先進的自動化管理技術，整個監測系統操作較為靈活簡便、易于掌握，可以形成精度較高的虛擬現實場景模擬圖，采集到較為準確的工程實況信息，及時處理了水庫運行過程中存在的問題。且該系統采用模塊式結構，預留有與其他系統的接口，可隨時增加其他控制模塊。該系統的建立，對保證水庫安全運行和經濟效益發揮十分必要的作用。