防洪水閘泵閘監測系統研究及應用

李曉春，張 生

（1.上海市青浦區河道水閘管理所，上海201700；2.上海理工大學，上海200093）

0 引言

目前，我國許多防洪水閘泵閘還處于人工監管狀態，在東部發達地區已經實現了水閘泵閘的電動化乃至自動化的運行，但對水閘泵閘構成的防洪系統缺乏完整系統的管理，為了實現智慧水利的目標，先進高效的防洪水閘泵閘自動化監測系統變得越來越重要，經過大量的現場調研，研究了防洪水閘泵閘的監測控制系統。

1 系統功能分析

智慧水利是基于水利信息化、數字化和智能化建設，運用新一代物聯網、移動通信網絡、光網絡等，利用云計算技術、MSTP等高性能信息數字化技術，深入開發和高度整合水利信息資源，實現水利感知、傳輸、應用的網絡化與智能化，有效地實現水利信息的共享，提升水利項目運用和管理的效率和效能。

目前，水閘控制一般做到閘、泵的電動控制，有一些地區增加了視頻監控功能，但各水閘泵站之間及其數據、視頻均是分離的元素，對整個防洪水利的系統調度功能沒有體現，因此需要進行整合、分析，建設一套可靠的防洪水閘泵閘監測系統，逐步實現智慧水利的建設要求。本文根據智慧水利及防洪水閘泵閘的實際應用需求，在對現有狀況進行分析的基礎上，確定了防洪水閘泵閘自動化監測系統的相關主要功能模塊。

1.1 水務臺賬維護

水務臺賬維護即對所有水務設備進行梳理，以標準的數字化體系為藍本，建立合理的具有級聯關系的資源數據庫，并確保數據完整性，同時做到定期更新，與現場的實際情況保持一致。臺賬的主要內容包括：各水閘泵閘的名稱、區域地址，唯一編碼及該水閘泵站的設備儀表名稱、數量、對應的唯一編碼等，相關的其它信息包括設備的維護資料等。

水務臺賬維護的目的就是對各水閘泵閘的設備情況進行統計摸底，確保水閘泵閘自動化監測及智慧水利建設的硬件基礎滿足相關要求。

1.2 水閘泵閘監控

水閘泵閘監控即對各水閘泵閘的設備儀表進行信號采集及實時監控，主要包括設備監控和視頻監控兩個方面。

（1）設備監控。設備監控主要包括各水閘泵閘的水泵運行狀態、閘位及內外河水位等信息。監控形式上主要將設備儀表的當前運行狀態（健康運行時長、當前電壓值、電流值、閘位、內外河水位）基礎數據顯示在監控頁面上，并以FLASH動畫的形式對相關運行狀態進行模擬展現。同時對監控數據存儲并在長期的運行監控過程中，形成有參考意義的特征值，后續根據特征值，通過智能算法對異常波動的數據進行自動篩選，對無效的數據進行舍棄，使系統具有自適應的無效數據判斷能力。

（2）視頻監控。視頻監控主要是對設備運行狀態的直觀確認，為水閘泵閘自動化監測提供更高層次的安全保障。目前大部分水閘在建設時已經配置了相應的視頻監控系統，因此在水閘泵閘監測系統建設時只需要對接第三方的視頻功能，對水閘泵閘的監控設備的視頻數據進行采集和調度，在監測系統中通過對點模型的操作實現對現場監控設備的調度和監控。

因此，在視頻監控建設中主要是中心與各水閘泵閘視頻聯網、采集、調度應用的工作，對于一些重要的大控制水閘泵閘，通過申請點對點專線實現視頻信號采集；對于一些相對較小的控制水閘泵閘通過物聯網實現視頻信號采集傳輸。

1.3 GIS功能系統

GIS功能系統是對各水閘泵閘及其各種設備的全方位實時展現，因此其是在水務臺賬及水閘泵閘監控的基礎上實現的。

其主要包括以下功能模塊：

（1）地圖展現。其主要包括全局視圖、地圖瀏覽操作、GIS模型導入、地圖建模等。

（2）圖文展現。主要包括平面圖、工藝流程圖及設備控制圖等。

（3）水務臺賬詳情展現。主要包括臺賬查詢定位、臺賬詳情展現、方位關聯設備查詢、業務關聯設備查詢等。

（4）視頻展現。主要包括在線查看視頻、監控攝像頭定位查詢。

1.4 防汛預警

防汛預警模塊主要是根據防汛預案建模，將所有的監測站點運行狀況套入相應的運行模型，若系統接收到防汛預警的通知，根據防汛預警的級別，系統會對所有的站點進行檢測，對于沒有安裝防汛預案執行的站點進行預警。

其主要包括：防汛預案的導入、防汛預案模型建立、水閘泵閘防汛模型關聯、防汛預警信息接入（自動接入：從水務海洋自動監測是否有防汛預警發布；手動接入：根據區域防汛通知手動設置相關防汛參數要求）、防汛預警信息發布（包括監測系統平臺發布、移動應用發布、手機短信通知等形式）等相關功能。

1.5 報表統計系統

報表統計系統主要是對監測站點的相關信息進行存儲、統計、生產各種形式的報表，給后續的防汛預警、設備維護等相關工作提供改進的方向。

其主要包括以下報表：

（1）水閘泵閘報表。將全區不同區域內的所有水閘泵閘的水閘數、過閘流量、壩長等基本信息和業務信息進行匯總；統計并按照用戶所制定的報表格式形成水閘泵站報表。

（2）儀表設備報表。統計出各個水閘泵閘的所有儀器設備（內河水位儀、外河水位儀、閘門開度儀）的數量、正常運行時長等指標數據；進行統計分析形成儀表設備報表。

（3）監測數據報表。對每個儀器監測到的特征數據進行分析統計形成監測數據報表。

（4）異常統計報表。對各種設備及防汛管理中遇見的各種異常情況進行統計、分析、歸類，生產報表系統，為后續的監測系統改進提供依據。

1.6 系統管理

系統管理模塊主要包括用戶管理、權限管理、組織管理、編碼管理、系統日志查看等相關監測系統應用平臺軟件管理。

（1）用戶管理，對用戶基本信息進行管理。提供用戶批量導入，以方便管理員初始系統用戶和分配賬號。

（2）權限管理，定義用戶的“類型”即角色，角色與權限綁定。由后臺系統管理員賦予用戶權限。

（3）組織管理，系統管理員配置各類別的組織信息，方便進行區域管理，跨區域的操作相互不干擾，如系統發出設備運行信息或告警信息可按片通知負責人，并為后續相關業務的擴展提供底層數據支持。

（4）編碼管理，系統管理員對于系統運行參數、指標以及設備臺賬的屬性進行編碼配置。

（5）系統日志查看，提供系統運行日志查看的功能，管理員可以快速找到出現問題時刻的用戶操作數據和運行數據。

1.7 移動應用

移動應用模塊主要包括微信公眾號、手機APP等移動應用系統的開發，目的是為了更方便的滿足應用需求。各種移動應用系統包括的功能基本相同，如下所示：

（1）在線水務GIS。用于訪問GIS平臺并能實時查看水務臺賬數據和各項業務數據。

（2）政府公告。可以對群內的會員或登錄的賬戶進行群發消息，公告相關的政策、法規、通知等信息。

（3）氣象預告。提供氣象預警公告的欄目，對外發布異常氣象的預警公告信息。

（4）防汛預警。提供防汛預警公告的欄目，對外發布防汛預警公告信息。

1.8 擴展接口預留

擴展接口預留主要是為系統功能擴展預留相關的接口，保障系統的開放性，方便第三方數據接入及應用。主要包括以下接口的預留：

（1）GIS模型接口。為地區河道網格化綜合治理信息平臺提供GIS模型的查詢接口，根據篩選條件（創建時間）將最新的GIS模型的坐標數據和屬性數據傳輸給地區河道網格化綜合治理信息平臺，實現兩套系統的信息共享和數據同步。

（2）坐標轉換接口。根據地區河道網格化綜合治理信息平臺的要求提供本系統GIS模型的坐標轉換服務，以滿足地區河道網格化綜合治理信息平臺對地理信息的數據同步的要求。

（3）系統接口。水閘泵閘維護接口，對外提供水務臺賬數據的查詢和統計接口，地區河道網格化綜合治理信息平臺可以通過相關約束條件查詢出本系統內建立的水務臺賬數據。

（4）儀表設備維護接口。對地區河道網格化綜合治理信息平臺提供本系統維護的儀器儀表臺賬的基本信息的查詢接口。

（5）監測數據接口。根據監測設備的標識查詢出監測設備所采集到的當前或者歷史時刻的監測數據信息。

（6）視頻文件接口。將存儲在系統中的監控視頻錄像的互聯網地址提供給地區河道網格化綜合治理信息平臺，以方便查看監控視頻的歷史記錄。

2 系統組成

系統由監控中心及現場控制站兩部分組成。監控中心主要由網絡設備、計算機設備、大屏幕、移動視頻監控平臺及業務平臺軟件等組成，詳見圖1。

圖1 監控中心系統

設立數據庫服務器作為數據庫及業務平臺服務器，用于歷史數據存儲及互聯網移動應用平臺軟件的部署。業務平臺服務器用于部署業務平臺軟件系統。數據通信服務器用于將每個站點的數據進行采集，用于后續數據的存儲、分發、展示等工作。操作員站是對采集到的數據以圖形、數值、動畫、趨勢及報表等方式進行展示給操作人員。

業務平臺是一個多點、多面的數據集成系統，涉及到的相關數據包括：監測數據、臺賬數據（站所、監測設備、通信設備）、圖文數據（報表、監控視頻、項目圖片）、基礎地理數據（水系、交通道路、站網、地名注記等）、知識數據等。

現場控制站由PLC、遠程IO、交換機、檢測儀表等組成，PLC、遠程IO用于獲取設備當前的狀態信號并提供一些控制端口包括設備的遠程控制信號、運行信號、故障信號等以及啟動、停止控制端口等。檢測儀表包括水位儀、閘位儀及電量儀。水位儀用于內外河道的水位檢測，安裝船閘泵閘的進口及出口處。閘位儀用于檢測閘門的開度。電量儀實現對泵機等設備的電量參數讀取。

另外，為進一步加強河道保潔船只在作業時的安全保障，在船只上安裝視頻監控及定位系統，通過4G無線數據通信，實時監控河道保潔船只相關圖像，掌握船只實時位置，以滿足用戶高等級的安全要求，提高安全服務質量與能力。根據船只在執行運輸任務時位置的不固定特點，船只的視頻信號傳輸利用3G和4G無線通信技術及相關設備。

3 應用

本文研究的水閘泵閘監測系統在上海市青浦區進行了一期的開發和實施，主要包括青浦區河道水閘管理所監控中心改造、一線大控制32座水閘改造、太浦河沿線19座水閘改造、圩區15座泵閘改造。各水閘泵閘主要安裝內外河水位計、閘位儀及水泵智能監測儀表等相關儀表設備，同時各站點配置安裝1套PLC監測控制柜，通過信號電纜敷設，采集水閘泵閘的內河水位、外河水位、閘位、水泵的運行狀態等相關信號。其中水位計主要選用南水的機械浮子式水位計，閘位選用絕對值編碼器及配套的拉繩裝置，智能儀表選用安科瑞的智能電量監測儀表，通過標準的MODBUS通訊實現數據傳輸。

各站點PLC控制柜安裝1套宏電4G路由器。監控中心VPN路由器配置虛擬局域網，將數據傳輸至監控中心；個別重要的大控制水閘，采用電信專線和中心進行點對點通訊，且實現視頻信號的傳輸。

監控中心配備華為的路由器、交換機及綠盟的網絡安全設備，通過了二級等保認證。配置了數據采集服務器，安裝了北京亞控的KingSCADA進行數據采集及監控；配置了1套數據庫服務器進行數據的存儲；1套業務平臺軟件服務器及1套后臺數據庫服務器，分別安裝ArcGIS平臺軟件及Oracle數據庫，在此基礎上進行二次開發，實現要求的各個功能。

2017年底該系統在上海市青浦區通過了驗收，在2018年汛期進行了實際運行應用，驗證了各個功能設計，滿足了防汛防洪應用的需求。

4 結語

防洪水閘泵閘監測系統的研究為智慧水利提供了一些基礎，通過在上海市青浦區進行的開發和實施，實現了對51座水閘泵閘、15座圩區監測點進行監測，為當地的防洪抗災提供了很強的智能手段，一年多來通過實際運行表明系統穩定。