潘莊灌區綜合信息調度管理系統規劃設計與研究

王珊珊

(德州市水利勘察設計研究院，山東 德州 253014)

德州市潘莊引黃灌區東接李家岸引黃灌區，南依黃河與濟南市對望，西臨聊城市，西北以衛運河、漳衛新河為界與河北省毗鄰。潘莊灌區控制灌溉面積500萬畝，渠首設計流量124m3/s，屬大型灌區。

潘莊引黃灌區信息化建設目標為：搭建高標準、穩定可靠的灌區云數據平臺，實現灌區全方位、全時空的信息采集傳輸；實現灌渠調水、輸水、配水的智慧化綜合調度及動態化、精細化、定量化管理。

1 潘莊灌區綜合信息調度管理系統規劃的主要內容

綜合信息化調度管理系統主要內容包括：灌區基礎信息管理，干支渠基礎信息管理；灌區主要水工建筑物信息采集監測及智能化控制；灌區雨量、墑情信息監測管理；視頻信息管理；物聯網平臺管理；智慧灌溉建模，用水、節水綜合應用分析；流域水質分析及預警；標準化架構、模塊化擴展；綜合分析、統計報表、實現科學輔助決策；支持農作物信息管理、水肥一體化管理等現代農業領域的業務對接；支持大數據業務分析發掘和拓展。

2 潘莊灌區綜合信息化管理系統的架構

潘莊灌區綜合信化管理系統以輸配水、農業灌溉業務需求為主導，以干渠水工建筑物監控、管理為基礎，以信息傳輸為紐帶，通過建設光纖局域網絡、VPN專線網絡實現系統內監測數據、視頻圖像等信息的綜合管理和智能分析應用。

管理所與各水工建筑物之間通過光纖組成局域網絡，并在趙莊管理所匯總，與潘莊引黃灌區管理局信息中心之間通過百兆VPN專線建立可靠通訊連接。

管理局信息中心部署核心交換機、數據服務器、視頻管理平臺、數據庫軟件、綜合信息化應用系統軟件等。各單項建筑物所有測控數據通過網絡實時傳輸到信息中心數據平臺，經信息化平臺系統統一綜合分析、利用、管理。灌區各管理所通過光纖局域網絡各自管轄范圍內的視頻監控信息進行當地存儲，管理局信息中心可隨時查看、調取相關需要的視頻信息。

圖1 系統總體設計結構圖

3 潘莊灌區綜合信息化管理系統關鍵點

潘莊灌區綜合信化管理系統規劃設計的關鍵點有三個：遠程測控可以獲取信息，通訊網絡能夠傳輸信息，云數據平臺用來分析、存儲和管理信息。

3.1 通訊網絡

3.1.1網絡結構

灌區管理局信息中心與趙莊管理所分中心之間通過VPN專線寬帶通訊，其余各管理所分中心、干渠節制閘、分水口門、泵站之間采用鋪設光纖組成光纖局域環網的方式通訊，較偏僻的田間灌溉數據監測站點通過GPRS方式與信息中心通訊。

圖2 通訊網絡總體結構示意圖

3.1.2網絡選用分析

(1)光纖局域網絡選擇分析

光纖網絡以其統一的TCP/IP協議和CSMA/CD多路訪問方式，具有廉價、高速、簡易、方便的特性。

由于各管理所與管理局信息中心之間的通訊網絡既要進行監控數據傳輸，又要進行圖像傳輸，帶寬需求較大，采用高速以太網絡可以較好地滿足傳輸的帶寬需求。

通過實際勘查，灌區各管理所均分布在渠道上或渠道附近，鋪設光纖不存在征地、協調等問題，光纖可沿渠道機械開挖敷設，具備較好的施工條件，且具有經濟性。根據工程特點，光纖沿渠道兩側敷設，組成高度穩定可靠地冗余環網，可最大程度地保證控制和視頻通訊的安全可靠性。

(2)VPN專線網絡選擇分析

VPN專線網絡比光纖局域網絡維護安裝成本低，比普通公共網絡加密隧道安全性高。

灌區管理局位于禹城縣城內，距離最近的趙莊管理所約20km，之間村莊、道路、河流密集分布，若采用鋪設光纖的方式會有征地、借道、避讓等各項問題，協調難度大，施工干擾因素多，且施工和維護費用高，經濟性很差。故灌區管理局信息中心與趙莊管理所分中心之間通過VPN專線寬帶通訊。

3.2 云數據平臺

潘莊引黃灌區管理局辦公樓開設獨立機房作為信息中心，部署2臺高性能數據庫服務器、2臺應用服務器、1臺GIS服務器、1臺視頻服務器及計算機管理站、千兆網絡交換機、路由器、防火墻等設備，配合高速通訊網絡，組建起先進可靠的灌區云數據平臺。云數據平臺作為灌區業務數據的存儲中心和數據管理中心，支持系統內的數據交換與共享、各業務部門應用系統的建設、中心機房的宏觀決策、與相關部門的業務協同。

云數據平臺基于云計算技術，構建從源端到云端的架構體系，實現數據采集、傳輸、分析、存儲、預警等功能。系統主要由數據采集層、傳輸網絡層、數據層、應用支撐層、業務應用層、應用交互層等六個核心層。

圖3 信息中心云平臺系統示意圖

3.2.1數據采集層

數據采集層是水利信息化系統數據的主要來源，為業務應用提供基礎數據。數據采集的對象主要包括灌區渠道、調水閘、分水口門、泵站、行政邊界斷面、田間墑情等。采集信息有水位信息、流量信息、墑情、雨情、視頻信息、設備的運行狀態信息等。此外，還包括人工錄入和從其他系統接入的數據信息。

3.2.2傳輸網絡層

傳輸網絡層為信息化數據傳遞提供可靠的通道，主要是通過VPN寬帶網絡、光纖網絡、無線網橋和GPRS通訊方式實現。

圖4 閘門及分水口門測控示意圖

3.2.3數據層

數據層的作用是將與水利建設和管理相關的多來源、多尺度、多結構數據進行統一管理，保障數據一致性和安全性，實施交叉統計和融合分析。通過梳理并整合數據，有效降低或避免重復信息，減少資源管理成本。

3.2.4應用支撐層

應用支撐層采用虛擬化技術，將基礎設施資源進行虛擬化處理，形成一個虛擬化資源池。利用云服務技術，將數據整和組裝裝成獨立運行的信息資源后對外輸出，為數據庫及應用軟件提供信息存儲和計算服務。

3.2.5業務應用層

根據灌區工程實際，業務應用層包括：灌區綜合信息化管理系統、灌區運行調度系統、灌區供水服務門戶、視頻監控系統系統等。

3.2.6應用交互層

應用交互層主要提供水利行政主管部門、涉水公眾服務及應用。

3.3 水工建筑物自動化遠程測控

水工建筑物自動化遠程測控可完成視頻監控、啟閉控制及運行數據監測等任務。

3.3.1節制閘測控系統

節制閘測控系統設計包括PLC測控終端設計、水位監測系統設計、閘門開度測量設計、荷重測量設計。

(1)PLC測控系統

PLC測控系統通過網絡向上位計算機傳送被測控設備的運行參數和工作狀態，同時接收上位計算機的指令并通過PLC控制程序對設備進行操控。

PLC系統對設備的測控分為現地級和遠方計算機監控遠方級兩種。兩種控制方式的切換在現地控制裝置上進行，雙向切換的操作過程應避免對現場設備狀態干擾的同時遵循“下級優先”原則，即在現場設備控制裝置上對設備進行操作控制時，如果選擇“現地”為控制方式，管理站點、調度中心監控計算機設備只可監測，無權操控；如果選擇“遠方”控制方式，管理站點、調度中心操作站可以按CRT手動、半自動或全自動方式對設備進行操控。

(2)閘前后水位測量

根據河流的寬度在河岸立桿，采用雷達液位傳感器進行液位測量。雷達液位計通過串行RS485信號與PLC測控單元進行通訊。

(3)閘門開度測量

閘門開度測量可根據閘門實際情況選取直接測量法和間接測量法。直接測量法將傳感器安裝在閘門上直接測得閘門開度，間接測量法將傳感器安裝在卷揚機軸或其他可變部位上，采用相應算法得出閘門開度。

(4)荷重測量

現場的啟閉機有雙吊點式平板閘門和單吊點式平板閘門，全部為軸連接方式，因此采用座式荷重傳感器進行荷重測量，對于雙吊點閘門，每套啟閉機系統需要安裝2套荷重傳感器進行荷重測量。

3.3.2分水口門測控系統

口門閘測控系統設計涵蓋了供電系統、閘門遠程控制、閘門開度測量等內容。其中閘門開度監測設計思路與節制閘相同。

(1)閘門系統供電

根據現場實際情況，閘門供電采用太陽能供電方式。

閘門測控系統的PLC、網絡收發器、攝像機等小功耗設備及啟閉電機等大功耗設備，統一使用太陽能供電。且傳統啟閉電機無法滿足使用要求，需要對啟閉電機及啟閉方式進行改造。

(2)太陽能遠程閘控系統

遠程太陽能閘控系統運行穩定可靠，經濟適用，實現灌區閘門無人值守、安全防護、遠程智能化控制的目的，改變了傳統閘門控制模式，大大改善了灌區面貌，提升了灌區管理效能。

3.3.3泵站測控系統

泵站測控系統一般由計算機監控子系統、微機保護子系統、計算機監視子系統、通信網絡子系統及電源子系統組成，包括泵組控制LCU、監控設備柜。

(1)現地控制級

現地控制級由泵組控制LCU構成。泵組控制LCU分別與10KV開關柜、0.4KV開關柜、微機保護單元、水位計等連接。

泵組控制LCU設有PLC可編程控制器，對機組及輔機進行自動控制。可編程控制器模擬量采集主要包括交流電流、有功功率、流量等；開關量主要包括斷路器跳合閘等。機組LCU控制屏顯示所有測量數據，并具有遙信、遙測、遙控功能。PLC與上位機相連，通過上位機可實現控制、測量及信號顯示。

在泵組控制LCU上可以實現監控工作站對機組監控的所有功能。若監控工作站癱瘓，機組LCU控制屏可獨立完成機組的開停控制、信號及測量。泵組控制LCU設有緊急停機按鈕。在緊急情況下，可在現地緊急停機。

(2)主控級

主控級由監控設備柜組成。其內裝設網絡交換機等設備。

3.4 視頻監控系統

視頻監控系統是一個基于廣、局域網的實時監測系統，完成對各水利設施的圖像等多媒體信息的監視。

視頻監控系統將攝像機采集信息通過以太網絡傳送到管理中心存儲，視頻系統上級監管部分可實時觀看，實現流媒體管理、視頻管理、錄像管理、電子地圖等強大的功能。另外，視頻監控系統還能分析判別拌線入侵、區域入侵、徘徊檢測、物品遺留、物品搬移、異常奔跑等行為并提供實時報警功能。

圖5 視頻監控系統結構圖

4 效益分析

4.1 社會效益

4.1.1提高灌區水資源、水利設施的管理水平

灌區綜合信息化調度管理系統項目是提高灌區管理水平的基礎，對水資源可持續利用起到重要技術支撐作用，系統的建設將提升基礎設施建設和資源利用水平、提高環境綜合監控能力。

4.1.2增強灌溉供水的調控能力

以水資源浪費、水利設施失盜失修、決堤災害、泥沙沉積嚴重為特征的水問題已制約了灌區農業發展的的可持續發展與布局，關系到人民生活水平的提高和經濟發展戰略目標的實現。灌區綜合信息化調度管理系統項目以先進的信息化為手段，為政策制定、設施管理和水資源合理調控提供依據，從而減少水資源浪費，提高水利設施的使用壽命周期和利用效率，加強灌區整體供水調控能力。

4.1.3提升政務公開和公眾參與水平

通過灌區綜合信息化調度管理系統項目的實施建設提供的技術服務，可以及時將供水用水信息、政策文件、發展動態提供給行政管理部門，通過門戶網站或其他方式公開或開放公眾查詢服務，提高政務公開水平和公眾參與水平。

4.2 經濟效益

灌區綜合信息化調度管理系統項目的建設將提高水資源的利用率，降低設備運行成本和調水成本。

灌區綜合信息化調度管理系統項目建設可大幅提高日常業務管理工作的效率，提高信息資源利用率，降低管理成本。

4.3 環境效益

通過現代高科技信息化手段，建設灌區綜合信息化調度管理系統項目，實現增加水資源實際利用率、減少水資源浪費、改善生態環境的目標，為促進環境逐步改善、生態逐步恢復的生態發展規劃提供有力支撐。

5 結語

潘莊灌區綜合信息化調度管理系統的規劃建設以“數字水利”“智慧水利”為中心，全面貫徹實施統一規劃、統一標準、統一平臺、統一數據的“四統一”要求，實現了電子監控網絡與水政執法隊伍、地方公安系統、工程管理人員的“四位一體”管理模式。

信息化調度管理系統強大的空間數據、屬性數據網絡管理以及高效的查詢檢索功能，為灌區管理過程中實時獲取信息，為決策分析提供了一個有效的工作平臺和可靠的技術支撐，從而全面提升灌區控制管理能力、范圍和水平，實現精準化、智能化、現代化的管理目標。