南水北調工程調度運行管理系統建設與應用

陳陽，霍建偉

（1.水利部南水北調規劃設計管理局，北京 海淀 100038；2.河南省勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

南水北調工程是緩解中國北方水資源嚴重短缺的重大戰略性基礎設施，實現了中國水資源南北調配、東西互濟的優化配置目標。南水北調中線一期工程以丹江口水庫作為水源地，全程通過自流的方式為河南、河北、北京、天津供水，目前已累計調水400 億m3。南水北調東線工程在長江下游揚州附近引調長江水，采用多個梯級泵站聯合運行，經京杭大運河，由洪澤湖、駱馬湖、南四湖、東平湖多個調蓄湖泊聯合調度，穿過黃河后自流，途徑江蘇、山東、河北，最后到達天津。目前東線一期工程已經通水向江蘇、山東供水，二期工程正在規劃建設中。

南水北調東、中線一期工程共建設了山東段調度運行管理系統、蘇魯省際工程調度運行管理系統、江蘇段調度運行管理系統、中線干工程自動化調度與運行管理決策支持系統、中線水源工程供水調度運行管理系統、引江濟漢工程自動化調度運行管理系統6 大系統。調度運行管理系統是南水北調工程實現安全調水、精細配水、準確量水的重要手段，為合理調配區域內水資源、充分發揮南水北調工程的經濟和社會效益起到技術支撐作用。目前各調度運行管理系統的主要部分已正式投入使用。隨著工程連續多年的運行，部分信息采集設備、信息基礎設施、自動化設施等逐步進入技改升級階段，對南水北調東、中線一期工程調度運行管理系統進行回顧和總結并提出相關建議是十分有意義的。

1 南水北調一期工程調度管理系統建設應用情況

調度管理系統就是運用先進的計算機網絡、通信、自動控制和信息等技術，以調水業務流程為主線，進行數據采集、數據傳輸、數據存儲管理和應用支撐平臺等建設，為調水工作提供數字化管理。

1.1 調度管理系統邏輯

自動化調度系統邏輯構成包括：信息采集、應用系統、應用支撐平臺、基礎設施、標準規范這五部分。各部分邏輯關系示意圖見圖1。

圖1 各部分邏輯關系示意圖

1.1.1 應用系統

應用系統運行在應用支撐平臺架構上，通過應用支撐平臺的數據服務中間件向數據存儲系統進行數據訪問，數據服務中間件有效的減少了數據接口數量、提高了系統整體響應速度。數據存儲系統為應用系統提供海量數據存儲、數據管理的直接訪問機制及安全保障。應用系統數據流程見圖2。

圖2 應用系統數據流程圖

水量調度是整個系統的核心業務。主要功能包括水調業務處理、閘站監控、水質監測、水量分配方案編制等。根據可調水量、沿線各地需水量、工程運行維護計劃等作為依據，通過決策生成水量分配方案，根據水量分配方案通過閘站調度指令進行調水業務處理；根據閘站監控系統及水質監測系統來監控調水業務是否順利進行，若遇到事故報警可根據具體情況生成應急方案。

工程管理系統是全線安全輸水的重要保障。對全線輸水工程的安全監測、突發事件響應和巡查維護進行管理，負責接收沿線和流域的水文、氣象等防洪信息，確保工程防洪的安全。為工程運行巡查維護作業便捷化、管理考核規范化、突發事件響應及時化、維護方案制定自動化提供服務。

決策會商支持可為各項突發和重要事件提供決策支持的環境；提供各種信息支持和輔助決策功能，為異地可視會商提供軟硬件支持。

電子政務系統包括綜合辦公、財務資產管理、檔案管理等功能，實現政務管理的信息化、數字化、流程化、網絡化。

1.1.2 應用支撐平臺

應用支撐平臺在邏輯上是一個有機整體，在物理上則是分布的系統，它針對南水北調工程的特點，為各個應用系統提供通用的、共性的、統一的開發和運行環境。水量調度系統、工程管理系統等不同功能的應用系統使用共同的應用組件，可以實現資源的有效共享以及不同應用系統的互聯互通，實現應用系統的統一布局、統一管理，并保障了穩定性和擴展性。

1.1.3 數據采集與傳輸系統

數據采集與傳輸系統負責對工程運行、工程安全、水情、水質等多方面數據進行采集，由于各類信息采集方法和傳輸渠道不一樣，不易建立統一的采集系統，所以將這些采集功能納入各個應用系統中，由各應用系統分別采集信息存入專業數據庫，加工整理并確認后作為各應用系統進行業務工作的數據來源，由各應用系統共享。

1.1.4 基礎設施

數據存儲與管理系統包含了各類基礎數據庫和專業數據庫，實現了海量的數據存儲以及數據管理功能，并為數據安全提供保障；通過分數據中心數據存儲平臺的本地備份系統和異地遠程容災系統，以及合理的備份策略，建立起完備的數據備份機制。

通訊系統和網絡系統負責為工程各級管理機構之間及管理機構與現地閘站之間的語音、數據、圖像等各種信息的傳遞，為遠程閘站監控信息提供承載服務，實現各個現地閘（泵）站閘門的啟閉及閘門相關信息的傳輸，還要為應用系統數據、計算機網絡、通信系統各專業網管信息提供承載服務。

1.2 主要調度系統建設成果

1.2.1 閘站監控系統

中線干線工程調度運行管理系統的閘站監控系統覆蓋260 余座閘站，是調度運行管理系統的核心系統之一，可以實現調度指令遠程自動控制，統一下發，可顯示閘門開度、水位、流量、啟閉設備及供電系統運行參數，出現問題可及時提醒。水量調度系統是中線運行調度的中樞，根據丹江口的可調水量、受水區需水量及干渠輸水能力自動生成供水計劃并提前下達控制指令。通信系統全線共設置310個通信站點，負責中線干線工程各級管理機構之間及管理機構與現地閘站之間的語音、數據、圖像等各種信息的傳遞。安防系統由視頻監控系統、智能電子圍欄系統、安防業務綜合監控與信息服務系統等組成，涉及總公司、5 個分公司及全線47 個管理處，實現了技防、物防、人防相結合。

1.2.2 安全監測智能化

中線水源調度運行管理系統實現了監測段面實時流量、上下游水位變化及閘門開度、水質等監測、處理、審核、統計及高效管理。丹江口水庫是南水北調中線工程的水源地，大壩安全監測自動化系統具有即時采集、分析、傳輸、展示和應用功能，實現了丹江口大壩安全監測智能化。

1.2.3 遠程監控

山東段調度運行管理系統初步實現了預期的信息系統監測與管理、自動化數據采集和視頻監控等功能，實現了對調水沿線的泵站、水庫、各節制閘、倒虹吸工作閘、渠首、穿黃樞紐、重要分水口門等的遠程監控。

1.2.4 調度運行管理

江蘇段工程由沿線9個梯級泵站群逐級調水北送，泵站的統一調度和沿線湖泊的調蓄作用相配合進行輸水，調度運行管理系統包括水情監測與管理系統、水質監測與管理系統、水量調度系統、工程維護管理系統、綜合信息服務系統等，實現典型泵站工程調水運行數據、重要交水斷面流量數據的接入，滿足目前東線一期工程江蘇段通水調度要求。

1.2.5 蘇魯省際段系統建設

(2)用{(xi,yi),(xi+1,yi+1),…,(xi+25,yi+25)}來計算GMC(Xi|Yi)和GMC(Yi|Xi)；

包括水量調度系統、工程管理系統、綜合辦公系統、信息監測與管理系統、綜合會商系統、閘（泵）站監控及視頻監視系統等，目前實現了水情水位、流量自動監測及實時接入信息監測與管理系統，工程安全數據監測，部分閘站的遠程控制等多項功能。

2 系統評估

評估采用了會議座談法、問卷調查法、文案調查法、實地調查法等方法進行了研究。

會議座談：座談對象涵蓋了南水北調中線建管局、南水北調東線總公司等南水北調工程運行的5個相關法人單位，以及相關的工程及管理單位、專家、建設及運管人員，就各自動化調度系統的建設及運行情況逐一摸排清楚。

調查問卷：每份問卷分規劃設計、建設實施和運行應用3個部分。規劃設計實施效果問卷目的是調查設計方案對后續工程建設運行的作用，如設計方案發揮的作用、支持信息化運維的情況、設計亮點等；建設實施效果問卷目的是調查項目建設成效，包括發揮的提升工作信息化的作用、發生的變更情況及運維情況、是否滿足系統運行需求、建設是否達到預期目標及提出的建議等；運行應用實施效果調查問卷主要是調查系統的運行效果，如各應用系統使用后發揮了什么作用、發揮的效果、系統運維情況、系統建設經驗及下一步建設的建議等。完成法人及運管單位問卷調查表共計15 份，為此次研究工作提供了重要依據。

文案調查：對已存在的各種資料檔案，以查閱和歸納的方式進行調查，尤其是各系統的初步設計報告，重點在應用系統、通信系統、運行實體環境等設計方面進行分析，根據設計報告與現有成果進行對比分析，評估建設成效。

實地調研：分別到南水北調中線河南分局及多個管理處、南水北調東線總公司及其直屬分公司、丹江口水庫等地進行實地查勘，了解工程巡查系統的使用，觀看閘（泵）站監控系統、視頻監控系統、安防系統的功能操作，觀看機房、會商室等硬件設備，實地調研了布置在渠道、倒虹吸、閘站等地的各種監測設備，對于調度系統的實際運行狀態有了更準確的了解。

3 建設與應用總體評價

南水北調東、中線一期工程自動化系統大大提高了工程運行的效率：通過自動化調度系統的信息采集系統對基礎信息進行采集，不僅提高了信息采集的精確度，更是節省了大量的人力；閘（泵）站監控系統為調度提供了依據，提高了閘門調整的工作效率和準確度；視頻監控等安防系統與信息采集系統互相配合，保障工程運行安全及準確性。報表生成功能減少了上報水情的工作量，同時自動化調度系統在防汛度汛及安全生產方面也發揮了重要的作用。

結合調研材料和評估情況，南水北調東、中線一期工程自動化系統建設、實施、運行經過較長時間的實踐檢驗，系統建設總體上是成功的，符合工程實際的，在建設系統設計、建設和運行過程中積累形成了不少值得借鑒的好范例和經驗。通過合理規劃、統一管理、分步實施，調度運行管理系統應用效果良好，系統穩定性和安全性基本滿足工程需求，在提高工程運行管理水平、促進水資源科學高效調度等方面，穩步發揮著至關重要的支撐作用，另外也促進了相關工作流程化、規范化，極大地提高了南水北調工程現代化管理能力，全面提升了南水北調工程水利信息化水平。例如中線干線工程時空信息服務平臺，是基于數字孿生理念，打破信息條塊分割，將信息、專題業務信息、實時運行信息、BIM 信息、基礎空間信息、遙感及無人機實景信息一張圖的形式進行融合發布，構建全數據匯聚、全業務支撐、一鍵式訪問、一體化展示的中線一張圖，為業務和決策提供全面數據支撐。

4 經驗和建議

4.1 經驗

在南水北調東、中線一期工程自動化系統建設、實施、運行應用中好的經驗有：

4.1.1 規劃設計目標合理，方案可行

中線干線調度管理系統緊緊圍繞著中線干線水量調度運行管理特點，統籌考慮了工程運行管理、電子政務要求，建設能夠應對各種調水突發事件和調度決策的會商系統，滿足中線干線水量調度以及相關業務的需求，為調度決策提供功能強大的支持環境。并充分考慮系統建設的開放性、可靠性、可維護性，為今后的技術更新和功能升級留有充分的余地，接口、編碼、數據、交換采用統一標準和規范。

4.1.2 統一管理、上下協同、分步實施

各項目法人采取統一管理、分步實施、分段部署、逐級集成的方式開展，基礎設施同工程建設同步實施，應用系統建設和部署與工程進度緊密配合，使系統在工程施工完成、硬件設備到位后的最短時間內投入使用。

4.4.3 核心系統穩定可靠，應用成效顯著

自動化調度系統是南水北調東、中線一期工程運行維護管理的核心系統，提高了工程的運行效率和科學調度，為工程的安全監控和管理提供支持。自動化調度系統中一些核心系統如閘站監控系統、視頻監視系統、工程安全監測系統等經過長期的運行應用，系統穩定可靠。

4.4.3 組建專業化團隊，強化運維保障

信息自動化系統多為電子產品，運行維護管理工作非常重要，各項目法人推行統一組織與分級管理、自主維護與專業代維相結合模式，選擇通信、自動化專業運維隊伍，加強工程運行維護管理工作，同時對日常及核心業務進行自主維護。加強對運管人員的培訓，在日常運行過程中加強綜合維護，定期開展工程維護檢查，及時開展維修養護。如中線干線進行了機電電力以及消防設備設施和系統的運行、維護、大修、新建、改擴建及相關科研工作，以工程“現代化、信息化、標準化、智能化”運維為總體要求，大大提高了南水北調中線工程的運行管理效率和水平。

4.4.4 著力新技術試驗應用，促進運行管理升級

為保證自動化調度系統正常、穩定、安全、可靠運行，進一步滿足生產和管理需要，在自動化調度系統投入運行后，各運管單位深入研究、積極推動管理創新和技術創新。在技術上針對系統運行存在的問題，積極研究對策，并利用新技術、新工藝、新設備進行技術改造和升級換代，物聯網、大數據、AI等信息技術得到有效利用，運行管理成效顯著。

4.4.5 重視網絡安全規劃設計建設

隨著國家對網絡安全工作的重視程度不斷提升，水利網絡安全監管力度也不斷加強，南水北調作為戰略性基礎工程必須保證數據等信息資產安全。南水北調一期工程自動化調度系統與工程控制系統結合，明確業務流程，規范作業表單，保障控制系統的安全，并加強安全教育學習，增強運維人員的綜合素養。從物理安全、網絡安全、數據安全和工業控制系統安全，保障了企業對信息的機密性、完整性、可用性、可控性和抗抵賴性的控制，比如通信線路路由盡量避開易施工區域、塌陷地、盡量降低遷改的風險，選擇相對穩定的路由；根據渠段在飛鳥聚集區等特殊性使用相適應的光纜。

4.2 建議

①建立落實統一規范標準，促進規范化、標準化，南水北調東、中線一期工程調度運行管理系統各段系統之間數據、接口都不盡統一，給數據兼容共享帶來一定的阻礙。后期信息化建設中，建議各段工程“系統建設、標準先行”，完善標準規范制度，加強信息化標準體系建設的執行力；建立多項目協調管理機制，加強項目過程全管控。②做好軟硬件設備更新工作，并注重引用先進實用技術，長距離調水工程及調度運行管理系統建設周期長，隨著新技術發展和時間推移，許多軟硬件設備已經出現落后或老化情況，存在能耗高、效率低、精度低、安全隱患等情況。系統運行管理中，應根據行業技術發展、軟硬件設備現狀和應用需求，制定設備更新實施工作方案。調度系統向“智能化、智慧化”的升級轉變，要增加智能預報、智能預警、智能調控、智能決策等輔助決策系統應用，5G、物聯網、大數據、AI、虛擬現實、BIM等新一代信息技術可應用于信息化建設，結合新的信息技術對自動化系統進行升級改造，逐步實現“可視、可控制、可預警分析”的現代化智能調度運行管理系統，提高南水北調東中線一期工程調水業務運營管理水平和優化決策能力。③統籌社會資源、公共資源利用，更好兼顧成效和成本，隨著國家層面政務公開、信息資源整合共享的推進，將為南水北調工程建設與運行管理提供一個良好的外部環境。南水北調工程是一個涉及地域廣、領域多的系統工程，建議系統建設充分利用外部氣象、水情、洪水預報、水環境等信息資源，也要考慮充分利用云計算、高速通信網絡、對地觀測衛星網絡、水利天地圖等國家相關信息基礎設施，補充自身信息資源的短板，充分釋放出信息化應有價值和潛力。