引江濟淮（江淮運河）船閘群集中遠程控制系統的研究設計

查道正 尹國梁 石濤濤

摘要：引江濟淮（江淮運河）工程作為國家大型調水、航運工程，本項目將建設船閘群集中遠程控制系統，在航運聯合指揮中心部署一套工業組態軟件，利用自建的控制專網實現對上述船閘的集中遠程監視與控制，定制開發一機雙顯、視頻聯動、廣播聯動等特色功能。同時船閘群集中控制系統將提供與其他業務系統的數據接口，實現數據資源的共享，為引江濟淮“數字引江、智慧船閘”打造一套行業內無成熟應用先例的“無人值班、少人值守”的集中管控一體化模式，結合各船閘的特點和地理環境，選擇先進適用的技術，進一步提升船閘的運行效能，為后續全省航道船閘智能化建設探索經驗。

關鍵詞：船閘群集中遠程控制、控制專網、智慧船閘、管控一體化、探索經驗

引言

引江濟淮（江淮運河）工程作為國家大型調水、航運工程，自南向北分為引江濟巢、江淮溝通、江水北送三段，輸水線路總長723公里。整條航線共建設船閘樞紐工程7座，分別是樅陽船閘、廬江船閘、白山船閘、兆河船閘、派河船閘、蜀山船閘、東淝河船閘。其中派河船閘、蜀山船閘、東淝河船閘為雙線船閘，共計10個船閘。每個船閘均設置了現地級自動化控制系統，可實現在各個船閘現地中控室對船閘進行現地集中控制。

本項目將建設船閘群集中遠程控制系統，在航運聯合指揮中心部署一套工業組態軟件，利用自建的控制專網實現對上述船閘的集中遠程監視與控制，定制開發一機雙顯、視頻聯動、廣播聯動等特色功能。同時船閘群集中控制系統將提供與其他業務系統的數據接口，實現數據資源的共享。

1 設計目標及思路

1.1設計目標

系統總體規劃目標為：能夠實現船閘本地“無人值班、少人值守”，運調中心“遠程集控、統一調度”的功能（先具備該項功能，后期根據實際運營管理需求靈活選擇）。

（1）建設運調中心，提高船閘運行管理水平

建設全線區域船閘運行調度中心，通過引入新的技術手段實施船閘集中管理，實現對下屬7座樞紐船閘集中控制及統一運行調度，實現遠程集控、統一報到、統一收費、統一調度、統一信息發布，提升船閘運行和管理的智能化、精細化水平。

（2）遠程集中控制，減少現場值班值守人員

通過在運調中心匯聚船閘現地感知數據，對船閘遠程實時監視、監測和集中控制，實現多座船閘的集中控制應用，減少船閘現場人員需求，最終達到船閘少人值守/無人值班，提高管理水平和效益。

（3）統一調度管理，加強區域性船閘監測指揮

通過軟件和硬件系統建設實現多座船閘的統一調度管理和監測指揮，對轄區船閘的船舶過閘流量、調度實況進行實時監視，采用智能化手段降低工作人員的工作強度、規范和優化船舶調度工作的管理、實現流量自動分析和預警，保障船閘調度管理的公正、公開和安全，為船民提供更加方便、快捷、高效的過閘體驗。

1.2 設計思路

1.2.1集中調控、少人值守的思路

為引江濟淮“數字引江、智慧船閘”打造一套行業內無成熟應用先例的“無人值班、少人值守”的集中管控一體化模式，建設遠程集中控制系統需結合各船閘的特點和地理環境，選擇先進適用的技術。當前提出的“智慧船閘”的全新理念也正是要求本次項目中的集中控制與調度管理等最基本的業務穩定可靠，保證整個系統在今后需要時可以進行平滑地過渡或升級。

1.2.2分層分區的設計思路

因本系統對內提高運行調度效率，對外服務水運企業、船民等民生，因此系統的安全性需得到有力的保障，同時國家各行各業對信息安全的建設也越來越重視，本項目建設規劃總體設計采用一體化平臺，根據船閘工程布置、機構設置情況及網絡安全，系統總體遵循集中部署、安全分區原則，橫向分為工業控制區和信息管理區，縱向按業務管理模式分為船閘層和運調中心層，保證系統安全、穩定、可靠，同時減少系統部署層級、簡化系統部署及維護工作量。

2 系統方案設計

2.1系統結構

船閘群集中控制系統建設采用分層控制模式，整個計算機控制系統（SCADA）專用網絡由聯調聯試中心層、船閘現地控制層（船閘現地控制層又由船閘現地集中控制層和船閘現場LCU屏控制層組成）兩個層次實現。通過上述兩個層次的連接，就形成了以調度指揮中心為核心的環型網絡結構。

該系統由1個聯調聯試中心、4個單線船閘、3個雙線船閘和遠期規劃的船閘（已建船閘遠期擴容或新建支線航道船閘）組成。

船閘群集中控制系統運行于控制專網內，聯調聯試中心和船閘現地控制站通過控制專網實現數據采集與控制指令下達。聯調聯試中心應用服務器通過網絡與船閘現地控制站設備連接，聯調聯試中心與船閘現地站的各個自動控制系統，通過系統間的接口、協議實現數據的監測和控制。控制專網的數據采用數據共享交換的方式實現與其他業務系統的數據交換。

（1）聯調聯試中心

聯調聯試中心可通過工業級組態控制軟件對船閘現地控制站進行遠程控制，利用船閘現地站上報的數據來監視各個船閘現地站目前的運行狀態。各個船閘現地站的生產數據實時發往聯調聯試中心。

聯調聯試中心集中控制系統硬件上由工作站和服務器組成，其中工作站包括6臺SCADA控制操作員站。服務器主要包括應用服務器2臺、實時歷史數據庫服務器2臺、通信接口服務器1臺。所有應用支撐軟件分別運行于服務器上，工作站安裝組態軟件的客戶端。

（2）船閘現地控制站

船閘現地站級控制系統已在每個船閘工程中獨立建設，每個船閘現地控制層均由船閘現地集中控制層和船閘現場LCU屏控制層兩個層次實現。本項目不對現地級控制系統進行修改，僅需現地級控制系統預留與聯調聯試中心的數據接口、服從整個航運信息化系統的IP地址總體規劃，在軟件開發過程中服從船閘集中控制系統提出的控制權限要求。

船閘現地中控室一般布置在閘首機房或管理區辦公樓內，其設備包括工業標準操作臺、操作員工作站、服務器、電視墻、打印機等。操作員工作站主要完成閘閥門的運行自動化及其管理，包括歷史數據存檔、歸類、檢索和管理，運行報表生成與打印;人機接口功能，即完成設備運行的實時監視與控制，來自現地控制單元的實時信息直接在顯示器上顯示刷新。

船閘上、下閘首左、右岸各配一套液壓泵站，每套液壓泵站分別控制一臺閘門液壓啟閉機及一臺輸水閥門液壓啟閉機，共四套。每套液壓系統配置有一臺現場LCU控制屏。控制系統采用冗余環型網絡結構，能實現左右岸同步、上下閘首閉鎖。現地中控室操作員工作站與現場LCU控制屏之間通過工業級交換機采用以太網連接。

現地控制站控制方式共采用二級：一級采用現場LCU控制屏現場控制，二級采用現地中控室計算機遠方控制，可實現遠方控制和現地控制轉換，控制方式優先順序為現場控制優于遠方控制。控制系統將保證在進行控制權切換時閘門運行無擾動。集中控制系統軟件應適合開放系統環境下運行，并具有成熟的運行經驗。系統應采用分布式數據庫，用戶界面及網絡接口均應符合開放系統有關標準。

2.2 控制權限

按照總的控制方式，船閘的控制分為三種：手動控制、現地自控與遠方控制。手動控制方式下：只有在現地并通過配置在現場LCU控制柜上的手動裝置，才能夠進行船閘控制;現地自控方式下：只能在現地并通過配置在現場LCU控制柜的人機界面（觸摸屏）進行船閘控制;遠方控制方式下：又分為聯調聯試中心層和船閘現地中控室集中控制層兩種方式選擇。可通過在下位機設置權限等級，然后在人機界面進行權限選擇進行船閘控制。

船閘控制權限在正常情況下的優先級是船閘現場LCU控制屏>船閘現地中控室集中控制層>聯調聯試中心層，緊急特殊情況除外。

系統在正常情況下，控制方式應該為現地自控模式，當控制方式為遠方控制模式時，優先級應默認處于現地層。

對于SCADA控制站工程畫面上，可設置“船閘現地中控室/聯調聯試中心”方式切換選項，當設置為“船閘中控室”時，操作人員可在現地船閘中控室的SCADA控制站上對設備進行控制;當設置為“聯調聯試中心”時，船閘設備由聯調聯試中心進行控制。對控制安全性的考慮，當網絡正常時，聯調聯試中心與船閘現地中控室之間的權限關系是以船閘現地中控室為主的閉鎖關系;當聯調聯試中心層與船閘現地中控室的網絡中斷，船閘現場控制站無法與聯調聯試中心建立連接時，權限控制模式會自動下發至船閘中控室，避免出現現地控制站無權限控制的情況。

為了保證控制的安全，分清各控制層的責任，同一時間只允許唯一的對象進行控制。所有的控制及控制權限切換均記錄到日志中，以便日后的分析追蹤。

2.3 數據流程

通過在聯調聯試中心通信接口服務器部署數據交換轉換工具，實現工業庫與關系庫的轉發，進而實現和業務內網應用系統數據交換。

系統的數據流程分“監測數據流程和控制流程”兩類，監測數據流程是自下而上，控制流程為自上而下。

現場監測數據上傳流向有以下兩種情況：

（1）現場監測數據匯集到PLC，通過PLC將數據上傳到現地上位控制系統及聯調聯試中心控制系統，絕大部分監測數據通過此方式上傳。

（2）現場監測數據直接上傳到現地上位控制系統，不經過PLC，此類數據往往只是采集，不涉及到控制，不是關鍵數據，故此類數據也不上傳至聯調聯試中心。

監測信息主要包括閘室內外水位、閘門的開度、閘門以及液壓泵站的相關工況信息等。監測信息的傳輸是自船閘現地控制站至聯調聯試中心。

控制信息主要包括控制指令、權限控制信息、配置信息、請求信息等。現地站的控制權最高，通過自控系統下發控制指令至現地站進行執行。

（1）監測數據流

①現場監測數據匯集到PLC，通過PLC將數據上傳到現地站的上位控制系統及聯調聯試中心控制系統。

②聯調聯試中心的實時數據來源于現地站PLC。聯調聯試中心的歷史數據從聯調聯試中心控制系統實時數據庫及船閘現地站數據庫獲取數據，歷史數據包含了現地站和聯調聯試中心的統計分析等數據，不在實時范疇內的數據。

（2）控制流

①控制指令指的是控制專網內的控制指令，通過聯調聯試中心組態平臺實現;

②聯調聯試中心具有系統最高的權限，控制指令下直接下發到現地PLC。

由于聯調聯試中心和船閘現地中控室這兩級的自控系統均對現場設備有直接控制權，為了避免重復控制，調度中心設置統一的用戶與權限管理平臺，對聯調聯試中心和船閘中控室的所有用戶和權限進行統一控制和管理，確保同一時間只有一個層級對現地站PLC進行控制。

2.4 數據量測算

根據以往船閘工程經驗，每個船閘的變量點按1000點計算，本項目共計4個單線船閘、3個雙線船閘和遠期可能規劃的復線船閘（4個船閘），共計14000個變量點。故要求聯調聯試中心組態軟件變量點不少于14000點。

根據組態軟件的版本特性，本次聯調聯試中心組態軟件平臺采用60000點版本;實時歷史數據庫軟件采用15000點版本。

2.5 數據存儲

（1）存儲機制

所有的歷史數據通過系統的實時歷史數據庫進行同步儲存。根據架構設計，各個船閘現地站存儲本船閘的數據;聯調聯試中心存儲所有船閘的數據。

為保證數據的存儲的空間和數據的高效存儲，歷史數據應該通過壓縮算法進行存儲，根據不同的數據特性，通過設置不同的數據精度，采集頻率等方式進行壓縮存儲。歷史數據庫調用數據可以直接顯示均值、極大極小值、實時、快照等方式展現。

（2）數據存儲

根據應用需求，船閘群集中控制系統將在主聯調聯試中心配置控制數據庫（現地站控制數據庫已在各個船閘工程中配置）。

聯調聯試中心控制數據庫用于存儲全系統所有控制站點的歷史數據，現地站控制數據庫存儲該現地站的所有控制站點的歷史數據。通信中斷時，控制站點站控PLC可存儲本站1天內重要（閘閥門啟閉等）數據，在通訊恢復后上傳。

為了保證數據的唯一性，采用單一數據源方式。正常情況下，由現地控制站進行數據通信，采集的數據存儲到現地站的控制數據庫，然后聯調聯試中心控制數據庫與現地站控制數據庫進行數據同步。

為了保證數據的完整性，當現地層控制數據庫的數據變化后，聯調聯試中心控制數據庫將同步進行相應變化;當某個數據庫服務器因為某些原因（如服務器故障、重新配置數據庫等）停止運行而缺失部分數據，在恢復運行時，自動從數據最全、權限高的數據庫服務器上將缺失的數據補回來。當聯調聯試中心失去與現地控制站的數據通信，PLC可存儲本站當天重要數據（閘門動作信息），在通信恢復后，可以通過網絡或人工方式，將聯調聯試中心控制數據庫中缺失的數據從控制站點現地補回來。

2.6 軟件部署

軟件部署僅包含聯調聯試中心部分，現地站部分已在各個船閘工程中配置。

3 系統功能設計

3.1實時數據采集功能

系統支持廣泛的通訊協議，對現場數據或者第三方系統的數據可實現實時采集并展示。對于數據的實時性，體現在如下特點：秒級數據刷新;可主動上報，逢變則報;可自定義刷新頻率;全數據掃描;可按重要性級別，手動設置不同等級數據的刷新頻率。

3.2工藝流程動態顯示功能

系統可實現7個船閘樞紐現場工藝流程圖的實時動態顯示功能和隨意切換查看。體現液壓泵站的機組運行及報警狀態;閘門的狀態變化;閥門的狀態變化;上下游和閘室的水位測量;變電所電力實時數據的動態顯示及報警;紅綠信號燈的狀態顯示;室外照明狀態顯示;船閘現地溫、濕、塵等環境數據監視;水工安全觀測系統實時數據顯示與報警;閘門在線監測系統的實時數據顯示與報警;消防設備監視及事件報警等。

3.3遠程控制指令執行功能

在操作權限允許和安全嚴格的授權機制的前提下，系統可實現7個船閘樞紐現場的設備對來自聯調聯試中心的遠程控制指令的執行，并能隨意切換。實現液壓泵站的機組遠程啟停;閘門啟閉機的遠程開啟與關閉;閥門啟閉機的遠程開啟與關閉;變電所開關柜斷路器的遠程合分閘（確保安全的前提下）;紅綠信號燈的遠程控制;室外照明的遠程開啟與關閉;設備的遠程巡檢等。

3.4歷史數據歸檔功能

控制系統提供功能全面的趨勢歷史和事件歷史數據的歸檔功能，具體如下：提供方便快捷的配置方式，可對任意點根據存儲周期，精度，偏移等參數進行設置，對任意事件或報警可根據自定義觸發條件進行存儲歸檔。使用壓縮算法，在實時數據庫中對數據進行壓縮歸檔，使存儲容量大大的減少;

每日自動生成日志文件;歷史數據的容量僅與硬盤容量有關;查詢時提供統計功能及快速過濾功能;運行時進行負載均衡。

3.5數據展示曲線及工作點動態顯示功能

歷史功能包括歷史數據曲線展示查詢和工作點動態顯示。每幅曲線圖可定義多條曲線，可人工定義查詢時間。歷史功能不僅能查詢原始值，還內嵌對查詢數據的快照值，平均值，極值，積分，微分等計算功能。歷史曲線功能用于對實時數據歷史變化進行查詢和分析，并可以列表的方式導出成Excel等文件格式。

歷史數據可在多臺服務器上進行冗余備份，當系統中有多臺歷史服務器時，任一臺故障后，系統能自動記錄該服務器故障的時間點和缺失的歷史數據量;在該服務器恢復正常運行時，系統可自動從其他歷史服務器中將該時段缺失的歷史數據回補到服務器中，從而保證了歷史數據在所有歷史服務器中的完整性和同步性。

3.6報警管理功能

報警系統用于實時顯示當前報警，也可以用來查看報警記錄。當一個新的報警產生時，報警條目將以預定義顏色的閃爍，并伴有音響或語音。報警可定義為若干級，如異常報警，事故報警等，高級別報警應優先顯示，常規報警可由人工確認后延遲處理。

可自定義報警級別，根據不同級別定義報警的顏色和報警的聲音，支持多工作站的多用戶對報警進行確認。

報警可對具有共同屬性的點如故障，液壓泵站壓力等進行統一定義，引用該屬性的點將繼承統一定義的報警屬性;也支持對單點報警屬性進行定義。報警可支持在線設置報警上下限、報警級別及報警確認權限;可設定報警的死區和延時，在信號不穩的情形下，濾波滯后處理以防止產生不必要的報警;對報警自動分類匯總。

3.7事件管理功能

事件管理功能，記錄管理高級自定義事件、系統事件、操作事件。事件過濾功能可按用戶、分類、類型、地區、位置、產生者、狀態、優先級過濾數據，并且支持自定義搜索功能。事件數據可在多臺服務器上進行冗余備份，其冗余備份和故障恢復功能與歷史數據功能一致。

3.8操作權限設定功能

系統提供全面的權限管理功能，通過設置不同的用戶權限防止越權操作保護系統的安全。系統的登錄、登出、設備的控制操作都需要特定的授權才能進行相關操作。

提供完善的遙控權限的切換管理，系統自動完成所有控制操作的記錄，便于追溯。

認證是確認是否其所聲明的用戶的過程。系統訪問認證方式應支持采用口令和IP地址雙重認證。不在授權范圍的IP地址即便口令正確也無法訪問。

3.9系統診斷功能

支持系統運行狀態控制和診斷功能，可跟蹤和定位系統設備和網絡運行狀態或異常，可控制每個服務器和工作站計算機的聯網狀態，CPU負荷，內存占用情況。

軟件提供豐富的水運水利行業專業圖庫、支持動畫編輯和在組態，在極大豐富畫面展示效果的同時降低工程組態開發工作量和耗時。

3.10一機雙顯功能

本項目近期有10個船閘需要集中控制，在聯調聯試中心部署6臺操作員工作站，為每臺工作站配置2臺顯示器，在軟件開發過程中定制一機雙顯功能，即每臺操作員工作站都可以顯示兩個組態畫面，5臺電腦顯示10個船閘的控制畫面，另外一臺電腦顯示航運總覽界面及報表界面。一機雙顯功能大大減少了操作員工作站及操作人員的數量配置。

3.11視頻聯動功能

在聯調聯試中心對現地的船閘進行遠程集中操作，操作結果雖然可通過組態軟件界面上的狀態顯示進行判斷，但是操作人員經常對其反饋的操作結果存疑。本次軟件定制了視頻聯動功能，當操作人員操作組態軟件對船閘進行開關閘門或輸水閥門時，組態軟件上自動彈出被操作閘門或輸水閥門的視頻監視實時畫面。以方便船閘操作人員在進行操作時實時、方便地查看現場的視頻圖像，增加船閘運行的安全性。

3.12廣播聯動功能

在船舶進出閘或者閘室充水時，都會對船閘進行區域廣播，以提示船舶進出閘或注意安全。本次軟件定制了廣播聯動功能，通過對網絡廣播系統的二次開發，實現與其直接的數據通信，在操作人員操作船閘上下行的過程中，當滿足船舶進出閘條件或閘室正在充水時，將自動觸發語音廣播，提示船舶進出閘或注意安全。

4 系統安全設計

系統安全設計的目標是保證系統運行的安全，并在系統遇到故障時（包括硬件損壞和軟件系統崩潰等），能夠有效的避免信息丟失和破壞，并盡快恢復系統的正常運行。系統安全對于自動控制系統的日常運行非常重要，是安全供水的基本保障。

（1）系統安全

自動控制系統通過驗證用戶權限，有效控制非法訪問和操作。

（2）數據安全

只有具有權限的用戶才可以看到私密信息;傳輸、存儲信息或數據的過程中，確保信息或數據不被未授權的篡改或在篡改后能夠被迅速發現。系統運行于控制內網，保證數據傳輸安全。

（3）網絡安全

自動控制系統運行在控制專網，確保網絡及數據安全。

保密性：信息不泄露給非授權用戶、實體或過程，或供其利用的特性。

完整性：數據未經授權不能進行改變的特性。即信息在存儲或傳輸過程中保持不被修改、不被破壞和丟失的特性。

可用性：可被授權實體訪問并按需求使用的特性。即當需要時能否存取所需的信息。例如網絡環境下拒絕服務、破壞網絡和有關系統的正常運行等都屬于對可用性的攻擊;

可控性：對信息的傳播及內容具有控制能力。

可審查性：出現的安全問題時提供依據與手段。

（4）其他

支持與多種國產CPU、操作系統、PLC設備聯合使用，具有自主研發、安全可控、穩定可靠等特性，致力于保障國家公共安全和工業及信息化安全;

支持Window、Linux、Mac、Android、ios系統上訪問;

支持C/S、B/S、APP多種訪問途徑;

支持分辨率自適應。

5 結語

本文通過引入新的技術手段設計船閘群集中遠程控制系統，實現對下屬7座樞紐船閘集中控制及統一運行調度，實現遠程集控、統一報到、統一收費、統一調度、統一信息發布，提升船閘運行和管理的智能化、精細化水平，為引江濟淮“數字引江、智慧船閘”打造一套行業內無成熟應用先例的“無人值班、少人值守”的集中管控一體化模式，實現系統與船閘的運營、運維、服務的深度融合，滿足多船閘遠程集控、統一調度、安全運行、高效管理的需求，達到工程調控統一可靠、安全防護及時可控、工程運管精細高效、信息服務便捷暢通，從而進一步提升船閘的運行效能，為后續全省航道船閘智能化建設探索經驗。

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[5]曹方偉;船閘人字閘門同步變速運行控制[J];中國水運;2011年09期。

作者簡介：

查道正，（1987-），男（漢族），安徽省合肥市，安徽省交通勘察設計院有限公司高級工程師，研究生，水運工程電氣設計，230011。

尹國梁，（1996-），男（漢族），安徽省合肥市，安徽省交通勘察設計院有限公司助理工程師，本科，水運工程電氣設計，230011。

石濤濤，（1995-），男（漢族），安徽省合肥市，安徽省交通勘察設計院有限公司助理工程師，本科，水運工程電氣設計，230011。