大瓊臺水利風景區綜合調度系統改造升級的設計

丁天沛，別華斌，呂賽賽

（1.浙江臺州市天臺縣旅游集團，浙江 臺州 317299；2. 安吉縣老石坎水庫管理所，浙江 安吉 313301； 3.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310052）

1 引言

大瓊臺水利風景區位于浙江省天臺縣，是由黃龍水庫、原瓊臺仙谷景區以及桐柏水庫等水利工程為基礎綜合整合建設而成。原調度系統分別建設，結構松散；初步整合后的系統功能上也有諸多缺陷；隨著浙江省數字化改革的提出，如何將原來調度系統進行升級改造，提升安全管理水平和管理效率，是迫切需要解決的問題。

本文旨在通過數字化整合建設設計，推動大瓊臺水利風景區管理的現代化，核心設計內容包括：物聯感知、通信網絡、軟件平臺升級等[1]。

2 總體設計

總體按信息系統建設分層架構體系設計，自下而上分為物聯感知（新建硬件設施和已建硬件設施的集成）、通信網絡、云端計算、應用場景4大塊。

（1）物聯感知：通過傳感器、自動化設施、攝像頭等設備設施來感知景區和工程的總體態勢，為上層軟件提供決策用的數據。包括四旋翼無人機、智能卡口、泵、閥遠程自動控制系統。

（2）通信網絡：利用光纖、有線網絡、無線網絡等實現傳感器、自動化設施、攝像頭等設備設施采集數據接入到數據庫中。

（3）安全等級保護：根據政策要求，在云端開展安全等級保護二級等保測評。

（4）應用場景：結合自動化設備管理需求，配合管理軟件，實現設備的控制管理[2]。

3 核心內容

3.1 感知升級設計

在原來的水文、工情、雨情、水位、大壩安全監測、視頻監控等物聯網感知體系的基礎上進行升級設計。

（1）四旋翼無人機

基于對景區應急搜救、安全消防以及直播營銷等方面的考慮，需建設一套無人機系統，系統配置2臺大疆四軸航拍無人機，定期對景區進行拍攝或直播，最終通過無線網絡上傳至綜合管理系統。該無人機在無干擾、無遮擋環境下最遠遙控距離為7 000 m，最高高度為500 m，續航時間最長可達25 min（根據環境情況不同，實際數據可能會有差異），遙控器配備6 000 mA·h LiPo 2S電池，充滿后可連續使用4 h[3]。

（2）智能卡口系統

基于對景區重要卡口的安全管理考慮，計劃在景區入口處道路建設一套“機、非、人”全捕獲記錄的智能卡口系統，實現過往車輛以及人員的全面管控。智能卡口系統主要采用嵌入式高清一體化攝像機（根據不同的車道覆蓋選擇針對性的高清攝像機）設備進行車輛及人員抓拍。通過光纖網絡使調度分中心與卡口系統連接，實現實時查看監控內容。遠程指揮景區車輛進出[4]。

該系統包括前端抓拍單元、通信網絡和調度控制中心單元。前端抓拍單元通過通信網絡與調度控制中心單元連接，如圖1所示。

圖1 智能卡口系統示意圖

前端抓拍系統主要負責對經過的所有車輛的綜合信息進行采集，包括車輛特征照片、車牌號碼與顏色、車身顏色、司乘人員面部特征等。調度控制單元主要負責采集信息的匯總，支持在調度中心實時查詢并實現車輛布控。通信網絡由交換機、光傳輸設備等設備組成，實現前端卡口子系統到后端中心管理平臺之間數據的互聯互通。

車輛卡口上的車牌識別是基于圖像分割和圖像識別理論，對含有車輛號牌的圖像進行分析處理，從而確定牌照在圖像中的位置，并進一步提取和識別出文本字符。

識別的具體步驟分為車牌定位、車牌提取、字符識別。在自然環境中，相機首先對采集到的視頻圖像進行大范圍相關搜索，找到符合汽車牌照特征的若干區域作為候選區，然后對這些候選區域做進一步分析、評判，最后選定一個最佳的區域作為牌照區域，并將其從圖像中分割出來。

完成牌照區域的定位后，再將牌照區域分割成單個字符，然后進行識別，車牌識別算法采用基于模板匹配算法，首先將分割后的字符二值化,并將其尺寸大小縮放為字符數據庫中模板的大小，然后與所有的模板進行匹配，最后選最佳匹配作為結果，通過這種多次比對的方式極大地提高了車牌識別的準確率。

3.2 自動化控制系統升級設計

大瓊山水利風景區大瀑布原本已建有前池閥門和4臺潛水泵，目前采用現地控制的方式對瀑布進行調節和供流。因現地控制操作不便，導致瀑布水流調節效率較低、無法遠程查看數據和設備運行狀態。現利用現代傳感技術、自動化控制技術及計算機技術，對瀑布前池分流閥和供流水泵進行遠程自動化改造，布置一套上位機軟件。同時，出于安全考慮，采用監控設備實時對分流閥進行監控[5]。

該系統通過專用網絡使調度中心與閥、泵連接，實現遠程控制瀑布水量、實時掌握閥、泵運行情況。

（1）系統結構

利用現代傳感技術、自動化控制技術及計算機技術，實現遠程控制閥門分流及水泵供流。監視各操作及設備運行狀態，保障安全運行，達到“無人值守”。自動化控制系統結構如圖2所示。

圖2 自動化控制系統結構圖

1）控制應用層

控制應用層設于景區的調度分中心，負責采集和處理來自現地控制層的數據（制作各種運行報表、重要設備的運行檔案、各種運行參數等）、人機對話（全站設備的運行監視，事故和故障報警，對運行設備的人工干預及監控系統各種參數的修改和設置等）、與現地控制層和綜合信息管理平臺的通信[6]。

控制應用層設備有操作員控制工作站、同步時鐘系統、單向隔離網閘等。操作員工作站設置在管理中心運行人員操作控制臺上，同管理中心其他子系統協同工作，完成閥、泵監控的調度任務。

2）現地控制層

現地控制層的現地控制單元，應能對所管轄的生產過程進行完善的監控。它們經過輸入、輸出接口與監控過程相連；通過通信接口與繼電保護設備交換信息，在上位機畫面上實時反映所測的電氣參數、閥門的運行狀態及繼電保護動作情況；通過通信接口與水位計連接，在上位機畫面上實時反映閥門上下游水位信息；通過通信接口接到工業以太網上，與主控層交換信息。現地控制單元與主控層有相對獨立性，它們應能脫離主控層獨立完成監控過程的實時數據采集及處理，單元設備狀態監視、調整和控制等功能。

3）網絡通信層

閥門、水泵自動化控制系統通信網絡采用租用運營商VPN網絡，調度中心通過VPN網絡將調度中心與現地相連接，實現數據傳輸和遠程啟閉。

（2）系統功能

閥、泵自動遠程控制系統實現主要功能如下：

1）模擬量數據的采集與處理

對模擬量信號進行周期采集，越限報警等，最后經格式化處理后形成實時數據并存入實時數據庫。

主要的模擬量為泵組電量參數等。

2）開關量數據的采集與處理

①對事故信號、斷路器分、合及重要繼電保護的動作信號等開關量信號，系統以中斷方式迅速響應這些信號并做出一系列必要的反應及自動操作。

②對各類故障信號、隔離開關的位置信號、設備運行狀態信號，手動自動方式選擇的位置信號等以定期掃查方式接收，最后經格式化處理后存入實時數據庫。

3）開關量輸出

特指各類操作指令。計算機在輸出這些信號前進行校驗，經系統判斷無誤后方可送至執行機構，為保證信號的電氣獨立性及準確性，開關輸出信號也經光電隔離，接點防抖動處理后發出。

4）信號量值及狀態設定

由于設備原因而造成的信號出錯以及在必要時要進行人工設定值分析處理的信號量，系統允許運行值班人員和系統操作人員對其進行人工設定，并在處理時把它們與正常采集的信號等同對待，系統可以區分它們并給出相應標志。

5）運行實時監視

系統可以使運行人員通過顯示器對閥門、泵站主要設備的運行狀態進行實時監視。所有要進行監視的內容包括當前各設備的運行及停運情況，并對各種運行參數進行實時顯示。

6）參數越限報警記錄

系統將對某些參數以及計算數據進行監視。對這些參數量值可預先設定其限制范圍，當其超出設定范圍時，啟動相關量分析功能，作故障原因提示。

7）故障狀態顯示記錄

系統定時掃查各故障狀態信號，一旦發生狀態變化將在顯示器上即時顯示出來，同時記錄故障及其發生時間，并用語音報警，系統對故障狀態信號的查詢周期不超過2 s。

8）控制與調節

運行人員在控制室計算機上調出所需操作站點的相關操作界面后，通過操作鍵盤或鼠標，就可以對需要控制的電氣設備發出各種控制操作命令，實現對設備運行狀態的變位控制。計算機系統自動提供必要的操作步驟和足夠的監督功能，以確保操作的合法性、合理性、安全性和正確性。

3.3 視頻集成

視頻監控系統目前已完成建設，包括景區內共約90路攝像頭的整體安裝、視頻上云等。

目前景區內一共有2塊LED大屏，分別在李白廣場及瓊臺仙谷入口處，兩塊LED屏不在一個局域網內，其中，李白廣場的LED屏已通過光纖網絡接入管理中心。為了實現集中管理，需要對瓊臺仙谷的LED大屏進行集成。

目前瓊臺仙谷的LED大屏采用插U盤的方式進行顯示，包括圖片展示、文字顯示和視頻播放等功能。為了實現LED屏的遠程控制，給LED屏增加一套無線網路通信模塊，配置4G網絡卡，實現在管理中心的遠程控制。

3.4 通信網絡

本設計主要包含以下幾部分通信網絡：

（1）無線網絡

無人機采用4G網絡實現直播，數據上報等功能。瓊臺仙谷入口的LED大屏通過無線網絡，實現管理中心對其遠程控制。

（2）光纖局域網絡

智能卡口系統、閥泵自動遠程控制系統的集成都采用光纖局域網絡。

（3）VPN專線網絡

視頻監控系統采用200 M VPN專線網絡從運營商機房匯聚到大瀑布管理中心，當前視頻點位約為90處，單個視頻需要至少2 M的帶寬。

（4）固定IP網絡

固定IP網絡主要用于日常辦公及網絡視頻查看。整個通信網絡系統結構如圖3所示。

圖3 網絡拓撲圖

3.5 軟件平臺設計

系統對用戶、部門的數據錄入情況、數據的有效率、用戶的在線率、系統功能的使用情況、高頻功能、高頻搜索詞、其他行為日志等進行統計分析。通過與內核通信和訪問接收基礎數據庫實現設備管理、設備監控、告警管理、數據分析等功能，并利用Web GIS技術進行交互和展示，使用戶方便直觀地獲取設備的運行狀態和人員的訪問情況，以利于對設備進行維護管理，實現物聯感控前端設備運行監控、健康檢查的智能化。

（1）設備管理：實現設備的增刪改，參數配置與查看等功能。

（2）設備監控：實時監控設備的運行狀態，包括電壓、電流、信號強度等，以及數據的狀態。

（3）告警管理：對設備異常產生的告警進行提醒、查看、管理。

（4）數據分析：對設備運行的參數以及采集數據進行歷史分析。

（5）信息下發：通過調用預警信息系統，將運維告警信息下發至具體運維責任人。

（6）績效管理：根據人員的訪問量、登錄量、巡查情況形成績效考核排名，統計人員、部門的考核情況。

4 網絡安全設計

為了滿足系統的安全要求，在系統穩定運行的基礎上，建立主動、開放、有效的系統安全體系，以預防為主，并加強系統的恢復功能，實現系統安全狀況可知、可控和可管理，形成集防護、檢測、響應、恢復于一體的安全防護系統。對平臺及政務云環境進行二級等保測評等安全檢測。

5 結束語

通過本次設計與實踐分析，主要有這幾方面的創新亮點：

（1）提升資源監管能力

應用物聯網技術，面向資源監管需求。建立天臺桐柏水電事務中心區域范圍內全覆蓋監管體系。讓一切現有與在建資源可看、可查、可調度，全面提升桐柏水電事務中心的監管能力。信息資源包括：位置信息：水庫、電站、車輛、船舶、倉庫等位置，人員分布、庫區違法點、景區人流密集點等等；實時動態：車流、人流、水流、水位、閘門、臺風、視頻、發電量、瀑布用水量等實時信息；行為信息：水位超汛限、設備故障、攝像頭掉線、人流超限、車流超限等等；數據信息：洪水預報信息、水資源調度信息、今日景區人流總數、天氣預報、用水量總覽等等。

（2）提升資源調度能力

面向調度指揮中心與現場工作人員的調度需求，形成人員與人員、人員與資源設備之間的網狀連接，打破空間地理限制，建立覆蓋面更廣、更完善的管理體系，全面提升桐柏水電事務中心的資源調度能力，最終實現調度一切可調度資源。

（3）提升資源控制能力

借助物聯網、大數據、移動互聯等最新技術，整合現有設備資源，通過遠程控制等方式，對所有設備進行實時控制，包括對設備控制啟閉、對攝像頭控制轉動、對語音柱播放切換、對景區人流、車流限制釋放、對戶外LED屏幕文字調整等。