廣東省吳川市吳陽攔河閘壩信息化系統的構建研究

阮洋 廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司

由于我國攔河閘壩閘門大多仍采用傳統鑄鐵閘門，配套螺桿啟閉機或手動操作實現閘門啟閉，自動化程度低，不能實現遠程控制，不能精準計量或沒有計量能力，不能實現水資源的精準控制[1-2]。傳統的閘門控制需要大量工作人員進行維護和巡視，分水控制與測流計量主要靠手動操作和經驗估算，運行管理非常繁雜、工作效率低[3]。為確保攔河閘的安全運行，提高管理人員效率，提高水資源優化配置及用水效率，近年來我國注重水利閘門信息化系統建設[4]。閘門信息化系統可遠程進行閘門控制、水情自動測報、設備工況視頻圖像采集的綜合管理平臺，為閘門自動化領域專門設計開發[5]。其數據可通過光纖、2G/3G/4G蜂窩網絡、LORA、數傳電臺等通信介質實現數據的遠程傳輸，管理中心可實現遠程操作和監控的目的[6]。

1.工程概況

吳陽攔河閘壩是以供水、灌溉、排洪澇為主、兼顧航運的大型攔河水閘工程。擔負吳川市58萬人的生活和生產用水，為鑒江供水樞紐工程供水東海島提供2594萬m3調節庫容，同時承擔吳川市梅菉、振文、黃坡等鎮0.35hm2農田灌溉。吳川市吳陽攔河壩建于1958年，1962年竣工，大壩建成至今已有47年，原有管理運行方式已不能滿足工程現狀管理及運行要求，需新建工程信息化系統。

2.信息化系統總體設計

本次新建工程信息化系統，由攔河閘自動控制系統、船閘自動控制系統、視頻監控系統、水情自動測報系統、網絡通信系統及語音系統等組成。為滿足本工程各相關信息資源的管理及各系統運行維護，結合本工程的管理運行需求，設立信息控制中心及船閘控制室，信息控制中心設在水閘管理樓內，建筑面積約90m2，包括控制室和設備機房；船閘控制室設在船閘啟閉機層，包括控制室和設備機房，建筑面積約50m2。

設如下系統：①攔河閘和船閘監控系統，以實現整個工程的水閘自動控制和監視。提高工程安全運行和管理水平，改善管理人員的工作條件并接受調度指令。②視頻監控系統，監視對象主要包括水閘管理處、攔河閘、船閘、閘頂交通橋等，作為水閘運行調度的輔助手段。③水情自動測報系統，對工程閘前閘后水位計進行數據采集和監測，同時獲取化州水文站的水文信息。④網絡通信系統，實現各子系統的信息、數據予以整合、處理，實現吳陽攔河閘、當地三防部門及有關上級單位之間的數據傳輸，實現信息資源共享。⑤語音通信系統，滿足水閘生產調度及行政的語音通信需求，作為水閘管理運行調度。系統框架結構如圖1所示。

圖1 系統框架結構

3.信息化系統的構建

3.1 攔河閘自動控制系統

3.1.1 控制對象

攔河閘自動控制系統監控對象為攔河閘工作閘門，設固定卷揚機，12孔。控制對象主要包括攔河閘上游檢修閘門、攔河閘工作閘門、攔河閘下游檢修閘門、攔河閘啟閉機檢修設備等。其中攔河閘上游檢修閘門、攔河閘下游檢修閘門、攔河閘啟閉機檢修設備為現地控制，考慮其控制柜由啟閉機成套。

3.1.2 控制方式

攔河閘監控系統采用星型以太網結構，分為現地控制和集中控制，采用1對1控制方式，設手動/自動控制，管理人員可通過本系統下達指令對閘門進行控制。①現地控制：在調試或主控級故障時，操作人員可通過現地控制的人機界面實現控制。②集中控制：操作人員在中控室下命令，通過監控系統實現全部過程自動控制或采用分步按順序控制。③控制方式：水閘控制采用遠方集中控制為主，現地控制為輔的控制的方式。閘門啟閉機能夠在全開全關位置及揚程上極限位置自動停機，其余位置可手動控制。每一扇工作閘門有遠方控制和現地控制2種控制方式，可由控制柜中的切換開關進行選擇，可在現地和遠方實現各閘門全開、全關和停機操作，并能設置操作控制權限。④控制權限采用兩級權限：第一級為現地控制，具有最高優先權，設置權限切換裝置。

3.1.3 系統結構及配置

該系統利用通信系統的網絡采用星型網絡結構，在信息控制中心設置1套閘門監控工作站，在現地設置閘門PLC柜，以實現閘門自動控制。①現地層：現地層設置在啟閉機閘室，配置12套以PLC為核心的現地控制柜，設現地/遠方控制切換?，F地控制柜配置帶有以太網通信接口的PLC，通過光纜連接位于信息控制中心的工業交換機。②中控層：在信息控制中心，配置1套閘門工作站。

3.1.4 系統軟件

閘門監控系統軟件主要包括操作系統軟件、監控組態軟件、有關通信接口軟件等。

3.2 船閘自動控制系統

3.2.1 控制對象

船閘監控系統控制對象主要包括船閘上閘首檢修閘門、船閘上閘首工作閘門、船閘下閘首檢修閘門、船閘下閘首工作閘門、船閘充（泄）水廊道工作閘門、船閘充（泄）水廊道檢修閘門，其中船閘上閘首檢修閘門、船閘下閘首檢修閘門、船閘充（泄）水廊道檢修閘門為現地控制，考慮其控制柜由啟閉機成套。

表1 視頻監控對象配置一覽表

3.2.2 控制方式

船閘監控系統采用星型以太網結構，分為現地控制和集中控制。①現地控制：操作人員通過現地控制的人機界面實現控制。②集中控制：通過監控系統實現全部過程自動控制或采用分步按順序控制。

3.2.3 系統結構及配置

利用通信系統的網絡采用星型網絡結構，系統結構主要包括現地層與中控層。利用網絡通信系統的網絡交換機通過光纜與現地控制柜相連，網絡協議采用TCP/IP協議，系統通過光纜與攔河閘中控層相連。

3.2.4 系統軟件

船閘監控系統軟件主要包括操作系統軟件、監控組態軟件、船閘收費系統軟件及有關通信接口軟件等。

3.3 視頻監控系統

3.3.1 監控對象

視頻監控系統監控范圍包括水閘管理處、攔河閘、船閘、閘頂交通橋等。設置共21套高清網絡攝像機，在信息控制中心及船閘控制中心各設1套視頻工作站、1套存儲陣列。主要監視對象配置見表1。

3.3.2 系統組成

視頻監控系統由前端設備、傳輸設備、控制設備、存儲設備四部分組成。①前端設備：包括21套攝像機、室外專業防護設備、防雷設備及立桿等。選用200萬像素高分辨率IP彩色攝像機負責圖像和數據的采集及信號處理；②傳輸設備：本工程利用光纜傳輸設備，負責將視頻和數據信號傳輸到監控中心；③控制設備：選用視頻工作站，負責完成前端設備和圖像切換的控制、系統可分區控制和分組同步控制、存以及圖像檢索與處理等諸多功能；④存儲設備：選用硬盤存儲陣列，負責將前端設備的視頻數據進行存儲，實現視頻數據的存儲與回放。

3.3.3 技術實現與設備

（1）設備配置：為監視攔河閘閘門啟閉的情況，在信息控制中心設置1套視頻工作站、1套存儲陣列和一套1套10m2LED屏幕顯示器。在各水閘相關場所及信息控制中心等場所設置16套高清網絡攝像機，通過光纜及通信網絡交換機與信息控制中心視頻工作站相連。為監視船閘閘門啟閉的情況，在船閘控制中心設置1套工作站、1套存儲陣列和1套6m2LED屏幕顯示器。在船閘上下閘首相關場所設置5套高清網絡攝像機進行視頻監視，通過光纜及通信網絡交換機與船閘控制室視頻工作站相連并上傳至信息控制中心。

（2）技術方案：現場視頻信號通過光纜及通信網絡交換機傳到信息控制中心和船閘控制室視頻工作站。工作站可選擇顯示任意監視點的滿屏畫面，并可實現多畫面分割，液晶顯示屏可同時任意顯示多幅或單幅不同監視點攝像機的圖像。操作人員還可通過編程設定為自動循環切換畫面或手動切換畫面。實現對水閘控制中心對各主要設備的運行情況和重要場所進行監視。

3.3.4 視頻監控軟件

視頻監控系統的軟件主要包括操作系統軟件、圖像管理軟件、接口通信軟件等。

3.4 水情自動測報系統

該工程水情自動測報系統，主要負責水閘及船閘水位等信息的接收、處理、轉換和存儲，其他信息資料通過公網連接湛江市三防指揮中心獲取化州水文站所測得的流量數據，同時，系統通過公網上傳水情至當地三防部門，實現資料信息的共享。

3.4.1 技術實現與設備

在水閘上、下閘首及船閘上、下閘首和船閘連接段設置水位計，就近接入現地LCU控制柜，通過LCU柜的PLC與中控層相連其他信息資料通過公網連接湛江市三防指揮中心獲取化州水文站所測得的流量數據。

3.4.2 信息采集流程

（1）水位數據采集流程：各水位計→閘門現地LCU柜→信息控制中心。

（2）其他數據采集流程：化州水文站→湛江市三防指揮中心→信息控制中心。

3.5 網絡通信系統

網絡通信是本工程信息化的重要組成部分，是實現信息實時迅速傳輸、處理、查詢、共享及水閘控制、工程監測監控、行政辦公等的技術保障和物質基礎。

3.5.1 系統結構及組網技術

（1）網絡體系結構：根據本工程自動控制及信息化系統的特點及技術需要，系統設水閘控制網絡和船閘控制網絡，結構采用星型網絡結構。水閘控制網絡和船閘控制網絡通過光纜鏈接組成本工程管理信息網絡。

（2）組網技術：該系統計算機局域網絡組網技術采用100/1000Mbps以太網。為實現本工程自動控制及信息化系統計算機網絡與上一級網絡的互聯，配置1臺具有撥號接入功能的路由器，通過租用電信6M寬帶，采用VPN SSL/IPset方式與上級有關單位、當地三防部門互聯。

（3）網絡協議：該工程局域網網絡協議初采用TCP/IP協議，同時可以并行運行IPX/SPX、NetBEUI等協議。

（4）設備配置：考慮在信息控制中心設置1臺數據服務器、1臺工業級網交換機、防火墻、路由器及應用軟件，以實現數據的迅速傳輸、處理、查詢、共享等功能，同時在船閘控制中心配置1臺工業級網交換機。本系統數據庫采用Microsoft SQL，操作系統采用Microsoft Windows Server 2008系統。

3.5.2 防雷與接地

（1）防雷設計：信息控制中心利用管理樓防雷設施，采用防雷器和避雷針方式設計，閘室、船閘設備利用閘室防雷設施，采用防雷器和避雷針方式設計。

（2）接地設計：信息系統接地利用管理樓、閘壩、船閘等水工建筑物接地裝置。信息控制中心接地電阻要求：不大于4Ω。閘室接地電阻要求：不大于10Ω。

3.6 語音通信系統

語音通信系統主要包括生產調度通信系統、行政通信系統和對外的通信接口。系統控制中心配置1臺容量30門、具備基本功能的小型程控交換機，通過軟件分割實現生產調度通信與行政通信的區別。

3.6.1 生產調度通信

生產調度通信系統對生產調度電話的語音進行綜合處理和交換。生產調度電話用戶的基本配置為：信息控制中心5門，東壩1門，西壩1門，船閘中控室2門。

3.6.2 行政通信

行政通信系統對行政電話的話音進行交換。行政通信電話用戶的基本配置：信息控制中心5門，東壩1門，西壩：1門，船閘中控室2門。

3.6.3 與電信公網的連接

程控交換機配置相應的E1中繼接口接入當地公用電話網絡，構成對外行政通信聯絡通道。用戶經程控用戶交換機呼出至公用電話網為半自動撥號呼出（DOD2）方式，呼入經話務臺轉撥到分機用戶（BID）。

4.結語與展望

針對吳陽攔河閘壩管理效率低、河道運行狀態不明等問題，重新構建吳陽攔河閘壩信息化系統，對其攔河閘、閘門及視頻等控制系統的相關技術要求等進行系統總結。以期為類似水利信息化管理提供思路。下一步，完善流域計劃用水智慧管理數據庫，深入開發節約用水信息化管理平臺功能模塊，是后續信息化建設研究應用的主要方向。