彭智欣

（佛山市沙口水利樞紐站，廣東佛山528000）

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沙口水利樞紐綜合管控系統(tǒng)的研究
——水利樞紐智能化實(shí)踐研究Ⅰ

彭智欣

（佛山市沙口水利樞紐站，廣東佛山528000）

摘要：通過(guò)對(duì)佛山市沙口水利樞紐所轄水利工程運(yùn)維管控現(xiàn)狀的調(diào)研及集中控制、整合管理需求的分析，提出水利樞紐綜合管控系統(tǒng)的建設(shè)方案。在詳細(xì)闡述設(shè)計(jì)思路、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、總體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究提高系統(tǒng)安全性和可靠性的可行方法，并通過(guò)技術(shù)亮點(diǎn)展示介紹水利樞紐綜合管控系統(tǒng)與當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)結(jié)合，為水利樞紐工程信息化改造提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：水利樞紐；自動(dòng)控制；綜合管控系統(tǒng)；水利信息化；智慧水利

佛山市沙口水利樞紐位于北江潭洲水道（東平河）北岸的汾江河入口處，是佛山市最大的綜合性水利樞紐，管轄范圍1 km2，包括船閘、分洪閘、引水閘、引水泵站以及佛山大堤沙口段（約1 km）等設(shè)施，肩負(fù)防洪、引水沖污、航運(yùn)交通、堤防維護(hù)、截污、保護(hù)飲用水源等職責(zé)，在佛山市的防洪安全、改善汾江河流域水生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮極其重要的作用。同時(shí)，沙口水利樞紐是佛山市防汛搶險(xiǎn)物資中心倉(cāng)庫(kù)重地及廣東省三防搶險(xiǎn)潛水隊(duì)、佛山市防汛搶險(xiǎn)潛水隊(duì)訓(xùn)練基地，為廣東省的重要水利設(shè)施。

沙口水利樞紐綜合管控系統(tǒng)是在廣東省2013—2020年水利信息化發(fā)展規(guī)劃［1］和佛山市政府提出的“智慧佛山”［2］的背景下，借鑒類似水利工程管理單位管控一體化系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)［3］進(jìn)行研究和建設(shè)的。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船閘、分洪閘、引水閘、引水泵站等所有水利設(shè)施的集中智能控制，實(shí)時(shí)掌握北江上游及汾江流域的綜合水文信息和準(zhǔn)確的引水量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水利樞紐的綜合調(diào)度管理和科學(xué)預(yù)警預(yù)判，保障防汛安全，最大限度提升沙口水利樞紐引水沖污改善汾江河水生態(tài)環(huán)境功能，提高工程安全高效運(yùn)行水平，充分發(fā)揮了工程效益。本文對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行探討。

1　現(xiàn)狀分析

沙口引水泵站自動(dòng)控制及視頻監(jiān)視系統(tǒng)2006年建成，設(shè)有兩個(gè)PLC主站，4個(gè)遠(yuǎn)程LCU單元，中控室設(shè)有兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，采用GE的CIMPLICITY平臺(tái)監(jiān)控設(shè)備啟停及運(yùn)行參數(shù)。船閘自動(dòng)控制系統(tǒng)2009年建成，上下閘首各有一個(gè)PLC主站，采用的是Modicon Momentum系列，通過(guò)以太網(wǎng)與施耐德Magelis觸摸屏相通訊。在中控室設(shè)有一臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，采用北京杰控FrameView監(jiān)控軟件，一個(gè)PLC從站，用于船閘的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

佛山市沙口水利樞紐站目前使用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)信息采集系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)使用多年，設(shè)備老舊，存在著以下問(wèn)題。

（1）設(shè)備陳舊，操作性、安全性差。

（2）盲目估計(jì)閘門開(kāi)度，安全隱患大。

（3）流域信息搜集落后，難以實(shí)現(xiàn)預(yù)警、預(yù)判。

（4）監(jiān)控系統(tǒng)功能單一，不能滿足安全運(yùn)行要求。

（5）各運(yùn)行點(diǎn)各自獨(dú)立運(yùn)行，缺乏統(tǒng)一調(diào)度中心，容易造成管理混亂。

（6）視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置滯后，安全隱患突出。

2　綜合管控系統(tǒng)建設(shè)方案

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沙口水利集中控制系統(tǒng)是以地理空間信息為基礎(chǔ)，以水雨情數(shù)據(jù)采集管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警為核心，以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS技術(shù)、數(shù)字流域分析技術(shù)、分布式水文模型技術(shù)等相結(jié)合為手段，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水雨情、空間數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)模型及方案等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)分析，進(jìn)行報(bào)警和預(yù)警，發(fā)布預(yù)警信息，收集應(yīng)急反饋。

系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，以便模型擴(kuò)展和完善；能夠?qū)Ω鞣N預(yù)報(bào)模型的輸入與輸出信息進(jìn)行有效管理；系統(tǒng)采用B/S和C/S相結(jié)合的模式，以空間服務(wù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)運(yùn)行平臺(tái)，包括模型及預(yù)案管理、站務(wù)信息管理、水情會(huì)商及服務(wù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、洪水預(yù)報(bào)、預(yù)警發(fā)布、協(xié)同辦公、運(yùn)行維護(hù)等模塊。

2.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

其中運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)采用全分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（CSCS），分為現(xiàn)地控制層、站控層和調(diào)度層。現(xiàn)地控制層由布置在各閘站的現(xiàn)地LCU構(gòu)成，LCU以高性能PLC（可編程控制器）或過(guò)程控制器為核心，通過(guò)Modbus通訊總線完成現(xiàn)地運(yùn)行信息采集與控制；站控層位于各閘站中控室，采用多微機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)各類信息進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、顯示、匯總，實(shí)現(xiàn)控制流程和異常報(bào)警；調(diào)度層是運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的管理者，負(fù)責(zé)閘站運(yùn)行信息集成、顯示和發(fā)送調(diào)度指令。監(jiān)控系統(tǒng)采用10/100 Mbps以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線作為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

2.3總體架構(gòu)

沙口綜合管控系統(tǒng)從體系架構(gòu)上分為7個(gè)主要層次，分別為信息采集層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、平臺(tái)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和門戶層，如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）信息采集層。信息采集層借助新一代網(wǎng)絡(luò)、智能傳感器等先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、水位、流量、水質(zhì)、工情、視頻監(jiān)控等進(jìn)行全方位信息采集，實(shí)現(xiàn)與其他外部系統(tǒng)的通信與數(shù)據(jù)交換。

（2）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層針對(duì)水利樞紐各業(yè)務(wù)工作流程的特點(diǎn)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，通過(guò)成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢技術(shù)，采用分布式網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)管理體系，滿足海量數(shù)據(jù)管理與分析要求，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享訪問(wèn)機(jī)制，為綜合管控系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐［4］。數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、站點(diǎn)數(shù)據(jù)、水雨情實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史水文數(shù)據(jù)、洪水預(yù)報(bào)專用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等。

（3）應(yīng)用支撐層。應(yīng)用支撐層采用三維地理空間信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、水文模型、權(quán)限管理技術(shù)、SOA和分布計(jì)算技術(shù)對(duì)獲取的海量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的管理和控制、進(jìn)行大規(guī)模的高速并行計(jì)算、智能信息處理、信息融合、數(shù)據(jù)挖掘、態(tài)勢(shì)分析和預(yù)測(cè)計(jì)算、地理系統(tǒng)計(jì)算等，并為上層應(yīng)用提供一個(gè)良好的用戶接口。

（4）平臺(tái)層。平臺(tái)層以平臺(tái)軟件和服務(wù)為核心，基于下面各層的資源管理能力為業(yè)務(wù)應(yīng)用層提供可用的、可伸縮的且易于管理的中間件平臺(tái)和統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和管控環(huán)境，包括信息服務(wù)平臺(tái)、業(yè)務(wù)管理平臺(tái)、移動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)、決策支持平臺(tái)和視頻處理平臺(tái)。

（5）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層集成整合各種各樣的應(yīng)用需求并結(jié)合水利行業(yè)應(yīng)用專業(yè)模型，構(gòu)建多業(yè)務(wù)統(tǒng)一應(yīng)用平臺(tái)，按照業(yè)務(wù)分解為多個(gè)子業(yè)務(wù)模塊。用戶通過(guò)各種業(yè)務(wù)界面以特定權(quán)限訪問(wèn)應(yīng)用層的相關(guān)業(yè)務(wù)平臺(tái)，獲得所需的數(shù)據(jù)與處理結(jié)果，實(shí)現(xiàn)資源共享。

信息安全管理措施包括數(shù)據(jù)安全和權(quán)限管理。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)的要求，將系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)集中到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中統(tǒng)一管理，并且提供對(duì)完整性支持的并發(fā)控制、訪問(wèn)權(quán)限控制、數(shù)據(jù)的安全恢復(fù)等。另一方面在系統(tǒng)中擬采用基于角色的訪問(wèn)控制機(jī)制，進(jìn)行系統(tǒng)權(quán)限管理，消除系統(tǒng)運(yùn)行隱患，同時(shí)提供良好的系統(tǒng)柔性。

3　技術(shù)亮點(diǎn)

3.1三維GIS技術(shù)

地理信息系統(tǒng)GIS具有采集、管理、分析、監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)可視化、空間分析與表達(dá)等功能，已經(jīng)成為水利信息化的重要支撐和技術(shù)基礎(chǔ)之一［5］。

沙口水利樞紐綜合管控系統(tǒng)采用基于三維GIS的基礎(chǔ)運(yùn)行平臺(tái)構(gòu)建空間服務(wù)子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)建設(shè)多比例尺公共圖形庫(kù)圖層、影像數(shù)據(jù)；一方面通過(guò)當(dāng)前空間服務(wù)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水利信息數(shù)據(jù)的空間存儲(chǔ)管理、空間查詢、空間分析；另一方面將空間服務(wù)作為一種應(yīng)用，與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的查詢和瀏覽，并與預(yù)警預(yù)報(bào)緊密結(jié)合在一起。預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用GIS控件庫(kù)提供的方法，借用GIS提供的函數(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)警預(yù)報(bào)和水情服務(wù)功能。

3.2SOA技術(shù)

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)SOA是一個(gè)組件模型，它將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)）通過(guò)這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來(lái)，使得構(gòu)建在各種各樣系統(tǒng)中的服務(wù)可以使用一種統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互［6］。

沙口綜合管控系統(tǒng)采用SOA方式與現(xiàn)有的其他系統(tǒng)（如OA系統(tǒng)、三防信息系統(tǒng)、流域信息系統(tǒng)、水文信息系統(tǒng)）連接，構(gòu)成協(xié)調(diào)高效的水利樞紐信息控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了跨語(yǔ)言、跨平臺(tái)異構(gòu)系統(tǒng)間的交互，方便系統(tǒng)擴(kuò)展開(kāi)發(fā)。

3.3大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

隨著水利信息化建設(shè)的深入普及，水利行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，需要大數(shù)據(jù)分析技術(shù)才能處理海量水利數(shù)據(jù)，從而提高決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力、流程優(yōu)化力和預(yù)測(cè)預(yù)警能力［7］。

沙口綜合管控系統(tǒng)建立了大數(shù)據(jù)分析和展示平臺(tái)。平臺(tái)通過(guò)與所有子系統(tǒng)對(duì)接，根據(jù)客戶實(shí)際需求調(diào)取各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并展示到顯示屏或者相關(guān)人員的電腦上。數(shù)據(jù)分析包括目前沙口所有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，還有新增知識(shí)庫(kù)與專家?guī)?，為?shí)現(xiàn)智能運(yùn)行調(diào)度、沖污效果評(píng)估、科學(xué)三防決策提供有力支持。

具體包括私有云、大數(shù)據(jù)中心和展示平臺(tái)3部分。

（1）私有云。基于SOA架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心，比如案例庫(kù)、專家?guī)?、知識(shí)庫(kù)、預(yù)案庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）大數(shù)據(jù)中心。分階段進(jìn)行，第一階段建立平臺(tái)和整合現(xiàn)有的OA系統(tǒng)、工控系統(tǒng)、流域系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)挖掘與分析功能；第二階段整合水務(wù)局和三防辦的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)流域綜合分析功能。

（3）展示平臺(tái)。能夠綜合展示沙口水利的平臺(tái)，比如搜索功能、知識(shí)庫(kù)功能、工控子系統(tǒng)、運(yùn)行調(diào)度及自動(dòng)化處理流程等。

3.4運(yùn)行調(diào)度智能化

本系統(tǒng)在信息采集平臺(tái)和預(yù)警預(yù)報(bào)子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，借助流量分析模型、流域水文水質(zhì)分析模型，實(shí)現(xiàn)了水閘和泵站的智能化調(diào)度運(yùn)行，徹底改變過(guò)去憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)盲目運(yùn)行的狀況，使工程效益最大化。

4　小結(jié)

通過(guò)綜合管控系統(tǒng)可有效形成以信息化為平臺(tái)的自動(dòng)化管理模式，改變目前的工作模式和工作方法，實(shí)現(xiàn)資源的整合與共享、提高運(yùn)行管理能力。同時(shí)以信息手段提高管理水平，加強(qiáng)水環(huán)境檢測(cè)，提高預(yù)防和預(yù)警能力，增強(qiáng)本樞紐對(duì)突發(fā)性災(zāi)害的快速反應(yīng)能力，降低災(zāi)害損失。

下一步可以考慮在此綜合管控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化和擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)智能感知、智能調(diào)度、智能管理、智能決策的智慧水利管控平臺(tái)。還可以通過(guò)流域信息云平臺(tái)，建立流域聯(lián)動(dòng)運(yùn)行機(jī)制，從而提高流域管理水平。

本文給出水利樞紐智能化實(shí)踐研究總體概況，后續(xù)研究將介紹如何通過(guò)佛山市沙口水利樞紐各系統(tǒng)的信息集成，實(shí)現(xiàn)綜合信息智能化管理。

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【責(zé)任編輯：任小平renxp90@163.com】

Research on comprehensive management and control system of Shakou water conservancy hub

PENG Zhi-xin
（Foshan Shakou Water Conservancy Hub，F(xiàn)oshan 528000，China）

Abstract∶By researching the operation and maintenance status of water conservancy engineering controls under the jurisdiction of Foshan Shakou water conservancy hub，analyzing the centralized control and integrated management demand，plan for the construction of water conservancy hub integrated control system is presented. By introducing the design，network structure，general architecture，method of improving the system safety and reliability is feasible，and the technical highlights are used to show the water conservancy hub integrated control system with the advanced technology application，that provides the reference for the water conservancy project information transformation.

Key words∶water conservancy project；automatic control；comprehensive management and control system；water conservancy informatization；wisdom water conservancy

中圖分類號(hào)：TV632

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-0171（2016）03-0030-05

收稿日期：2015-10-13

作者簡(jiǎn)介：彭智欣（1974-），男，廣東佛山人，佛山市沙口水利樞紐站工程師。