王 普

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 概述

二龍山水庫(kù)工程位于秦嶺南麓長(zhǎng)江二級(jí)支流的丹江上游，距商洛市區(qū)4 km，是一座以防洪、發(fā)電、灌溉、城區(qū)供水等綜合效益為一體具有年調(diào)節(jié)能力的中型水庫(kù)工程。水庫(kù)總庫(kù)容8100 萬(wàn)m3，有效庫(kù)容5700 萬(wàn)m3，控制流域面積965 km2。

二龍山水庫(kù)智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)主要包括閘門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)、水情自動(dòng)測(cè)報(bào)子系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測(cè)子、視頻監(jiān)視、通信子、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及支撐平臺(tái)、應(yīng)用軟件、實(shí)體環(huán)境建設(shè)等。

2 閘門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

2.1 概述

閘門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是在充分考慮啟閉操作的安全性和可靠性的前提下，利用工業(yè)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)信息實(shí)時(shí)采集、閘門(mén)遠(yuǎn)程精確啟閉。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的遠(yuǎn)程控制，并將啟閉設(shè)備的電壓、電流、啟閉信號(hào)以及開(kāi)度等重要數(shù)據(jù)上傳到水庫(kù)管理處數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)數(shù)據(jù)的集中顯示、分析、記錄及越限報(bào)警。

2.2 監(jiān)控對(duì)象

閘門(mén)監(jiān)控點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 閘門(mén)監(jiān)控點(diǎn)布置表

2.3 系統(tǒng)功能

（1）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集：自動(dòng)采集閘門(mén)開(kāi)度、啟閉機(jī)限位狀態(tài)、供電系統(tǒng)的電壓及工作電流、消耗的能量，并能根據(jù)水位計(jì)算出流量；

（2）閘門(mén)啟閉控制：可實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的定閘位控制、全開(kāi)、全關(guān)、上升、下降、停止；（3）急?？刂疲喝粲龅骄o急、意外情況，能夠?qū)嵤┘蓖？刂?；?）工作方式切換控制：通過(guò)硬件動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制、手動(dòng)操作及鎖定操作等多種控制方式；

（5）故障保護(hù)：在閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)立即報(bào)警，并根據(jù)需要和實(shí)際情況自動(dòng)終止當(dāng)前的閘門(mén)運(yùn)行操作。

2.4 監(jiān)控方案

通過(guò)設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)閘室的交換機(jī)將各閘門(mén)控制PLC 信號(hào)匯聚，通過(guò)光纜傳輸至水庫(kù)管理處，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的遠(yuǎn)程控制。

3 水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)

3.1 概述

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)水庫(kù)智能監(jiān)控調(diào)度的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響水庫(kù)防洪調(diào)度方案。

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是根據(jù)遙測(cè)水位雨量站采集的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合氣象信息，利用適用于二龍山水庫(kù)的預(yù)報(bào)模型，給出水庫(kù)不同目標(biāo)的預(yù)報(bào)入庫(kù)洪水過(guò)程線(xiàn)，為水庫(kù)洪水調(diào)度，水資源利用提供可靠的依據(jù)。二龍山水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)模型采用降雨徑流預(yù)報(bào)模型。

3.2 站網(wǎng)布設(shè)

二龍山水庫(kù)水情站網(wǎng)布設(shè)情況見(jiàn)表2。

3.3 系統(tǒng)組網(wǎng)

系統(tǒng)組網(wǎng)見(jiàn)圖1。

表2 二龍山水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)站點(diǎn)分布表

圖1 二龍山水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)組網(wǎng)圖

4 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也是智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)的一個(gè)重要內(nèi)容，主要是監(jiān)測(cè)大壩運(yùn)行狀況。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為：環(huán)境量（上、下游水位、氣溫、氣壓及降水量），變形（壩體表面位移、內(nèi)部位移、裂縫、壩基位移），滲流（揚(yáng)壓力、滲漏量、繞壩滲流、水質(zhì)監(jiān)測(cè)），巡視檢查（壩體，壩基、壩肩及近壩庫(kù)岸）等。大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、前端數(shù)據(jù)采集單元MCU、監(jiān)控軟件、中心數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)組成。大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在左壩肩管理房匯聚后傳輸至二龍山水庫(kù)管理處進(jìn)行系統(tǒng)集成，接入二龍山水庫(kù)智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)。

5 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

5.1 概述

視頻監(jiān)視系統(tǒng)作為智能化監(jiān)控調(diào)度的一個(gè)輔助子系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)水庫(kù)自動(dòng)化運(yùn)行，無(wú)人值班，少人值守的必要技術(shù)手段。在左岸泄洪底孔放水塔、右岸泄洪底孔放水塔、發(fā)電輸水洞放水塔、大壩壩頂、水庫(kù)管理處等處共布設(shè)智能網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)15臺(tái)，對(duì)水庫(kù)樞紐主要工程建筑物進(jìn)行全天24 小時(shí)不間斷監(jiān)視，并在水庫(kù)管理處配置視頻存儲(chǔ)服務(wù)器及視頻工作站，視頻存儲(chǔ)服務(wù)器按照15 d 存儲(chǔ)容量設(shè)計(jì)，大小為24 t。

5.2 點(diǎn)位布置

在二龍山水庫(kù)共設(shè)置15 處視頻監(jiān)視點(diǎn)，見(jiàn)表3。

表3 視頻監(jiān)視點(diǎn)布置表

6 通信系統(tǒng)

通信主要解決閘門(mén)遠(yuǎn)程控制、水情自動(dòng)測(cè)報(bào)、大壩安全監(jiān)測(cè)及視頻監(jiān)視的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)通信主要包含壩頂閘室、安全監(jiān)測(cè)室、壩頂至左壩肩管理房的通信，水文遙測(cè)站點(diǎn)至水庫(kù)管理處的通信，左壩肩管理房至水庫(kù)管理處的通信。管理房至二龍山水庫(kù)管理處自建光纜，自建光纜沿庫(kù)區(qū)道路地埋敷設(shè)，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)方式。在左岸泄洪底孔放水塔、右岸泄洪底孔放水塔、發(fā)電輸水洞放水塔各配置2臺(tái)導(dǎo)軌式工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，1 臺(tái)用于閘門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，1 臺(tái)用于視頻監(jiān)視系統(tǒng)。3 處現(xiàn)地閘室交換機(jī)通過(guò)光纜將信號(hào)匯總至左壩肩管理房匯聚交換機(jī)，再通過(guò)自建光纜傳輸至管理處核心交換機(jī)，視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用獨(dú)立的交換機(jī)，與其他系統(tǒng)共用光纜。

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)因水文站點(diǎn)分布較遠(yuǎn)且較分散，故考慮采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有衛(wèi)星通信、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋通信、4G 通信等，衛(wèi)星通信及4G 通信都屬于公網(wǎng)通信，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋通信屬于自建通信，考慮到站點(diǎn)分布較遠(yuǎn)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋通信需自建多個(gè)中繼站，成本較大，衛(wèi)星通信相比較4G 通信成本較大，因本工程所在區(qū)域中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通等幾大運(yùn)營(yíng)商均有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，且信號(hào)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，故采用4G通信來(lái)滿(mǎn)足水文遙測(cè)站點(diǎn)至水庫(kù)管理處監(jiān)控調(diào)度中心的通信。

7 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是智能監(jiān)控調(diào)度的載體。通過(guò)建設(shè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，高速獲取和處理實(shí)時(shí)監(jiān)控業(yè)務(wù)（水情、工情、語(yǔ)音、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等）與非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足管理調(diào)度需求。同時(shí)，建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理體系，保證整個(gè)信息系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，確保信息共享的高效。建設(shè)主動(dòng)、開(kāi)放、有效的系統(tǒng)安全體系，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全狀況可知、可控和可管理，形成集防護(hù)、監(jiān)測(cè)、響應(yīng)、恢復(fù)于一體的安全防護(hù)體系。

二龍山水庫(kù)智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)與業(yè)務(wù)外網(wǎng)兩張物理網(wǎng)絡(luò)。業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)與業(yè)務(wù)外網(wǎng)之間采用網(wǎng)閘隔離。

業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)：為遠(yuǎn)程閘閥監(jiān)控等控制系統(tǒng)信息及各業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)承載服務(wù)，負(fù)責(zé)各個(gè)現(xiàn)地閘閥的控制及閘閥控制信息的傳輸，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)水量調(diào)度管理及視頻監(jiān)視、工程安全監(jiān)測(cè)與管理、水情測(cè)報(bào)等功能，其數(shù)據(jù)種類(lèi)較多、數(shù)據(jù)量大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和抖動(dòng)要求較高，需要確保數(shù)據(jù)安全可靠、低時(shí)延傳輸。

業(yè)務(wù)外網(wǎng)：Internet 服務(wù)，為管理處提供外部Internet 接入服務(wù)。系統(tǒng)可在對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)科學(xué)高效管理的基礎(chǔ)上，同時(shí)對(duì)外提供信息服務(wù)平臺(tái)。

二龍山水庫(kù)智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

8 系統(tǒng)支撐平臺(tái)及應(yīng)用軟件

8.1 應(yīng)用支撐平臺(tái)

應(yīng)用支撐平臺(tái)采用松耦合，易擴(kuò)展的設(shè)計(jì)思路，以基于SOA 面向服務(wù)架構(gòu)和企業(yè)服務(wù)總線(xiàn)的體系架構(gòu)建設(shè)應(yīng)用支撐平臺(tái)，選配支撐平臺(tái)建設(shè)需要的應(yīng)用服務(wù)器、通用中間件等商用軟件。以統(tǒng)一架構(gòu)、統(tǒng)一平臺(tái)、統(tǒng)一門(mén)戶(hù)為原則建設(shè)集中部署分散應(yīng)用。充分利用服務(wù)松耦合的軟件模式以及各種主流的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。服務(wù)接口采用了通用的Web 服務(wù)和XML 標(biāo)準(zhǔn)，可以用一個(gè)服務(wù)替換另一個(gè)服務(wù)而無(wú)須關(guān)心其底層的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和服務(wù)的位置。

8.2 應(yīng)用軟件

8.2.1 信息動(dòng)態(tài)監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)

信息動(dòng)態(tài)監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)由采集監(jiān)測(cè)、預(yù)警分析、數(shù)據(jù)管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、查詢(xún)顯示、系統(tǒng)管理、三維展示等組成。

8.2.2 水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)

軟件部分包括水情數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)接收軟件以及水情管理查詢(xún)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

（1）水情數(shù)據(jù)庫(kù)

雨量遙測(cè)站和自記水位站實(shí)時(shí)采集的雨量和水位信息傳輸至中心站，處理后進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)各類(lèi)數(shù)據(jù)表中，以便根據(jù)需要檢索和查詢(xún)。

在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)共建設(shè)實(shí)時(shí)水情表、實(shí)時(shí)降水量表、日降水量表、洪水預(yù)報(bào)表、洪水要素摘錄表、降水摘錄表、預(yù)報(bào)模型參數(shù)表、洪水特征值表、雨量站表等數(shù)據(jù)雨水情及其他信息存儲(chǔ)表。

（2）數(shù)據(jù)接收軟件

水情數(shù)據(jù)接收處理軟件主要是對(duì)來(lái)自各個(gè)遙測(cè)站的原始數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行接收、歸類(lèi)、轉(zhuǎn)換、糾錯(cuò)、入庫(kù)等操作，負(fù)責(zé)各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)建立、編輯、維護(hù)，為其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口。

（3）水情管理查詢(xún)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

水情管理查詢(xún)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是水情自動(dòng)測(cè)報(bào)的核心，該系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)采集的實(shí)時(shí)雨情、水情、工情等資料，結(jié)合歷史水文數(shù)據(jù)，對(duì)本工程未來(lái)將發(fā)生的洪水做出洪水總量、洪峰發(fā)生時(shí)間、洪水發(fā)生過(guò)程等情況的預(yù)測(cè)，并通過(guò)采用水文學(xué)、水力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)有機(jī)結(jié)合，建立洪水預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)的動(dòng)態(tài)仿真，快速、準(zhǔn)確地為工程調(diào)度決策提供依據(jù)，系統(tǒng)同時(shí)滿(mǎn)足水情信息的查詢(xún)發(fā)布、日常管理等功能。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、洪水預(yù)報(bào)模塊、水情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、歷史洪水模擬模塊、洪水動(dòng)態(tài)模擬仿真模塊、洪水預(yù)報(bào)信息發(fā)布查詢(xún)模塊、系統(tǒng)日常管理模塊等部分組成。

8.2.3 閘門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

1）閘門(mén)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控

a.數(shù)據(jù)采集：從設(shè)備控制層實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)信息及設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和各種狀態(tài)參數(shù)。運(yùn)行參數(shù)包括電量參數(shù)和非電量參數(shù)。主要包括電流、電壓、閘門(mén)開(kāi)度等，設(shè)備狀態(tài)參數(shù)包括開(kāi)、停、運(yùn)行、故障狀態(tài)。

b.流程畫(huà)面：可顯示控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)總貌，多層次顯示每個(gè)系統(tǒng)單元、每個(gè)設(shè)備、單個(gè)調(diào)節(jié)回路、順序控制回路、通信狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

c.工況狀態(tài)：通過(guò)數(shù)字、指示燈、圖形等形式實(shí)時(shí)顯示每個(gè)工藝設(shè)備工況狀態(tài)，并將相關(guān)工況狀態(tài)顯示在一起，便于生產(chǎn)操作、維護(hù)和管理。

d.指令確認(rèn)：對(duì)現(xiàn)地控制主單元發(fā)送控制指令后，在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)等待控制主單元反饋回來(lái)的確認(rèn)信號(hào)，如果等待的時(shí)間超出設(shè)定的時(shí)間段后仍接收不到確認(rèn)信號(hào)，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示操作人員及時(shí)采取措施排除故障。

2）故障實(shí)時(shí)報(bào)警

對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行限值檢查，發(fā)現(xiàn)超出限定范圍，實(shí)時(shí)以不同顏色燈閃爍、語(yǔ)音提示以及報(bào)警窗口畫(huà)面等形式顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通訊報(bào)警信息。

8.2.4 水庫(kù)防洪調(diào)度決策系統(tǒng)

水庫(kù)防洪調(diào)度決策系統(tǒng)是智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)在二龍山水庫(kù)應(yīng)用的核心。水庫(kù)防洪調(diào)度決策系統(tǒng)是依據(jù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)預(yù)報(bào)成果，采用調(diào)洪極值解法、多目標(biāo)模糊優(yōu)選決策模型、人機(jī)交互決策方法，面向?qū)ο蠹夹g(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等技術(shù)與方法，自動(dòng)生成調(diào)度預(yù)案，以人機(jī)交互方式制定實(shí)時(shí)調(diào)度方案，進(jìn)行方案仿真、評(píng)價(jià)和優(yōu)選，并且具有汛情分析、洪災(zāi)預(yù)測(cè)、信息查詢(xún)等功能。

1）業(yè)務(wù)分析

由于洪水的突發(fā)性、歷史洪水的不重復(fù)性和復(fù)雜的社會(huì)政治經(jīng)濟(jì)等條件，應(yīng)能按決策者的意圖，迅速、靈活、智能地制訂出各種可行方案和應(yīng)急措施，使決策者能有效地應(yīng)用歷史經(jīng)驗(yàn)減少風(fēng)險(xiǎn)，選出滿(mǎn)意方案并組織實(shí)施，以達(dá)到在保證工程安全的前提下，充分發(fā)揮防洪工程效益，盡可能減少洪災(zāi)損失。水庫(kù)防洪調(diào)度決策系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程見(jiàn)圖3。

2）功能設(shè)計(jì)

水庫(kù)防洪調(diào)度決策系統(tǒng)主要由防洪形勢(shì)分析、調(diào)度方案制定、調(diào)度方案仿真、調(diào)度方案評(píng)價(jià)、調(diào)度成果管理、系統(tǒng)管理等功能模塊組成，組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖3 水庫(kù)防洪調(diào)度決策系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

8.2.5 綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)

綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)是一個(gè)覆蓋工程各級(jí)管理機(jī)構(gòu)的一體化綜合辦公體系。其充分運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，圍繞各管理機(jī)構(gòu)實(shí)際辦公需要，整合、規(guī)范現(xiàn)行業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)各部門(mén)間辦公信息互聯(lián)互通、資源共享、協(xié)同辦公，全面提高工作效率。

9 智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)實(shí)體環(huán)境建設(shè)

圖4 水庫(kù)防洪調(diào)度決策系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)實(shí)體環(huán)境建設(shè)主要包括監(jiān)控調(diào)度中心大廳和機(jī)房建設(shè)，大屏幕、綜合布線(xiàn)、不間斷供電、防雷接地等基礎(chǔ)設(shè)施，監(jiān)控調(diào)度中心位于水庫(kù)壩后左岸的水庫(kù)管理處。根據(jù)本系統(tǒng)規(guī)模，監(jiān)控調(diào)度中心設(shè)備所占空間大小，初步確定監(jiān)控調(diào)度中心大廳面積60 m2，機(jī)房面積20 m2，為滿(mǎn)足工程運(yùn)行管理的需要，在管理處監(jiān)控調(diào)度中心建設(shè)LED 小間距大屏顯示系統(tǒng)，大屏顯示系統(tǒng)屏幕采用P1.5 產(chǎn)品，像素間距為1.5 mm，顯示屏尺寸為3.60 m×2.025 m，分辨率為3360×1890。

10 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)果，結(jié)合大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，視頻監(jiān)視系統(tǒng)等。通過(guò)軟件自動(dòng)分析計(jì)算，進(jìn)而控制閘門(mén)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)智能化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用。