丁天沛，別華斌，呂賽賽

（1.浙江臺(tái)州市天臺(tái)縣旅游集團(tuán)，浙江 臺(tái)州 317299；2. 安吉縣老石坎水庫(kù)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(tái)水利風(fēng)景區(qū)位于浙江省天臺(tái)縣，是由黃龍水庫(kù)、原瓊臺(tái)仙谷景區(qū)以及桐柏水庫(kù)等水利工程為基礎(chǔ)綜合整合建設(shè)而成。原調(diào)度系統(tǒng)分別建設(shè)，結(jié)構(gòu)松散；初步整合后的系統(tǒng)功能上也有諸多缺陷；隨著浙江省數(shù)字化改革的提出，如何將原來(lái)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，提升安全管理水平和管理效率，是迫切需要解決的問(wèn)題。

本文旨在通過(guò)數(shù)字化整合建設(shè)設(shè)計(jì)，推動(dòng)大瓊臺(tái)水利風(fēng)景區(qū)管理的現(xiàn)代化，核心設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：物聯(lián)感知、通信網(wǎng)絡(luò)、軟件平臺(tái)升級(jí)等[1]。

2 總體設(shè)計(jì)

總體按信息系統(tǒng)建設(shè)分層架構(gòu)體系設(shè)計(jì)，自下而上分為物聯(lián)感知（新建硬件設(shè)施和已建硬件設(shè)施的集成）、通信網(wǎng)絡(luò)、云端計(jì)算、應(yīng)用場(chǎng)景4大塊。

（1）物聯(lián)感知：通過(guò)傳感器、自動(dòng)化設(shè)施、攝像頭等設(shè)備設(shè)施來(lái)感知景區(qū)和工程的總體態(tài)勢(shì)，為上層軟件提供決策用的數(shù)據(jù)。包括四旋翼無(wú)人機(jī)、智能卡口、泵、閥遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)。

（2）通信網(wǎng)絡(luò)：利用光纖、有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)傳感器、自動(dòng)化設(shè)施、攝像頭等設(shè)備設(shè)施采集數(shù)據(jù)接入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（3）安全等級(jí)保護(hù)：根據(jù)政策要求，在云端開展安全等級(jí)保護(hù)二級(jí)等保測(cè)評(píng)。

（4）應(yīng)用場(chǎng)景：結(jié)合自動(dòng)化設(shè)備管理需求，配合管理軟件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制管理[2]。

3 核心內(nèi)容

3.1 感知升級(jí)設(shè)計(jì)

在原來(lái)的水文、工情、雨情、水位、大壩安全監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)感知體系的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)。

（1）四旋翼無(wú)人機(jī)

基于對(duì)景區(qū)應(yīng)急搜救、安全消防以及直播營(yíng)銷等方面的考慮，需建設(shè)一套無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)配置2臺(tái)大疆四軸航拍無(wú)人機(jī)，定期對(duì)景區(qū)進(jìn)行拍攝或直播，最終通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳至綜合管理系統(tǒng)。該無(wú)人機(jī)在無(wú)干擾、無(wú)遮擋環(huán)境下最遠(yuǎn)遙控距離為7 000 m，最高高度為500 m，續(xù)航時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)25 min（根據(jù)環(huán)境情況不同，實(shí)際數(shù)據(jù)可能會(huì)有差異），遙控器配備6 000 mA·h LiPo 2S電池，充滿后可連續(xù)使用4 h[3]。

（2）智能卡口系統(tǒng)

基于對(duì)景區(qū)重要卡口的安全管理考慮，計(jì)劃在景區(qū)入口處道路建設(shè)一套“機(jī)、非、人”全捕獲記錄的智能卡口系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)過(guò)往車輛以及人員的全面管控。智能卡口系統(tǒng)主要采用嵌入式高清一體化攝像機(jī)（根據(jù)不同的車道覆蓋選擇針對(duì)性的高清攝像機(jī)）設(shè)備進(jìn)行車輛及人員抓拍。通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)使調(diào)度分中心與卡口系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看監(jiān)控內(nèi)容。遠(yuǎn)程指揮景區(qū)車輛進(jìn)出[4]。

該系統(tǒng)包括前端抓拍單元、通信網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度控制中心單元。前端抓拍單元通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度控制中心單元連接，如圖1所示。

圖1 智能卡口系統(tǒng)示意圖

前端抓拍系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)經(jīng)過(guò)的所有車輛的綜合信息進(jìn)行采集，包括車輛特征照片、車牌號(hào)碼與顏色、車身顏色、司乘人員面部特征等。調(diào)度控制單元主要負(fù)責(zé)采集信息的匯總，支持在調(diào)度中心實(shí)時(shí)查詢并實(shí)現(xiàn)車輛布控。通信網(wǎng)絡(luò)由交換機(jī)、光傳輸設(shè)備等設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)前端卡口子系統(tǒng)到后端中心管理平臺(tái)之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

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

識(shí)別的具體步驟分為車牌定位、車牌提取、字符識(shí)別。在自然環(huán)境中，相機(jī)首先對(duì)采集到的視頻圖像進(jìn)行大范圍相關(guān)搜索，找到符合汽車牌照特征的若干區(qū)域作為候選區(qū)，然后對(duì)這些候選區(qū)域做進(jìn)一步分析、評(píng)判，最后選定一個(gè)最佳的區(qū)域作為牌照區(qū)域，并將其從圖像中分割出來(lái)。

完成牌照區(qū)域的定位后，再將牌照區(qū)域分割成單個(gè)字符，然后進(jìn)行識(shí)別，車牌識(shí)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(shù)據(jù)庫(kù)中模板的大小，然后與所有的模板進(jìn)行匹配，最后選最佳匹配作為結(jié)果，通過(guò)這種多次比對(duì)的方式極大地提高了車牌識(shí)別的準(zhǔn)確率。

3.2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)升級(jí)設(shè)計(jì)

大瓊山水利風(fēng)景區(qū)大瀑布原本已建有前池閥門和4臺(tái)潛水泵，目前采用現(xiàn)地控制的方式對(duì)瀑布進(jìn)行調(diào)節(jié)和供流。因現(xiàn)地控制操作不便，導(dǎo)致瀑布水流調(diào)節(jié)效率較低、無(wú)法遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)?，F(xiàn)利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)瀑布前池分流閥和供流水泵進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化改造，布置一套上位機(jī)軟件。同時(shí)，出于安全考慮，采用監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)對(duì)分流閥進(jìn)行監(jiān)控[5]。

該系統(tǒng)通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)使調(diào)度中心與閥、泵連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制瀑布水量、實(shí)時(shí)掌握閥、泵運(yùn)行情況。

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制閥門分流及水泵供流。監(jiān)視各操作及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保障安全運(yùn)行，達(dá)到“無(wú)人值守”。自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）控制應(yīng)用層

控制應(yīng)用層設(shè)于景區(qū)的調(diào)度分中心，負(fù)責(zé)采集和處理來(lái)自現(xiàn)地控制層的數(shù)據(jù)（制作各種運(yùn)行報(bào)表、重要設(shè)備的運(yùn)行檔案、各種運(yùn)行參數(shù)等）、人機(jī)對(duì)話（全站設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視，事故和故障報(bào)警，對(duì)運(yùn)行設(shè)備的人工干預(yù)及監(jiān)控系統(tǒng)各種參數(shù)的修改和設(shè)置等）、與現(xiàn)地控制層和綜合信息管理平臺(tái)的通信[6]。

控制應(yīng)用層設(shè)備有操作員控制工作站、同步時(shí)鐘系統(tǒng)、單向隔離網(wǎng)閘等。操作員工作站設(shè)置在管理中心運(yùn)行人員操作控制臺(tái)上，同管理中心其他子系統(tǒng)協(xié)同工作，完成閥、泵監(jiān)控的調(diào)度任務(wù)。

2）現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層的現(xiàn)地控制單元，應(yīng)能對(duì)所管轄的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行完善的監(jiān)控。它們經(jīng)過(guò)輸入、輸出接口與監(jiān)控過(guò)程相連；通過(guò)通信接口與繼電保護(hù)設(shè)備交換信息，在上位機(jī)畫面上實(shí)時(shí)反映所測(cè)的電氣參數(shù)、閥門的運(yùn)行狀態(tài)及繼電保護(hù)動(dòng)作情況；通過(guò)通信接口與水位計(jì)連接，在上位機(jī)畫面上實(shí)時(shí)反映閥門上下游水位信息；通過(guò)通信接口接到工業(yè)以太網(wǎng)上，與主控層交換信息?，F(xiàn)地控制單元與主控層有相對(duì)獨(dú)立性，它們應(yīng)能脫離主控層獨(dú)立完成監(jiān)控過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及處理，單元設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、調(diào)整和控制等功能。

3）網(wǎng)絡(luò)通信層

閥門、水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采用租用運(yùn)營(yíng)商VPN網(wǎng)絡(luò)，調(diào)度中心通過(guò)VPN網(wǎng)絡(luò)將調(diào)度中心與現(xiàn)地相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程啟閉。

（2）系統(tǒng)功能

閥、泵自動(dòng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要功能如下：

1）模擬量數(shù)據(jù)的采集與處理

對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行周期采集，越限報(bào)警等，最后經(jīng)格式化處理后形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

主要的模擬量為泵組電量參數(shù)等。

2）開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集與處理

①對(duì)事故信號(hào)、斷路器分、合及重要繼電保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)等開關(guān)量信號(hào)，系統(tǒng)以中斷方式迅速響應(yīng)這些信號(hào)并做出一系列必要的反應(yīng)及自動(dòng)操作。

②對(duì)各類故障信號(hào)、隔離開關(guān)的位置信號(hào)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，手動(dòng)自動(dòng)方式選擇的位置信號(hào)等以定期掃查方式接收，最后經(jīng)格式化處理后存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）開關(guān)量輸出

特指各類操作指令。計(jì)算機(jī)在輸出這些信號(hào)前進(jìn)行校驗(yàn)，經(jīng)系統(tǒng)判斷無(wú)誤后方可送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為保證信號(hào)的電氣獨(dú)立性及準(zhǔn)確性，開關(guān)輸出信號(hào)也經(jīng)光電隔離，接點(diǎn)防抖動(dòng)處理后發(fā)出。

4）信號(hào)量值及狀態(tài)設(shè)定

由于設(shè)備原因而造成的信號(hào)出錯(cuò)以及在必要時(shí)要進(jìn)行人工設(shè)定值分析處理的信號(hào)量，系統(tǒng)允許運(yùn)行值班人員和系統(tǒng)操作人員對(duì)其進(jìn)行人工設(shè)定，并在處理時(shí)把它們與正常采集的信號(hào)等同對(duì)待，系統(tǒng)可以區(qū)分它們并給出相應(yīng)標(biāo)志。

5）運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視

系統(tǒng)可以使運(yùn)行人員通過(guò)顯示器對(duì)閥門、泵站主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。所有要進(jìn)行監(jiān)視的內(nèi)容包括當(dāng)前各設(shè)備的運(yùn)行及停運(yùn)情況，并對(duì)各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

6）參數(shù)越限報(bào)警記錄

系統(tǒng)將對(duì)某些參數(shù)以及計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視。對(duì)這些參數(shù)量值可預(yù)先設(shè)定其限制范圍，當(dāng)其超出設(shè)定范圍時(shí)，啟動(dòng)相關(guān)量分析功能，作故障原因提示。

7）故障狀態(tài)顯示記錄

系統(tǒng)定時(shí)掃查各故障狀態(tài)信號(hào)，一旦發(fā)生狀態(tài)變化將在顯示器上即時(shí)顯示出來(lái)，同時(shí)記錄故障及其發(fā)生時(shí)間，并用語(yǔ)音報(bào)警，系統(tǒng)對(duì)故障狀態(tài)信號(hào)的查詢周期不超過(guò)2 s。

8）控制與調(diào)節(jié)

運(yùn)行人員在控制室計(jì)算機(jī)上調(diào)出所需操作站點(diǎn)的相關(guān)操作界面后，通過(guò)操作鍵盤或鼠標(biāo)，就可以對(duì)需要控制的電氣設(shè)備發(fā)出各種控制操作命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變位控制。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)提供必要的操作步驟和足夠的監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)目前已完成建設(shè)，包括景區(qū)內(nèi)共約90路攝像頭的整體安裝、視頻上云等。

目前景區(qū)內(nèi)一共有2塊LED大屏，分別在李白廣場(chǎng)及瓊臺(tái)仙谷入口處，兩塊LED屏不在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，其中，李白廣場(chǎng)的LED屏已通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)接入管理中心。為了實(shí)現(xiàn)集中管理，需要對(duì)瓊臺(tái)仙谷的LED大屏進(jìn)行集成。

目前瓊臺(tái)仙谷的LED大屏采用插U盤的方式進(jìn)行顯示，包括圖片展示、文字顯示和視頻播放等功能。為了實(shí)現(xiàn)LED屏的遠(yuǎn)程控制，給LED屏增加一套無(wú)線網(wǎng)路通信模塊，配置4G網(wǎng)絡(luò)卡，實(shí)現(xiàn)在管理中心的遠(yuǎn)程控制。

3.4 通信網(wǎng)絡(luò)

本設(shè)計(jì)主要包含以下幾部分通信網(wǎng)絡(luò)：

（1）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

無(wú)人機(jī)采用4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)直播，數(shù)據(jù)上報(bào)等功能。瓊臺(tái)仙谷入口的LED大屏通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)管理中心對(duì)其遠(yuǎn)程控制。

（2）光纖局域網(wǎng)絡(luò)

智能卡口系統(tǒng)、閥泵自動(dòng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的集成都采用光纖局域網(wǎng)絡(luò)。

（3）VPN專線網(wǎng)絡(luò)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用200 M VPN專線網(wǎng)絡(luò)從運(yùn)營(yíng)商機(jī)房匯聚到大瀑布管理中心，當(dāng)前視頻點(diǎn)位約為90處，單個(gè)視頻需要至少2 M的帶寬。

（4）固定IP網(wǎng)絡(luò)

固定IP網(wǎng)絡(luò)主要用于日常辦公及網(wǎng)絡(luò)視頻查看。整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.5 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)用戶、部門的數(shù)據(jù)錄入情況、數(shù)據(jù)的有效率、用戶的在線率、系統(tǒng)功能的使用情況、高頻功能、高頻搜索詞、其他行為日志等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)與內(nèi)核通信和訪問(wèn)接收基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、設(shè)備監(jiān)控、告警管理、數(shù)據(jù)分析等功能，并利用Web GIS技術(shù)進(jìn)行交互和展示，使用戶方便直觀地獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和人員的訪問(wèn)情況，以利于對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)感控前端設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、健康檢查的智能化。

（1）設(shè)備管理：實(shí)現(xiàn)設(shè)備的增刪改，參數(shù)配置與查看等功能。

（2）設(shè)備監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括電壓、電流、信號(hào)強(qiáng)度等，以及數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

（3）告警管理：對(duì)設(shè)備異常產(chǎn)生的告警進(jìn)行提醒、查看、管理。

（4）數(shù)據(jù)分析：對(duì)設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)以及采集數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史分析。

（5）信息下發(fā)：通過(guò)調(diào)用預(yù)警信息系統(tǒng)，將運(yùn)維告警信息下發(fā)至具體運(yùn)維責(zé)任人。

（6）績(jī)效管理：根據(jù)人員的訪問(wèn)量、登錄量、巡查情況形成績(jī)效考核排名，統(tǒng)計(jì)人員、部門的考核情況。

4 網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)

為了滿足系統(tǒng)的安全要求，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，建立主動(dòng)、開放、有效的系統(tǒng)安全體系，以預(yù)防為主，并加強(qiáng)系統(tǒng)的恢復(fù)功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全狀況可知、可控和可管理，形成集防護(hù)、檢測(cè)、響應(yīng)、恢復(fù)于一體的安全防護(hù)系統(tǒng)。對(duì)平臺(tái)及政務(wù)云環(huán)境進(jìn)行二級(jí)等保測(cè)評(píng)等安全檢測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本次設(shè)計(jì)與實(shí)踐分析，主要有這幾方面的創(chuàng)新亮點(diǎn)：

（1）提升資源監(jiān)管能力

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，面向資源監(jiān)管需求。建立天臺(tái)桐柏水電事務(wù)中心區(qū)域范圍內(nèi)全覆蓋監(jiān)管體系。讓一切現(xiàn)有與在建資源可看、可查、可調(diào)度，全面提升桐柏水電事務(wù)中心的監(jiān)管能力。信息資源包括：位置信息：水庫(kù)、電站、車輛、船舶、倉(cāng)庫(kù)等位置，人員分布、庫(kù)區(qū)違法點(diǎn)、景區(qū)人流密集點(diǎn)等等；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)：車流、人流、水流、水位、閘門、臺(tái)風(fēng)、視頻、發(fā)電量、瀑布用水量等實(shí)時(shí)信息；行為信息：水位超汛限、設(shè)備故障、攝像頭掉線、人流超限、車流超限等等；數(shù)據(jù)信息：洪水預(yù)報(bào)信息、水資源調(diào)度信息、今日景區(qū)人流總數(shù)、天氣預(yù)報(bào)、用水量總覽等等。

（2）提升資源調(diào)度能力

面向調(diào)度指揮中心與現(xiàn)場(chǎng)工作人員的調(diào)度需求，形成人員與人員、人員與資源設(shè)備之間的網(wǎng)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(wù)中心的資源調(diào)度能力，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)度一切可調(diào)度資源。

（3）提升資源控制能力

借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等最新技術(shù)，整合現(xiàn)有設(shè)備資源，通過(guò)遠(yuǎn)程控制等方式，對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，包括對(duì)設(shè)備控制啟閉、對(duì)攝像頭控制轉(zhuǎn)動(dòng)、對(duì)語(yǔ)音柱播放切換、對(duì)景區(qū)人流、車流限制釋放、對(duì)戶外LED屏幕文字調(diào)整等。