張友明，談 震，簡 丹，王海偉

（1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤 223100；2.南京南瑞集團公司，江蘇 南京 211006）

洪澤湖管理處水利綜合管控系統(tǒng)建設方案研究

張友明1，談 震2，簡 丹1，王海偉1

（1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤 223100；
2.南京南瑞集團公司，江蘇 南京 211006）

通過對洪澤湖管理處所轄水利工程當前自動控制系統(tǒng)建設運行現(xiàn)狀的調研及集中控制需求等方面的分析，提出水利工程綜合管控系統(tǒng)的建設方案，從設計思路、網絡結構、總體架構等方面進行詳細闡述，在此基礎上分析綜合管控系統(tǒng)與傳統(tǒng)集中控制系統(tǒng)的不同，綜合管控系統(tǒng)的優(yōu)勢，對水利工程管理單位集中控制系統(tǒng)的方案設計具有一定的參考作用。

水利工程；集中控制系統(tǒng)；綜合管控系統(tǒng)；洪澤湖；水利信息化

0 引言

江蘇省洪澤湖水利工程管理處（以下簡稱洪澤湖管理處），隸屬于江蘇省水利廳，負責管理三河閘、三河船閘、洪澤湖大堤、石港泵站等 8 座大中型水利工程，協(xié)助做好洪澤湖的保護、開發(fā)、利用和管理工作，承擔淮河下游聯(lián)防指揮部辦公室的職責。洪澤湖管理處下設 4 個管理所，具體負責所管水利工程管理工作。

洪澤湖管理處水利工程數(shù)量不多，但種類齊全，且多為流域骨干水利工程，地位十分重要。其中三河閘為淮河入江水道控制口門，設計流量12 000 m3/s，為大（1）型水閘；洪澤湖大堤為千年古堰，1 級堤防；石港泵站為寶應湖地區(qū)主要排澇泵站，2013 年 11 月起拆除重建，排澇規(guī)模 90 m3/s，為大（2）型泵站。

為進一步提高自動化管理水平，充分發(fā)揮工程效益，根據現(xiàn)代化規(guī)劃部署[1-2]，借鑒類似管理單位的建設經驗[3]，在原有自動監(jiān)控系統(tǒng)基礎上，研究建設洪澤湖管理處水利工程綜合管控系統(tǒng)（以下簡稱綜合管控系統(tǒng)），建成管理處級水利信息中心，實現(xiàn)全處水利工程的集中管理、監(jiān)控，提高工程安全高效運行水平。

1 原有自動控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 自動控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

三河船閘工程自動控制及視頻監(jiān)視系統(tǒng) 2007 年建成；三河閘自動控制和視頻監(jiān)視系統(tǒng) 2002 年建成，2014 年 5 月完成升級改造；石港泵站自動控制及視頻監(jiān)視系統(tǒng)將于 2015 年建成；洪澤湖大堤安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，包含大堤滲流自動監(jiān)測和重點區(qū)域視頻監(jiān)視系統(tǒng)，2014 年 5 月建成。目前已建成覆蓋石港站、三河閘（上下游水位、雨量）、蔣壩 5 個點的水情遙測系統(tǒng)。

1.2 自動控制運行現(xiàn)狀

日前已建成的各自動控制子系統(tǒng)運行穩(wěn)定，但存在以下缺陷：

1）缺少信息系統(tǒng)的頂層設計，管理處沒有建成集中控制系統(tǒng)，只能通過訪問各獨立子系統(tǒng)數(shù)據庫了解實時水情、三河閘視頻信息；

2）未建成統(tǒng)一的數(shù)據共享、管理、展示平臺；

3）在三河閘、三河船閘下游水位變化較大時缺乏自動預警手段。

2 綜合管控系統(tǒng)建設方案

2.1 綜合管控系統(tǒng)設計

在保證現(xiàn)地層系統(tǒng)功能和數(shù)據能獨立使用的前提下，以工程調度業(yè)務的工作流程為主線，通過數(shù)學模型、虛擬仿真、自動控制、地理信息系統(tǒng)等技術手段，在調度信息中心層對系統(tǒng)進行整合，建立一個適應洪澤湖管理處工程特點的，涵蓋信息采集、傳輸、處理、存儲、管理、服務、應用、決策支持和遠程監(jiān)控等流程的綜合管控系統(tǒng)，及時準確地對管理范圍內的水情、水量、圖像、視頻、工情等信息進行自動化匯集存儲，共享分發(fā)，預測預警和決策支持，實現(xiàn)對水利工程遠程集中監(jiān)控、實時監(jiān)測和管理，逐步達到“采集自動化、傳輸網絡化、集成標準化、管控一體化、決策智能化”的目標，全面提高工程管理各項業(yè)務的處理能力。

2.2 綜合管控系統(tǒng)網絡結構

為體現(xiàn)管理單位的組織機構和調度控制特點，采用分層分區(qū)網絡結構，總體網絡結構如圖1 所示。

1）分層（縱向）?？紤]到洪澤湖管理處和管理所在調度、計算機控制、工程管理、工程運行等方面各自不同的應用需求，分為以下 2 層：第 1 層為洪澤湖管理處調度層，部署綜合監(jiān)控、防汛應急、會商支持、公眾服務等功能；第 2 層為管理所層，布設閘泵站現(xiàn)地監(jiān)控、視頻監(jiān)視、水情測報、大堤安全監(jiān)測等現(xiàn)地自動化系統(tǒng)。

2）分區(qū)（橫向）。分為生產控制區(qū)（內網）、辦公信息區(qū)（外網）。生產控制區(qū)（內網），用于支撐計算機監(jiān)控系統(tǒng)、水情測報、工程安全監(jiān)測等不同業(yè)務；辦公信息區(qū)（外網），用于支撐視頻監(jiān)視、綜合信息發(fā)布服務（水工情 GIS 查詢、移動業(yè)務應用等）、管理處和管理所兩級的辦公自動化業(yè)務和對外信息發(fā)布的門戶。生產控制區(qū)與管理區(qū)通過網閘或防火墻等安全設備進行邏輯隔離，保證生產控制區(qū)信息的安全。

圖1 系統(tǒng)總體網絡結構

2.3 綜合管控系統(tǒng)總體架構

建設統(tǒng)一的數(shù)據中心和水利綜合管控系統(tǒng)，實現(xiàn)工程自動監(jiān)控、視頻監(jiān)視、水情測報、工程安全監(jiān)測等系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據的統(tǒng)一采集與交互，實現(xiàn)各業(yè)務數(shù)據的統(tǒng)一存儲、備份與維護管理；建立一體化的軟件平臺，包括應用支撐平臺、統(tǒng)一的數(shù)據資源管理平臺、數(shù)據采集與交互平臺，并實現(xiàn)在一個平臺上多種業(yè)務的統(tǒng)一應用[4]，總體架構如圖2 所示。

數(shù)據采集與交互平臺實現(xiàn)全線現(xiàn)場各類專業(yè)數(shù)據的采集處理與信息下發(fā)，實現(xiàn)與其它外部系統(tǒng)的通信與數(shù)據交換，包括采集閘站設備運行狀態(tài)、水情、安全監(jiān)測等數(shù)據，并按統(tǒng)一數(shù)據資源管理平臺接口要求寫入數(shù)據資源管理平臺；數(shù)據通信與采集系統(tǒng)提供可配置的、透明的、統(tǒng)一的、滿足安全要求的各類通信接口，支持與各類計算機監(jiān)控、水情采集、工程安全監(jiān)測等系統(tǒng)的通信接入。

數(shù)據資源管理平臺針對工程各業(yè)務工作流程的特點，建立統(tǒng)一的數(shù)據模型，通過采用成熟的數(shù)據庫、數(shù)據存儲和處理等技術，建立分布式網絡存儲管理體系，滿足海量數(shù)據的存儲管理要求，通過采用備份等容災技術，保證數(shù)據的安全性，整合系統(tǒng)資源，保證數(shù)據的一致性和完整性，并形成統(tǒng)一的數(shù)據存儲與交換和數(shù)據共享訪問機制，為一體化應用平臺建設及閘站監(jiān)控、水情水調、安全監(jiān)測等應用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據支撐。

應用支撐平臺為各類業(yè)務應用提供一體化的支撐平臺，主要包括數(shù)據處理、權限管理、數(shù)據查詢、報表、圖形框架、綜合報警、綜合展示、數(shù)據通訊、控制服務等功能。采用面向服務（SOA）的組件模型架構，具備通信消息基于平臺的發(fā)布機制。

多業(yè)務統(tǒng)一應用平臺充分結合空間數(shù)據庫引擎、組件式 GIS、VR（虛擬現(xiàn)實）三維 GIS 和 Web GIS 等 GIS 新技術[5]，深入研究和理解各物理量變化關系、與時空要素的關系，輔助解決各類復雜問題。側重于展示和管理與地理位置相關的各類數(shù)據信息，深入研究生產管理中的業(yè)務特點和流程，使數(shù)據的展示和管理符合實際需求，提供多種繪制樣式，能夠對數(shù)據的大小、狀態(tài)、變化過程等情況進行展示。用戶可以結合底層疊加的影像和矢量數(shù)據，對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)、相互關系等有全面和清晰直觀的認識。

圖2 系統(tǒng)總體架構

3 傳統(tǒng)集中控制架構的不足

以往洪澤湖水利信息化建設中通常采用傳統(tǒng)集中控制的方式架構，由多個功能單一的信息化子系統(tǒng)集成而成，如泵閘站測控、工程安全監(jiān)測、雨水情測報、水質監(jiān)測、視頻監(jiān)視等子系統(tǒng)。這樣的架構往往存在以下問題：

1）各系統(tǒng)相互獨立，無統(tǒng)一的數(shù)據中心，只能通過通信方式實現(xiàn)數(shù)據交換。由于各子系統(tǒng)功能相互獨立，還處在只實現(xiàn)各子系統(tǒng)基本功能的狀況，系統(tǒng)之間的數(shù)據無法得到有效交互、共享，信息孤島現(xiàn)象普遍，不利于信息與應用的交互，不能實現(xiàn)水利工程的整體聯(lián)合調度和經濟運行及工程安全分析評估。

2）由于各子系統(tǒng)生產廠家不完全相同，采用的硬件及軟件平臺不同，導致目前的水利工程綜合信息化系統(tǒng)存在構成復雜、資源配置冗余、子系統(tǒng)數(shù)據接口不統(tǒng)一、數(shù)據無法直接共享、運行管理不便及后期管理維護費用高、決策難度大等問題。

3）各子系統(tǒng)分散建設，網絡需求不一，無法統(tǒng)籌設計網絡，增減業(yè)務應用后內外網、控制管理區(qū)混亂使用，增加了病毒風險。

這些問題阻礙了洪澤湖水利工程信息化綜合水平的提高，不利于水利工程運行管理、安全水平及工程效益的進一步提高。洪澤湖綜合管控系統(tǒng)與傳統(tǒng)架構對比如圖3 所示。

圖3 管控系統(tǒng)與傳統(tǒng)架構對比

4 綜合管控系統(tǒng)的優(yōu)勢

洪澤湖綜合管控系統(tǒng)平臺由于運用當前先進的計算機、自動控制、信息處理等技術，充分吸收智能水電廠相關研究成果，具有 5 方面的優(yōu)勢。

4.1 多業(yè)務專業(yè)融合

為了能夠靈活適應業(yè)務需求的變化，面對新應用具有可擴展性，在信息和應用資源方面高度共享，避免形成一個個信息孤島，提高信息利用率[6]，建立的統(tǒng)一數(shù)據中心和綜合管控系統(tǒng)，在獲取現(xiàn)有工程的水雨情、閘控、工程安全監(jiān)測及視頻圖像信息后，可對數(shù)據進行整理、統(tǒng)計、分析、存儲，并提供統(tǒng)一的訪問機制，達到信息資源共享和業(yè)務協(xié)同、多專業(yè)業(yè)務與多系統(tǒng)一體化監(jiān)控的目標，大幅提升水利工程管理效率。

4.2 數(shù)據庫標準統(tǒng)一

按照行業(yè)標準，綜合管控系統(tǒng)平臺提供統(tǒng)一的數(shù)據展現(xiàn)、業(yè)務集成、UI（用戶界面）設計、GIS服務等標準[7]。同時，根據行業(yè)及管理處實際，數(shù)據資源設計時參考各專業(yè)模型標準，如 D5000 水電數(shù)據模型、SL323 實時雨水情、SL324 基礎水文、安全監(jiān)測等相關行業(yè)習慣，設計工程運行管理歷史數(shù)據統(tǒng)一規(guī)范的表結構。利用統(tǒng)一標準的接口定義擴展各類數(shù)據訪問業(yè)務接口[8]。

各閘站統(tǒng)一命名，數(shù)據表分運行數(shù)據表、統(tǒng)計表等。統(tǒng)一規(guī)范的表結構，為后期主管部門調度系統(tǒng)的數(shù)據訪問提供方便。

4.3 與現(xiàn)地智能設備直接通訊

由于現(xiàn)地各閘泵站監(jiān)控系統(tǒng)設計時充分考慮智能關鍵設備以太網標準應用協(xié)議的接口，綜合管控平臺接入時直接與現(xiàn)場智能設備（如 PLC）通訊，在現(xiàn)地站上位機軟件出現(xiàn)故障或電腦斷電情況下，不影響調度中心的數(shù)據采集與顯示。

4.4 智能預警

智能預警在水利工程綜合管控技術體系中占據重要地位，是體現(xiàn)系統(tǒng)智能化的關鍵點。水利工程預警體系主要包括水文預報、防汛應急、供水能力不足、工程安全、消防、動力環(huán)境等的預警，以及水質安全評價及預警。依靠一體化管控支撐平臺的實時數(shù)據采集處理功能，針對物理特性建立的各種數(shù)學仿真模型，以及改進的快速智能優(yōu)化求解算法，所有預警模塊均可以實現(xiàn)自動在線預警響應及處理。

4.5 高級應用及決策支持接口預留

以專業(yè)融合與規(guī)范的數(shù)據共享原則為基礎，在水利信息化、現(xiàn)代化對管理水平提出更高要求的情況下，后期將在綜合管控系統(tǒng)平臺的基礎上擴展調度與經濟運行管理、防洪抗旱、工程事故應急、工程安全分析與評估、安全防護聯(lián)動等多個高級應用功能及決策支持系統(tǒng)，提高工程運行管理水平，減少能耗，提高經濟效益，提高洪澤湖大堤、三河閘等工程防洪抗旱能力，保證人民群眾生命財產安全。

5 結語

建立水利工程綜合管控系統(tǒng)，可實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據的統(tǒng)一采集、業(yè)務數(shù)據的統(tǒng)一管理、應用系統(tǒng)的統(tǒng)一平臺，具有技術先進、管理方便、經濟合理等特點，能滿足洪澤湖管理處水利工程信息化建設的需求。

綜合管控系統(tǒng)建成后，需加強運行管理和維護，拓展業(yè)務應用系統(tǒng)功能，并進行總結、升級改造，不斷提高水利工程管理信息化水平。

[1] 江蘇水利廳.江蘇水利現(xiàn)代化規(guī)劃（2011—2020）[R].南京：江蘇省水利廳，2012: 53-57.

[2] 江蘇省洪澤湖水利工程管理處.江蘇省洪澤湖水利工程管理現(xiàn)代化規(guī)劃（2011—2020）[R].洪澤：江蘇省洪澤湖水利工程管理處，2013: 29-31.

[3] 雍成林，薛井俊.江都水利樞紐集中控制系統(tǒng)的研究與探討[J].水利信息化，2014 (2): 50-54.

[4] 夏智娟，鄭健兵，吳寧.水利工程綜合管控系統(tǒng)元數(shù)據管理設計[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2013 (2): 19-22.

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[6] 蔣斌，黃海田，王朝俊.江蘇水利信息化與自動化的現(xiàn)狀及其發(fā)展方向[J].水利水文自動化，2010 (1): 19-23.

[7] 中華人民共和國水利部.加快推進水利信息化資源整合與共享指導意見[R].北京：中華人民共和國水利部，2008: 3-7.

[8] 高磊，李永紅，鄭健兵.智能水電廠一體化數(shù)據平臺設計[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2012 (1): 11-14.

Construction Scheme Research on Water Conservancy Integrated Management and Control System in Hydraulic Engineering for Hongze Lake Management Division

ZHANG Youming1,TAN Zhen2,JIAN Dan1,WANG Haiwei1(1.Jiangsu Provincial Hongze Lake Hydraulic Engineering Management Division,Hongze 223100,China;
2.NARI Group Corporation,Nanjing 211006,China)

Through the research of completed automatic control system in hydraulic engineering for Hongze Lake Management Division and the analysis of centralized control requirements,the paper proposes the construction scheme of integrated management and control system in hydraulic engineering,elaborates design ideas,network structure and system architecture.In addition,it analyzes the difference between the integrated management control system and the traditional control system,and the advantage of integrated management control system.This paper gives certain references in the design of information system for the management division.

hydraulic engineering;centralized control system;integrated management and control system;Hongze Lake;water resources informatization

TV21

A

1674-9405(2015)01-0063-05

2014-09-12

張友明（1974－），男，江蘇灌南人，高級工程師，主要從事水利工程建設與管理工作。