胡正松，馮 磊，劉 鋒，陸乙君，翁 敏，張凱平，丁揚(yáng)威

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.平湖市城市防洪工程管理所，浙江 平湖 314200）

1 問題的提出

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化率也隨之顯著提高，城市作為經(jīng)濟(jì)、文化和政治的中心，是社會發(fā)展的核心。當(dāng)前，中國設(shè)置有668個建制市，存在防洪任務(wù)有639座，其中防洪標(biāo)準(zhǔn)不足50 a一遇的達(dá)80%，不足20 a一遇的約占60%，有些小的城市甚至不設(shè)防[1]。對比國外，日本大中城市采用100 ～ 200 a一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，美國陸軍工程兵團(tuán)建議采用200 a一遇的城市防洪標(biāo)準(zhǔn)，瑞士采用100 ～ 500 a一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，英國倫敦更是采用1 000 a一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，我國的防洪標(biāo)準(zhǔn)相對較低。一旦遭受暴雨、臺風(fēng)爆潮等的侵害，便會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會損失。

目前，世界各國城市的防洪措施大同小異，一般依據(jù)城市的特點(diǎn)采用堤防、水庫和分洪工程對洪水采取攔蓄、排泄、分滯等工程措施。但20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外在防洪理論和策略上有新的發(fā)展，認(rèn)為城市防洪安全靠工程措施不僅是非人力所能及，也不一定經(jīng)濟(jì)合理，采用工程措施和非工程措施相結(jié)合成為主流趨勢。因此，近20多年，國內(nèi)外特別強(qiáng)調(diào)對洪水的管控，要求做好洪水立法、洪水保險(xiǎn)、宣傳教育及水土保持等非工程措施，尤其重要的是利用信息化技術(shù)加強(qiáng)洪水預(yù)報(bào)、建立統(tǒng)一的現(xiàn)代化調(diào)度中心和報(bào)警系統(tǒng)[2]。

由于信息化技術(shù)對于現(xiàn)代化城市防洪建設(shè)的重要性，平湖市城市防洪系統(tǒng)南市圩區(qū)工程采用分層分布式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)按少人值守或無人值守的目標(biāo)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)配置，同時與原有的城市防洪體系進(jìn)行無縫銜接，實(shí)現(xiàn)對閘泵站設(shè)備的重要運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測以及遠(yuǎn)程控制，為提高平湖城市防洪體系日常運(yùn)行效率，減輕管理人員的負(fù)擔(dān)，降低運(yùn)營成本，保障平湖城區(qū)包圍圈的安全，有效防范洪水的侵襲，保護(hù)人民的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。同時結(jié)合平湖市被列為水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理試點(diǎn)的契機(jī)，對實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理的水閘、泵站進(jìn)行研究，為其他水利工程標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建工作提供很好的借鑒。

2 工程概況

原有平湖市城市防洪工程包圍圈面積13.60 km2，堤線總長16.900 km，其中14.980 km以路為堤，1.920 km為新建防洪堤，沿堤各河口建節(jié)制閘17座，泵站7座（與閘結(jié)合），防洪控制中心1座。防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，排澇標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，24 h降雨24 h排出且內(nèi)河水位不超過2.2 m（1985國家高程基準(zhǔn)，下同），排澇流量68 m3/s。

平湖市南市圩區(qū)工程包圍圈面積1.56 km2，堤線總長5.523 km，其中5.000 km以路為堤，523.0 m結(jié)合景觀設(shè)置土堤，沿堤各河口布置曹兌港閘站和北河溇水閘。本工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇；排澇標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，24 h降雨24 h排出且圩區(qū)內(nèi)控制水位不超過2.2 m。本工程等級為Ⅳ級，相應(yīng)水工建筑物級別：單閘主要建筑物4級，閘站主要建筑物3級，次要建筑物為5級，臨時建筑物為5級。

平湖市城市防洪系統(tǒng)控制的閘泵站點(diǎn)多面廣，如各個站點(diǎn)均需值守，則要投入大量的人力、物力，同時人工記錄的數(shù)據(jù)散亂且誤差較大。因此需要建設(shè)自動化控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對閘泵站設(shè)備的重要運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測以及遠(yuǎn)程控制[3]。

2016年1月，浙江省政府印發(fā)《全面推行水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理的意見》（以下簡稱《意見》），浙江省水利廳制訂《全面推進(jìn)水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理實(shí)施方案（2016 —2020）》，平湖市被列為浙江全省全面推進(jìn)水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理的試點(diǎn)，這將有助于加快平湖市城市防洪系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的進(jìn)程，也將進(jìn)一步提高平湖市城市防洪系統(tǒng)南市圩區(qū)工程的管理水平。

依據(jù)上述2個文件的精神，水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理即制定完善的工程管理標(biāo)準(zhǔn)、明確工程管護(hù)主體、界定工程管理范圍、足額保障管護(hù)經(jīng)費(fèi)、依標(biāo)落實(shí)管理人員，充分利用信息化手段，嚴(yán)格達(dá)到相關(guān)考核要求[4]?！兑庖姟分忻鞔_：“依托和整合現(xiàn)有水利信息資源，建立水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理運(yùn)行管理平臺?！?。《浙江省水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理信息化建設(shè)總體設(shè)計(jì)方案要點(diǎn)》也提出：“依托信息技術(shù)，構(gòu)建省、市、縣三級監(jiān)管體系和水利工程運(yùn)行管理體系”[5]。因此，可以看出充分利用信息化手段顯得尤為重要，對平湖市城市防洪系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)至關(guān)重要。

3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

平湖市城市防洪系統(tǒng)南市圩區(qū)工程自動化控制系統(tǒng)采用分層分布式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)按少人值守或無人值守的目標(biāo)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)配置，以滿足平湖市南市圩區(qū)防洪抗旱、水質(zhì)調(diào)節(jié)、船只通航等諸多功能。

系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由城防控制層、現(xiàn)地控制單元（LCU）、現(xiàn)地手動控制層組成?，F(xiàn)地手動控制層包括繼電器、接觸器、電磁閥、示流信號器、軟啟動器、水位傳感器、按鈕、指示燈、交通燈、廣播等，可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)地設(shè)備的獨(dú)立控制，在所有控制層中具有最高優(yōu)先級[6]。曹兌港閘站現(xiàn)地控制單元（LCU）包括1#閘門控制柜、2#閘門控制柜、UPS柜、公用LCU柜和1#泵組LCU柜、2#泵組LCU柜；北河溇水閘為1個公用LCU柜。LCU控制層通過工業(yè)光纖以太網(wǎng)方式接入城防控制層（平湖市城防管理所中心控制室）。城防控制層采集處理閘泵站的各種相關(guān)參數(shù)，并自動監(jiān)控閘泵站的運(yùn)行過程，實(shí)時顯示有關(guān)參數(shù)，同時形成各類報(bào)表、故障表等；對監(jiān)控系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改和設(shè)置；與現(xiàn)地控制單元和上級管理機(jī)構(gòu)通信。為加強(qiáng)現(xiàn)地層控制功能，配以圖像監(jiān)視方式，提高現(xiàn)地層的可靠性；同時布置安防防盜探測器，遠(yuǎn)程、現(xiàn)地均可對閘站內(nèi)的防盜探測器進(jìn)行布防、撤防操作和接警處理。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)地以太網(wǎng)、控制中心監(jiān)控網(wǎng)及控制中心應(yīng)用網(wǎng)3部分組成。

現(xiàn)地以太網(wǎng)：由各現(xiàn)地交換機(jī)連接各閘泵站內(nèi)的現(xiàn)地網(wǎng)絡(luò)，通過光端機(jī)的以太網(wǎng)口與控制中心監(jiān)控網(wǎng)相連。

控制中心監(jiān)控網(wǎng)：由來自2個閘泵站的以太網(wǎng)以及城防控制中心的監(jiān)控主機(jī)構(gòu)成，網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行大量的計(jì)算機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)交互，監(jiān)控主機(jī)采集現(xiàn)地LCU數(shù)據(jù)并發(fā)出控制指令，該監(jiān)控網(wǎng)通過一個千兆口和控制中心應(yīng)用網(wǎng)相連。

控制中心應(yīng)用網(wǎng)：其中一個接口和控制中心監(jiān)控網(wǎng)相連并配置相應(yīng)路由，一個接口和外網(wǎng)相連，也進(jìn)行嚴(yán)格的路由配置，通過路由和防火墻配置，有效屏蔽非法的訪問請求。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

曹兌港閘站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括閘門控制系統(tǒng)和泵組控制系統(tǒng)。曹兌港閘站的閘門形式為直升門，采用卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，閘門具有通航要求。1#、2#閘門控制柜通過公用LCU柜與城防控制層的上位機(jī)相接，具體的運(yùn)行流程見圖2，閘門可單步運(yùn)作，也可聯(lián)動運(yùn)作。過船指揮及廣播系統(tǒng)同閘門控制系統(tǒng)緊密聯(lián)系，當(dāng)滿足通航條件時，切換上下游的通航燈，引導(dǎo)船只通行。語音廣播可輔助通航燈，協(xié)助船只通航[7]。1#、2#泵組LCU柜監(jiān)控著8臺軸流泵及其潤滑水管道、其他輔助設(shè)備等，在潤滑水開啟5 s后啟動水泵，同樣在潤滑水關(guān)閉5 s后再關(guān)閉水泵。北河溇水閘的閘門形式為一字門，左右門可單獨(dú)開啟、關(guān)閉，也可同時運(yùn)行。

圖2 閘門運(yùn)行流程圖

平湖市城市防洪系統(tǒng)南市圩區(qū)工程自動化控制系統(tǒng)的軟件依據(jù)分散原則編制，各分站不依賴控制中心，能獨(dú)立完成所屬監(jiān)控區(qū)域的控制。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有簡易的可操作性、數(shù)據(jù)的可修改性、規(guī)模的可擴(kuò)展性。其與平湖市城市防洪工程的軟件設(shè)計(jì)思路保持一致，并能“無縫”接入原系統(tǒng)中。

上位機(jī)軟件具備監(jiān)測和管理2種功能，由過程控制、監(jiān)測、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)、WEB發(fā)布等模塊組成。城防控制層采集處理閘泵站的各種有關(guān)參數(shù)，并自動監(jiān)控閘泵站的運(yùn)行過程，實(shí)時顯示當(dāng)前運(yùn)行過程的有關(guān)參數(shù)，如：閘門開度、水位的動態(tài)模擬數(shù)值顯示、故障內(nèi)容顯示和聲音報(bào)警，提供設(shè)備運(yùn)行圖、重要參數(shù)趨勢圖、運(yùn)行棒圖等，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)地設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。管理功能主要是軟件自動記錄每次運(yùn)行過程操作命令、操作記錄、設(shè)備啟閉時間、故障內(nèi)容和故障時間等，形成各類表，上位機(jī)主界面見圖3 ～ 圖5。

圖3 平湖市城市防洪工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)主界面圖

圖4 曹兌港閘站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)主界面圖

圖5 北河溇水閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)主界面圖

4 圖像監(jiān)視系統(tǒng)

4.1 監(jiān)視系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖像監(jiān)視系統(tǒng)采用模擬與數(shù)字相結(jié)合的方案。圖像信號由前端監(jiān)視點(diǎn)采集后，通過數(shù)字光端機(jī)經(jīng)裸光纖傳入城防管理所的圖像監(jiān)視中心。所傳入的圖像信號經(jīng)過視頻分配器處理后一路輸入嵌入式硬盤錄像機(jī)，另一路輸入視頻矩陣。中心運(yùn)行管理人員通過操作矩陣鍵盤對圖像進(jìn)行選擇切換輸出至電視墻顯示，并能通過RS485總線控制被選定的前端監(jiān)視點(diǎn)設(shè)備，為現(xiàn)場人員提供圖像信息依據(jù)。嵌入式硬盤錄像機(jī)作為圖像存儲及遠(yuǎn)程瀏覽設(shè)備，對輸入的視頻信號進(jìn)行數(shù)字化處理后錄像存儲，并經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入系統(tǒng)內(nèi)部局域網(wǎng)，供遠(yuǎn)程用戶通過客戶端或IE進(jìn)行訪問瀏覽實(shí)時圖像、歷史圖像及其他相關(guān)操作[8]。

安防系統(tǒng)作為圖像監(jiān)視系統(tǒng)的一個有效補(bǔ)充，能實(shí)現(xiàn)控制中心對堤防沿線閘泵站建筑物內(nèi)部重點(diǎn)區(qū)域的防盜監(jiān)視與報(bào)警。監(jiān)控信號由前端安防探測器采集后，通過網(wǎng)絡(luò)報(bào)警主機(jī)經(jīng)以太網(wǎng)傳入視頻/安防工作站。報(bào)警裝置必須符合微波及被動紅外技術(shù)探測報(bào)警同時觸發(fā)才會報(bào)警。城防控制中心的圖像/安防工作站可對閘站內(nèi)的防盜探測器進(jìn)行遠(yuǎn)程布防、撤防操作和接警處理；也可由報(bào)警鍵盤或者無線遙控器進(jìn)行現(xiàn)地布防、撤防操作和接警處理。

圖像監(jiān)視系統(tǒng)（包含安防系統(tǒng)）主要用于閘泵站的重要區(qū)域和設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，對現(xiàn)場狀況進(jìn)行定期巡視及安保防衛(wèi)。系統(tǒng)能對監(jiān)視場景進(jìn)行錄像，便于閘站控制和事故分析。且可通過網(wǎng)絡(luò)將圖像信息傳輸至上級管理機(jī)構(gòu)。為平湖南市圩區(qū)工程的運(yùn)行控制提供圖像信息依據(jù)。

4.2 監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖像信息接入平湖市城防管理所中心控制室，下位閘泵站2個，共設(shè)前端監(jiān)視點(diǎn)15個，下位閘泵站實(shí)現(xiàn)無人值守運(yùn)行。

圖像監(jiān)視系統(tǒng)是由前端攝像機(jī)、數(shù)字光端機(jī)、視頻分配器、數(shù)字硬盤錄像機(jī)、視頻矩陣及鍵盤、監(jiān)視器等主要設(shè)備組成。數(shù)字硬盤錄像機(jī)存儲歷史視頻數(shù)據(jù)，鍵盤控制視頻矩陣并在監(jiān)視器上實(shí)時顯示所需畫面。

圖像監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 圖像監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié) 語

2016年開始，平湖市對城市防洪工程開展標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，目前已經(jīng)完成整個城市防洪工程的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作。根據(jù)建設(shè)要求，參與創(chuàng)建的水利工程均建立信息化運(yùn)行管理平臺，在實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理的水閘、泵站，都設(shè)置有手機(jī)APP二維碼，可實(shí)時記錄巡查人員在巡查工程設(shè)施、設(shè)備時的相關(guān)情況。目前，平湖市防洪工程標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理平臺和浙江省水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理監(jiān)督與服務(wù)平臺相連接，可受浙江省水利廳實(shí)時監(jiān)控，標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建效果顯著，為其他水利工程的標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建工作提供很好的借鑒。

自動化控制系統(tǒng)在平湖市城市防洪系統(tǒng)南市圩區(qū)工程的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對閘泵站的實(shí)時性遠(yuǎn)程操作和控制。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，實(shí)踐證明自動化控制系統(tǒng)功能齊全、運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便，大大提高平湖城市防洪體系日常運(yùn)行效率，減輕管理人員的負(fù)擔(dān)，降低運(yùn)營成本，達(dá)到預(yù)期效果。