李曉春，張 生

（1.上海市青浦區(qū)河道水閘管理所，上海201700；2.上海理工大學(xué)，上海200093）

0 引言

目前，我國許多防洪水閘泵閘還處于人工監(jiān)管狀態(tài)，在東部發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了水閘泵閘的電動化乃至自動化的運行，但對水閘泵閘構(gòu)成的防洪系統(tǒng)缺乏完整系統(tǒng)的管理，為了實現(xiàn)智慧水利的目標(biāo)，先進(jìn)高效的防洪水閘泵閘自動化監(jiān)測系統(tǒng)變得越來越重要，經(jīng)過大量的現(xiàn)場調(diào)研，研究了防洪水閘泵閘的監(jiān)測控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能分析

智慧水利是基于水利信息化、數(shù)字化和智能化建設(shè)，運用新一代物聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)、光網(wǎng)絡(luò)等，利用云計算技術(shù)、MSTP等高性能信息數(shù)字化技術(shù)，深入開發(fā)和高度整合水利信息資源，實現(xiàn)水利感知、傳輸、應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化與智能化，有效地實現(xiàn)水利信息的共享，提升水利項目運用和管理的效率和效能。

目前，水閘控制一般做到閘、泵的電動控制，有一些地區(qū)增加了視頻監(jiān)控功能，但各水閘泵站之間及其數(shù)據(jù)、視頻均是分離的元素，對整個防洪水利的系統(tǒng)調(diào)度功能沒有體現(xiàn)，因此需要進(jìn)行整合、分析，建設(shè)一套可靠的防洪水閘泵閘監(jiān)測系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)智慧水利的建設(shè)要求。本文根據(jù)智慧水利及防洪水閘泵閘的實際應(yīng)用需求，在對現(xiàn)有狀況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定了防洪水閘泵閘自動化監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)主要功能模塊。

1.1 水務(wù)臺賬維護(hù)

水務(wù)臺賬維護(hù)即對所有水務(wù)設(shè)備進(jìn)行梳理，以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化體系為藍(lán)本，建立合理的具有級聯(lián)關(guān)系的資源數(shù)據(jù)庫，并確保數(shù)據(jù)完整性，同時做到定期更新，與現(xiàn)場的實際情況保持一致。臺賬的主要內(nèi)容包括：各水閘泵閘的名稱、區(qū)域地址，唯一編碼及該水閘泵站的設(shè)備儀表名稱、數(shù)量、對應(yīng)的唯一編碼等，相關(guān)的其它信息包括設(shè)備的維護(hù)資料等。

水務(wù)臺賬維護(hù)的目的就是對各水閘泵閘的設(shè)備情況進(jìn)行統(tǒng)計摸底，確保水閘泵閘自動化監(jiān)測及智慧水利建設(shè)的硬件基礎(chǔ)滿足相關(guān)要求。

1.2 水閘泵閘監(jiān)控

水閘泵閘監(jiān)控即對各水閘泵閘的設(shè)備儀表進(jìn)行信號采集及實時監(jiān)控，主要包括設(shè)備監(jiān)控和視頻監(jiān)控兩個方面。

（1）設(shè)備監(jiān)控。設(shè)備監(jiān)控主要包括各水閘泵閘的水泵運行狀態(tài)、閘位及內(nèi)外河水位等信息。監(jiān)控形式上主要將設(shè)備儀表的當(dāng)前運行狀態(tài)（健康運行時長、當(dāng)前電壓值、電流值、閘位、內(nèi)外河水位）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控頁面上，并以FLASH動畫的形式對相關(guān)運行狀態(tài)進(jìn)行模擬展現(xiàn)。同時對監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲并在長期的運行監(jiān)控過程中，形成有參考意義的特征值，后續(xù)根據(jù)特征值，通過智能算法對異常波動的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動篩選，對無效的數(shù)據(jù)進(jìn)行舍棄，使系統(tǒng)具有自適應(yīng)的無效數(shù)據(jù)判斷能力。

（2）視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控主要是對設(shè)備運行狀態(tài)的直觀確認(rèn)，為水閘泵閘自動化監(jiān)測提供更高層次的安全保障。目前大部分水閘在建設(shè)時已經(jīng)配置了相應(yīng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，因此在水閘泵閘監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)時只需要對接第三方的視頻功能，對水閘泵閘的監(jiān)控設(shè)備的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和調(diào)度，在監(jiān)測系統(tǒng)中通過對點模型的操作實現(xiàn)對現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的調(diào)度和監(jiān)控。

因此，在視頻監(jiān)控建設(shè)中主要是中心與各水閘泵閘視頻聯(lián)網(wǎng)、采集、調(diào)度應(yīng)用的工作，對于一些重要的大控制水閘泵閘，通過申請點對點專線實現(xiàn)視頻信號采集；對于一些相對較小的控制水閘泵閘通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)視頻信號采集傳輸。

1.3 GIS功能系統(tǒng)

GIS功能系統(tǒng)是對各水閘泵閘及其各種設(shè)備的全方位實時展現(xiàn)，因此其是在水務(wù)臺賬及水閘泵閘監(jiān)控的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

其主要包括以下功能模塊：

（1）地圖展現(xiàn)。其主要包括全局視圖、地圖瀏覽操作、GIS模型導(dǎo)入、地圖建模等。

（2）圖文展現(xiàn)。主要包括平面圖、工藝流程圖及設(shè)備控制圖等。

（3）水務(wù)臺賬詳情展現(xiàn)。主要包括臺賬查詢定位、臺賬詳情展現(xiàn)、方位關(guān)聯(lián)設(shè)備查詢、業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)設(shè)備查詢等。

（4）視頻展現(xiàn)。主要包括在線查看視頻、監(jiān)控攝像頭定位查詢。

1.4 防汛預(yù)警

防汛預(yù)警模塊主要是根據(jù)防汛預(yù)案建模，將所有的監(jiān)測站點運行狀況套入相應(yīng)的運行模型，若系統(tǒng)接收到防汛預(yù)警的通知，根據(jù)防汛預(yù)警的級別，系統(tǒng)會對所有的站點進(jìn)行檢測，對于沒有安裝防汛預(yù)案執(zhí)行的站點進(jìn)行預(yù)警。

其主要包括：防汛預(yù)案的導(dǎo)入、防汛預(yù)案模型建立、水閘泵閘防汛模型關(guān)聯(lián)、防汛預(yù)警信息接入（自動接入：從水務(wù)海洋自動監(jiān)測是否有防汛預(yù)警發(fā)布；手動接入：根據(jù)區(qū)域防汛通知手動設(shè)置相關(guān)防汛參數(shù)要求）、防汛預(yù)警信息發(fā)布（包括監(jiān)測系統(tǒng)平臺發(fā)布、移動應(yīng)用發(fā)布、手機(jī)短信通知等形式）等相關(guān)功能。

1.5 報表統(tǒng)計系統(tǒng)

報表統(tǒng)計系統(tǒng)主要是對監(jiān)測站點的相關(guān)信息進(jìn)行存儲、統(tǒng)計、生產(chǎn)各種形式的報表，給后續(xù)的防汛預(yù)警、設(shè)備維護(hù)等相關(guān)工作提供改進(jìn)的方向。

其主要包括以下報表：

（1）水閘泵閘報表。將全區(qū)不同區(qū)域內(nèi)的所有水閘泵閘的水閘數(shù)、過閘流量、壩長等基本信息和業(yè)務(wù)信息進(jìn)行匯總；統(tǒng)計并按照用戶所制定的報表格式形成水閘泵站報表。

（2）儀表設(shè)備報表。統(tǒng)計出各個水閘泵閘的所有儀器設(shè)備（內(nèi)河水位儀、外河水位儀、閘門開度儀）的數(shù)量、正常運行時長等指標(biāo)數(shù)據(jù)；進(jìn)行統(tǒng)計分析形成儀表設(shè)備報表。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)報表。對每個儀器監(jiān)測到的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計形成監(jiān)測數(shù)據(jù)報表。

（4）異常統(tǒng)計報表。對各種設(shè)備及防汛管理中遇見的各種異常情況進(jìn)行統(tǒng)計、分析、歸類，生產(chǎn)報表系統(tǒng)，為后續(xù)的監(jiān)測系統(tǒng)改進(jìn)提供依據(jù)。

1.6 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊主要包括用戶管理、權(quán)限管理、組織管理、編碼管理、系統(tǒng)日志查看等相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用平臺軟件管理。

（1）用戶管理，對用戶基本信息進(jìn)行管理。提供用戶批量導(dǎo)入，以方便管理員初始系統(tǒng)用戶和分配賬號。

（2）權(quán)限管理，定義用戶的“類型”即角色，角色與權(quán)限綁定。由后臺系統(tǒng)管理員賦予用戶權(quán)限。

（3）組織管理，系統(tǒng)管理員配置各類別的組織信息，方便進(jìn)行區(qū)域管理，跨區(qū)域的操作相互不干擾，如系統(tǒng)發(fā)出設(shè)備運行信息或告警信息可按片通知負(fù)責(zé)人，并為后續(xù)相關(guān)業(yè)務(wù)的擴(kuò)展提供底層數(shù)據(jù)支持。

（4）編碼管理，系統(tǒng)管理員對于系統(tǒng)運行參數(shù)、指標(biāo)以及設(shè)備臺賬的屬性進(jìn)行編碼配置。

（5）系統(tǒng)日志查看，提供系統(tǒng)運行日志查看的功能，管理員可以快速找到出現(xiàn)問題時刻的用戶操作數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)。

1.7 移動應(yīng)用

移動應(yīng)用模塊主要包括微信公眾號、手機(jī)APP等移動應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，目的是為了更方便的滿足應(yīng)用需求。各種移動應(yīng)用系統(tǒng)包括的功能基本相同，如下所示：

（1）在線水務(wù)GIS。用于訪問GIS平臺并能實時查看水務(wù)臺賬數(shù)據(jù)和各項業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

（2）政府公告?？梢詫θ簝?nèi)的會員或登錄的賬戶進(jìn)行群發(fā)消息，公告相關(guān)的政策、法規(guī)、通知等信息。

（3）氣象預(yù)告。提供氣象預(yù)警公告的欄目，對外發(fā)布異常氣象的預(yù)警公告信息。

（4）防汛預(yù)警。提供防汛預(yù)警公告的欄目，對外發(fā)布防汛預(yù)警公告信息。

1.8 擴(kuò)展接口預(yù)留

擴(kuò)展接口預(yù)留主要是為系統(tǒng)功能擴(kuò)展預(yù)留相關(guān)的接口，保障系統(tǒng)的開放性，方便第三方數(shù)據(jù)接入及應(yīng)用。主要包括以下接口的預(yù)留：

（1）GIS模型接口。為地區(qū)河道網(wǎng)格化綜合治理信息平臺提供GIS模型的查詢接口，根據(jù)篩選條件（創(chuàng)建時間）將最新的GIS模型的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)傳輸給地區(qū)河道網(wǎng)格化綜合治理信息平臺，實現(xiàn)兩套系統(tǒng)的信息共享和數(shù)據(jù)同步。

（2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換接口。根據(jù)地區(qū)河道網(wǎng)格化綜合治理信息平臺的要求提供本系統(tǒng)GIS模型的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)，以滿足地區(qū)河道網(wǎng)格化綜合治理信息平臺對地理信息的數(shù)據(jù)同步的要求。

（3）系統(tǒng)接口。水閘泵閘維護(hù)接口，對外提供水務(wù)臺賬數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計接口，地區(qū)河道網(wǎng)格化綜合治理信息平臺可以通過相關(guān)約束條件查詢出本系統(tǒng)內(nèi)建立的水務(wù)臺賬數(shù)據(jù)。

（4）儀表設(shè)備維護(hù)接口。對地區(qū)河道網(wǎng)格化綜合治理信息平臺提供本系統(tǒng)維護(hù)的儀器儀表臺賬的基本信息的查詢接口。

（5）監(jiān)測數(shù)據(jù)接口。根據(jù)監(jiān)測設(shè)備的標(biāo)識查詢出監(jiān)測設(shè)備所采集到的當(dāng)前或者歷史時刻的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

（6）視頻文件接口。將存儲在系統(tǒng)中的監(jiān)控視頻錄像的互聯(lián)網(wǎng)地址提供給地區(qū)河道網(wǎng)格化綜合治理信息平臺，以方便查看監(jiān)控視頻的歷史記錄。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由監(jiān)控中心及現(xiàn)場控制站兩部分組成。監(jiān)控中心主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機(jī)設(shè)備、大屏幕、移動視頻監(jiān)控平臺及業(yè)務(wù)平臺軟件等組成，詳見圖1。

圖1 監(jiān)控中心系統(tǒng)

設(shè)立數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫及業(yè)務(wù)平臺服務(wù)器，用于歷史數(shù)據(jù)存儲及互聯(lián)網(wǎng)移動應(yīng)用平臺軟件的部署。業(yè)務(wù)平臺服務(wù)器用于部署業(yè)務(wù)平臺軟件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信服務(wù)器用于將每個站點的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，用于后續(xù)數(shù)據(jù)的存儲、分發(fā)、展示等工作。操作員站是對采集到的數(shù)據(jù)以圖形、數(shù)值、動畫、趨勢及報表等方式進(jìn)行展示給操作人員。

業(yè)務(wù)平臺是一個多點、多面的數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)，涉及到的相關(guān)數(shù)據(jù)包括：監(jiān)測數(shù)據(jù)、臺賬數(shù)據(jù)（站所、監(jiān)測設(shè)備、通信設(shè)備）、圖文數(shù)據(jù)（報表、監(jiān)控視頻、項目圖片）、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（水系、交通道路、站網(wǎng)、地名注記等）、知識數(shù)據(jù)等。

現(xiàn)場控制站由PLC、遠(yuǎn)程IO、交換機(jī)、檢測儀表等組成，PLC、遠(yuǎn)程IO用于獲取設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)信號并提供一些控制端口包括設(shè)備的遠(yuǎn)程控制信號、運行信號、故障信號等以及啟動、停止控制端口等。檢測儀表包括水位儀、閘位儀及電量儀。水位儀用于內(nèi)外河道的水位檢測，安裝船閘泵閘的進(jìn)口及出口處。閘位儀用于檢測閘門的開度。電量儀實現(xiàn)對泵機(jī)等設(shè)備的電量參數(shù)讀取。

另外，為進(jìn)一步加強河道保潔船只在作業(yè)時的安全保障，在船只上安裝視頻監(jiān)控及定位系統(tǒng)，通過4G無線數(shù)據(jù)通信，實時監(jiān)控河道保潔船只相關(guān)圖像，掌握船只實時位置，以滿足用戶高等級的安全要求，提高安全服務(wù)質(zhì)量與能力。根據(jù)船只在執(zhí)行運輸任務(wù)時位置的不固定特點，船只的視頻信號傳輸利用3G和4G無線通信技術(shù)及相關(guān)設(shè)備。

3 應(yīng)用

本文研究的水閘泵閘監(jiān)測系統(tǒng)在上海市青浦區(qū)進(jìn)行了一期的開發(fā)和實施，主要包括青浦區(qū)河道水閘管理所監(jiān)控中心改造、一線大控制32座水閘改造、太浦河沿線19座水閘改造、圩區(qū)15座泵閘改造。各水閘泵閘主要安裝內(nèi)外河水位計、閘位儀及水泵智能監(jiān)測儀表等相關(guān)儀表設(shè)備，同時各站點配置安裝1套PLC監(jiān)測控制柜，通過信號電纜敷設(shè)，采集水閘泵閘的內(nèi)河水位、外河水位、閘位、水泵的運行狀態(tài)等相關(guān)信號。其中水位計主要選用南水的機(jī)械浮子式水位計，閘位選用絕對值編碼器及配套的拉繩裝置，智能儀表選用安科瑞的智能電量監(jiān)測儀表，通過標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

各站點PLC控制柜安裝1套宏電4G路由器。監(jiān)控中心VPN路由器配置虛擬局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心；個別重要的大控制水閘，采用電信專線和中心進(jìn)行點對點通訊，且實現(xiàn)視頻信號的傳輸。

監(jiān)控中心配備華為的路由器、交換機(jī)及綠盟的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，通過了二級等保認(rèn)證。配置了數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，安裝了北京亞控的KingSCADA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控；配置了1套數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲；1套業(yè)務(wù)平臺軟件服務(wù)器及1套后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，分別安裝ArcGIS平臺軟件及Oracle數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)要求的各個功能。

2017年底該系統(tǒng)在上海市青浦區(qū)通過了驗收，在2018年汛期進(jìn)行了實際運行應(yīng)用，驗證了各個功能設(shè)計，滿足了防汛防洪應(yīng)用的需求。

4 結(jié)語

防洪水閘泵閘監(jiān)測系統(tǒng)的研究為智慧水利提供了一些基礎(chǔ)，通過在上海市青浦區(qū)進(jìn)行的開發(fā)和實施，實現(xiàn)了對51座水閘泵閘、15座圩區(qū)監(jiān)測點進(jìn)行監(jiān)測，為當(dāng)?shù)氐姆篮榭篂?zāi)提供了很強的智能手段，一年多來通過實際運行表明系統(tǒng)穩(wěn)定。