王 普

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

1 概述

二龍山水庫工程位于秦嶺南麓長江二級支流的丹江上游，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)能力的中型水庫工程。水庫總庫容8100 萬m3，有效庫容5700 萬m3，控制流域面積965 km2。

二龍山水庫智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)主要包括閘門遠程監(jiān)控子系統(tǒng)、水情自動測報子系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測子、視頻監(jiān)視、通信子、計算機網(wǎng)絡(luò)及支撐平臺、應(yīng)用軟件、實體環(huán)境建設(shè)等。

2 閘門遠程控制系統(tǒng)

2.1 概述

閘門遠程監(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，實現(xiàn)閘門信息實時采集、閘門遠程精確啟閉。系統(tǒng)可以實現(xiàn)閘門的遠程控制，并將啟閉設(shè)備的電壓、電流、啟閉信號以及開度等重要數(shù)據(jù)上傳到水庫管理處數(shù)據(jù)庫內(nèi)，實現(xiàn)對閘門數(shù)據(jù)的集中顯示、分析、記錄及越限報警。

2.2 監(jiān)控對象

閘門監(jiān)控點見表1。

表1 閘門監(jiān)控點布置表

2.3 系統(tǒng)功能

（1）數(shù)據(jù)實時采集：自動采集閘門開度、啟閉機限位狀態(tài)、供電系統(tǒng)的電壓及工作電流、消耗的能量，并能根據(jù)水位計算出流量；

（2）閘門啟閉控制：可實現(xiàn)閘門的定閘位控制、全開、全關(guān)、上升、下降、停止；（3）急停控制：若遇到緊急、意外情況，能夠?qū)嵤┘蓖？刂?；?）工作方式切換控制：通過硬件動作，實現(xiàn)遠程自動控制、現(xiàn)場自動控制、手動操作及鎖定操作等多種控制方式；

（5）故障保護：在閘門運行過程中系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)立即報警，并根據(jù)需要和實際情況自動終止當前的閘門運行操作。

2.4 監(jiān)控方案

通過設(shè)在現(xiàn)場閘室的交換機將各閘門控制PLC 信號匯聚，通過光纜傳輸至水庫管理處，實現(xiàn)閘門的遠程控制。

3 水情自動測報系統(tǒng)

3.1 概述

水情自動測報系統(tǒng)是實現(xiàn)水庫智能監(jiān)控調(diào)度的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，水情自動測報系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性直接影響水庫防洪調(diào)度方案。

水情自動測報系統(tǒng)是根據(jù)遙測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的預(yù)報模型，給出水庫不同目標的預(yù)報入庫洪水過程線，為水庫洪水調(diào)度，水資源利用提供可靠的依據(jù)。二龍山水庫水情自動測報系統(tǒng)預(yù)報模型采用降雨徑流預(yù)報模型。

3.2 站網(wǎng)布設(shè)

二龍山水庫水情站網(wǎng)布設(shè)情況見表2。

3.3 系統(tǒng)組網(wǎng)

系統(tǒng)組網(wǎng)見圖1。

表2 二龍山水庫水情自動測報站點分布表

圖1 二龍山水情自動測報系統(tǒng)組網(wǎng)圖

4 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)也是智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)的一個重要內(nèi)容，主要是監(jiān)測大壩運行狀況。監(jiān)測項目為：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（揚壓力、滲漏量、繞壩滲流、水質(zhì)監(jiān)測），巡視檢查（壩體，壩基、壩肩及近壩庫岸）等。大壩安全監(jiān)測系統(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)采集計算機組成。大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)在左壩肩管理房匯聚后傳輸至二龍山水庫管理處進行系統(tǒng)集成，接入二龍山水庫智能監(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)度的一個輔助子系統(tǒng)，是實現(xiàn)水庫自動化運行，無人值班，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、水庫管理處等處共布設(shè)智能網(wǎng)絡(luò)高清攝像機15臺，對水庫樞紐主要工程建筑物進行全天24 小時不間斷監(jiān)視，并在水庫管理處配置視頻存儲服務(wù)器及視頻工作站，視頻存儲服務(wù)器按照15 d 存儲容量設(shè)計，大小為24 t。

5.2 點位布置

在二龍山水庫共設(shè)置15 處視頻監(jiān)視點，見表3。

表3 視頻監(jiān)視點布置表

6 通信系統(tǒng)

通信主要解決閘門遠程控制、水情自動測報、大壩安全監(jiān)測及視頻監(jiān)視的數(shù)據(jù)傳輸問題。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)測室、壩頂至左壩肩管理房的通信，水文遙測站點至水庫管理處的通信，左壩肩管理房至水庫管理處的通信。管理房至二龍山水庫管理處自建光纜，自建光纜沿庫區(qū)道路地埋敷設(shè)，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機組網(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臺導(dǎo)軌式工業(yè)以太網(wǎng)交換機，1 臺用于閘門遠程監(jiān)控系統(tǒng)，1 臺用于視頻監(jiān)視系統(tǒng)。3 處現(xiàn)地閘室交換機通過光纜將信號匯總至左壩肩管理房匯聚交換機，再通過自建光纜傳輸至管理處核心交換機，視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用獨立的交換機，與其他系統(tǒng)共用光纜。

水情自動測報因水文站點分布較遠且較分散，故考慮采用無線通信技術(shù)，無線通信技術(shù)有衛(wèi)星通信、無線網(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，無線網(wǎng)橋通信屬于自建通信，考慮到站點分布較遠，無線網(wǎng)橋通信需自建多個中繼站，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)域中國移動、中國電信、中國聯(lián)通等幾大運營商均有無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，且信號強度滿足要求，故采用4G通信來滿足水文遙測站點至水庫管理處監(jiān)控調(diào)度中心的通信。

7 計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

計算機網(wǎng)絡(luò)是智能監(jiān)控調(diào)度的載體。通過建設(shè)計算機網(wǎng)絡(luò)，高速獲取和處理實時監(jiān)控業(yè)務(wù)（水情、工情、語音、遠程視頻監(jiān)控等）與非實時業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)，滿足管理調(diào)度需求。同時，建立數(shù)據(jù)存儲與管理體系，保證整個信息系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，確保信息共享的高效。建設(shè)主動、開放、有效的系統(tǒng)安全體系，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全狀況可知、可控和可管理，形成集防護、監(jiān)測、響應(yīng)、恢復(fù)于一體的安全防護體系。

二龍山水庫智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)計成業(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)，負責各個現(xiàn)地閘閥的控制及閘閥控制信息的傳輸，負責實現(xiàn)水量調(diào)度管理及視頻監(jiān)視、工程安全監(jiān)測與管理、水情測報等功能，其數(shù)據(jù)種類較多、數(shù)據(jù)量大，對網(wǎng)絡(luò)時延和抖動要求較高，需要確保數(shù)據(jù)安全可靠、低時延傳輸。

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)可在對內(nèi)實現(xiàn)科學(xué)高效管理的基礎(chǔ)上，同時對外提供信息服務(wù)平臺。

二龍山水庫智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

8 系統(tǒng)支撐平臺及應(yīng)用軟件

8.1 應(yīng)用支撐平臺

應(yīng)用支撐平臺采用松耦合，易擴展的設(shè)計思路，以基于SOA 面向服務(wù)架構(gòu)和企業(yè)服務(wù)總線的體系架構(gòu)建設(shè)應(yīng)用支撐平臺，選配支撐平臺建設(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、統(tǒng)一門戶為原則建設(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放標準。服務(wù)接口采用了通用的Web 服務(wù)和XML 標準，可以用一個服務(wù)替換另一個服務(wù)而無須關(guān)心其底層的實現(xiàn)技術(shù)和服務(wù)的位置。

8.2 應(yīng)用軟件

8.2.1 信息動態(tài)監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)

信息動態(tài)監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)由采集監(jiān)測、預(yù)警分析、數(shù)據(jù)管理、報表統(tǒng)計、查詢顯示、系統(tǒng)管理、三維展示等組成。

8.2.2 水情自動測報系統(tǒng)

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

（1）水情數(shù)據(jù)庫

雨量遙測站和自記水位站實時采集的雨量和水位信息傳輸至中心站，處理后進入數(shù)據(jù)庫各類數(shù)據(jù)表中，以便根據(jù)需要檢索和查詢。

在數(shù)據(jù)庫內(nèi)共建設(shè)實時水情表、實時降水量表、日降水量表、洪水預(yù)報表、洪水要素摘錄表、降水摘錄表、預(yù)報模型參數(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來自各個遙測站的原始數(shù)據(jù)信息，進行接收、歸類、轉(zhuǎn)換、糾錯、入庫等操作，負責各類數(shù)據(jù)庫建立、編輯、維護，為其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口。

（3）水情管理查詢預(yù)報系統(tǒng)

水情管理查詢預(yù)報系統(tǒng)是水情自動測報的核心，該系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)采集的實時雨情、水情、工情等資料，結(jié)合歷史水文數(shù)據(jù)，對本工程未來將發(fā)生的洪水做出洪水總量、洪峰發(fā)生時間、洪水發(fā)生過程等情況的預(yù)測，并通過采用水文學(xué)、水力學(xué)、河流動力學(xué)有機結(jié)合，建立洪水預(yù)報數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)洪水預(yù)報的動態(tài)仿真，快速、準確地為工程調(diào)度決策提供依據(jù)，系統(tǒng)同時滿足水情信息的查詢發(fā)布、日常管理等功能。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫管理模塊、洪水預(yù)報模塊、水情動態(tài)監(jiān)測模塊、歷史洪水模擬模塊、洪水動態(tài)模擬仿真模塊、洪水預(yù)報信息發(fā)布查詢模塊、系統(tǒng)日常管理模塊等部分組成。

8.2.3 閘門遠程監(jiān)控系統(tǒng)

1）閘門狀態(tài)的實時監(jiān)控

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

b.流程畫面：可顯示控制設(shè)備運行狀態(tài)總貌，多層次顯示每個系統(tǒng)單元、每個設(shè)備、單個調(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)：通過數(shù)字、指示燈、圖形等形式實時顯示每個工藝設(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、維護和管理。

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

2）故障實時報警

對采集到數(shù)據(jù)進行限值檢查，發(fā)現(xiàn)超出限定范圍，實時以不同顏色燈閃爍、語音提示以及報警窗口畫面等形式顯示現(xiàn)場設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通訊報警信息。

8.2.4 水庫防洪調(diào)度決策系統(tǒng)

水庫防洪調(diào)度決策系統(tǒng)是智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)在二龍山水庫應(yīng)用的核心。水庫防洪調(diào)度決策系統(tǒng)是依據(jù)水情自動測報預(yù)報成果，采用調(diào)洪極值解法、多目標模糊優(yōu)選決策模型、人機交互決策方法，面向?qū)ο蠹夹g(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等技術(shù)與方法，自動生成調(diào)度預(yù)案，以人機交互方式制定實時調(diào)度方案，進行方案仿真、評價和優(yōu)選，并且具有汛情分析、洪災(zāi)預(yù)測、信息查詢等功能。

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)雜的社會政治經(jīng)濟等條件，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)驗減少風險，選出滿意方案并組織實施，以達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。水庫防洪調(diào)度決策系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程見圖3。

2）功能設(shè)計

水庫防洪調(diào)度決策系統(tǒng)主要由防洪形勢分析、調(diào)度方案制定、調(diào)度方案仿真、調(diào)度方案評價、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)見圖4。

圖3 水庫防洪調(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)是一個覆蓋工程各級管理機構(gòu)的一體化綜合辦公體系。其充分運用現(xiàn)代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，圍繞各管理機構(gòu)實際辦公需要，整合、規(guī)范現(xiàn)行業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)各部門間辦公信息互聯(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)實體環(huán)境建設(shè)

圖4 水庫防洪調(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)實體環(huán)境建設(shè)主要包括監(jiān)控調(diào)度中心大廳和機房建設(shè)，大屏幕、綜合布線、不間斷供電、防雷接地等基礎(chǔ)設(shè)施，監(jiān)控調(diào)度中心位于水庫壩后左岸的水庫管理處。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，機房面積20 m2，為滿足工程運行管理的需要，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

依據(jù)水情自動測報系統(tǒng)預(yù)報結(jié)果，結(jié)合大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，視頻監(jiān)視系統(tǒng)等。通過軟件自動分析計算，進而控制閘門開度，實現(xiàn)水庫智能化運行，實現(xiàn)水資源的合理利用。