李釗寶 ，胡正松 ，周國權(quán) ，陸乙君 ，岑恩杰 ，胡靜雅 ，孫守松 ，張 峰

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020； 2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020；4.平湖市水利局，浙江 平湖 314200；5.平湖市農(nóng)村水利管理站，浙江 平湖 314200 ）

1 問題的提出

農(nóng)村圩區(qū)內(nèi)水系眾多，有大量的閘門和泵組等防汛排澇設(shè)備，傳統(tǒng)的操作模式為手動(dòng)操作，需要投入大量的人力和物力進(jìn)行管理。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用自動(dòng)化控制技術(shù)建立統(tǒng)一的現(xiàn)代化調(diào)度中心和報(bào)警系統(tǒng)[1]在防汛調(diào)度中發(fā)揮了巨大作用[2]，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。水利信息化發(fā)展十三五規(guī)劃中要求大力推進(jìn)水利自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)。2016年，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》[3]，要求依托和整合現(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(tái)；同時(shí)《浙江省圩區(qū)工程運(yùn)行管理規(guī)程（試行）》信息化管理中建議采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)控等信息化技術(shù)逐步建立滿足圩區(qū)管理工作的軟、硬件平臺(tái)；浙江省《圩區(qū)工程標(biāo)準(zhǔn)化管理驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》“信息化管理”要求：①建立運(yùn)行管理平臺(tái)；②水雨情實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)；③對(duì)重要區(qū)域進(jìn)行視頻監(jiān)控。

平湖市目前有24個(gè)農(nóng)村圩區(qū)投入運(yùn)行，400多座河口建筑（水閘、泵站）物，需要配備大量的操作人員進(jìn)行手動(dòng)操作，存在啟動(dòng)時(shí)間長、效率低、人力成本高以及安全隱患等問題。作為水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理的試點(diǎn)城市，平湖市積極開展農(nóng)村圩區(qū)的信息化建設(shè)，目前全市已建成24個(gè)農(nóng)村圩區(qū)405座河口建筑物的自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模閘、泵站集群設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)化操作、信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[4]和防汛調(diào)度的統(tǒng)一指揮[5]，全面提升圩區(qū)管理的工作效率和效能。

2 平湖市農(nóng)村圩區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

平湖市農(nóng)村圩區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能分級(jí)、設(shè)備分布布置，通過光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、調(diào)度數(shù)據(jù)的傳輸（見圖1）。整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)分為調(diào)度層和現(xiàn)地控制層[6]，調(diào)度層為中控室機(jī)房，設(shè)在圩區(qū)管理中心；現(xiàn)地控制層設(shè)在各個(gè)閘站、單閘和泵站，可實(shí)現(xiàn)水閘、泵組機(jī)電設(shè)備的綜合控制，以及現(xiàn)地電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。農(nóng)村圩區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、閘門鎖定控制系統(tǒng)、潤滑水系統(tǒng)、水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、語音廣播系統(tǒng)以及中控室機(jī)房建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，功能上相互補(bǔ)充，構(gòu)成一套完整而先進(jìn)的控制系統(tǒng)。2.1.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要是指通過計(jì)算機(jī)、PLC、網(wǎng)絡(luò)、閘位計(jì)（開度儀）、行程限位器、水位計(jì)、上位機(jī)軟件等實(shí)現(xiàn)各閘門、泵組的工況信息采集及遠(yuǎn)程控制[7]。各閘門、泵組的工況信息經(jīng)LCU柜采集，通過光纖網(wǎng)絡(luò)同步上傳至中控室機(jī)房，中控室機(jī)房的工控軟件實(shí)時(shí)顯示各閘、泵站工況、水位等信息，并在上位機(jī)軟件中選擇任一閘站，輸入相關(guān)指令即可對(duì)閘、泵站（閘門或者泵組）進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度管理。

閘門的遠(yuǎn)程控制是農(nóng)村圩區(qū)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)最重要的部分。本系統(tǒng)的閘門（卷揚(yáng)式）遠(yuǎn)程控制采用流程化操作模式（應(yīng)急狀態(tài)下可啟用應(yīng)急模式）。遠(yuǎn)程操控前確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)是否正常，不管是選擇閘門上升或下降，首先開啟廣播和潤滑水，通過視頻確認(rèn)安全后才能啟動(dòng)閘門。操作人員根據(jù)流程設(shè)置的步驟控制閘門的上升或下降，直至到鎖定位或者全關(guān)位。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還包括對(duì)泵組的控制，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水位數(shù)據(jù)，控制圩區(qū)內(nèi)的水位。當(dāng)水位高過預(yù)警水位時(shí)，上位機(jī)發(fā)出高水位語音報(bào)警提示，操作人員可手動(dòng)啟動(dòng)泵組排水。當(dāng)水位降至設(shè)置的低水位時(shí)，上位機(jī)發(fā)出持續(xù)的低水位報(bào)警提示，操作人員可手動(dòng)停止泵組，當(dāng)水位降至超低水位時(shí)，上位機(jī)啟動(dòng)泵組保護(hù)機(jī)制，自動(dòng)關(guān)閉泵組，保證泵組的安全。

為保證閘門的運(yùn)行安全分別設(shè)置了多道保護(hù)措施，如行程限位器（遠(yuǎn)程指示限位器和現(xiàn)地回路限位器分開設(shè)置）、閘位儀（包括閘位儀內(nèi)置限位和閘位儀數(shù)據(jù)）、遠(yuǎn)程脫扣保護(hù)、緊急斷電（上位機(jī)）等。通過軟件在重要位置如鎖定位、上限位和下限位設(shè)置自動(dòng)脫扣保護(hù)，到達(dá)相應(yīng)位置后3 s內(nèi)閘門還繼續(xù)動(dòng)作（主要指交流接觸器粘牢無法脫開的情況），自動(dòng)進(jìn)行斷電操作。最大程度上保證閘門控制的安全性。

2.1.2 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

通過安裝在各閘、泵站的攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)啟閉機(jī)房、閘門運(yùn)行情況、上游水面、下游水面、現(xiàn)地控制室、閘門鎖定裝置等重要場(chǎng)所及設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視。

按照操作規(guī)程，在遠(yuǎn)程操控閘門、泵組前先對(duì)該閘、泵站的周邊環(huán)境和上下游狀況進(jìn)行視頻確認(rèn)，在確認(rèn)周圍環(huán)境安全的前提下，進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。閘門和泵組以及鎖定電機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)時(shí)，通過視頻系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察其運(yùn)行狀態(tài)，防止發(fā)生意外，確保周邊人員及設(shè)備的安全。

2.1.3 閘門鎖定控制系統(tǒng)（卷揚(yáng)式啟閉機(jī)）

閘門處于全開狀態(tài)時(shí)，需要將閘門擱在擱門器上，一方面減少鋼絲繩的受力，延長鋼絲繩使用壽命，另一方面保證閘門的穩(wěn)定性，在水閘有人、船通行時(shí)，保證安全。閘門鎖定控制系統(tǒng)是通過對(duì)擱門器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制改造，增加電動(dòng)推桿，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制擱門器的投入與退出，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度及勞動(dòng)危險(xiǎn)性，提高運(yùn)行效率。

2.1.4 閘門潤滑水系統(tǒng)

以河道水作為潤滑劑，利用配水管網(wǎng)將水噴淋到止水橡皮與閘門門槽接觸處，使橡皮摩擦面處于有水潤滑狀態(tài)，減小摩擦，降低磨損，達(dá)到延長使用壽命的目的。同時(shí)在引水管前端加裝防護(hù)裝置，防止雜草雜物進(jìn)入，保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2.1.5 水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)圩區(qū)管理要求，在特定的點(diǎn)位安裝水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)測(cè)量水位信息并上傳，系統(tǒng)將水文數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在運(yùn)營商機(jī)房的服務(wù)器內(nèi)，供后期查詢。管理人員根據(jù)水位信息對(duì)圩區(qū)內(nèi)的閘門和泵組進(jìn)行調(diào)度。

2.1.6 語音廣播系統(tǒng)

在農(nóng)村圩區(qū)的閘站、單閘和涵閘設(shè)置語音擴(kuò)聲設(shè)備，在中控室內(nèi)布置語音話筒，對(duì)工程上下游現(xiàn)場(chǎng)人員和危險(xiǎn)動(dòng)作人員喊話預(yù)警。

2.1.7 中控室機(jī)房

中控室機(jī)房是圩區(qū)管理中心的一個(gè)綜合性圩區(qū)主控中心，中控室機(jī)房配置管理工作站、移動(dòng)工作站、交換機(jī)、視頻綜合平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)鍵盤、在線式UPS電源、控制臺(tái)、激光打印機(jī)、大屏顯示系統(tǒng)等，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商云機(jī)房布置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和磁盤陣列等。

2.1.8 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中控室機(jī)房、圩區(qū)內(nèi)各監(jiān)控站點(diǎn)以及市水利局的互聯(lián)互通，保證數(shù)據(jù)、視頻等各類信息及時(shí)、安全和準(zhǔn)確地傳輸。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用全光纖網(wǎng)絡(luò)，滿足高清視頻監(jiān)控帶寬要求高的需求。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）提高響應(yīng)速度。以圩區(qū)10座水閘為例，現(xiàn)地操作模式時(shí)，1組人員到現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)關(guān)閉閘門、開啟泵組，投入運(yùn)行需3 h。采用自動(dòng)化系統(tǒng)，工作人員接到運(yùn)行指令后，通過電腦遠(yuǎn)程操作，僅需30 min即可使工程投入運(yùn)行，提高了圩區(qū)工程運(yùn)行效率，可節(jié)省5/6的操作時(shí)間，提高效率83%。

（2）減少安全隱患。自動(dòng)化控制系統(tǒng)避免工作人員直接在風(fēng)雨中奔波作業(yè)。同時(shí)，采用流程化操作，避免誤操作帶來的安全隱患，系統(tǒng)具備故障提醒等功能，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地幫助檢修人員排除設(shè)備故障，保障運(yùn)行安全。通過視頻系統(tǒng)和語音廣播實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘站周圍環(huán)境，保證閘門運(yùn)行時(shí)周邊人員和設(shè)備的安全。

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村圩區(qū)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為專網(wǎng)，由于上級(jí)單位需要及時(shí)掌握各個(gè)圩區(qū)的運(yùn)行情況以便進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度指揮，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)圩區(qū)的數(shù)據(jù)需要通過公網(wǎng)接入至上級(jí)單位，圩區(qū)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過串口服務(wù)器實(shí)行單向傳輸，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全性。

（3）實(shí)現(xiàn)市級(jí)防汛統(tǒng)一調(diào)度指揮和數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握運(yùn)行中的內(nèi)外河水位、設(shè)備開關(guān)等情況，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和分析處理后，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)绞蟹姥粗笓]部，方便實(shí)時(shí)了解圩區(qū)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度指揮。

3 農(nóng)村圩區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀分析

自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用改善了圩區(qū)管理工作的環(huán)境和質(zhì)量，大大提高工作效率，但是在應(yīng)用過程中由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、設(shè)備操作和機(jī)電設(shè)備等原因?qū)е孪到y(tǒng)運(yùn)行異常。通過對(duì)新埭鎮(zhèn)6個(gè)圩區(qū)98座閘站、廣陳鎮(zhèn)7個(gè)圩區(qū)84座閘站自動(dòng)化系統(tǒng)試運(yùn)行6個(gè)月的情況統(tǒng)計(jì)，主要設(shè)備5 850個(gè)，發(fā)生故障119次，故障率約為2.00%（見表1）。

表1 圩區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表1

導(dǎo)致故障的原因主要有系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、系統(tǒng)操作、安裝及系統(tǒng)調(diào)試和設(shè)備質(zhì)量4個(gè)方面：①防雷接地、原控制線路（元器件）老化、市電不穩(wěn)和施工挖斷光纖網(wǎng)絡(luò)等外部環(huán)境原因引起的系統(tǒng)掉電、設(shè)備損壞或者斷網(wǎng)等。②操作人員不熟悉自動(dòng)化系統(tǒng)或者不遵循操作流程。③設(shè)備安裝或者調(diào)試時(shí)未能發(fā)現(xiàn)的隱性缺陷。系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行后或者遇到特殊天氣時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常。④采購或者定做的設(shè)備及構(gòu)配件自身的質(zhì)量缺陷。

3.1 穩(wěn)定性分析

從各子系統(tǒng)看，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)故障數(shù)占總故障數(shù)的39.49%。其中57.45%的故障為環(huán)境因素導(dǎo)致。閘門鎖定控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因多為操作原因，閘門潤滑水系統(tǒng)和中控機(jī)房的故障多為安裝及調(diào)試原因，語音廣播系統(tǒng)的故障多為設(shè)備質(zhì)量問題，水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的故障大部分是由環(huán)境原因?qū)е隆?/p>

北張店流域位于山西省長治市中西部，屯留縣與沁縣的交界處，地理位置為東經(jīng)112°26′～112°37′，北緯36°15′～36°32′，最高海拔1 544 m，最低海拔976 m，平均海拔1 276.5 m，流域總面積270 km2。區(qū)域內(nèi)地勢(shì)北西南三面高、東部及中部低，水流由北西南向中部匯集，向東出境[12]。

安裝系統(tǒng)調(diào)試原因?qū)е碌墓收显谠囘\(yùn)行期間進(jìn)行糾正和完善，比如對(duì)中控機(jī)房上位機(jī)軟件試運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)的漏洞及問題及時(shí)進(jìn)行修正，為可消除故障。

設(shè)備操作原因大部分因系統(tǒng)操作不熟練引起，經(jīng)過對(duì)操作人員的進(jìn)一步培訓(xùn)和隨著操作人員對(duì)系統(tǒng)的熟悉，該因素導(dǎo)致的故障大大降低。對(duì)試運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的個(gè)別設(shè)備的質(zhì)量問題，及時(shí)進(jìn)行更換或者整改，目前暫未發(fā)現(xiàn)較大的質(zhì)量問題。

由于農(nóng)村圩區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的特殊性，現(xiàn)場(chǎng)容易出現(xiàn)斷電、雷擊、原設(shè)備老化等問題，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也是導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)異常的主要因素。目前各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)逐漸配備專業(yè)維護(hù)養(yǎng)護(hù)人員或者聘用第三方維養(yǎng)單位，有些鄉(xiāng)鎮(zhèn)專門聘請(qǐng)專業(yè)公司檢測(cè)完善各閘、泵站的防雷接地，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境有較大改善。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

按照《浙江省水利工程管理定崗定員標(biāo)準(zhǔn)》閘門及啟閉機(jī)運(yùn)行崗位定員1 ～ 2人/座，同時(shí)按照《浙江省基層防汛防臺(tái)體系規(guī)范化建設(shè)考核驗(yàn)收辦法》，實(shí)行崗位責(zé)任告知制度和重要崗位A、B制。經(jīng)初步測(cè)算，新埭鎮(zhèn)和廣陳鎮(zhèn)13個(gè)農(nóng)村圩區(qū)182座閘、泵站至少需配備182名運(yùn)行操作人員（不包括圩區(qū)運(yùn)行管理單位負(fù)責(zé)、技術(shù)負(fù)責(zé)、調(diào)度管理、工程檢查、維修養(yǎng)護(hù)等崗位）。一方面，各鎮(zhèn)街道專職圩區(qū)管理人員缺乏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足圩區(qū)運(yùn)行管理的要求。大部分采用外聘（或者兼職）操作人員的模式，這部分操作人員年齡結(jié)構(gòu)偏大，操作知識(shí)和設(shè)備知識(shí)缺乏，人員流動(dòng)性大。另一方面，圩區(qū)運(yùn)行時(shí)氣象狀況一般比較惡劣，操作人員現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)存在較大安全隱患。采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)各配備6名圩區(qū)運(yùn)行管理人員，2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)13個(gè)圩區(qū)可減少操作人員170人，按3萬元/(人 · a)計(jì)算，2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)約人力、管理等成本約510萬元/a，大大減輕2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)圩區(qū)運(yùn)行管理的人力成本和管理負(fù)擔(dān)。圩區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 系統(tǒng)的改進(jìn)及解決方案的探討

在圩區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的缺陷和不足，持續(xù)的進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。根據(jù)上位機(jī)軟件的使用情況，不斷地改善上位機(jī)的軟件功能，使之功能更完善，運(yùn)行更穩(wěn)定。

圩區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)少人值守，達(dá)到節(jié)省人力、物力、財(cái)力的目的，但是自動(dòng)化系統(tǒng)最終還得需要人的介入，自動(dòng)化系統(tǒng)需要配備專業(yè)且認(rèn)真負(fù)責(zé)的操作人員，同時(shí)需不斷地提高操作人員的技術(shù)水平。

由于農(nóng)村圩區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，設(shè)備元器件數(shù)量大、種類多，故障是客觀存在的。需要盡可能地保證其運(yùn)行環(huán)境的可靠性，才能最大限度地降低故障率。

（1）改善各個(gè)閘站的防雷及接地系統(tǒng)，保證系統(tǒng)供電穩(wěn)定，減少供電系統(tǒng)導(dǎo)致的異常。

（2）定期維護(hù)、保養(yǎng)閘門啟閉機(jī)及泵組等設(shè)備，更換老化的線路及元器件。

（3）加強(qiáng)自動(dòng)化系統(tǒng)的定期巡檢以及檢修維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除系統(tǒng)缺陷。

（4）按照浙江省水利工程準(zhǔn)化管理的要求，實(shí)行農(nóng)村圩區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化管理，逐漸完善運(yùn)行管理制度以及維養(yǎng)制度等。

5 結(jié) 語

自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用改善了圩區(qū)管理工作的環(huán)境和質(zhì)量，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。但是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、設(shè)備操作和安裝調(diào)試等方面的原因?qū)е伦詣?dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行異常。本文通過對(duì)圩區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)的介紹和分析影響自動(dòng)化系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，對(duì)農(nóng)村圩區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)的推廣和建設(shè)以及后續(xù)的運(yùn)行管理有一定的借鑒價(jià)值。