徐興安,韋余廣,周舒燕,郭春香

(1.杭州魯爾物聯(lián)科技有限公司,杭州 311100;2.臨平區(qū)林業(yè)水利局,杭州 311199)

2015年政府工作報告中提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動,構(gòu)建基于信息化的通信平臺,實現(xiàn)各行各業(yè)與信息化的有效融合,實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展[1]。泵站工程承擔(dān)著區(qū)域內(nèi)抗洪防險、區(qū)域排澇等多項艱巨任務(wù)。臨平區(qū)內(nèi)水土資源豐富,每年的夏季雨季高峰時段,區(qū)內(nèi)河道水位上漲,給區(qū)內(nèi)泵站安全運行造成影響,極易出現(xiàn)洪澇等自然災(zāi)害問題[2]。為了有效應(yīng)對臨平區(qū)自然洪澇災(zāi)害情況,合理管控區(qū)域水量,對該區(qū)域內(nèi)泵站工作進行改造。通過信息化手段,建立泵閘群自動化調(diào)度管理系統(tǒng),建立水利數(shù)字化平臺,實現(xiàn)該區(qū)域泵站的高效控制,同時提高泵站工程的整體經(jīng)濟效益。

1 研究區(qū)域信息

臨平區(qū)所在區(qū)域?qū)儆趤啛峒撅L(fēng)性氣候,常年空氣濕潤,夏季多雨。每年的七八月份是雨季的高發(fā)期,由于該區(qū)域面臨大海,受到臺風(fēng)等影響,每年雨季區(qū)域內(nèi)的農(nóng)田、魚塘易受洪澇災(zāi)害影響[3]。根據(jù)臨平區(qū)的地理及河網(wǎng)情況,共有5個重要的圩區(qū),分別為經(jīng)開區(qū)、星火圩區(qū)、西渠河圩區(qū)、東風(fēng)圩區(qū)和塘棲圩區(qū)。其中,部分圩區(qū)內(nèi)的泵站存在較嚴(yán)重的設(shè)備老化問題,通信能力薄弱[4]。在浙江省數(shù)字化改革的背景下,臨平區(qū)以運行自動化和管理信息化為主體思路,對本區(qū)部分泵站進行自動化控制和數(shù)據(jù)信息化的提升改造。以圩區(qū)內(nèi)水源調(diào)度為目標(biāo),實現(xiàn)對圩區(qū)內(nèi)水資源的平衡控制,從而避免雨季洪澇災(zāi)害問題的發(fā)生。將對各圩區(qū)所有泵站工程實施改造,統(tǒng)一規(guī)劃,實現(xiàn)對該區(qū)域內(nèi)泵站群遠(yuǎn)程自動化控制。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1 泵站區(qū)域控制系統(tǒng)的搭建

圩區(qū)內(nèi)泵站群自動化管理的目標(biāo)是實現(xiàn)對該管轄區(qū)域內(nèi)沿線泵站群的自動化控制。通過建立泵閘群調(diào)度管理系統(tǒng),實現(xiàn)對該圩區(qū)內(nèi)水文數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)控,并能夠?qū)ο鄳?yīng)的自然災(zāi)害現(xiàn)象進行預(yù)警與廣播。圩區(qū)內(nèi)泵閘群調(diào)度系統(tǒng)主要包含控制系統(tǒng)與通信系統(tǒng)兩個部分。其中,控制系統(tǒng)包含該區(qū)域數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)、調(diào)度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、泵站自動化控制、信息數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化控制以及排澇預(yù)警控制等功能。通過計算機運算,實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)泵站的合理調(diào)度與控制。

泵站區(qū)域控制系統(tǒng)由通信數(shù)據(jù)模塊、PLC模塊、觸摸顯示器、電源、多數(shù)據(jù)顯示儀表等組成。該系統(tǒng)的主要功能是承擔(dān)每個泵站工程閘門數(shù)據(jù)監(jiān)控與泵閘遠(yuǎn)程控制。在系統(tǒng)內(nèi),不同區(qū)域內(nèi)的控制柜功能一致,但彼此獨立,既可由中央計算機控制中心統(tǒng)一化調(diào)度,也可根據(jù)泵站實際情況人工控制,滿足泵站相應(yīng)的調(diào)度控制要求。圩區(qū)內(nèi)的泵站工程主要承擔(dān)區(qū)域內(nèi)抗洪防險、排澇、水資源調(diào)度等重要任務(wù)[5]。因此,需要確保系統(tǒng)各單元的穩(wěn)定、可靠。控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 區(qū)域泵站系統(tǒng)控制單元

數(shù)據(jù)采集過程主要由采集系統(tǒng)對泵閘位置區(qū)域內(nèi)的閘前、閘后水位數(shù)據(jù)、泵站閘門限位數(shù)據(jù)、泵閘區(qū)域位置數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)供電參數(shù)數(shù)據(jù)進行采集。采集系統(tǒng)通過傳感獲取泵站泵閘前后水位流量數(shù)據(jù),并計算得到過閘流量。系統(tǒng)自動對泵站運作狀態(tài)、泵站各單元電流、電壓、電功率等參數(shù)進行采集,根據(jù)泵站機組各單元的水泵性能以及能效情況,計算得出泵站總的流量以及各機組單元流量。同時,泵站采集系統(tǒng)也會對區(qū)域周圍的水文氣象信息進行采集,并通過實時監(jiān)控系統(tǒng),對泵站周圍環(huán)境狀態(tài)進行監(jiān)控。

泵站自動化控制主要有4種形式:①由采集系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)進行泵閘的開啟、關(guān)閉,泵閘上升、下降以及暫停等操控。②根據(jù)泵站單元組的開啟與暫停,系統(tǒng)根據(jù)區(qū)域情況分時間段進行系統(tǒng)的運作與暫停,同時也可根據(jù)實時系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù),設(shè)置預(yù)警閥值進行系統(tǒng)單元組的開停[6]。③通過工作控制模式的切換,由采集系統(tǒng)獲取有效數(shù)據(jù),通過遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)分析,可實現(xiàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制、人工現(xiàn)場控制以及現(xiàn)場自動化等操作。④通過緊急暫?？刂?系統(tǒng)運作超過預(yù)警參數(shù)值,如負(fù)載過高、系統(tǒng)過熱、電流過大,系統(tǒng)將進入自動保護狀態(tài),進入緊急暫停模式。

系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)對圩區(qū)所有泵站點設(shè)備單元運作數(shù)據(jù)、泵站水文環(huán)境數(shù)據(jù)以及泵站實時監(jiān)控信息與歷史數(shù)據(jù)的存儲與管理。圩區(qū)泵站數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包含區(qū)域內(nèi)的動態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)與靜態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)。動態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)包含泵站水文氣象數(shù)據(jù),如天氣數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)、水流量數(shù)據(jù)、泵閘調(diào)度數(shù)據(jù)等。靜態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)包含泵站工程的基本數(shù)據(jù)、泵站設(shè)置的調(diào)度參數(shù)、泵站人員信息以及專家管理庫等數(shù)據(jù)[7]。泵站數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將存儲泵站有關(guān)的所有信息數(shù)據(jù),并為泵站泵閘群的調(diào)度控制提供數(shù)據(jù)信息支持。圩區(qū)的泵站數(shù)據(jù)系統(tǒng)見圖2。

圖2 圩區(qū)的泵站數(shù)據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

調(diào)度優(yōu)化控制主要通過臨平區(qū)水利數(shù)字平臺調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)。該調(diào)度系統(tǒng)中,存儲了區(qū)域內(nèi)所有水利設(shè)施的工程數(shù)據(jù)。由泵站實時監(jiān)控系統(tǒng)檢測區(qū)域水位狀況,并傳遞信息到調(diào)度系統(tǒng)中心,由調(diào)度系統(tǒng)中心統(tǒng)一向各泵閘群發(fā)送調(diào)度控制指令。

排澇預(yù)警控制是泵站泵閘群信息化管理主要目標(biāo)。系統(tǒng)根據(jù)地區(qū)每年的雨季信息數(shù)據(jù)分析與預(yù)測,建立適合于該區(qū)域的抗洪排澇調(diào)度管理模型。該抗洪排澇調(diào)度模型根據(jù)區(qū)域內(nèi)實際雨量、河水流量以及各區(qū)域內(nèi)泵站的負(fù)荷情況,設(shè)置抗洪排澇目標(biāo),同時生成各單元組目標(biāo)。在調(diào)度系統(tǒng)的運作中,首先對各區(qū)域內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)進行檢索與分析,為了定制有效的目標(biāo),結(jié)合歷年該區(qū)域內(nèi)對泵站的管理調(diào)度數(shù)據(jù),不同季節(jié)、雨量以及水文變化情況對調(diào)度方案進行動態(tài)優(yōu)化[8]。圩區(qū)抗洪防澇調(diào)度控制系統(tǒng)見圖3。

圖3 區(qū)域泵站抗洪優(yōu)化調(diào)度管理模型

2.2 泵站區(qū)通信系統(tǒng)搭建

對圩區(qū)泵站群實施改造,通信網(wǎng)絡(luò)的搭建是關(guān)鍵。在該區(qū)域內(nèi),水閘、水文數(shù)據(jù)檢測站、抗洪排澇泵站、雨量監(jiān)測站等水利設(shè)施分布于區(qū)域內(nèi)各個場所,分布比較零散。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的搭建需要確保各泵站群之間信息數(shù)據(jù)的交換與實時控制指令的傳達(dá)。同時,也要確保通信系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、傳輸效果以及可拓展性。由于泵站所處位置為戶外,外部受到各種惡劣氣象環(huán)境因素影響,對通信網(wǎng)絡(luò)造成干擾。因此,系統(tǒng)組網(wǎng)選擇需要適應(yīng)外部惡劣條件要求,網(wǎng)絡(luò)搭建應(yīng)該利于管理、維護以及及時啟用。在通信系統(tǒng)中,組網(wǎng)需要連接各泵站的通信系統(tǒng),考慮穩(wěn)定性、傳輸效果、經(jīng)濟性等因素,選擇通過自建無線網(wǎng)絡(luò)與光纖實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)泵站系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信目標(biāo)。

泵閘自動化綜合網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)圩區(qū)泵站工程地理分布情況,泵站以及泵閘都是沿著河道兩岸分布而建。這種泵站分布可以通過河道一側(cè)設(shè)置光纖,利用桿架進行走線。在圩區(qū)中設(shè)置若干個光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心,每個光纖數(shù)據(jù)節(jié)點負(fù)責(zé)一塊區(qū)域位置通信傳輸,每個節(jié)點負(fù)責(zé)沿線的泵站接入通訊數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),并由單獨的光纖網(wǎng)絡(luò)將圩區(qū)內(nèi)泵站接入到數(shù)據(jù)信息中心。圩區(qū)光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 泵站光纖通訊結(jié)構(gòu)

光纖通訊主要建設(shè)于河道一側(cè),而對岸的泵站通信則主要采取無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信,與有線網(wǎng)絡(luò)相比,網(wǎng)絡(luò)搭建與拓展更加方便。因此,對區(qū)域內(nèi)泵站系統(tǒng)的研究,選擇無線網(wǎng)橋技術(shù),作為泵站通信系統(tǒng)化的延伸。目前,無線橋接技術(shù)不僅成熟,同時在許多領(lǐng)域均有大量的應(yīng)用,在泵站通信系統(tǒng)中應(yīng)用滿足泵站系統(tǒng)及時通信需求。由于泵站設(shè)置在河岸兩側(cè),周圍建筑物較少,采用對點無線橋接。而對于部分河道周圍有建筑,無法有效布置光纖,則采用中繼無線網(wǎng)橋接,以點對點實現(xiàn)天線與橋接器連通。見圖5。

圖5 無線橋接示意圖

光纖通訊網(wǎng)絡(luò)為水利自動化專用通信網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格按照功能進行劃分,包含主干網(wǎng)、核心網(wǎng)絡(luò)層以及用戶接入層,其中安全級別最高的是核心網(wǎng)絡(luò)層。核心網(wǎng)絡(luò)層主要用于運營心、數(shù)據(jù)存儲等接入網(wǎng)絡(luò)。在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搭建時,嚴(yán)格執(zhí)行所在地區(qū)抗洪防汛相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,并保障區(qū)域內(nèi)各節(jié)點數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、安全共享。因此,需要對核心網(wǎng)絡(luò)相關(guān)硬件有一定要求,滿足防火墻安全級別。主干網(wǎng)主要是河道泵站連接的通信網(wǎng)絡(luò),各泵站管理人員需要維護所在站點的數(shù)據(jù)接入與安全問題。確保不同數(shù)據(jù)信息有所區(qū)分,在各泵閘單元網(wǎng)絡(luò)中采用二級交換機。在信息管理數(shù)據(jù)中心以及匯聚點,采用環(huán)網(wǎng)式組網(wǎng)方案,以滿足通信系統(tǒng)穩(wěn)定要求。

2.3 圩區(qū)泵閘群調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)圩區(qū)泵站工程的控制調(diào)度發(fā)展要求,整個泵站工程泵閘群自動化調(diào)度管理系統(tǒng)由控制系統(tǒng)與通信系統(tǒng)構(gòu)成,并實現(xiàn)對該區(qū)域內(nèi)泵閘群的有效控制。本研究采取分層控制,實現(xiàn)對泵站群的調(diào)度控制,包括泵站現(xiàn)場監(jiān)控層、數(shù)據(jù)信息管理層、遠(yuǎn)程調(diào)度監(jiān)控層。圩區(qū)泵閘群調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 圩區(qū)泵閘群調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個泵站調(diào)度系統(tǒng)以現(xiàn)場監(jiān)控層為基礎(chǔ),以可編程邏輯控制系統(tǒng)為設(shè)備核心(PLC),利用泵站區(qū)域內(nèi)水位傳感器、氣象水文傳感器等設(shè)備,實現(xiàn)對所在泵站區(qū)域內(nèi)水位數(shù)據(jù)、機電溫控數(shù)據(jù)等監(jiān)測。而相關(guān)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)將由以太網(wǎng)形式通過通信系統(tǒng)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心,現(xiàn)場監(jiān)控單元接受數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)程調(diào)度控制指令,從而實現(xiàn)對泵閘群的遠(yuǎn)距離調(diào)度控制。其中,數(shù)據(jù)處理層是整個系統(tǒng)調(diào)度的核心,包含各區(qū)域泵站的歷史數(shù)據(jù)與實時調(diào)度信息。每個泵站均設(shè)置單獨的服務(wù)數(shù)據(jù)器,泵站所有信息會上傳至此,各管理中可以查閱相應(yīng)信息,并對該區(qū)域內(nèi)泵閘情況實時監(jiān)控。在圩區(qū)泵的調(diào)度控制與調(diào)度中心會單獨設(shè)置一臺數(shù)據(jù)服務(wù)器,負(fù)責(zé)該區(qū)域所有泵閘數(shù)據(jù)的收集,并為系統(tǒng)調(diào)度控制提供有效的數(shù)據(jù)參考。遠(yuǎn)程調(diào)度監(jiān)控層主要包括該區(qū)域內(nèi)所有調(diào)度與管理中心,負(fù)責(zé)對泵站實時監(jiān)控以及泵閘開?？刂?同時監(jiān)視泵站所有設(shè)備狀態(tài),滿足泵站系統(tǒng)安全運作要求。

控制系統(tǒng)設(shè)計。圩區(qū)泵站區(qū)域泵站控制系統(tǒng),主要由外部傳感器與控制柜組成。其中,控制柜選擇西門子的PLC單元模塊,包含電源、儀表、顯示器以及繼電器等元件。外部傳感器主要為雨量監(jiān)測傳感器、水流量傳感器、水位監(jiān)測傳感器等。

水位檢測是泵站控制核心。在系統(tǒng)建設(shè)中,選擇YEH-KJ2X/4X型號的超聲波水位,主要考慮其易于維護、不用測井,并不考慮水質(zhì)等問題,其精度為0.5%,溫度區(qū)間為-15℃～60℃。在水位測試中,由聲波在水中的傳播計算水位距離,聲波傳播時間與發(fā)出到水面距離表達(dá)關(guān)系如下:

式中:T為聲波時間,s;c為聲速,m/s,考慮到聲波由探頭發(fā)出到水面會折返,所以距離僅為原來一半。由于水位計與水底距離H保持不變,則被測水位M的表達(dá)式如下:

M=H-s

(2)

由式(1)與式(2)結(jié)合,最終計算表達(dá)如下:

(3)

最后,針對多個泵站群優(yōu)化與調(diào)度問題,采用遺傳算法優(yōu)化整個系統(tǒng)調(diào)度,并尋求泵站最佳調(diào)度方案。

3 泵閘遠(yuǎn)程控制安全策略以及實現(xiàn)效果

系統(tǒng)建成后,以區(qū)域抗洪防澇為主要目的,選取東風(fēng)圩區(qū)6個區(qū)域泵站點為對象,且均為雙泵閘,采用MATLAB軟件驗證該調(diào)度方案,通過遺傳算法進行計算求解?？紤]泵區(qū)單位時間受較多因素制約,通過系統(tǒng)水文模型得到一階段排水量Q=2 100m3,區(qū)域各泵站水位都在可控合理范圍。二階段對各站點排水量預(yù)測Q=5 600m3,均在一個調(diào)度期兩個排澇監(jiān)測時段。該區(qū)域內(nèi)各泵站第一階段水流量監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 東風(fēng)圩區(qū)排澇泵流量監(jiān)測結(jié)果

由表1數(shù)據(jù)可知,建成系統(tǒng)能夠?qū)Ρ谜舅髁窟M行有效監(jiān)控,監(jiān)測每個泵閘水位深度,并最終實現(xiàn)各泵站群的優(yōu)化調(diào)度。因此,多次實驗記錄泵站數(shù)據(jù),預(yù)測B區(qū)域泵站水量調(diào)度效果。調(diào)度預(yù)測結(jié)果見圖7。

圖7 B區(qū)域泵站調(diào)度優(yōu)化結(jié)果

由圖7結(jié)果可知,B區(qū)域泵站優(yōu)化調(diào)度水流量預(yù)測值與泵站實際測量值基本一致。由圖7(a)可知,選取5個時間段的水流量進行預(yù)測調(diào)度,結(jié)果與實際監(jiān)測流量數(shù)據(jù)基本一致;由圖7(b)可知,同樣選取5個時段的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測,數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果一致,表明該調(diào)度系統(tǒng)滿足該區(qū)調(diào)度要求。

圩區(qū)泵閘群自動化調(diào)度管理系統(tǒng)的構(gòu)建,需要保證遠(yuǎn)程控制的有效與安全。因此,加強對系統(tǒng)各設(shè)備單元的監(jiān)測是必不可少的。為避免系統(tǒng)故障,建議如下:①加強系統(tǒng)軟件層保護,系統(tǒng)控制操作在軟件層加密,并由指定專業(yè)人員操作,設(shè)置系統(tǒng)安全預(yù)警值。②對閘門限位進行保護,增加閘門傳感保護器。③對系統(tǒng)各單元進行保護,發(fā)現(xiàn)異常及時預(yù)警。

4 結(jié) 論

隨著信息數(shù)字化產(chǎn)業(yè)的推進,水利相關(guān)單位應(yīng)建立一套高效、穩(wěn)定的管控體系,保障區(qū)域水利設(shè)施的有效運行,提高區(qū)域抗洪防澇效果。通過對圩區(qū)泵站群進行的信息化改造與升級,深化了各部門的合作與溝通,并通過建立便捷、高效的泵閘群控制系統(tǒng),推進了信息一體化水利工程的建設(shè)。在今后的工作中,水利各部門還需要圍繞大數(shù)據(jù)、信息安全、人工智能等方向探索與深耕,為區(qū)域抗洪防澇提供更全面的技術(shù)支持,以推進地區(qū)產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟的發(fā)展。