潘庄灌区综合信息调度管理系统规划设计与研究

王珊珊

(德州市水利勘察设计研究院，山东 德州 253014)

德州市潘庄引黄灌区东接李家岸引黄灌区，南依黄河与济南市对望，西临聊城市，西北以卫运河、漳卫新河为界与河北省毗邻。潘庄灌区控制灌溉面积500万亩，渠首设计流量124m3/s，属大型灌区。

潘庄引黄灌区信息化建设目标为：搭建高标准、稳定可靠的灌区云数据平台，实现灌区全方位、全时空的信息采集传输；实现灌渠调水、输水、配水的智慧化综合调度及动态化、精细化、定量化管理。

1 潘庄灌区综合信息调度管理系统规划的主要内容

综合信息化调度管理系统主要内容包括：灌区基础信息管理，干支渠基础信息管理；灌区主要水工建筑物信息采集监测及智能化控制；灌区雨量、墒情信息监测管理；视频信息管理；物联网平台管理；智慧灌溉建模，用水、节水综合应用分析；流域水质分析及预警；标准化架构、模块化扩展；综合分析、统计报表、实现科学辅助决策；支持农作物信息管理、水肥一体化管理等现代农业领域的业务对接；支持大数据业务分析发掘和拓展。

2 潘庄灌区综合信息化管理系统的架构

潘庄灌区综合信化管理系统以输配水、农业灌溉业务需求为主导，以干渠水工建筑物监控、管理为基础，以信息传输为纽带，通过建设光纤局域网络、VPN专线网络实现系统内监测数据、视频图像等信息的综合管理和智能分析应用。

管理所与各水工建筑物之间通过光纤组成局域网络，并在赵庄管理所汇总，与潘庄引黄灌区管理局信息中心之间通过百兆VPN专线建立可靠通讯连接。

管理局信息中心部署核心交换机、数据服务器、视频管理平台、数据库软件、综合信息化应用系统软件等。各单项建筑物所有测控数据通过网络实时传输到信息中心数据平台，经信息化平台系统统一综合分析、利用、管理。灌区各管理所通过光纤局域网络各自管辖范围内的视频监控信息进行当地存储，管理局信息中心可随时查看、调取相关需要的视频信息。

图1 系统总体设计结构图

3 潘庄灌区综合信息化管理系统关键点

潘庄灌区综合信化管理系统规划设计的关键点有三个：远程测控可以获取信息，通讯网络能够传输信息，云数据平台用来分析、存储和管理信息。

3.1 通讯网络

3.1.1网络结构

灌区管理局信息中心与赵庄管理所分中心之间通过VPN专线宽带通讯，其余各管理所分中心、干渠节制闸、分水口门、泵站之间采用铺设光纤组成光纤局域环网的方式通讯，较偏僻的田间灌溉数据监测站点通过GPRS方式与信息中心通讯。

图2 通讯网络总体结构示意图

3.1.2网络选用分析

(1)光纤局域网络选择分析

光纤网络以其统一的TCP/IP协议和CSMA/CD多路访问方式，具有廉价、高速、简易、方便的特性。

由于各管理所与管理局信息中心之间的通讯网络既要进行监控数据传输，又要进行图像传输，带宽需求较大，采用高速以太网络可以较好地满足传输的带宽需求。

通过实际勘查，灌区各管理所均分布在渠道上或渠道附近，铺设光纤不存在征地、协调等问题，光纤可沿渠道机械开挖敷设，具备较好的施工条件，且具有经济性。根据工程特点，光纤沿渠道两侧敷设，组成高度稳定可靠地冗余环网，可最大程度地保证控制和视频通讯的安全可靠性。

(2)VPN专线网络选择分析

VPN专线网络比光纤局域网络维护安装成本低，比普通公共网络加密隧道安全性高。

灌区管理局位于禹城县城内，距离最近的赵庄管理所约20km，之间村庄、道路、河流密集分布，若采用铺设光纤的方式会有征地、借道、避让等各项问题，协调难度大，施工干扰因素多，且施工和维护费用高，经济性很差。故灌区管理局信息中心与赵庄管理所分中心之间通过VPN专线宽带通讯。

3.2 云数据平台

潘庄引黄灌区管理局办公楼开设独立机房作为信息中心，部署2台高性能数据库服务器、2台应用服务器、1台GIS服务器、1台视频服务器及计算机管理站、千兆网络交换机、路由器、防火墙等设备，配合高速通讯网络，组建起先进可靠的灌区云数据平台。云数据平台作为灌区业务数据的存储中心和数据管理中心，支持系统内的数据交换与共享、各业务部门应用系统的建设、中心机房的宏观决策、与相关部门的业务协同。

云数据平台基于云计算技术，构建从源端到云端的架构体系，实现数据采集、传输、分析、存储、预警等功能。系统主要由数据采集层、传输网络层、数据层、应用支撑层、业务应用层、应用交互层等六个核心层。

图3 信息中心云平台系统示意图

3.2.1数据采集层

数据采集层是水利信息化系统数据的主要来源，为业务应用提供基础数据。数据采集的对象主要包括灌区渠道、调水闸、分水口门、泵站、行政边界断面、田间墒情等。采集信息有水位信息、流量信息、墒情、雨情、视频信息、设备的运行状态信息等。此外，还包括人工录入和从其他系统接入的数据信息。

3.2.2传输网络层

传输网络层为信息化数据传递提供可靠的通道，主要是通过VPN宽带网络、光纤网络、无线网桥和GPRS通讯方式实现。

图4 闸门及分水口门测控示意图

3.2.3数据层

数据层的作用是将与水利建设和管理相关的多来源、多尺度、多结构数据进行统一管理，保障数据一致性和安全性，实施交叉统计和融合分析。通过梳理并整合数据，有效降低或避免重复信息，减少资源管理成本。

3.2.4应用支撑层

应用支撑层采用虚拟化技术，将基础设施资源进行虚拟化处理，形成一个虚拟化资源池。利用云服务技术，将数据整和组装装成独立运行的信息资源后对外输出，为数据库及应用软件提供信息存储和计算服务。

3.2.5业务应用层

根据灌区工程实际，业务应用层包括：灌区综合信息化管理系统、灌区运行调度系统、灌区供水服务门户、视频监控系统系统等。

3.2.6应用交互层

应用交互层主要提供水利行政主管部门、涉水公众服务及应用。

3.3 水工建筑物自动化远程测控

水工建筑物自动化远程测控可完成视频监控、启闭控制及运行数据监测等任务。

3.3.1节制闸测控系统

节制闸测控系统设计包括PLC测控终端设计、水位监测系统设计、闸门开度测量设计、荷重测量设计。

(1)PLC测控系统

PLC测控系统通过网络向上位计算机传送被测控设备的运行参数和工作状态，同时接收上位计算机的指令并通过PLC控制程序对设备进行操控。

PLC系统对设备的测控分为现地级和远方计算机监控远方级两种。两种控制方式的切换在现地控制装置上进行，双向切换的操作过程应避免对现场设备状态干扰的同时遵循“下级优先”原则，即在现场设备控制装置上对设备进行操作控制时，如果选择“现地”为控制方式，管理站点、调度中心监控计算机设备只可监测，无权操控；如果选择“远方”控制方式，管理站点、调度中心操作站可以按CRT手动、半自动或全自动方式对设备进行操控。

(2)闸前后水位测量

根据河流的宽度在河岸立杆，采用雷达液位传感器进行液位测量。雷达液位计通过串行RS485信号与PLC测控单元进行通讯。

(3)闸门开度测量

闸门开度测量可根据闸门实际情况选取直接测量法和间接测量法。直接测量法将传感器安装在闸门上直接测得闸门开度，间接测量法将传感器安装在卷扬机轴或其他可变部位上，采用相应算法得出闸门开度。

(4)荷重测量

现场的启闭机有双吊点式平板闸门和单吊点式平板闸门，全部为轴连接方式，因此采用座式荷重传感器进行荷重测量，对于双吊点闸门，每套启闭机系统需要安装2套荷重传感器进行荷重测量。

3.3.2分水口门测控系统

口门闸测控系统设计涵盖了供电系统、闸门远程控制、闸门开度测量等内容。其中闸门开度监测设计思路与节制闸相同。

(1)闸门系统供电

根据现场实际情况，闸门供电采用太阳能供电方式。

闸门测控系统的PLC、网络收发器、摄像机等小功耗设备及启闭电机等大功耗设备，统一使用太阳能供电。且传统启闭电机无法满足使用要求，需要对启闭电机及启闭方式进行改造。

(2)太阳能远程闸控系统

远程太阳能闸控系统运行稳定可靠，经济适用，实现灌区闸门无人值守、安全防护、远程智能化控制的目的，改变了传统闸门控制模式，大大改善了灌区面貌，提升了灌区管理效能。

3.3.3泵站测控系统

泵站测控系统一般由计算机监控子系统、微机保护子系统、计算机监视子系统、通信网络子系统及电源子系统组成，包括泵组控制LCU、监控设备柜。

(1)现地控制级

现地控制级由泵组控制LCU构成。泵组控制LCU分别与10KV开关柜、0.4KV开关柜、微机保护单元、水位计等连接。

泵组控制LCU设有PLC可编程控制器，对机组及辅机进行自动控制。可编程控制器模拟量采集主要包括交流电流、有功功率、流量等；开关量主要包括断路器跳合闸等。机组LCU控制屏显示所有测量数据，并具有遥信、遥测、遥控功能。PLC与上位机相连，通过上位机可实现控制、测量及信号显示。

在泵组控制LCU上可以实现监控工作站对机组监控的所有功能。若监控工作站瘫痪，机组LCU控制屏可独立完成机组的开停控制、信号及测量。泵组控制LCU设有紧急停机按钮。在紧急情况下，可在现地紧急停机。

(2)主控级

主控级由监控设备柜组成。其内装设网络交换机等设备。

3.4 视频监控系统

视频监控系统是一个基于广、局域网的实时监测系统，完成对各水利设施的图像等多媒体信息的监视。

视频监控系统将摄像机采集信息通过以太网络传送到管理中心存储，视频系统上级监管部分可实时观看，实现流媒体管理、视频管理、录像管理、电子地图等强大的功能。另外，视频监控系统还能分析判别拌线入侵、区域入侵、徘徊检测、物品遗留、物品搬移、异常奔跑等行为并提供实时报警功能。

图5 视频监控系统结构图

4 效益分析

4.1 社会效益

4.1.1提高灌区水资源、水利设施的管理水平

灌区综合信息化调度管理系统项目是提高灌区管理水平的基础，对水资源可持续利用起到重要技术支撑作用，系统的建设将提升基础设施建设和资源利用水平、提高环境综合监控能力。

4.1.2增强灌溉供水的调控能力

以水资源浪费、水利设施失盗失修、决堤灾害、泥沙沉积严重为特征的水问题已制约了灌区农业发展的的可持续发展与布局，关系到人民生活水平的提高和经济发展战略目标的实现。灌区综合信息化调度管理系统项目以先进的信息化为手段，为政策制定、设施管理和水资源合理调控提供依据，从而减少水资源浪费，提高水利设施的使用寿命周期和利用效率，加强灌区整体供水调控能力。

4.1.3提升政务公开和公众参与水平

通过灌区综合信息化调度管理系统项目的实施建设提供的技术服务，可以及时将供水用水信息、政策文件、发展动态提供给行政管理部门，通过门户网站或其他方式公开或开放公众查询服务，提高政务公开水平和公众参与水平。

4.2 经济效益

灌区综合信息化调度管理系统项目的建设将提高水资源的利用率，降低设备运行成本和调水成本。

灌区综合信息化调度管理系统项目建设可大幅提高日常业务管理工作的效率，提高信息资源利用率，降低管理成本。

4.3 环境效益

通过现代高科技信息化手段，建设灌区综合信息化调度管理系统项目，实现增加水资源实际利用率、减少水资源浪费、改善生态环境的目标，为促进环境逐步改善、生态逐步恢复的生态发展规划提供有力支撑。

5 结语

潘庄灌区综合信息化调度管理系统的规划建设以“数字水利”“智慧水利”为中心，全面贯彻实施统一规划、统一标准、统一平台、统一数据的“四统一”要求，实现了电子监控网络与水政执法队伍、地方公安系统、工程管理人员的“四位一体”管理模式。

信息化调度管理系统强大的空间数据、属性数据网络管理以及高效的查询检索功能，为灌区管理过程中实时获取信息，为决策分析提供了一个有效的工作平台和可靠的技术支撑，从而全面提升灌区控制管理能力、范围和水平，实现精准化、智能化、现代化的管理目标。