陈明恩，金浪滨，林利通

（杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

国外发达国家灌溉水管理朝着信息化、高效化不断发展，灌区自动化管理水平高；国内灌区信息化建设开始较晚，早期也只是一些水利科研单位开展研究和试点，经过多年发展，水利信息化已具备一定基础，进入全方位、多层次推进建设阶段。但总体来说国内灌区信息化管理水平仍比较落后，主要表现为：①灌区信息采集点少、手段落后。②信息化建设没有统一规划，信息共享性差。③系统综合集成能力差。④管理人员信息化意识低，重硬件、轻软件[1]。本研究以绍兴市上虞区上浦闸灌区为例，根据灌区现状问题和实际需求提出灌区信息化建设解决思路，设计一套经济、实用、可靠的灌区自动化控制系统。

2 灌区运行管理现状

上浦闸灌区现状：①本次自动化改造建设共涉及11座水闸，均能在现场通过电动控制箱对闸门进行启闭操作，现场设备满足自动化改造要求。②部分闸站已安装摄像机，并通过运营商专线网络将视频图像传输至上浦闸运行管理中心中控室。③部分水闸已安装水位监测设备，通过无线传输方式把数据汇集到上浦闸运行管理中心中控室。

上浦闸灌区基本采用人工值守的运行管理模式，无计算机监控系统，闸门启闭操作由人工现地手动控制实现。部分水闸建设视频监视系统，但只能监视闸室内的情况，无法实时监视闸门及上下游情况。管理人员无法实时获取水闸工程各项运行数据，机电设备的保护不够完善，缺少远程控制的后备保护。汛期时，雨情、水位变化很快，往往人工采集汇报的数据到决策时就已经滞后，防汛指令无法及时有效地执行，导致防汛措施和实际情况脱节。无法及时对灾害做出有效反应，成为影响防洪排涝的主要因素。

3 系统分析与设计

为使整个上浦闸灌区工程能可靠、高效、安全、标准、经济地运行，本系统采用先进的计算机技术、自动控制技术、数字图像监控技术、网络通讯技术、互联网技术和图形显示技术。所有数据均在调度中心进行集中采集、处理、记录、调度，以实现系统的高效化管理。

3.1 系统总体架构

上浦闸灌区自动化控制系统采用分层分布式结构，系统功能分级、设备分布布置，通过移动运营商网络实现监测调度数据的传输。系统框架按照分层与分模块的设计，预留扩展接口，便于后期第三方接入。整个系统包括应用层、支撑层、数据层、采集层等多个层次。应用层主要指功能应用；支撑层主要是软件支撑；数据层包括各数据库内容；采集层主要指各个具体数据的采集系统。系统总体架构见图1。

图1 系统总体架构图

3.2 计算机监控系统

计算机监控系统基于运行管理需要，分为现地控制层和集中控制层。集中控制层是灌区工程的实时监控中心，设在上浦闸运行管理中心，主要负责完成各闸站主要设备的重要参数的检测，并发送控制命令，完成信息显示、分析、处理、提炼、记录等复杂的功能。集中控制层由布置在中控室的服务器、交换机、在线式UPS、计算机人机接口设备、打印机等设备组成，通过以太网交换机，将现地控制系统的各设备信号反馈至服务器，实现在中控室完成对各闸站的设备进行远程集中控制的功能，通讯协议采用工业以太网TCP/IP。

现地控制层设备设在各水闸启闭机室，内设PLC[2]等多种智能化设备，能自动收集有关信息，执行相关程序，并作相应处理和存储，可以接受集中控制层的指令等。该层还包含传统的电气二次控制回路，控制功能简单有效，作为系统的备用操作手段，进一步为系统稳定运行提供了保障。现地控制由LCU[3]柜实现，LCU柜内配置PLC模块及转换开关等。LCU柜将现地控制柜及重要辅机设备控制信号采集，由PLC逻辑判断实现闸门的智能启停运行。LCU柜采集水闸范围内各重要辅助设备的控制状态、电源继电保护等信号，通过网络交换机，LCU柜与集控服务器通信。计算机监控系统结构见图2。

图2 计算机监控系统结构图

3.3 视频监视系统

视频监视系统主要由前端设备、存储设备、通信网络和视频工作站组成。前端设备包括网络摄像机、网线、防雷器等部件；存储设备包括磁盘阵列[4]、流媒体服务器等；通信网络由交换机和运营商专线网络组成；视频工作站布置在中控室，主要对各个闸站的监控画面进行显示、控制。

视频监视系统采用全数字高清网络监控的方案。图像信号由前端监视点设备采集后，通过交换机先存储在闸站内的硬盘录像机，同时通过运营商专线网络传输至中控室的磁盘阵列进行存储；运行人员可在视频工作站上实时观看各路前端视频图像，并实现视频分割和切换显示操作。系统可根据需要由中心运行管理人员通过操作网络键盘对输入的前端监视点摄像机进行远程控制操作。视频监视系统结构见图3。

图3 视频监视系统结构图

3.4 语音预警广播系统

语音预警广播系统作为视频监视系统的辅助系统，其建设是为了满足远程控制监管的需要。系统为管理人员远程监管和调度指挥提供便捷及有效的预警方式，防止出现人身和财产损失。

语音预警广播系统由广播预警主机、广播预警寻呼话筒、IP广播及附属设备构成。广播预警主机和寻呼话筒布置于中控室，IP广播安装于各个水闸，在中控室实现对各水闸的IP广播进行远程喊话，在闸门启闭前提醒周围人员，防止出现安全事故。语音预警广播系统结构见图4。

图4 语音预警广播系统结构图

3.5 中心站系统

上虞区上浦闸运行管理中心中控室和机房作为本工程各项数据接收、存储、处理和交换的中心，实现上虞区灌区自动化工程的统一调度。调度中心为上浦闸灌区运行管理的主要工作场所，主要布置有一套LED小间距大屏显示系统，用于显示各路监控、监测图像画面、综合运行管理系统及各类数据报表，通过集成的显示系统及中控系统，集中展现各项监控、监测数据信息及图像信息，全面展示上浦闸灌区运行情况；设置集成操作工作台一套，并配备操作员工作站、图形工作站、打印机，用于日常操作、调度、监控和办公；机房布置在LED大屏背侧，主要有模块化机柜、UPS电源、精密空调等。

4 系统建设成果应用

图5为灌区水闸自动化控制系统主页面图，系统通过俯视图定位灌区内11座水闸位置，同时将PLC通讯状态，闸门LCU柜电源信号，闸门开度和开关信息，上下游水位等关键控制信息在界面上进行展示，通过主页可直观掌控灌区整体水情和所有水闸工况，并根据调度需要作针对性部署。

图5 灌区水闸自动化控制主页面图

以南穴闸控制为例，控制界面见图6，在开闸前点击广播图标，调用广播预警系统进行预警，预警10 min后，预警成功，预警有效保持时间为30 min（30 min内可以操作闸门）。预警完成后再点击视频图标，调用上下游图像，查看周围环境，确保开闸安全后，点击完成视频确认，闸门变为可控状态，可进行闸门启闭控制。

图6 南穴水闸控制流程界面图

5 结 语

上浦闸灌区自动化改造建设符合智慧水利数字化、网络化、智能化的发展要求，为建成水利行业全覆盖的天空地一体化水利感知网和高速安全的新一代水利信息网[5]添砖加瓦。随着水利行业信息化和智能化的发展，距离建成全面支撑水利业务应用的大数据中心，全面形成水利业务智能应用体系和网络安全防护体系，全面提升水公共服务能力的局面越来越近。但是，如何根据当前科技发展水平，针对不同水利业务的需求，合理地完善数字灌区设计方案，仍需不断探索和思考。