洪泽湖管理处水利综合管控系统建设方案研究

张友明，谈 震，简 丹，王海伟

（1.江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 洪泽 223100；2.南京南瑞集团公司，江苏 南京 211006）

洪泽湖管理处水利综合管控系统建设方案研究

张友明1，谈 震2，简 丹1，王海伟1

（1.江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 洪泽 223100；
2.南京南瑞集团公司，江苏 南京 211006）

通过对洪泽湖管理处所辖水利工程当前自动控制系统建设运行现状的调研及集中控制需求等方面的分析，提出水利工程综合管控系统的建设方案，从设计思路、网络结构、总体架构等方面进行详细阐述，在此基础上分析综合管控系统与传统集中控制系统的不同，综合管控系统的优势，对水利工程管理单位集中控制系统的方案设计具有一定的参考作用。

水利工程；集中控制系统；综合管控系统；洪泽湖；水利信息化

0 引言

江苏省洪泽湖水利工程管理处（以下简称洪泽湖管理处），隶属于江苏省水利厅，负责管理三河闸、三河船闸、洪泽湖大堤、石港泵站等 8 座大中型水利工程，协助做好洪泽湖的保护、开发、利用和管理工作，承担淮河下游联防指挥部办公室的职责。洪泽湖管理处下设 4 个管理所，具体负责所管水利工程管理工作。

洪泽湖管理处水利工程数量不多，但种类齐全，且多为流域骨干水利工程，地位十分重要。其中三河闸为淮河入江水道控制口门，设计流量12 000 m3/s，为大（1）型水闸；洪泽湖大堤为千年古堰，1 级堤防；石港泵站为宝应湖地区主要排涝泵站，2013 年 11 月起拆除重建，排涝规模 90 m3/s，为大（2）型泵站。

为进一步提高自动化管理水平，充分发挥工程效益，根据现代化规划部署[1-2]，借鉴类似管理单位的建设经验[3]，在原有自动监控系统基础上，研究建设洪泽湖管理处水利工程综合管控系统（以下简称综合管控系统），建成管理处级水利信息中心，实现全处水利工程的集中管理、监控，提高工程安全高效运行水平。

1 原有自动控制系统现状

1.1 自动控制系统现状

三河船闸工程自动控制及视频监视系统 2007 年建成；三河闸自动控制和视频监视系统 2002 年建成，2014 年 5 月完成升级改造；石港泵站自动控制及视频监视系统将于 2015 年建成；洪泽湖大堤安全监测自动化系统，包含大堤渗流自动监测和重点区域视频监视系统，2014 年 5 月建成。目前已建成覆盖石港站、三河闸（上下游水位、雨量）、蒋坝 5 个点的水情遥测系统。

1.2 自动控制运行现状

日前已建成的各自动控制子系统运行稳定，但存在以下缺陷：

1）缺少信息系统的顶层设计，管理处没有建成集中控制系统，只能通过访问各独立子系统数据库了解实时水情、三河闸视频信息；

2）未建成统一的数据共享、管理、展示平台；

3）在三河闸、三河船闸下游水位变化较大时缺乏自动预警手段。

2 综合管控系统建设方案

2.1 综合管控系统设计

在保证现地层系统功能和数据能独立使用的前提下，以工程调度业务的工作流程为主线，通过数学模型、虚拟仿真、自动控制、地理信息系统等技术手段，在调度信息中心层对系统进行整合，建立一个适应洪泽湖管理处工程特点的，涵盖信息采集、传输、处理、存储、管理、服务、应用、决策支持和远程监控等流程的综合管控系统，及时准确地对管理范围内的水情、水量、图像、视频、工情等信息进行自动化汇集存储，共享分发，预测预警和决策支持，实现对水利工程远程集中监控、实时监测和管理，逐步达到“采集自动化、传输网络化、集成标准化、管控一体化、决策智能化”的目标，全面提高工程管理各项业务的处理能力。

2.2 综合管控系统网络结构

为体现管理单位的组织机构和调度控制特点，采用分层分区网络结构，总体网络结构如图1 所示。

1）分层（纵向）。考虑到洪泽湖管理处和管理所在调度、计算机控制、工程管理、工程运行等方面各自不同的应用需求，分为以下 2 层：第 1 层为洪泽湖管理处调度层，部署综合监控、防汛应急、会商支持、公众服务等功能；第 2 层为管理所层，布设闸泵站现地监控、视频监视、水情测报、大堤安全监测等现地自动化系统。

2）分区（横向）。分为生产控制区（内网）、办公信息区（外网）。生产控制区（内网），用于支撑计算机监控系统、水情测报、工程安全监测等不同业务；办公信息区（外网），用于支撑视频监视、综合信息发布服务（水工情 GIS 查询、移动业务应用等）、管理处和管理所两级的办公自动化业务和对外信息发布的门户。生产控制区与管理区通过网闸或防火墙等安全设备进行逻辑隔离，保证生产控制区信息的安全。

图1 系统总体网络结构

2.3 综合管控系统总体架构

建设统一的数据中心和水利综合管控系统，实现工程自动监控、视频监视、水情测报、工程安全监测等系统业务数据的统一采集与交互，实现各业务数据的统一存储、备份与维护管理；建立一体化的软件平台，包括应用支撑平台、统一的数据资源管理平台、数据采集与交互平台，并实现在一个平台上多种业务的统一应用[4]，总体架构如图2 所示。

数据采集与交互平台实现全线现场各类专业数据的采集处理与信息下发，实现与其它外部系统的通信与数据交换，包括采集闸站设备运行状态、水情、安全监测等数据，并按统一数据资源管理平台接口要求写入数据资源管理平台；数据通信与采集系统提供可配置的、透明的、统一的、满足安全要求的各类通信接口，支持与各类计算机监控、水情采集、工程安全监测等系统的通信接入。

数据资源管理平台针对工程各业务工作流程的特点，建立统一的数据模型，通过采用成熟的数据库、数据存储和处理等技术，建立分布式网络存储管理体系，满足海量数据的存储管理要求，通过采用备份等容灾技术，保证数据的安全性，整合系统资源，保证数据的一致性和完整性，并形成统一的数据存储与交换和数据共享访问机制，为一体化应用平台建设及闸站监控、水情水调、安全监测等应用系统提供统一的数据支撑。

应用支撑平台为各类业务应用提供一体化的支撑平台，主要包括数据处理、权限管理、数据查询、报表、图形框架、综合报警、综合展示、数据通讯、控制服务等功能。采用面向服务（SOA）的组件模型架构，具备通信消息基于平台的发布机制。

多业务统一应用平台充分结合空间数据库引擎、组件式 GIS、VR（虚拟现实）三维 GIS 和 Web GIS 等 GIS 新技术[5]，深入研究和理解各物理量变化关系、与时空要素的关系，辅助解决各类复杂问题。侧重于展示和管理与地理位置相关的各类数据信息，深入研究生产管理中的业务特点和流程，使数据的展示和管理符合实际需求，提供多种绘制样式，能够对数据的大小、状态、变化过程等情况进行展示。用户可以结合底层叠加的影像和矢量数据，对整个系统的运行状态、相互关系等有全面和清晰直观的认识。

图2 系统总体架构

3 传统集中控制架构的不足

以往洪泽湖水利信息化建设中通常采用传统集中控制的方式架构，由多个功能单一的信息化子系统集成而成，如泵闸站测控、工程安全监测、雨水情测报、水质监测、视频监视等子系统。这样的架构往往存在以下问题：

1）各系统相互独立，无统一的数据中心，只能通过通信方式实现数据交换。由于各子系统功能相互独立，还处在只实现各子系统基本功能的状况，系统之间的数据无法得到有效交互、共享，信息孤岛现象普遍，不利于信息与应用的交互，不能实现水利工程的整体联合调度和经济运行及工程安全分析评估。

2）由于各子系统生产厂家不完全相同，采用的硬件及软件平台不同，导致目前的水利工程综合信息化系统存在构成复杂、资源配置冗余、子系统数据接口不统一、数据无法直接共享、运行管理不便及后期管理维护费用高、决策难度大等问题。

3）各子系统分散建设，网络需求不一，无法统筹设计网络，增减业务应用后内外网、控制管理区混乱使用，增加了病毒风险。

这些问题阻碍了洪泽湖水利工程信息化综合水平的提高，不利于水利工程运行管理、安全水平及工程效益的进一步提高。洪泽湖综合管控系统与传统架构对比如图3 所示。

图3 管控系统与传统架构对比

4 综合管控系统的优势

洪泽湖综合管控系统平台由于运用当前先进的计算机、自动控制、信息处理等技术，充分吸收智能水电厂相关研究成果，具有 5 方面的优势。

4.1 多业务专业融合

为了能够灵活适应业务需求的变化，面对新应用具有可扩展性，在信息和应用资源方面高度共享，避免形成一个个信息孤岛，提高信息利用率[6]，建立的统一数据中心和综合管控系统，在获取现有工程的水雨情、闸控、工程安全监测及视频图像信息后，可对数据进行整理、统计、分析、存储，并提供统一的访问机制，达到信息资源共享和业务协同、多专业业务与多系统一体化监控的目标，大幅提升水利工程管理效率。

4.2 数据库标准统一

按照行业标准，综合管控系统平台提供统一的数据展现、业务集成、UI（用户界面）设计、GIS服务等标准[7]。同时，根据行业及管理处实际，数据资源设计时参考各专业模型标准，如 D5000 水电数据模型、SL323 实时雨水情、SL324 基础水文、安全监测等相关行业习惯，设计工程运行管理历史数据统一规范的表结构。利用统一标准的接口定义扩展各类数据访问业务接口[8]。

各闸站统一命名，数据表分运行数据表、统计表等。统一规范的表结构，为后期主管部门调度系统的数据访问提供方便。

4.3 与现地智能设备直接通讯

由于现地各闸泵站监控系统设计时充分考虑智能关键设备以太网标准应用协议的接口，综合管控平台接入时直接与现场智能设备（如 PLC）通讯，在现地站上位机软件出现故障或电脑断电情况下，不影响调度中心的数据采集与显示。

4.4 智能预警

智能预警在水利工程综合管控技术体系中占据重要地位，是体现系统智能化的关键点。水利工程预警体系主要包括水文预报、防汛应急、供水能力不足、工程安全、消防、动力环境等的预警，以及水质安全评价及预警。依靠一体化管控支撑平台的实时数据采集处理功能，针对物理特性建立的各种数学仿真模型，以及改进的快速智能优化求解算法，所有预警模块均可以实现自动在线预警响应及处理。

4.5 高级应用及决策支持接口预留

以专业融合与规范的数据共享原则为基础，在水利信息化、现代化对管理水平提出更高要求的情况下，后期将在综合管控系统平台的基础上扩展调度与经济运行管理、防洪抗旱、工程事故应急、工程安全分析与评估、安全防护联动等多个高级应用功能及决策支持系统，提高工程运行管理水平，减少能耗，提高经济效益，提高洪泽湖大堤、三河闸等工程防洪抗旱能力，保证人民群众生命财产安全。

5 结语

建立水利工程综合管控系统，可实现现场数据的统一采集、业务数据的统一管理、应用系统的统一平台，具有技术先进、管理方便、经济合理等特点，能满足洪泽湖管理处水利工程信息化建设的需求。

综合管控系统建成后，需加强运行管理和维护，拓展业务应用系统功能，并进行总结、升级改造，不断提高水利工程管理信息化水平。

[1] 江苏水利厅.江苏水利现代化规划（2011—2020）[R].南京：江苏省水利厅，2012: 53-57.

[2] 江苏省洪泽湖水利工程管理处.江苏省洪泽湖水利工程管理现代化规划（2011—2020）[R].洪泽：江苏省洪泽湖水利工程管理处，2013: 29-31.

[3] 雍成林，薛井俊.江都水利枢纽集中控制系统的研究与探讨[J].水利信息化，2014 (2): 50-54.

[4] 夏智娟，郑健兵，吴宁.水利工程综合管控系统元数据管理设计[J].水电自动化与大坝监测，2013 (2): 19-22.

[5] 刘仁义.集成多种 GIS 平台和技术的浙江省水利综合管理信息系统研究[J].浙江大学学报 ：理学版，2001 (2): 204-208.

[6] 蒋斌，黄海田，王朝俊.江苏水利信息化与自动化的现状及其发展方向[J].水利水文自动化，2010 (1): 19-23.

[7] 中华人民共和国水利部.加快推进水利信息化资源整合与共享指导意见[R].北京：中华人民共和国水利部，2008: 3-7.

[8] 高磊，李永红，郑健兵.智能水电厂一体化数据平台设计[J].水电自动化与大坝监测，2012 (1): 11-14.

Construction Scheme Research on Water Conservancy Integrated Management and Control System in Hydraulic Engineering for Hongze Lake Management Division

ZHANG Youming1,TAN Zhen2,JIAN Dan1,WANG Haiwei1(1.Jiangsu Provincial Hongze Lake Hydraulic Engineering Management Division,Hongze 223100,China;
2.NARI Group Corporation,Nanjing 211006,China)

Through the research of completed automatic control system in hydraulic engineering for Hongze Lake Management Division and the analysis of centralized control requirements,the paper proposes the construction scheme of integrated management and control system in hydraulic engineering,elaborates design ideas,network structure and system architecture.In addition,it analyzes the difference between the integrated management control system and the traditional control system,and the advantage of integrated management control system.This paper gives certain references in the design of information system for the management division.

hydraulic engineering;centralized control system;integrated management and control system;Hongze Lake;water resources informatization

TV21

A

1674-9405(2015)01-0063-05

2014-09-12

张友明（1974－），男，江苏灌南人，高级工程师，主要从事水利工程建设与管理工作。