南水北调东线一期工程山东段调度运行管理系统需求分析与设计实现

徐永兵，孙水英（山东省水利勘测设计院，山东济南250013）



南水北调东线一期工程山东段调度运行管理系统需求分析与设计实现

徐永兵，孙水英
（山东省水利勘测设计院，山东济南250013）

南水北调东线工程是一项旨在缓解山东、天津等北方省市水资源短缺的国家战略性调水工程。山东段调度运行管理系统是山东段干线工程运营管理的支撑系统，对山东段干线工程的高效运行、可靠监控、科学调度和安全管理起着至关重要作用。本文从调度运行系统的需求入手，就系统用户、输水工程特点及系统功能等方面展开分析，明确了系统设计原则，梳理了系统设计思路，进行了系统总体架构的设计。本文还就输水控制关键技术方案展开了论证，建议目前采用分三阶段进行输水控制方式，待今后条件成熟时再实行实时闭环自动控制方式。

南水北调；运行管理系统；需求分析；输水控制；关键技术

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.008

南水北调东线一期山东段工程主干线自苏鲁省界进入韩庄运河，经台儿庄、万年闸、韩庄泵站提水进入南四湖的下级湖，由二级坝泵站提水进入上级湖，经湖内航道进入梁济运河，由长沟、邓楼泵站提水进入柳长河，再由八里湾泵站提水入东平湖，经东平湖后，分两路分别向黄河以北和胶东地区供水。向黄河北供水线路，经穿黄隧洞过黄河，自流进入小运河至临清，一期经七一、六五河进入大屯水库；二期经穿卫枢纽工程向河北省、天津市供水［1］。向胶东地区供水线路，由东平湖渠首闸引水，经胶东输水干渠输水，向济南市及其以东地区供水。工程在山东境内分为南北、东西两大输水干线，形成“T”字形输水大动脉，干线长1191.81km。

针对山东段工程具有线路长、供水范围大、用水户多、控制性建筑物多、水质污染源多、影响调水计划的因素多、运行管理机构地域分布广和层次多、管理复杂、系统庞杂的特点，需采用先进的信息采集［2］、信息处理，自动化控制、通信和计算机网络、视频监视、数据库及信息管理技术以及现代化的运营、维护、管理理念，建设一套完善的、先进的调度运行管理系统来对工程进行运营、维护和管理，确保山东段干线输水安全、可靠、长期、稳定、经济运行［3］。

1 需求分析

围绕着实现供水目标，分析工程调度特点和业务流程，系统总体需求归纳为：全线水量统一调度，全线输水分段闭环自动控制，保障全程调水安全、保障工程运行安全，快速响应突发事件、进行调度会商科学决策。

1.1 系统用户分析

（1）主管上级用户：能够了解调水工作情况、水事件处理情况、审批调水指标和计划，协调处理相关事宜，具有与上级主管部门联网和交换数据信息的功能。

（2）会商决策用户：对调水方案进行决策会商，面对突发事件进行分析决策，系统提供的决策信息环境尽可能地再现现场或者仿真未来情形，为决策者做出正确的决定提供依据。

（3）调度作业用户：从事调水运行方案制定、调度计划编制、实施调水计划监控、工程运行监测与日常管理。

（4）普通员工用户：需要进行日常办公、公文及文件处理、各种信息查询和互联网信息浏览。

（5）社会公众用户：需要了解供水水质信息、水量信息，以及用户取水许可、用水申请、缴纳水费等内容。

1.2 输水工程调度分析

1.2.1 输水工程特点

时空差异大：山东段三片输水时间不同，其中鲁南片从南四湖、东平湖引水，引水时间为240天；胶东片从胶东干线引水，引水时间按胶东干线总体水量调度方案设置；鲁北片从鲁北干线引水，引水时间122天。时空差异大决定了调水控制方式，要求最终应具有全线实时闭环自动控制功能和分三片实时闭环自动控制功能。

调水过程控制复杂：工程调水与防洪、排涝、灌溉和航运等功能相互结合，而且沿线跨越的河流及道路众多，各类水工建筑物众多，沿线取水口门众多，输水过程复杂；东平湖以南采用梯级泵站提水方式输水，鲁北和胶东地区采用节制闸、分水口门控制方式自流输水，需要考虑联调联控，由于采取分区供水、按时供水，输水控制方式复杂。

水资源分配复杂：东线工程存在本地水与客水的混合配置问题，在供水区内存在现有的跨流域调水和新增的调水并存情况，水资源调配比较复杂。

水质安全隐患多：沿线周边经济快速增长带来排污量的日益增加，城镇、船舶生活污染还没有得到有效控制，加之突发性污染事故时有发生，水质监测任务艰巨。要有实时的、有效的水质监测手段和水质信息收集手段对输水沿线河道、湖泊、水库和各支流汇入输水河道的水质进行监测［4］。

渠道安全隐患多：山东段有不少河流是用于防洪、排涝的，工程安全较易受洪水影响。冰期输水使得工程安全问题尤为突出，需要全面收集工程运行信息，准确分析判断、及时预警，以保障工程的安全运行。

系统庞大复杂：东线工程是一项跨流域的长距离特大型调水工程，跨越区域广、工程规模大、建筑物多、实时控制性强，工程运行调度管理非常复杂，需要先进的自动化调度系统作支撑。

1.2.2 输水工程分类

正常调度：根据各分水口门的供水计划，确定各段的输水流量。

非常调度：供水运行的非常调度情况有以下几个方面：冰期输水、渠道局部检修、计划停水检修、应急调水、突发事故。

1.3 输水调度建设重点

（1）开发建设内容全面、概化与模型适用范围基本独立的水量分配调度模型；开发建设以此模型为基础的、功能完善、适用方便的水调业务处理系统，是实现本工程调水目标的核心。为保证水调业务处理系统的运行，需要闸站监控、视频监视、水质监测、工程安全监测、综合办公等一系列功能的支持。

（2）建设完善的信息采集系统是水量调度运行管理系统的基础，包括自动采集、人工上报、外单位接入的各类信息，信息种类包括受水区社会、经济、生活、气象、水文、需水、用水信息，东线全线气象、水情、工程运行、工程安全、视频监视、水质信息、黄河、淮河、相关防汛信息等［5］。

（3）建设稳定可靠、安全快捷的闸（泵）站监控系统，监控的对象类型较多，包括泵站、闸站、分水口门、退水闸等，对泵、站、分水口门、退水闸实时进行监测和控制将是泵工程实现正常输水后的日常工作任务。

1.4 系统功能及数据需求分析

总体功能需求包括正常情况下如何调水、紧急情况下如何调水、遇到重大问题时有决策会商环境、用于调水的辅助功能及满足企业运营管理的相关功能等。山东段调度运行管理系统的功能需求如图1所示。

根据对调度运行管理的功能需求分析，系统所需要的数据包括如下几类：水量调度数据、闸（泵）站监控数据、工程安全监测数据、水质监测数据、水情监测数据、工程管理数据、视频监视数据、水量调度仿真数据等。

1.5 系统性能及接口需求分析

要求系统功能齐全、响应速度快、人机界面友好、易操作、易维护、具有较强的容错能力，与相关系统、平台、数据等的接口设计全面清晰，系统运行稳定、安全可靠。

本系统是一个涉及区域广、庞大的业务系统，需要获得外部水情、雨情、洪水预报信息，以充分利用社会资源［6］；同时，向外部提供调水有关信息服务社会，主要接口：

（1）主管部门：国调办、水利部、省水利厅等上级主管部门，系统向上报送、请示，或回报情况，其接口可以是远程终端，也可能是专线应用系统级的联网。

（2）有关部委：如：国家防办、省气象部门、国土资源局、国家地震局等有关业务部门，相互之间互通信息，保障水量调度业务的正常运行，其接口可以是专线数据联网。

图1 南水北调东线工程山东段调度运行管理系统的功能需求分析示意图

（3）沿线防汛部门：与省水利厅（省防办）等单位互通需水信息或者防汛信息，其接口可以是专线数据联网。

（4）淮委、黄委、海委等流域机构，相互之间互通信息，其接口可以是专线数据联网。

（5）国家级业务系统，南水北调山东段调度运行管理系统在国民经济中占有重要的地位，反恐、水质、安全等方面将与国家级应急响应系统相协调一致。

2 总体设计方案

2.1 设计原则

（1）坚持设计的科学性、合理性和公正性。

（2）坚持设计的统一性、完整性和先进性。

（3）坚持“实用先进、高效可靠”的原则。

（4）遵循“统一规划、统一标准、统一设计、统筹实施”的建设原则。

（5）要从各个层面进行安全系统设计，确保系统和网络、可靠、安全运行。

2.2 设计思路

在对项目的特点、难点进行深入分析和全面理解的基础上，紧紧围绕着水量调度运行管理特点，分析研究系统建设的关键问题，以调水业务为核心，以全线自动控制为重点，统筹考虑工程运行管理、综合办公要求，开发建设能够应对各种调水突发事件和调度决策的会商系统，满足水量调度以及相关业务的用户需求；进行数据采集、传输、存储系统建设，做到采集数据全面、传输及时、数据畅通、信息共享，为调度决策提供功能强大的支持环境。充分考虑系统建设的开放性、可靠性、可维护性和可扩展性。

2.3 系统总体设计

山东段调度运行管理系统是一个作业运行性强、决策支持要求高、用户众多的复杂系统。以水调业务为主，涉及设备控制、图像监控、工程安全监测，水质监测、工程防洪预警、运行维护、自动化办公和综合会商等各个方面。具有空间跨度大，控制节点多，工程运行管理控制复杂，自动化、集成化要求高的特点。其系统建设内容十分广泛，涉及到信息采集、传输、存储、信息标准与管理、应用系统等的建设。整个项目将运用先进的水利和信息技术，以数据的自动采集、泵/闸站的远程自动控制、虚拟现实与模型仿真、宽带网络、大容量数据存取和处理、智能化信息提取、动态互操作、地理信息系统等为技术基础，全面、及时地采集所需数据，快速进行数据传输，安全可靠地进行数据存储管理。并以业务流程为主线，采用多层结构化软件系统技术架构开发应用系统的方式进行建设，为水量调度、信息监测与管理、工程管理、综合办公、综合会商等业务提供数字化的操作平台和决策支撑环境。在该系统的支持下，全面提高水量调度等各项业务的处理能力，实现调水过程的自动化，保证全线调水安全，并运用综合信息管理系统实现企业管理现代化。

系统逻辑构成包括：应用系统、闸（泵）站监控系统、应用支撑平台、数据资源管理平台、信息采集系统、计算机网络系统、通信系统、系统实体运行环境、安全体系、标准规范体系、建设运行管理体系等十一部分，系统总体框架如图2所示。

图2 南水北调东线山东段调度运行管理系统总体框架图

3 输水控制关键技术方案论证

一期工程南四湖下级湖和上级湖均具有输水和调蓄功能［7］，但上级湖在调蓄时不允许抬高上级湖的正常蓄水位，在达到正常蓄水位时，要求调水在南四湖上级湖进出平衡；东平湖的大汶河来水已在黄河水资源中分配，不再作为供水水源，只考虑其对调水水位的影响。东平湖担负着重要的防汛任务，虽有调蓄能力，但在输水期间调蓄能力不利用，即东平湖输水期间没有调蓄职能，要求调水随进随出［8］。因此可以将南四湖上级湖和东平湖看作是特殊输水河道。其输水方式如图3所示。

图3 南水北调东线山东段输水形式示意图

3.1 分三阶段进行输水控制

与东平湖连接的鲁北段、胶东段及八里湾泵站至邓楼泵站段，在输水期间都不能进行调蓄，对输水控制都有实时性要求，而东平湖在南水北调输水期间也不起调蓄作用，因此，上述围绕东平湖三段输水应采用实时闭环自动控制方式。

由于二级坝泵站至韩庄泵站段之间有下级湖调蓄，二级坝泵站至邓楼泵站段之间的梁济运河也有一定的槽蓄作用，对输水控制的实时性要求不高，但有及时性要求。韩庄运河调蓄能力较小，要求3座泵站联动控制。另外三段之间还需进行统一调度控制，以保证开放式河道输水，引调水水量不流失。详见图4。

图4 分三阶段进行输水控制方式示意图

3.2 分两阶段进行输水控制

东平湖、南四湖上级湖、梁济运河在达到正常蓄水位时输水按过水河道考虑，要求由下级湖经二级坝泵站抽上来的北调水及时输走，不能再占用上级湖、东平湖的库容，因此，鲁北段、胶东段、两湖段以及二级坝泵站采取实时闭环集中控制方式。

由于南四湖下级湖有调蓄作用，上级湖与韩庄运河之间可以分片区进行输水控制。两片区之间虽对实时性要求不高，但有及时性要求，因此，两段之间还需进行联动控制，以保证开放式河道输水，引江北调水水量不流失。详见图5。

图5 分两阶段进行输水控制方式示意图

3.3 实时闭环自动控制

不管采用三段控制还是两段控制，为保证开放式河道输水，调水水量不流失，段间还需要统一调度、联动控制。因此，方案三采用全线实时闭环自动控制方式，这也是“无人值班，少人值守”最终目标。详见图6。

图6 实时闭环自动控制方式输水控制方式示意图

3.4 论证结果

由于实时闭环自动控制方式对闸泵站监控系统的安全可靠性和网络的安全性要求较高，要求双路由，设备双备份，因此投资比较大。一般用于没有调蓄设施的自流输水方式。因若实时闭环自动控制方式出现问题，即闸门监控系统出现问题极易造成水溢渠坝、漫堤、渠堤坍塌、溃堤等事故，不仅造成设备损毁、水泵损坏，还会给周边地区人民生命财产带来损失，因此必需确保自流输水时闸站监控系统的安全可靠性和网络的安全可靠性。目前泵站、水库等现地采用“有人值班，少人值守”、节制闸及分水口门等采用“无人值班，少人值守”的运行方式，考虑工期紧，为保证按时完工、节省工程投资、降低运维费用，采用分三阶段进行输水控制方式。待今后条件成熟时或在二期中再进行升级。

4 结语

山东段调度运行管理系统是山东段干线工程运营管理的支撑系统，对山东段干线工程的高效运行、可靠监控、科学调度和安全管理起着至关重要作用。系统将为南水北调东线山东干线水量调度自动化、决策科学化、企业管理现代化奠定基础，也为今后南水北调东线全线联网实现自动化调度奠定了基础。我们根据调度运行系统需求，进行了系统方案的总体设计。根据南水北调东线山东段工程特点，建议目前采用分三阶段进行输水控制方式，待今后条件成熟时再实行实时闭环自动控制方式。

［1］江守钰，陈希媛，彭顺风.南水北调东线第一期工程调度运行管理系统概述［J］.水利水文自动化，2007（01）：15-17.

［2］王根喜.南水北调东线一期工程管理信息系统设计［J］.水利规划与设计，2005（01）：72-74.

［3］闫国福，辛贵升，辛红.南水北调东线第一期工程调度运行管理系统设计［J］.水利水电工程设计，2008（02）：26-28.

［4］矫桂丽，朱丽丽，祖晶.南水北调东线山东段水质监测站点的布设［J］.水利规划与设计，2013（06）：48-50.

［5］周洲，祁洁，沈醉云.大型调水工程运行管理系统的应用设计［J］.水利信息化，2014（05）：54-55.

［6］晋成龙，王根喜，方国材.南水北调东线一期工程通信网络系统设计［J］.水利信息化，2013（05）：60-63.

［7］刘长余，赵培青.论南水北调东线山东段工程规划［J］.水利规划与设计，2007（02）：4-6.

［8］赵培青，武瑞锁，王俊杰.南水北调东线南四湖～东平湖段输水结合航运梯级方案研究［J］.水利规划与设计，2007（02）：7-9.

TV68

B

1672-2469（2016）01-0019-06

2015-09-02

徐永兵（1981年—），男，工程师。