智慧水利水闸系统设计与实现

孙国庆++陈江天++张文剑++王勇

摘 要：文中针对闸站群水闸数量众多、地理位置分散，运行管理实时性、可靠性要求高等问题，采用物联网、GIS、云计算、智能控制等先进信息技术，实时采集闸站数据，基于智慧水利云平台构建智慧水闸系统，结合内涝预警系统、河道湖泊巡查数据综合分析，实现水闸、水泵的远程可视化集中统一管理和智能联合调度，确保水闸高效、经济、安全运行。

关键词：水闸；地理信息系统；智能调度；智慧水利

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）10-00-02

0 引 言

水闸是重要的水利设施之一，在泄洪抗灾等方面具有重要作用，吴中区水网稠密，湖泊河道众多，已建成基础水利站点300多个，分布在吴中区的不同位置，作为挡潮排涝的重要枢纽，现有水闸运行系统无法实现远程监控功能和智能水量调控功能，不能满足实时监管需求。

智慧水利水闸系统研究闸站群的实时监测和运行管理，针对闸站群水闸数量众多、地域分散，运行管理的实时性、可靠性要求高等特征，采用物联网、云计算、大数据等先进信息技术，建设智慧水利云平台，实时采集河道水位信息，结合内涝预警系统数据、河道湖泊巡查数据进行综合分析，智能调控各个闸站闸门、水泵等设备，实现统一集中管理，实时监测和智能调度，实现各河道水闸远程统一管理，切实增强防汛抗旱及水资源、水环境保护能力，实现人水和谐。

1 系统设计

1.1 建设目标

建设覆盖吴中区水系范围的水利闸站自动控制、水利信息监测、远程视频监控等系统，改造吴中区水利监控中心和分控中心，新建水利数据中心、水利监控专网，搭建智慧水利软件平台，实现集信息采集、自动控制和指挥调度为一体的现代化水利信息系统。系统实现闸门信息的实时采集，以及相关环境参数和启闭设备的监视、控制及管理，使闸门启闭准确无误。实现各河道水闸远程统一管理，现场不需值班人员，只需不定期巡视即可，达到减员增效，降低管理成本的目的，在充分利用现有系统和资源的基础上，实现吴中地区水资源优化配置，提高水资源利用效率和保护能力，增强防汛抗旱能力。

1.2 系统功能

吴中区智慧水利水闸系统通过与现有水利已经建设的各业务系统融合，全面、高效、便捷的监控水利工程设施实时工况及运行管理的全过程。在防汛抗灾等重要时期，在吴中区水利局监控中心及相关业务系统能够汇合集中所有实时资料信息，并以GIS为基础，以实时图像、图表、声音、曲线、报表等直观方式进行展示。

可远程实时监测闸门状态、上下游水位等信息；远程实时监测水泵、阀门等运行状态、故障信息以及水泵进出口压力等信息；远程点动控制闸门开关状态；远程点动控制水泵、阀门的开关状态；根据水位自动控制闸门启闭；参数设置和调整；根据水位及系统运行需求设定工况，自动控制闸门、水泵及阀门；根据防汛抗旱系统数据综合分析结果自动控制闸门、水泵及阀门；具有系统运行信息、水位水情信息存储、查询等功能，并能生成报表、曲线等；系统故障、水位越线报警等。

1.3 系统组成

智慧水利水闸系统分为调度管理系统、分控中心、现地控制三部分，由服务器、操作员站、网络设备、自动控制系统、智慧水利平台软件、视频监控、智能电表及水位、压力、开度等传感器组成，采用分层分布式体系结构。智慧水利水闸系统网络拓扑示意图如图1所示。

1.4 智慧水利平台软件

智慧水利平台软件以GIS平台为基础，构建基于SOA的共性服务平台和运行管理平台，实现信息和服务资源共享。系统融合吴中区基础地理地形数据，标注摄像头、水闸、泵站、内涝预警系统监测站地理位置，实现管理目标快速定位，能够快速浏览、查询历史资料与实时信息和预测信息；采集各闸站实时数据，数据处理后叠加在智慧水利平台软件上，在水利局调度中心操作员站和大屏幕上展示，供调度指挥人员及时掌握各站点的运行情况。智慧水利平台软件架构如图2所示。

通过综合分析各种实时数据，及时制定或优化调度方案，对闸（泵）站进行实时监控，根据防洪抗旱联合調度方案调度控制闸站设备。通过遥测数据和视频等实时上传的信息合理调度工作人员进行防洪抢险、水环境保护、物资调度。建设专项数据库和数据服务，存储、发布闸站数据，融入水利公共信息资源库，实现数据资源的统一管理和统一存储，对智慧水利各业务系统提供统一的数据资源支撑和共性服务，并为其他业务领域提供信息服务。

智慧水利软件基础功能模块包括GIS、视频监控、实时展示、数据分析、数据报表、决策支持以及水利设施设备电子档案等，实现闸站群的运行监测、智能调度、视频监测以及设施设备管理等功能。

1.4.1 运行监测

总体监测以GIS为底图，标注各闸站的地理位置，点击可进入对应闸站运行监测界面，实时显示闸门开闭状态，闸前、闸后水位，以及闸门启闭的整个过程。闸门操作时，可调出视频监控窗口，结合实时采集的闸门开度、电机电流、电压等实时参数，实现远程操作的可视化，确保系统安全。

1.4.2 智能调度

智能调度系统随着水位监测数据的更新和内涝预警系统闸站动作策略发送调度指令。根据闸站、河道监测点监测到的水位信息，天气预报的降水、风力等情况，同时兼顾水闸的挡潮、排淡、过鱼、拦污、通航等功能，生成相关调度指令以控制水闸、水泵的开关，实现闸站的智能联合调度，达到防洪、排涝的目的。

1.4.3 视频管理

查看闸站实时运行情况，实现安防功能。有云台控制的摄像机可进行云台控制，所有视频画面可进行抓图、保存。利用多种视频点播手段查看视频，多模式的显示方式实现闸站实时监视，通过执行轮巡预案、区域组预案，动态掌握闸站现场实时态势；视频回查实现视频查询功能，通过视频快照、视频倒放、播放控制等功能快速定位查询内容。endprint

1.4.4 设施设备管理

闸站群包含的设施设备数量大，种类多，应建立电子档案，管理各种基础数据和设备信息，包括地理位置、编号、建成时间、投运时间、检修时间、设备厂家及参数等。

1.5 自动控制系统

闸站自动控制系统分为主控制级和现地控制级。主控制级负责完成整个闸站的监视和控制。现地控制单元具有相对独立性，能脱离主控制层直接完成闸控过程实时数据的采集和预处理，以及各设备状态监视、调整和控制等功能。

1.5.1 现地控制系统

采用基于PLC的闸门、水泵自动控制系统，控制方式简便，PLC配置以太网通讯模块和模拟量、开关量输入输出模块，水闸控制系统增加SSI模块，用于接收闸门开度信息。水闸和水泵各设置一套现地控制单元，实现现地控制功能，与分控中心、调度中心通过以太网方式通讯，实现数据交换，并能接收调度指令。

人机界面：现地LCU设置操作终端根据系统的控制要求设计各操作界面，现场操作人员根据屏幕上的中文提示，轻触屏幕上的按钮来控制闸门的启闭，同时又可在屏幕上查看电机工作电压、电流，以及闸位和水位的实时数据，显示各种故障和报警信息等，具有显示直观，操作简便等特点。

控制策略：水闸根据河道、湖泊水位或接收调度指令可实现全开、全关及开到设定开度位置等，通过水闸开度仪实时监测开度，开到相应位置时自动关闭水闸电机；水泵根据水位自动启停及开关阀门，在正常水位时，各水泵自动轮换工作，在危险水位时，自动投入必要数量的水泵；根据所监测的水位信号，设定低水位、中水位和高水位信号。可设置各种运行工况，如低水位时停泵；中水位时水泵2台运行、2台备用；高水位时，依据水位上升趋势，依次开启1#、2#、3#、4#水泵。实现泵阀联动控制，对运行中的各种参数进行实时监控。

系统保护：主回路和电机的继电保护功能由带脱扣装置的断路器及热继电器实现，具有短路、过载等功能。继电保护信号独立于现地控制单元，通过直接作用于控制回路来切断主回路电源，保护负载设备。同时设有继电保护信号显示功能，并能通过现地控制单元实现远程通讯，将故障信息传递给水闸控制单元。

1.5.2 分控中心

通常情况下配置一台操作员工作站，关键的水利枢纽闸站可采用双机冗余热備工作方式。正常情况下一台工作，一台备用，主计算机故障，则由备用计算机接替，自动完成双机无扰动切换。部署监控平台，监控平台通过数据管理器进行标签管理，定义现地控制单元的过程变量或内部变量标签，周期性读取位状态，自动采集各现地控制单元的状态量，实现现场数据实时采集、显示、报警和操控，能够接收调度系统发来的调度指令并返回指令执行结果。

2 结 语

本文针对闸站群地理位置分散、水闸数量众多等特点，借助智慧水利项目建设，设计智能控制系统和水闸软件，实现闸站群的智能联合调度。吴中区智慧水利项目一期已建设完成并投入运行，实现闸站群运行管理预期目标，该项目的成功实施为类似闸站群实现集中高效管理提供了实践经验，具有一定的参考价值。

参考文献

[1]曹宏文.数字水利到智慧水利的构想[J].测绘标准化，2013（4）：26-29.

[2]王忠静，王光谦，王建华，等.基于水联网及智慧水利提高水资源效能[J].水利水电技术，2013，44（1）：1-6.

[3]孙国庆.基于GIS的智慧水务平台软件设计与实现[J].物联网技术，2017，7（6）：100-102.

[4]李全保，马小平，孟琳山.基于PLC的水闸远程监控系统设计[J].水电能源科学，2012 （12）：133-135.

[5]马常霞，王文明，张占强，等.基于安卓的闸站智能调度系统的研发[J].淮海工学院学报（自然科学版），2015，24（4）：17-21.

[6]南京市物联网产业联盟.“智慧水利”为雨季江苏保驾护航[J].物联网技术，2011，1（2）：38.

[7]赫晓慧，李紫薇，郭恒亮，等.郑州市智慧水务体系构建与关键技术研究[J].水利信息化，2016（6）：61-66.

[8]马士玲.物联网技术在智慧城市建设中的应用[J].物联网技术，2012，2（2）：70-72.endprint