平湖市城市防洪系统南市圩区工程自动化控制系统设计及应用

胡正松，冯 磊，刘 锋，陆乙君，翁 敏，张凯平，丁扬威

（1.杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020；2.平湖市城市防洪工程管理所，浙江 平湖 314200）

1 问题的提出

随着我国社会经济的快速发展，城市化率也随之显著提高，城市作为经济、文化和政治的中心，是社会发展的核心。当前，中国设置有668个建制市，存在防洪任务有639座，其中防洪标准不足50 a一遇的达80%，不足20 a一遇的约占60%，有些小的城市甚至不设防[1]。对比国外，日本大中城市采用100 ～ 200 a一遇的防洪标准，美国陆军工程兵团建议采用200 a一遇的城市防洪标准，瑞士采用100 ～ 500 a一遇的防洪标准，英国伦敦更是采用1 000 a一遇的防洪标准，我国的防洪标准相对较低。一旦遭受暴雨、台风爆潮等的侵害，便会造成严重的经济损失和社会损失。

目前，世界各国城市的防洪措施大同小异，一般依据城市的特点采用堤防、水库和分洪工程对洪水采取拦蓄、排泄、分滞等工程措施。但20世纪60年代以来，国内外在防洪理论和策略上有新的发展，认为城市防洪安全靠工程措施不仅是非人力所能及，也不一定经济合理，采用工程措施和非工程措施相结合成为主流趋势。因此，近20多年，国内外特别强调对洪水的管控，要求做好洪水立法、洪水保险、宣传教育及水土保持等非工程措施，尤其重要的是利用信息化技术加强洪水预报、建立统一的现代化调度中心和报警系统[2]。

由于信息化技术对于现代化城市防洪建设的重要性，平湖市城市防洪系统南市圩区工程采用分层分布式控制系统，系统按少人值守或无人值守的目标进行总体设计和系统配置，同时与原有的城市防洪体系进行无缝衔接，实现对闸泵站设备的重要运行参数和状态的实时监测以及远程控制，为提高平湖城市防洪体系日常运行效率，减轻管理人员的负担，降低运营成本，保障平湖城区包围圈的安全，有效防范洪水的侵袭，保护人民的生命安全和财产安全。同时结合平湖市被列为水利工程标准化管理试点的契机，对实现标准化管理的水闸、泵站进行研究，为其他水利工程标准化创建工作提供很好的借鉴。

2 工程概况

原有平湖市城市防洪工程包围圈面积13.60 km2，堤线总长16.900 km，其中14.980 km以路为堤，1.920 km为新建防洪堤，沿堤各河口建节制闸17座，泵站7座（与闸结合），防洪控制中心1座。防洪标准为50 a一遇，排涝标准为20 a一遇，24 h降雨24 h排出且内河水位不超过2.2 m（1985国家高程基准，下同），排涝流量68 m3/s。

平湖市南市圩区工程包围圈面积1.56 km2，堤线总长5.523 km，其中5.000 km以路为堤，523.0 m结合景观设置土堤，沿堤各河口布置曹兑港闸站和北河溇水闸。本工程防洪标准为20 a一遇；排涝标准为20 a一遇，24 h降雨24 h排出且圩区内控制水位不超过2.2 m。本工程等级为Ⅳ级，相应水工建筑物级别：单闸主要建筑物4级，闸站主要建筑物3级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。

平湖市城市防洪系统控制的闸泵站点多面广，如各个站点均需值守，则要投入大量的人力、物力，同时人工记录的数据散乱且误差较大。因此需要建设自动化控制系统，以实现对闸泵站设备的重要运行参数和状态的实时监测以及远程控制[3]。

2016年1月，浙江省政府印发《全面推行水利工程标准化管理的意见》（以下简称《意见》），浙江省水利厅制订《全面推进水利工程标准化管理实施方案（2016 —2020）》，平湖市被列为浙江全省全面推进水利工程标准化管理的试点，这将有助于加快平湖市城市防洪系统标准化建设的进程，也将进一步提高平湖市城市防洪系统南市圩区工程的管理水平。

依据上述2个文件的精神，水利工程标准化管理即制定完善的工程管理标准、明确工程管护主体、界定工程管理范围、足额保障管护经费、依标落实管理人员，充分利用信息化手段，严格达到相关考核要求[4]。《意见》中明确：“依托和整合现有水利信息资源，建立水利工程标准化管理运行管理平台。”。《浙江省水利工程标准化管理信息化建设总体设计方案要点》也提出：“依托信息技术，构建省、市、县三级监管体系和水利工程运行管理体系”[5]。因此，可以看出充分利用信息化手段显得尤为重要，对平湖市城市防洪系统标准化的建设至关重要。

3 计算机监控系统

3.1 监控系统总体设计

平湖市城市防洪系统南市圩区工程自动化控制系统采用分层分布式控制系统，系统按少人值守或无人值守的目标进行总体设计和系统配置，以满足平湖市南市圩区防洪抗旱、水质调节、船只通航等诸多功能。

系统采用分层分布式系统结构，由城防控制层、现地控制单元（LCU）、现地手动控制层组成。现地手动控制层包括继电器、接触器、电磁阀、示流信号器、软启动器、水位传感器、按钮、指示灯、交通灯、广播等，可实现对现地设备的独立控制，在所有控制层中具有最高优先级[6]。曹兑港闸站现地控制单元（LCU）包括1#闸门控制柜、2#闸门控制柜、UPS柜、公用LCU柜和1#泵组LCU柜、2#泵组LCU柜；北河溇水闸为1个公用LCU柜。LCU控制层通过工业光纤以太网方式接入城防控制层（平湖市城防管理所中心控制室）。城防控制层采集处理闸泵站的各种相关参数，并自动监控闸泵站的运行过程，实时显示有关参数，同时形成各类报表、故障表等；对监控系统各运行参数进行修改和设置；与现地控制单元和上级管理机构通信。为加强现地层控制功能，配以图像监视方式，提高现地层的可靠性；同时布置安防防盗探测器，远程、现地均可对闸站内的防盗探测器进行布防、撤防操作和接警处理。

3.2 监控系统结构

计算机监控系统网络由现地以太网、控制中心监控网及控制中心应用网3部分组成。

现地以太网：由各现地交换机连接各闸泵站内的现地网络，通过光端机的以太网口与控制中心监控网相连。

控制中心监控网：由来自2个闸泵站的以太网以及城防控制中心的监控主机构成，网内进行大量的计算机监控数据交互，监控主机采集现地LCU数据并发出控制指令，该监控网通过一个千兆口和控制中心应用网相连。

控制中心应用网：其中一个接口和控制中心监控网相连并配置相应路由，一个接口和外网相连，也进行严格的路由配置，通过路由和防火墙配置，有效屏蔽非法的访问请求。

计算机监控系统结构见图1。

图1 计算机监控系统结构图

3.3 监控系统的实现

曹兑港闸站计算机监控系统主要包括闸门控制系统和泵组控制系统。曹兑港闸站的闸门形式为直升门，采用卷扬式启闭机，闸门具有通航要求。1#、2#闸门控制柜通过公用LCU柜与城防控制层的上位机相接，具体的运行流程见图2，闸门可单步运作，也可联动运作。过船指挥及广播系统同闸门控制系统紧密联系，当满足通航条件时，切换上下游的通航灯，引导船只通行。语音广播可辅助通航灯，协助船只通航[7]。1#、2#泵组LCU柜监控着8台轴流泵及其润滑水管道、其他辅助设备等，在润滑水开启5 s后启动水泵，同样在润滑水关闭5 s后再关闭水泵。北河溇水闸的闸门形式为一字门，左右门可单独开启、关闭，也可同时运行。

图2 闸门运行流程图

平湖市城市防洪系统南市圩区工程自动化控制系统的软件依据分散原则编制，各分站不依赖控制中心，能独立完成所属监控区域的控制。软件采用模块化设计，系统具有简易的可操作性、数据的可修改性、规模的可扩展性。其与平湖市城市防洪工程的软件设计思路保持一致，并能“无缝”接入原系统中。

上位机软件具备监测和管理2种功能，由过程控制、监测、运行统计、WEB发布等模块组成。城防控制层采集处理闸泵站的各种有关参数，并自动监控闸泵站的运行过程，实时显示当前运行过程的有关参数，如：闸门开度、水位的动态模拟数值显示、故障内容显示和声音报警，提供设备运行图、重要参数趋势图、运行棒图等，实现对现地设备进行远程监控。管理功能主要是软件自动记录每次运行过程操作命令、操作记录、设备启闭时间、故障内容和故障时间等，形成各类表，上位机主界面见图3 ～ 图5。

图3 平湖市城市防洪工程计算机监控系统上位机主界面图

图4 曹兑港闸站计算机监控系统上位机主界面图

图5 北河溇水闸计算机监控系统上位机主界面图

4 图像监视系统

4.1 监视系统总体设计

图像监视系统采用模拟与数字相结合的方案。图像信号由前端监视点采集后，通过数字光端机经裸光纤传入城防管理所的图像监视中心。所传入的图像信号经过视频分配器处理后一路输入嵌入式硬盘录像机，另一路输入视频矩阵。中心运行管理人员通过操作矩阵键盘对图像进行选择切换输出至电视墙显示，并能通过RS485总线控制被选定的前端监视点设备，为现场人员提供图像信息依据。嵌入式硬盘录像机作为图像存储及远程浏览设备，对输入的视频信号进行数字化处理后录像存储，并经网络交换机接入系统内部局域网，供远程用户通过客户端或IE进行访问浏览实时图像、历史图像及其他相关操作[8]。

安防系统作为图像监视系统的一个有效补充，能实现控制中心对堤防沿线闸泵站建筑物内部重点区域的防盗监视与报警。监控信号由前端安防探测器采集后，通过网络报警主机经以太网传入视频/安防工作站。报警装置必须符合微波及被动红外技术探测报警同时触发才会报警。城防控制中心的图像/安防工作站可对闸站内的防盗探测器进行远程布防、撤防操作和接警处理；也可由报警键盘或者无线遥控器进行现地布防、撤防操作和接警处理。

图像监视系统（包含安防系统）主要用于闸泵站的重要区域和设备进行远程监视，对现场状况进行定期巡视及安保防卫。系统能对监视场景进行录像，便于闸站控制和事故分析。且可通过网络将图像信息传输至上级管理机构。为平湖南市圩区工程的运行控制提供图像信息依据。

4.2 监视系统的实现

图像信息接入平湖市城防管理所中心控制室，下位闸泵站2个，共设前端监视点15个，下位闸泵站实现无人值守运行。

图像监视系统是由前端摄像机、数字光端机、视频分配器、数字硬盘录像机、视频矩阵及键盘、监视器等主要设备组成。数字硬盘录像机存储历史视频数据，键盘控制视频矩阵并在监视器上实时显示所需画面。

图像监视系统结构见图6。

图6 图像监视系统结构图

5 结 语

2016年开始，平湖市对城市防洪工程开展标准化建设，目前已经完成整个城市防洪工程的标准化建设工作。根据建设要求，参与创建的水利工程均建立信息化运行管理平台，在实现标准化管理的水闸、泵站，都设置有手机APP二维码，可实时记录巡查人员在巡查工程设施、设备时的相关情况。目前，平湖市防洪工程标准化运行管理平台和浙江省水利工程标准化管理监督与服务平台相连接，可受浙江省水利厅实时监控，标准化创建效果显著，为其他水利工程的标准化创建工作提供很好的借鉴。

自动化控制系统在平湖市城市防洪系统南市圩区工程的应用，实现对闸泵站的实时性远程操作和控制。系统投入运行后，实践证明自动化控制系统功能齐全、运行稳定、操作方便，大大提高平湖城市防洪体系日常运行效率，减轻管理人员的负担，降低运营成本，达到预期效果。