基于5G和IPv6的闸门远程控制系统解决方案

(重庆市会得水利技术股份有限公司，重庆，401120)

1 引言

水利行业是一个历史十分悠久的行业，也是信息十分密集的行业。随着计算机技术、数字控制技术、网络通讯技术的发展，工业自动控制系统已进入一个全新的时代。采用新技术、新设备对水利工程项目的设备与管理进行现代化改造和智能化建设是历史发展的必然趋势，水利行业的发展前景有着深远的影响。

目前，水利行业闸门控制通讯一般采用有线和无线两种方式，有线通讯主要有电缆和光缆两种，无线通讯主要有GPRS通讯，每种通讯方式的优缺点如附表所示。

附表 各通讯方式的优缺点

2 5G和IPv6简介

5G即第五代移动通信系统，区别于前几代移动通信的特点有：峰值速率可达10Gbit/s；空中接口时延约1ms，满足自动驾驶、远程医疗等实时应用；超大网络容量，提供千亿设备的连接能力，满足物联网通信。

目前5G通信已经商用，IPv6已经大面积部署，5G和IPv6的结合，解决了成本问题、高延迟问题、安全性问题，为基于5G和IPv6的闸门远程控制系统奠定了信息传输的坚实基础。

3 系统设计

3.1 系统架构

基于5G和IPv6的闸门远程控制系统由控制中心、现地控制室、水位测量组成，系统架构如附图所示。

3.2 通讯方式

控制中心采用光纤入户支持IPv6的宽带接入互联网，现地控制室和水位测量采用支持5G和IPv6的DTU接入互联网。

4 系统功能

4.1 控制中心

控制中心是整个系统的调度中心，主要由网络设备、服务器、工控机和软件等构成。

服务器分为数据库服务器和应用服务器。数据库服务器用于存储基础数据、水位记录、闸门开度记录、闸门启闭记录等，应用服务器用于接收实时水位数据、发布系统信息、提供调用接口、远程控制闸门等。

附图 基于5G和IPv6的闸门远程控制系统架构

为了保证系统稳定性和安全性，特建立冗余备份机制。本系统采用双机热备份机制，即备份处于联机状态，当前应用系统通过高速通信线路将数据实时传送到备份系统，保持备份系统与当前应用系统数据的同步；也可定时在备份系统上恢复应用系统的数据。一旦发生灾难，系统将自动切换到备用服务器，无须等待、不影响系统正常运行。

工控机通过与应用服务器的通讯作为日常管理的人机接口。

4.2 现地控制室

现地控制室距离闸门现场比较近，主要由闸门电控箱、5G路由器(IPv6)、交换机、不间断电源、LCU、闸门开度仪以及摄像机组成。

为探索钻井废弃泥浆用于路基路面材料可行性，取了5口井的样品，并对其主要污染指标进行了分析，分析结果见表1。5个钻井废泥浆样品，其主要污染情况不同，其中样品1号，污染指标主要是色度、COD超标；其他四个样品除了色度、COD超标外，重金属六价铬也超标。5个样品中样品3号污染最严重，处理难度更大一些。因此，选择3号样品作为试验对象。

闸门开度仪采用弹拉式开度仪，它是将测量柔丝的线位移转换成码盘的角位移，以达到用编码器来测量线位移的目的。同时将闸门的开度转换成数字信号传到LCU里，完成测量工作。

闸门电控箱直接控制闸门的启闭电机，有自动和手动两种工作模式。日常工作模式为自动，当LCU故障后可切换到手动工作模式，由工作人员按动操作按钮进行闸门的启闭。

LCU通过交换机和路由器与控制中心的应用服务器进行通讯，将闸门开度仪的信号传输至应用服务器，可根据应用服务器的指令直接控制闸门电控箱(自动模式)，也可以在远程控制故障时，工作人员点击触摸屏上相关按钮实现自动(手动)启闭闸门。

摄像机用于观察闸门实时状态，工作人员可通过摄像机画面中闸门的启闭情况与闸门开度仪采集的开度进行对比，一旦发现不符可在系统中进行校准。另外可通过摄像机画面进行环境和人员的监控，一旦有可疑人员，系统可自动发出警报。

4.3 水位测量

根据现场情况建立一体式水位站，由立杆、野外专用机箱、操作平台、太阳能电源系统、避雷设施、水位计、RTU等组成。一般采用浮子式、气泡式或雷达式水位计，将水位转换为数字信号传输到RTU。

RTU用于水文测站(水文站、水位站、雨量站等)，进行数据采集、存储、发送等。工作模式有自报式、应答式和混合式三种，一般情况工作于自报式。RTU将水位信息通过5GDTU(IPv6)传输至控制中心的应用服务器，经处理后存储至数据库服务器。

4.4 软件平台

软件平台是部署在应用服务器的一套服务软件，提供多种界面和接口。可在任意授权的终端(PC、手机、平板)进行操作。PC平台有C/S(客户端访问，支持Windows平台)和B/S(浏览器访问)两种类型，手机平台和平板平台有Android和iOS两种类型。

系统有一套严格的权限控制，设有软硬件隔离，操作指令有密码、手机验证码、人脸识别等各等级。所有用户的所有操作均会记录其操作内容、操作时间、操作者等信息，无法删除。这样可以充分保证闸门操作的安全。

数据采集模块可实时接收遥测站发来的水文数据包，自动检查数据的帧格式，并进行合理性判断，分类自动存贮；将最近来报的N条记录按来报时间以表格的形式显示在数据采集窗口，便于用户分析查看；各数据采集项可预先设置最大与最小限值，当采集到的数据超过该限值区间时不入库，只做日志记录；具备数据合法性验证、数据有效性校验、接收确认、通讯状态监视等功能；具备通道中断恢复后采集通信自动恢复功能；具备自动和手动补传功能。

系统基础信息包括水位库容对照、水位面积对照、水库水位(H1)、闸门开度(H2)和实际H1～Q1、H2～Q、H～M、H～V曲线。工作人员可随时观察闸门状态、电流电压、开度、水库水位和蓄水量等参数的变化情况。

闸门控制支持点击启闭；可设定闸门开度和时间自动启闭；可设定目标水位、目标流量自动计算闸门开度和放水时间并控制闸门启闭。

统计报表包括水位库容过程线、闸门开度过程线、放水流量过程线、水位库容报表、闸门开度报表、放水流量报表等，另外系统支持自定义报表格式、打印和导出功能。

短信预警包括自动发布、手动发布、点单式信息查询三种。自动发布：当相关监测数据发生变化达到用户设定的警戒值时，系统自动向指定的人员手机上发布监测信息短信，通报当前的实时监测信息；手动发布：在汛情紧张或发生突发事件时，由值班人员将信息以短信方式发布至相关人员的手机上，或每隔一段时间自动将当前实时信息发布到管理人员的手机上，通报当前的实时信息；点单式信息查询：用户只需向指定号码的手机发送指定数字，系统即会根据用户的选择，向该手机用户发送所需的实时信息。

实时监控图像：可对监控点进行可变镜头的变焦、聚焦、光圈，全方位云台的上、下、左、右进行控制和操作，且全方位摄像机可以设定为自动扫描方式，即摄像机通过全方位云台进行上下左右来回扫描，及时掌握监控点区域范围内的运行情况。通过系统应用软件自动把数字图像存储到硬盘上，可通过系统播放软件将图像播放出来。系统可将远端监控点传输到监控中心的视频信号进行压缩处理，可通过网络方式传输到所需的远方任何一个地点。

系统提供数据越限、设备异常声、光报警等功能；提供设备/档案管理、维护功能；可与水情自动遥测、大坝自动观测等系统、洪水预报与调度系统共同组成水库运行调度系统。

5 总结

此系统在5G+IPv6无线网络平台的基础上，实现了服务器与LCU的实时无线通讯，从而实现了远程水库闸门的控制。该系统降低了网络建设成本、网络延迟，提高了操作实时性、网络安全性、可靠性，可有效地减少误操作的发生，为水库管理工作带来了方便，可对水库的防洪调度起到积极的作用。