塔里木河流域水闸远程监控系统应用研究

陈 亮

(新疆世纪农丰土地科技有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 引言

我国大部分流域，特别是北方地区出现了水资源供给不足的问题。从基础理论研究来看，如何利用现代信息技术有效可靠地实现流域水资源的统一调度与管理，是近年来的研究热点之一[1-2]。网络传输、卫星通信等现代技术的发展和应用，为流域的远程实时监控和管理提供了可能。我国自20世纪80年代开始开展流域水闸监测研究，江河、水库、灌区已基本实现了水位流量的现场自动采集和观测。但远程自动监控的理论还不够，我国传统的管理方式是一个人通过电话手动记录和传输信息，费时费力。这既不能为流域的实时调度和管理获取实时数据，也不能适应现代技术实现“无人值守、少人值守”的水闸远程监控系统的需要，已经成为流域现代化管理的一个方向[3-4]。

2 系统设计思路

塔里木河流域水闸监控系统是水资源调度和信息化管理的重要组成部分，同时也是流域水资源集中控制和决策的关键。远程实时数据信息通过地理编码或关键字和空间信息进行相关显示，该方法解决了多用户并发共享的冲突、数据内部标记与内存数据速度相关的响应慢等问题。它方便了用户远程监控，维护了空间数据和属性数据之间的信息。

基于塔里木河流域的实际情况和实时水量特点，结合分布式和集中式的混合存储方案，对闸门系统采用分层、多级的控制结构进行管理。本地控制单元(LCU)监控系统是利用InTouch 8.0软件开发的，采用SQL Server软件平台进行管理。基于ESRI公司ArcGIS平台的AO组件，采用VC编程语言对总控中心进行了二次开发。所有用户应使用密码访问不同权限级别的相应数据库，图1显示了数据库系统结构。

图1 数据库系统结构

3 监控系统分析

3.1 远程数据采集

定位数据是闸门远程监控的基础。能否准确采集位置数据，快速执行相关控制命令，是塔里木河流域水闸远程监控系统能否成功运行的关键。如图2所示，根据数据流通，可将数据分为三个部分，包括数据流、控制流和视频流。

图2 远程监控策略

(1)数据流。它是指实时采集的各种监测数据。分级管理系统通过VLAN的IP地址，采用闸门可编程逻辑控制器(PLC)的循环技术，直接从本地控制单元获取一系列数据，通过转换处理后，传输并保存在内存数据库中。

(2)控制流量。它包括所有的控制命令信息，如闸门的开启方式。通过比较和识别LCU的每个控制命令与预设的管理权限，比较确定更高级别的控制命令，然后将执行命令发送给PLC或倾斜控制系统。

(3)视频流。意思是视频信息。由于其容量大，占用网络资源较多，经常会造成网络阻塞，影响实时数据的传输和视频质量。因此需要对视频数据进行编码压缩，本系统基于MPEG-4技术对视频数据进行压缩，从而通过建立视频索引和单播的方式实现远程视频数据监控。当用户同时访问视频数据时，系统能自动判断和区分用户的权限，并识别出权限级别较高的用户优先浏览视频数据。自动中断低级用户的监控功能，减轻网络负担。

3.2 通信方式选择

网络通信传输遥测数据，接收并执行不同的调度命令，是连接LCU和水调中心的信息通道。卫星传输技术成熟，但延迟时间过长，容量有限，信号质量不稳定，成本较高。光纤传输具有频带宽、使用衰减小、保密性高、无电磁感应等特点，是通信的首选。根据塔里木河流域的现状和未来发展要求，考虑到塔里木河流域自然条件恶劣，电力、通信、交通等方面发展不足，分析多种通信方式的差异，建立基于光纤与光纤混合的远程传输系统VSAT卫星。数据根据各地情况进行传输，主要集中在公网上。数据在基于VSAT卫星73.6KBPS带宽的阿其克枢纽和乌斯曼排污口区域传输，在其他站基于2M数字透明信道传输。LCU数据传输采用工业以太网代替传统的现场总线控制系统，实现了控制网络与信息网络的更好结合，同时避免了上位机远程监控异常的影响。

该系统网络通信条件复杂。如何保证光纤和卫星两种通信方式的无缝连接，是实现水闸远程实时监控系统的关键。对于传播延迟较长(反向传播延迟约540 ms)的卫星，应尽量减小其带宽利用率低和传输速度慢的影响。结合TCP/IP协议和SCPS-TP协议(means space communication protocol)的特点，基于TCP欺骗技术、选择性确认技术、不同协议优化(如增加TCP半离位判断处理)和评估技术。从而减少数据传输的时间，保证了光纤与卫星的“无缝”链路通信方式，提高了数据传输的实时性。

3.3 综合信息显示

塔里木河流域水闸远程监控系统由总控中心、分控中心和水闸管理站组成。它还具有远程监控组态、数据管理服务器等软件平台相结合的多级分布式计算机监控系统。因此系统集成是非常重要的。WebGIS的迅速发展为水工业信息管理提供了先进的技术手段。它不仅支持基于地理元素的地图与属性之间的信息处理和交互查询，而且在管理广域分布的多客户端应用系统方面具有明显的优势。有鉴于此，本系统以塔里木河流域的基础数据为背景，采用多级消隐方法，建立在WebGIS的基础上。江河、湖泊、水闸的水情专用数据可按分类比例显示。局域网中的每个普通终端用户都可以通过浏览器查询闸门的基本信息、通信状态、实时数据、视频信息和闸门状态的相关控制和管理。先进的用户可以实现远程闸门的启闭自动控制、系统的连接、维护和诊断。实时视频可以直观地了解运行工况和周边环境。

4 实际应用

下面的例子展示了2018年8月在塔里木河流域阿其克河口引水工程中闸门监控系统的工作情况。

阿其克河口引水工程位于塔里木河中游，距库尔勒市100 km。本工程规模为Ⅲ级，中型闸门9扇。闸机、液压启闭机局部施工条件较好，但自然条件较差。由于周围没有公共网络传输，这些数据是从VSAT卫星最佳传输的。系统管理员远程登录塔里木河总控制中心阿其克河口引水工程，分别对渭干河部分闸门和塔里木河老化部分闸门进行远程上下控制。实现了对亚齐克河口引水工程的远程监控。表1显示了2018年8月25日和30日上午10时水闸远程监控的数据结果。图3显示了工作站中的监控操作界面，图4显示了塔河引水渠泵站的水位运行示例图，操作员可以通过该控件进行监视工作站的操作。图形布局与工作站中的实际技术有关，这种数据表示方法可帮助操作员从控制中心控制泵站系统。

图3 泵站监控系统操作界面

图4 塔里木河引水渠水位记录

表1 远程监控结果数据

5 结论

(1)利用现代传感、网络传输、卫星通信、数字视频等信息技术，完成了塔里木河流域水闸远程数据的采集、数据库建设和系统开发工作。应用数据库管理技术，空间数据与属性数据一体化理论，实现数据的无缝集成。实现了塔里木河流域水闸的远程监控和管理，有力地提高了业务人员的工作效率。

(2)水闸远程监控系统的建立和应用，为塔里木河流域水资源海量信息的集中管理提供了综合服务平台。为全面了解和准确分析塔里木河流域现状，掌握基本地形、地貌、水闸等空间特征的分布特征提供了基础。为全面管理、科学决策和人水和谐环境的建立奠定了基础。对塔里木河流域的健康生活具有重要意义。

(3)塔里木河流域水闸远程监控系统的建设和完善是一个长期而复杂的过程。由于系统需要网络进行数据传输，必须加强网络安全、病毒防范、数据安全等方面的管理，杜绝非法使用系统，确保系统在7×24 h内正常、持续、稳定运行，实现“闸门自动化、网络通讯、可视化监控、科学管理”的一体化管理目标。