张爱民
(黑龙江省卫星运河管护中心,黑龙江 齐齐哈尔 161635)
黑龙江省讷谟尔河卫星灌区位置在嫩江左岸支流讷谟尔河中下游,是黑龙江省跨齐齐哈尔市和黑河市的大型自流引水灌区。灌区渠首引水枢纽工程建于1958 年,灌区取水模式为拦河坝取水,设计灌溉规模为2.17 ×104hm2。
2012 年,依据水利部关于大型灌区信息化建设的要求,将灌区建成自动化采集、传输、监控、处理的信息化灌区,实现水量、雨量等数据的自动采集、传输、接收、处理、存储;实现水量、雨量等信息资源共享的计算机网络管理及现代通信传输系统;为逐步实现灌区输水和灌溉工程的自动监测和自动控制,全面实现灌区自动化的远景目标及可持续发展积累经验、奠定基础[1]。
灌区信息化建设要求覆盖灌区的各站点,设备要采用实用、可靠、先进、高效、自动化的水情及雨量等信息采集系统、视频监控系统以及闸门现地与远程控制系统。
到2019 年底,灌区建设1 个信息中心及其办公局域网络,实现信息中心与信息采集点的网络通信;建设采集水情遥测点16 个点,配备手持式流速设备6 套;建设闸门自动控制1 处3 孔闸门;建设2 处5 个视频监视点;建设雨情遥测点1 处;明渠流量监测点13 处;田间水情监测点3 处;开发水雨情采集软件和闸门远程控制软件;开发业务应用系统,主要包括灌区量测水信息管理系统、灌区信息采集处理系统、灌区工情GIS 管理系统、杀毒软件等[2]。
通信网络系统建设指建设信息传输、交换、存储的网络平台。
通过对灌区各水、雨情遥测点、视频点、闸控点等的方案设计的分析,灌区需要建设高带宽、安全、稳定可靠的通信网络,组建灌区自己的局域网通信网络。其中通信链路设计为有线传输采用租用电信运营商公网及协同电信运营商自建光纤来实现,无线通信部分采用GPRS 公网通信,通信协议采用RS485、RS232、TCP/IP 等通信协议。网络建设的具体内容包括管理站与灌区管理中心互联网络通过租用运营商ADSL+VPN 互联互通;渠首工程站点、总干进水闸采用配合电信运营商自建光纤到最近的村镇再租用ADSL+VPN的方式与管理中心互联互通。水、雨情采集通信数据使用GPRS 通信方式来传输水情、雨情等。
灌区信息中心是灌区的控制和决策中心。灌区信息中心建设通信机房1 处、会议室1 处、及配备相关的网络通信设备、业务应用设备等。
使用带宽20MB/s 互联网满足灌区互联网办公;申请2 个公网IP 地址满足互联网IP 地址要求;实现灌区局域网办公及局域网资源共享,并通过局域网联入互联网;提供可支持应用软件系统安全、可靠的网络运行平台;与当地运营商合作,租用专网或者互联网组建灌区专用虚拟网络,实现灌区各站点视频、闸控信息传输,实现灌区网络集中管理功能。
建设采集水情遥测点16 个,主要分布在各引水干、分干、支渠上。测站点采集以RTU 为核心单元,使用超声波式水位计、压力式水位计2 种方式采集水位,传送数据采用GPRS 网络公网,供电系统利用太阳能供电。测站主要设备为通信模块、数据采集模块、电压检测模块、太阳能电池板、蓄电池。灌区水位采集工作点工作方式为随机自报、定时自报相结合方式。水位监测由现场和接收端设备组成。建设明渠流量监测点13 处;建设田间水情监测点3 处。
2.4.1 闸门自动控制系统概述
闸门自动监控系统主要是通过计算机监控系统检测闸门上下游水位、闸门启闭状态与开度;在信息中心远程控制闸门启闭、闸门自动控制和系统正常运行;通过视频传输的实时图像直观了解闸门的运行状况以及周边环境;现场通过PLC(可编程逻辑控制器)来控制闸门启闭设备;通过闸位计实时确定闸门的开度;保护装置对执行过程中发生的意外情况进行技术处理。
2.4.2 闸门控制系统设计
根据目前灌区闸门现状,灌区闸门绝大多数都在郊区野外,条件复杂,因此,灌区的闸门控制系统设计,在控制方式上不设计闭环的自动闸门控制系统。根据水利闸门现代化的建设标准,设计现场手动控制、现地集中控制、远程遥控等,其控制优先级为现场手动最高,现地集中控制次之,远程遥控最低。控制操作前后的水位、闸门开度、运行是否正常、采用何种控制方式等运行结果信息传回控制中心,存储到数据库中,形成运行日志,作为系统运行状况分析的依据。
2.4.3 控制软件设计
2.4.3.1 开发工具
监控软件采用“组态王”工控组态软件,并对画面、变量、非线性表加以改进。
2.4.3.2 应用软件功能
应用软件功能系统管理、主控窗口、数据管理功能。其中主控窗口功能包括3 个:1)闸控站地理位置分布图,各站点旁显示水位、闸位实时数据,鼠标可点击选择进入各闸控站具体控制窗口。2)闸控站闸位数据、电源信息、闸门上下限、控制方式、通信状态等状态集中实时显示。3)闸控站具体控制窗口,由鼠标点击选择打开和关闭,包括闸门运动动画模拟显示、通信状态指示、闸门上限、下限、电源指示。数据管理功能包括数据查询、操作记录、报警记录等。
2.4.4 通信设计
水闸系统组网采用联合当地电信运营商合作架设光纤租用公网的方式实现数据传输。该网络同时还考虑了闸房内及闸下游视频监控系统。其主要功能是对闸门运行过程的重要工位和闸室的安全进行监视管理。视频监控数据由服务器采集来的图像经过租用的公网传回信息中心,以供远程遥控监视。控制信号在闸位、水位计之间传送,实现上位机和下位机的数据交换。控制单元采用PLC 在大型网络控制系统中发挥作用。
2.4.5 电源设计
2.4.5.1 电源设计
控制设备工作电压:DC 11.5V~13.8V、AC 220V;待机电流:<1A;电机工作电压:AC380V;电机额定功率:1.1kW~20kW;采用螺杆闸门启闭机型,最大启力:1 kN~200 kN,最大闭力:0.5 kN~100 kN。
2.4.5.2 过压保护设计
为了保护闸门控制系统设备,采用稳压器来保护设备用电。
2.4.6 闸门现地控制单元设备参数
2.4.6.1 设备实现的功能
闸门的现场手动控制;闸门的现地集中自动控制;闸门的远程控制;闸门监控站站号和本控制台控制的闸门路数的监控;闸门开度的监控;闸门上限、下限、予置到位状态的监控;控制台电源状态的监控;启闭机工作状态(升、降、停)的监控;开度超越上下限状态的监控;各启闭机电动机过载、缺相状态的监控;控制方式选择开关(远程遥控、现地集控、现场手动)状态的监控;各个(升、停、降)按钮状态的监控;实现启动报警、过流报警、缺相报警、超数字限位报警、超机械限位报警[3]。
2.4.6.2 设备工作条件
输入电源:三相380VAC±10%;工作环境温度:0~40℃;相对湿度:40%~90%;污染等级:三级。
2.5.1 视频监视系统概述
视频监视系统将现场摄像装置录摄的实时图象传输到现地控制室和远程的管理部门。管理人员根据视频图象所反映的现场情况,异地控制建筑物的运行以及事故处理。
2.5.2 功能要求
视频监视系统主要由前端设备、传输设备、控制设备、记录及监视设备4 个部分组成。前端设备由安装在监视点的高分辨率彩色摄像机、全方位云台、变焦镜头和室外专业防护设备等组成。它主要负责图像数据的采集和信号处理。传输设备将视频信号传输到现地监控中心的工业控制微机(IPC)上,再传到监控点信息中心。集中控制设备负责完成前端设备和图像的切换控制、全方位云台和三维可变镜头的控制。集中控制设备还可以对监视图像进行分区控制和分组同步控制,借助软件还可以提供图像检索和处理功能。
2.5.3 技术方案
采用数字方式传输视频信息,视频压缩算法采用H.264 对数字化的视频图像进行压缩,闸站房安装视频编码器,与闸站房内的工业交换机相连。视频编码器输出的信号远距离采用光纤的方式进行传输,近距离采用RVVP(视频线)传输。
2.5.4 视频信息的处理
视频图像信息数字化后,进行压缩处理适应网络传输,采用H.264 视频压缩算法的处理设备。
2.5.5 视频处理设备
视频处理设备是视频监视系统的核心设备,数字视频领域一般采用数字硬盘录像机DVR(Digital Video Recorder)和独立的视频编解码器。
2.5.5.1 DVR
DVR 分为基于PC 架构的PC 式 DVR 和基于MCU 架构的嵌入式DVR。
采用嵌入式DVR 就是基于嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统的信息处理系统,采用专用芯片对图像进行压缩及解压回放,嵌入式操作系统主要对整机进行控制及管理。系统集成度高,不仅可以压缩,也可以解压缩显示。
2.5.5.2 独立的视频编码器
采用最先进的H.264视频压缩算法和高性能DSP处理器。
2.5.6 通信设计
视频监视数据传输使用光纤及RVVP(视频线)传输。现场的监控摄像机采集到的视频信号通过视频线送入视频服务器,视频服务器将视频信号压缩成视频监控数据包,通过光纤网络或虚拟局域网络传送至信息中心的视频服务器上,视频服务器再将接收的视频监控数据包解压还原成动态视频图像送至监视器上,主控中心便可监视到前端视频监控的图像。
2.5.7 设备参数
2.5.7.1 视频视频编码器
产品为1U 机架式多路视频服务器,采用Linux 操作系统,Davinci 处理器。采用标准H.264 压缩算法,支持多种分辨率实时编码,支持多种网络协议,可以应用于多种不同领域的安防防范。
2.5.7.2 智能化球型摄像机
采用1/4"索尼高性能CCD,图像清晰。精密电机驱动,反应灵敏,运转平稳,精度偏差少于0.1°,在任何速度下图像无抖动。支持RS-485 控制下对HIKVISION、Pelco-P/D 协议的自动识别。支持三维智能定位功能,配合DVR 和客户端软件可实现点击跟踪和放大。
雨量监测系统利用传感、通信、计算机和网络技术,完成灌区流域或测区内的降水量和水质等水文要素。采用翻斗式雨量计。雨情测站由RTU、雨量计、传输单元、供电单元等本地设备和通信控制机、数据库服务器、软件工作站等接收端设备组成。通信方式结合灌区网络拓扑结构,采用无线GPRS 通信的方式实现。
软件平台分为4 层结构。基础架构设计、系统接口设计、应用系统设计、数据挖掘设计,包括灌区信息采集处理系统、灌区量测水信息系统、灌区工情管理GIS 系统。
灌区信息化系统是集自动测报技术、远程自动化监控技术、通信网络技术、管理软件系统等高新技术于一体的工程。信息化系统的运行管理遵循统一的原则。灌区管理信息中心为信息系统运行的直接管理机构,运维管理由专业的技术人员负责,建立完整的运行管理体制和日常管理制度,保证系统的正常运行。
灌区水利信息化建设,开发应用灌区的信息资源,通过对灌区雨情、渠道水情等监测与应用,实现了对灌区关键部位水、雨情实时监测和预警,在总干进水闸建设视频监控点,实时监控总干渠进水水量,提高了水资源优化配置及水利工程的科学管理水平,增强了讷谟尔河卫星灌区的防灾减灾能力。
灌区发展存在7 个方面的主要问题。1)来水量测量不精确:讷谟尔河缺乏有效的监测手段,无法精准掌握讷谟尔河卫星灌区的来水量,目前能通过历史水量数据进行推算获得。2)用水量测量不精确:自动化量测设备覆盖不全面,灌区实际用水量测量不精准。3)水费和水资源费收缴不精确:灌区各计量点缺乏有效的精确计量设备,用水量计量不精确,两费收缴不精确。4)水质监测能力不足:缺少对水环境的在线监测能力,对突发、恶性水污染事件的预警预报、快速反应能力亟待提高。5)缺少工程台账与巡检维护的信息化管理手段:缺少全灌区水利工程分布电子地图,对水利工程尚无法做到工程位置和确权划界上电子图,属性数据入基础数据库的台账式数字化管理;水利工程设施巡检缺少信息化手段提高巡检效率和监管。6)管理站安防能力不足:讷谟尔河卫星灌区有5 处管理站,缺乏有效的安防系统,存在水安全、工程安全和管理站所的安全隐患。7)工作效率不高:灌区缺少高安全性、高可用性的智能移动终端办公系统和办公新模式,导致办公效率不高。
随着灌区受益地方社会经济和现代科技的快速发展,针对加强水节约、强化水治理、保障水安全方面建设,系统解决灌区目前存在的主要问题,为灌区可持续发展考虑,最有效的途径是通过先进的信息技术手段建设有效的管理体系来提高灌区的综合治水与服务能力。具体的方案为开展灌区续建配套与现代化改造,建设智慧农业水利工程,规划实施智慧水管理体系建设。
统一规划,分步实施。从讷谟尔河河源、渠首及干、支渠系,在全灌区范围内统一规划涉及来水、引水、用水、排水、保护等各个过程全范围的立体感知体系、智能感知体系、信息服务体系和支撑保障体系。统一整合,优化资源。利用讷谟尔河卫星灌区已建的信息化成果,整合水文、气象、墒情、遥感、国土等信息资源;优化灌区建设的雨情、水情、闸控、视频、墒情等物联网感知能力。统一标准,充分共享。依据相关规范和标准规划统一编码、统一名称、统一数据指标、统一存储类型、统一发布形式、二次开发接口和数据交换系统等支撑保障体系,实现与其他系统集成能力和数据信息横向纵向的共享能力。安全高效,科技引领。围绕规划的目标和任务,以安全为前提、实用为方向,充分应用新技术新科技,通过统一标准、规范接口、整合集成、升级再造,提高讷谟尔河卫星灌区信息化应用水平。
依托现代化物联网技术、3S 技术、云技术、大数据技术、人工智能、区块链、电子签章、5G、BIM、3R(VR、AR、MR)技术和软件应用技术与灌区业务深度融合,构建现实灌区与数字灌区深度融合的可视化新世界;建立较为完善的立体感知体系、自动控制体系、智能应用体系、信息服务体系、支撑保障体系;实现灌区水资源管理、工程管理、取用水管理、运行管理、防灾减灾管理、水生态水文化管理的智能化处理和人工辅助决策等功能;搭建讷谟尔河卫星灌区信息化云中心,建设讷谟尔河卫星智慧灌区信息化平台系统,实现灌区管理信息化覆盖率70%以上的目标。
2025 年目标达到“信息化建设二级标准”;2030 年目标达到“信息化建设三级标准”。
根据灌区信息化规划原则,按照《大型灌区续建配套与现代化改造规划编制技术指南》的要求,总体架构设计为以政策、制度、标准为基础,以网络安全为保障,搭建“立体感知”、“自动控制”、“智能应用”、“信息服务”和“支撑保障”5 个体系。
立体感知体系:采用空、天、地多样化的监测手段,自动采集与人工采集相结合,直接监测与相关行业来源间接监测整合相结合,实现灌区水情、雨情、墒情、水环境等要素的广泛动态感知,为自动控制体系、智能应用体系、信息服务体系提供高效、可靠的数据支持。
自动控制体系:结合立体感知体系,采用自动控制技术实现闸门的现地、远程、自动控制功能。达到灌溉、排水、引水、防洪、水资源等优化调度的目标,实现自动优化处理、集中控制、有人值班、无人值守。
智能应用体系:在立体感知体系和自动控制体系的基础上打造智能应用体系,实现灌区用水管理、工程管理、安全运行、防洪管理、水费水权、灌溉管理等业务横向联动和纵向协同精准治水管理新模式。
信息服务体系:通过建设系统融合服务、决策支持服务和二次开发服务打造信息服务体系;系统融合服务将多业务系统分散数据以统一的标准进行整合共享;决策支持服务将各层级、各专业和相关行业的大数据分析成果以服务的形式提供决策支持。二次开发服务提供规范化的二次开放框架,实现“开放扩展”,满足后续发展要求。
支撑保障体系:以政策、制度、标准为基础,以网络安全保障,对数据中心、通信网络、支撑平台、立体感知、自动控制、智能应用、信息服务全范围全过程构建多维并重的支撑保障体系。
讷谟尔河卫星灌区智慧水管理体系建设遵循规划目标和总体框架,构件5 个体系,主要建设任务如下。
建设水情监测系统,对已有测站进行改建,补充完善灌区的量测水监测站点。建设雨情监测系统,新增雨量站,完善雨量站分布,有计划地增加雨量站密度。建设墒情监测系统,完成灌区对土壤含水量信息的收集。建设水质监测系统,对灌区内来水、引水、排水的水质信息进行采集。建设气象监测系统,补充讷谟尔河卫星灌区在气象监测数据上的短板。建设无人机智能巡检系统。
建设闸门控制系统,增加现有闸站的自动控制功能,提高灌区的自动化水平。建设视频监控系统,保证灌区闸门控制系统的正常启闭,为渠首和管理站房等重要的水工建筑物、人员值班居住区保驾护航。
从灌区实际需求出发,建设与灌区配水调度、水费计收、水权交易、工程档案、巡检巡查、工程安全等相关的业务应用系统。
在灌区智能应用体系的基础上,建设一个能为灌区提供多维信息融合、全面决策服务支持和可持续可扩展的应用信息服务平台。
建设调度指挥中心,增加机房设备,增加大屏显示设备,增加视频会议系统。建设调度指挥分中心,在灌区管理站建设调度室、会商室,配套视频会议系统。建设灌区通信网络系统,实现水雨情、闸门控制和视频信息的传输和共享,完善灌区整体的网络优化,提升互联网及专线的带宽。增加网络安全建设,提升灌区的网络安全防护等级。构建灌区统一用户、统一数据服务等支撑平台,支撑配水调度、水费计收、水权交易、工程档案、巡检巡查、工程安全等智能应用业务。
该文以无人机的应用为例,简述无人机在智能感知和智能巡检管理建设中的规划。
7.1.1 规划思路
讷谟尔河河道、灌区渠首、总干渠、分干渠等安全巡查、非法采砂、岸线管理、生态基流、灌溉面积调查等工作目前主要的常态化巡检手段是人工巡检调查。为提高灌区安全管理与灌溉服务能力,规划采用高端无人机进行智能自动化巡检和调查。
7.1.2 建设内容
结合灌区工程布置情况与安全管理工作需要,规划建设一套无人机智能感知系统。
7.1.3 工作原理及功能划分
7.1.3.1 工作原理
根据指挥中心下达的任务信息,形成工作方案并转化为飞行计划,实施工作计划并与中心信息实时交流沟通,完成一次工作任务,工作原理如图1。指令下发:指挥调度中心下发任务指令为任务目标、任务区域/目标概略信息。人员/系统整备:根据任务指令安排执行人员并检查设备完整性。制定任务方案:根据任务概略信息制定任务方案,任务时间安排、地点、环境等要素。空域协调:协调空管部门批复飞行计划。赶赴起飞点:常态化固定点位部署不涉及该问题,机动部署选择车辆转运/舰艇转运等方式。系统展开:设备组装和布置。任务装订:将任务方案转为飞行计划。系统自检:根据提示检查系统状态是否达到待命状态。任务执行:无人机升空自主执行任务,实时数据判读、回传并转发,非实时数据存储后拷贝,最终汇聚至时空数据处理与应用中心处理、分析、归档。系统撤收:系统检查、补给、养护、拆解与转运/存放。
图1 无人机工作原理图
7.1.3.2 功能划分
预先设定轨迹,固定翼垂直起降;远程一键巡检;巡检状况管控中心实时感知。高清视频实时回传指挥大屏;在云/边缘实时智能分析视频,自动发现非法采砂、岸线占地、工程破坏等违法事件以及工程安全风险等问题。
7.1.3.3 重要指标
巡航速度:100km/h;续航时间:4h~5h;任务半径:50km/100km;续航里程:400km;单架次任务面积:80km2;复合翼垂直起降。
7.2.1 总体思路
灌区智能应用体系建设是在对讷谟尔河卫星灌区实际业务需求进行充分梳理分析的基础之上,围绕讷谟尔河卫星灌区在水费计收、工程管理、防洪调度3 个方面核心业务展开,结合当前最为先进的云计算、大数据、人工智能、微服务、区块链、移动应用、地理信息等技术,致力于打造一个以“智能化、平台化、组件化、微服务化、个性化”为总体思路的讷谟尔河卫星灌区智能应用平台。
7.2.2 技术路线
讷谟尔河卫星灌区智能应用平台采用大集中式部署并向用户提供服务,以彼此相对独立又兼具逻辑关联的4 层架构为主要技术架构模式,使灌区智能应用平台具备良好的负载均衡和高并发处理能力,同时又兼具高效的可扩展性。4层架构由应用层、路由层、服务层、数据层组成,各层之间处于物理隔离,通过定义的标准接口实现访问响应和数据传输。
7.2.3 规划功能
通过分析,灌区智能应用平台根据业务类型和应用场景的不同,划分为灌区配水调度管理、灌区水费计收管理、灌区水权交易管理、灌区工程档案管理、灌区巡检巡查管理、无人机智能巡检管理、遥感影像智能分析、智能移动终端应用8 个功能模块。
7.2.4 无人机智能巡检软件主要功能
无人机智能巡检软件主要功能如下。1)飞行计划与任务规划。飞行计划工具栏包括操作飞行计划的各种指令。2)飞行前检查。飞行前检查是一系列飞机起飞前必须进行的重要步骤,若不执行飞前检查,地面站将无法发送起飞指令。飞前检查应在设置好控制器参数和应急参数之后进行。3)机务检查。机务检查的内容是检查机体连接器是否安装牢固,各舵机是否安装良好,螺丝机构是否紧固等。4)常规检查:常规检查包括遥控器检查、姿态检查、磁罗盘检查、飞行任务检查和相机参数检查。5)姿态检查:转动飞机机身,检查地面站显示的姿态角是否与实际姿态一致。6)磁罗盘检查:转动机身,检查显示的磁罗盘角度是否和实际的一致等。7)飞行任务检查:检查航路点个数和高度是否正确。8)航电检查。航点检查的目的主要是检查飞机的电子设备和关键参数是否正常,检查内容包括应急参数检查、备份GPS 检查、动静压检查和舵面自动检查。9)应急参数检查。检查飞机的各项应急参数设置是否正确合理,若不合理,可在该界面直接更正。10)备份GPS 检查。查看备份GPS 的定位状态。11)路径跟踪显示。显示吊舱跟踪路径。12)光电吊舱显示。显示光电吊舱实时指向位置。13)吊舱视点。实时显示吊舱视点的位置。14)手动环视。飞机将立即以目标点为圆心,默认半径400 m 盘旋,同时吊舱锁定目标点,进行环绕监视。15)自动环视。飞机将立即以当前吊舱所观察的目标点为圆心,默认半径400 m 盘旋,同时吊舱锁定目标点,进行环绕监视。16)自动实时追踪:当吊舱锁定移动目标时,使用该功能可以使飞机持续跟踪移动目标。17)巡线模式。用于进行管线巡视类任务。首先让飞机进入路径航线,开始沿线巡视。18)视频快速拼接:提高应急响应速度和能力,通过实时回传的视频关键帧进行整个任务区域的全局态势图是核心和关键;通过拼图算法,实现实时拼图。
在灌区初期信息化建设基础上,续建配套与现代化改造信息化建设内容主要包括智慧水管理5 个方面体系建设,详细规划项目细分如表1。
表1 灌区智慧水体系建设内容表
该文对卫星灌区信息化工程的建设及应用进行简要介绍,探讨灌区信息化运行管理经验和发展方向,综合研究新时代灌区发展面临的问题,为促进灌区高质量发展,必须加快推进灌区现代化改造步伐。按照水利改革发展总基调,灌区改革最有效的途径是在配套完善工程的基础上,积极开展灌区智慧水管理体系规划建设,实现智慧农业灌溉水利工程、现代化灌区,灌区建设的同时进行灌区标准化规范化管理,全面提升灌区管理水平,保证灌区工程安全运行和持续发挥效益,服务乡村振兴战略和经济社会发展。
该文介绍的卫星灌区信息化建设及智慧水体系规划供灌区同行交流探讨。