大琼台水利风景区综合调度系统改造升级的设计

丁天沛，别华斌，吕赛赛

（1.浙江台州市天台县旅游集团，浙江 台州 317299；2. 安吉县老石坎水库管理所，浙江 安吉 313301； 3.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州 310052）

1 引言

大琼台水利风景区位于浙江省天台县，是由黄龙水库、原琼台仙谷景区以及桐柏水库等水利工程为基础综合整合建设而成。原调度系统分别建设，结构松散；初步整合后的系统功能上也有诸多缺陷；随着浙江省数字化改革的提出，如何将原来调度系统进行升级改造，提升安全管理水平和管理效率，是迫切需要解决的问题。

本文旨在通过数字化整合建设设计，推动大琼台水利风景区管理的现代化，核心设计内容包括：物联感知、通信网络、软件平台升级等[1]。

2 总体设计

总体按信息系统建设分层架构体系设计，自下而上分为物联感知（新建硬件设施和已建硬件设施的集成）、通信网络、云端计算、应用场景4大块。

（1）物联感知：通过传感器、自动化设施、摄像头等设备设施来感知景区和工程的总体态势，为上层软件提供决策用的数据。包括四旋翼无人机、智能卡口、泵、阀远程自动控制系统。

（2）通信网络：利用光纤、有线网络、无线网络等实现传感器、自动化设施、摄像头等设备设施采集数据接入到数据库中。

（3）安全等级保护：根据政策要求，在云端开展安全等级保护二级等保测评。

（4）应用场景：结合自动化设备管理需求，配合管理软件，实现设备的控制管理[2]。

3 核心内容

3.1 感知升级设计

在原来的水文、工情、雨情、水位、大坝安全监测、视频监控等物联网感知体系的基础上进行升级设计。

（1）四旋翼无人机

基于对景区应急搜救、安全消防以及直播营销等方面的考虑，需建设一套无人机系统，系统配置2台大疆四轴航拍无人机，定期对景区进行拍摄或直播，最终通过无线网络上传至综合管理系统。该无人机在无干扰、无遮挡环境下最远遥控距离为7 000 m，最高高度为500 m，续航时间最长可达25 min（根据环境情况不同，实际数据可能会有差异），遥控器配备6 000 mA·h LiPo 2S电池，充满后可连续使用4 h[3]。

（2）智能卡口系统

基于对景区重要卡口的安全管理考虑，计划在景区入口处道路建设一套“机、非、人”全捕获记录的智能卡口系统，实现过往车辆以及人员的全面管控。智能卡口系统主要采用嵌入式高清一体化摄像机（根据不同的车道覆盖选择针对性的高清摄像机）设备进行车辆及人员抓拍。通过光纤网络使调度分中心与卡口系统连接，实现实时查看监控内容。远程指挥景区车辆进出[4]。

该系统包括前端抓拍单元、通信网络和调度控制中心单元。前端抓拍单元通过通信网络与调度控制中心单元连接，如图1所示。

图1 智能卡口系统示意图

前端抓拍系统主要负责对经过的所有车辆的综合信息进行采集，包括车辆特征照片、车牌号码与颜色、车身颜色、司乘人员面部特征等。调度控制单元主要负责采集信息的汇总，支持在调度中心实时查询并实现车辆布控。通信网络由交换机、光传输设备等设备组成，实现前端卡口子系统到后端中心管理平台之间数据的互联互通。

车辆卡口上的车牌识别是基于图像分割和图像识别理论，对含有车辆号牌的图像进行分析处理，从而确定牌照在图像中的位置，并进一步提取和识别出文本字符。

识别的具体步骤分为车牌定位、车牌提取、字符识别。在自然环境中，相机首先对采集到的视频图像进行大范围相关搜索，找到符合汽车牌照特征的若干区域作为候选区，然后对这些候选区域做进一步分析、评判，最后选定一个最佳的区域作为牌照区域，并将其从图像中分割出来。

完成牌照区域的定位后，再将牌照区域分割成单个字符，然后进行识别，车牌识别算法采用基于模板匹配算法，首先将分割后的字符二值化,并将其尺寸大小缩放为字符数据库中模板的大小，然后与所有的模板进行匹配，最后选最佳匹配作为结果，通过这种多次比对的方式极大地提高了车牌识别的准确率。

3.2 自动化控制系统升级设计

大琼山水利风景区大瀑布原本已建有前池阀门和4台潜水泵，目前采用现地控制的方式对瀑布进行调节和供流。因现地控制操作不便，导致瀑布水流调节效率较低、无法远程查看数据和设备运行状态。现利用现代传感技术、自动化控制技术及计算机技术，对瀑布前池分流阀和供流水泵进行远程自动化改造，布置一套上位机软件。同时，出于安全考虑，采用监控设备实时对分流阀进行监控[5]。

该系统通过专用网络使调度中心与阀、泵连接，实现远程控制瀑布水量、实时掌握阀、泵运行情况。

（1）系统结构

利用现代传感技术、自动化控制技术及计算机技术，实现远程控制阀门分流及水泵供流。监视各操作及设备运行状态，保障安全运行，达到“无人值守”。自动化控制系统结构如图2所示。

图2 自动化控制系统结构图

1）控制应用层

控制应用层设于景区的调度分中心，负责采集和处理来自现地控制层的数据（制作各种运行报表、重要设备的运行档案、各种运行参数等）、人机对话（全站设备的运行监视，事故和故障报警，对运行设备的人工干预及监控系统各种参数的修改和设置等）、与现地控制层和综合信息管理平台的通信[6]。

控制应用层设备有操作员控制工作站、同步时钟系统、单向隔离网闸等。操作员工作站设置在管理中心运行人员操作控制台上，同管理中心其他子系统协同工作，完成阀、泵监控的调度任务。

2）现地控制层

现地控制层的现地控制单元，应能对所管辖的生产过程进行完善的监控。它们经过输入、输出接口与监控过程相连；通过通信接口与继电保护设备交换信息，在上位机画面上实时反映所测的电气参数、阀门的运行状态及继电保护动作情况；通过通信接口与水位计连接，在上位机画面上实时反映阀门上下游水位信息；通过通信接口接到工业以太网上，与主控层交换信息。现地控制单元与主控层有相对独立性，它们应能脱离主控层独立完成监控过程的实时数据采集及处理，单元设备状态监视、调整和控制等功能。

3）网络通信层

阀门、水泵自动化控制系统通信网络采用租用运营商VPN网络，调度中心通过VPN网络将调度中心与现地相连接，实现数据传输和远程启闭。

（2）系统功能

阀、泵自动远程控制系统实现主要功能如下：

1）模拟量数据的采集与处理

对模拟量信号进行周期采集，越限报警等，最后经格式化处理后形成实时数据并存入实时数据库。

主要的模拟量为泵组电量参数等。

2）开关量数据的采集与处理

①对事故信号、断路器分、合及重要继电保护的动作信号等开关量信号，系统以中断方式迅速响应这些信号并做出一系列必要的反应及自动操作。

②对各类故障信号、隔离开关的位置信号、设备运行状态信号，手动自动方式选择的位置信号等以定期扫查方式接收，最后经格式化处理后存入实时数据库。

3）开关量输出

特指各类操作指令。计算机在输出这些信号前进行校验，经系统判断无误后方可送至执行机构，为保证信号的电气独立性及准确性，开关输出信号也经光电隔离，接点防抖动处理后发出。

4）信号量值及状态设定

由于设备原因而造成的信号出错以及在必要时要进行人工设定值分析处理的信号量，系统允许运行值班人员和系统操作人员对其进行人工设定，并在处理时把它们与正常采集的信号等同对待，系统可以区分它们并给出相应标志。

5）运行实时监视

系统可以使运行人员通过显示器对阀门、泵站主要设备的运行状态进行实时监视。所有要进行监视的内容包括当前各设备的运行及停运情况，并对各种运行参数进行实时显示。

6）参数越限报警记录

系统将对某些参数以及计算数据进行监视。对这些参数量值可预先设定其限制范围，当其超出设定范围时，启动相关量分析功能，作故障原因提示。

7）故障状态显示记录

系统定时扫查各故障状态信号，一旦发生状态变化将在显示器上即时显示出来，同时记录故障及其发生时间，并用语音报警，系统对故障状态信号的查询周期不超过2 s。

8）控制与调节

运行人员在控制室计算机上调出所需操作站点的相关操作界面后，通过操作键盘或鼠标，就可以对需要控制的电气设备发出各种控制操作命令，实现对设备运行状态的变位控制。计算机系统自动提供必要的操作步骤和足够的监督功能，以确保操作的合法性、合理性、安全性和正确性。

3.3 视频集成

视频监控系统目前已完成建设，包括景区内共约90路摄像头的整体安装、视频上云等。

目前景区内一共有2块LED大屏，分别在李白广场及琼台仙谷入口处，两块LED屏不在一个局域网内，其中，李白广场的LED屏已通过光纤网络接入管理中心。为了实现集中管理，需要对琼台仙谷的LED大屏进行集成。

目前琼台仙谷的LED大屏采用插U盘的方式进行显示，包括图片展示、文字显示和视频播放等功能。为了实现LED屏的远程控制，给LED屏增加一套无线网路通信模块，配置4G网络卡，实现在管理中心的远程控制。

3.4 通信网络

本设计主要包含以下几部分通信网络：

（1）无线网络

无人机采用4G网络实现直播，数据上报等功能。琼台仙谷入口的LED大屏通过无线网络，实现管理中心对其远程控制。

（2）光纤局域网络

智能卡口系统、阀泵自动远程控制系统的集成都采用光纤局域网络。

（3）VPN专线网络

视频监控系统采用200 M VPN专线网络从运营商机房汇聚到大瀑布管理中心，当前视频点位约为90处，单个视频需要至少2 M的带宽。

（4）固定IP网络

固定IP网络主要用于日常办公及网络视频查看。整个通信网络系统结构如图3所示。

图3 网络拓扑图

3.5 软件平台设计

系统对用户、部门的数据录入情况、数据的有效率、用户的在线率、系统功能的使用情况、高频功能、高频搜索词、其他行为日志等进行统计分析。通过与内核通信和访问接收基础数据库实现设备管理、设备监控、告警管理、数据分析等功能，并利用Web GIS技术进行交互和展示，使用户方便直观地获取设备的运行状态和人员的访问情况，以利于对设备进行维护管理，实现物联感控前端设备运行监控、健康检查的智能化。

（1）设备管理：实现设备的增删改，参数配置与查看等功能。

（2）设备监控：实时监控设备的运行状态，包括电压、电流、信号强度等，以及数据的状态。

（3）告警管理：对设备异常产生的告警进行提醒、查看、管理。

（4）数据分析：对设备运行的参数以及采集数据进行历史分析。

（5）信息下发：通过调用预警信息系统，将运维告警信息下发至具体运维责任人。

（6）绩效管理：根据人员的访问量、登录量、巡查情况形成绩效考核排名，统计人员、部门的考核情况。

4 网络安全设计

为了满足系统的安全要求，在系统稳定运行的基础上，建立主动、开放、有效的系统安全体系，以预防为主，并加强系统的恢复功能，实现系统安全状况可知、可控和可管理，形成集防护、检测、响应、恢复于一体的安全防护系统。对平台及政务云环境进行二级等保测评等安全检测。

5 结束语

通过本次设计与实践分析，主要有这几方面的创新亮点：

（1）提升资源监管能力

应用物联网技术，面向资源监管需求。建立天台桐柏水电事务中心区域范围内全覆盖监管体系。让一切现有与在建资源可看、可查、可调度，全面提升桐柏水电事务中心的监管能力。信息资源包括：位置信息：水库、电站、车辆、船舶、仓库等位置，人员分布、库区违法点、景区人流密集点等等；实时动态：车流、人流、水流、水位、闸门、台风、视频、发电量、瀑布用水量等实时信息；行为信息：水位超汛限、设备故障、摄像头掉线、人流超限、车流超限等等；数据信息：洪水预报信息、水资源调度信息、今日景区人流总数、天气预报、用水量总览等等。

（2）提升资源调度能力

面向调度指挥中心与现场工作人员的调度需求，形成人员与人员、人员与资源设备之间的网状连接，打破空间地理限制，建立覆盖面更广、更完善的管理体系，全面提升桐柏水电事务中心的资源调度能力，最终实现调度一切可调度资源。

（3）提升资源控制能力

借助物联网、大数据、移动互联等最新技术，整合现有设备资源，通过远程控制等方式，对所有设备进行实时控制，包括对设备控制启闭、对摄像头控制转动、对语音柱播放切换、对景区人流、车流限制释放、对户外LED屏幕文字调整等。