县域泵闸群远程集控调度系统的设计

赵 睿

（山东省阳谷县水务局，山东 聊城 252326）

1 引言

阳谷县城区防汛河道错综负责，防汛河道中闸门泵站联合调度对汛期防汛非常重要。山东聊城阳谷县水务局配合山东聊城阳谷黄河河务局对阳谷县城区防汛河道闸泵群进行了多轮改造和升级，如景阳冈大酒店闸门及新世纪两处闸门改造升级，第一泵站新建闸门等，取得了很好的效果。但随着全球天气变暖，恶劣天气的影响越来越频繁，目前单个闸门或泵站的自动化升级改造不能满足联合精准调度的需求。例如，2021年10月9日至11日，黄河下游一级重要支流金堤河，频繁的强降雨天气使得洪水快速冲泄到处于河道最下游、具有金堤河“水布袋”之称的阳谷河道，导致金堤河水位迅速上涨，进入汛情紧急时期时。这就需要通过“拦、蓄、送、排”等综合措施处理东平湖洪水，要充分利用好两次大流量之间的“窗口期”，动态精准调度东平湖向黄河干流泄水；再利用大汶河琵琶山引汶闸向南四湖分泄大汶河洪水，再利用南水北调济平干渠、南水北调穿黄工程、南水北调八里湾船闸和东平湖八里湾泄洪闸分别向小清河、徒骇河、南四湖分泄东平湖洪水，实现东平湖水位有序回落。同时对金堤河协调利用水闸向徒骇河、马颊河分泄洪水，需要精细调控入黄口张庄闸、抽水泵站，争取错峰择机入黄河。这些措施的落实急需建设县域泵闸群远程集控中心，对泵闸群进行远程集中调度和监控，采用先进的计算机技术、自动控制技术、网络通信技术、互联网技术和图形显示技术,设计和开发一体化分层分布式的集散控制和调度系统,对阳谷县城区防汛工作乃至整个黄河下游的防汛工作具有重要意义。

阳谷县泵闸站群远程集控调度系统充分考虑并采用先进、主流、可靠的应用技术，以智能化和一体化作为设计目标，通过系统实现工程闸站设备的集中控制和标准化管理[1]。

2 设计思路

（1）建立标准化的数据采集与数据服务体系。平台的数据采集涉及阳谷县城区防汛河道主要泵闸工程各种类型的设备与装置，如计算机监控设备、启闭机、闸门控制设备、水位开度感应等。为避免“信息孤岛”和“同源不同值”问题，需要建设标准化的数据采集和服务体系，数据采集总线可采用电力自动化标准IEC 61850，要求所有设备均需要支持该标准接口，公共数据服务采用Web Service和HTTP Service协议。

（2）构建以数据中心为核心的组件式业务体系。平台需将闸站运行管理、调水管理、工程巡查管理、在线监测与监控系统等功能模块整合到一个平台中，并对历史数据进行收集和整理，建立以数据中心为核心构建动态可扩展的业务体系。数据中心提供数据存储能力，及提供实时、历史数据分析处理服务。

（3）强化以安全运行为基础的安防监控体系。安全防护是泵闸站工程运行管理乃至无人值守（少人值守）的前提与基础，提供必要的运行安全防护措施是智能化运行的前提与基础。全系统包括远程控制指令的安全下发和正确执行，现地控制和远程控制的指令冲突及死锁预防，远程设备运行状态的安全分析，远程设备故障诊断分析、无人值守智能门禁系统、安全巡检系统、视频监控系统、红外入侵预警系统、语音预警系统等，在平台上能够实现协同工作联动管理，从而为工程提供智能化安全防护。

（4）基于GIS实现统一可视化集控平台。系统建设采用目前主流的可视化技术，利用二维GIS技术，通过统一的平台进行生产运行过程信息的图形化、图像化展示与发布。利用GIS形成“一张基础图”，为各业务应用系统提供可视化支撑平台。

（5）建立集控制、安防与管理为一体智能化平台。2015年国务院发布《中国制造2025》行动计划，中国制造2025核心思想是推进制造过程智能化，发展机器人、智能控制以及自动控制技术，打造“无人工作岛”“无人生产线”和“无人车间”。该平台通过建立集智能控制、安防、管理为一体的协同业务平台，实现远程集中式智能自动智能控制，无人值守时智能入侵检测预警，少人管理时协同办公实现高效管理，近期实现“少人值守”目的，中远期实现“机器换人”目的[2]。

3 系统层次结构设计

（1）纵向分层和横向分区

阳谷县泵闸群远程集控调度系统采用纵向分层、横向分区的体系结构，纵向分为枢纽控制中心层和现地控制层[3]，横向分为控制区、安防区和管理区。通过自建和租用运营商裸光纤模式，建设安全可靠的高速光纤传输网络为主干架构，现地自动化系统为基础，智能控制、智能安防、智能管理为载体的面向服务智能化分布式结构。系统设计总体结构如图1所示。

图1 系统设计总体结构图

（2）自动控制区（Ⅰ区）的层次结构

自动控制区（Ⅰ区）纵向接入各泵闸工程的现地自动化系统，划分为枢纽控制中心层和现地控制层。

现地控制层自动化系统为各泵站闸站已经建成的自动化控制系统，主要包括计算机监控系统LCU设备、闸门控制设备、状态监测装置、闸门开度传感器、水位传感器、工业以太网交换机等现地自动化装置。系统需要实现与已有系统的数据对接[4]。

控制中心层设在城区河道闸站泵站工程，主要包括自动控制系统、智能安防系统和智能管理系统。枢纽控制中心层自动化控制系统实现对各大坝设备进行远程监控和操作。实现包括机组实时信息监视、启闭机实时信息监视、统计信息管理、闸门泵站运行操作规程、闸站运行监视报警、闸站基本信息管理等在内的运行监视和远程控制管理。

（3）智能安防区（Ⅱ区）的层次结构

智能安防区（Ⅱ区）纵向接入各泵闸工程的各智能安防系统，同样也划分为控制中心层智能安防系统和现地控制层智能安防系统。

现地控制层智能安防系统包括了视频监控系统、安防系统、智能门禁系统、语音预警系统[5]，其中智能门禁包括：大门自动控制子系统、可视对讲子系统、指纹门禁系统，车辆识别系统等组成；安防系统包括红外入侵检测子系统、周界电子围栏子系统等。可以在现地控制层管理房内实现一体化安防管理工作。现地控制层的智能安防数据包括视频图像、语音、报警信息、车辆出入信息、人员出入信息需通过交换机经租用网络运营商裸光纤传输到控制中心层智能安防系统的数据中心中，实现集中安防管理，达到少人值守、无人值守的目的。

枢纽控制中心层智能安防系统建立集中数据存储中心，对视频、图像、语音、报警信息、出入车辆、人员出入考勤等信息采用磁盘阵列进行存储和客户端进行实时显示。中心值班人员通过操作网络键盘可以实现各大坝视频监控。系统还能实现远程的门禁管理，远程语音喇叭管理，现地安防系统撤防布放管理、远程信息监测等功能。

（4）智能管理区（Ⅲ区）的层次结构

智能管理区（Ⅲ区）包括业务应用系统和决策支持系统[6]，是实现智能化管理的关键，同样也由枢纽控制中心层和现地控制层协同完成。

枢纽控制中心层的智能化业务系统主要包括智能调度系统、工程巡查管理系统、安全预警系统、OA移动办公系统、移动应用系统、在线监测与监控系统、防汛应急指挥决策支持系统、GIS系统、标化管理系统。各系统基于角色权限分层分级管理，权限级别从现地控制层向枢纽控制中心层递增，根据不同角色的不同权限实现协同式管理。

4 系统功能结构设计

远程集控调度系统功能在纵向上分布在枢纽控制中心层和现地控制层，在每层横向上根据系统的功能、安全要求、服务类型分为自动控制、智能安防、智能管理几个区。各子系统层次结构如图2所示。

图2 系统功能结构图

根据阳谷县水利工程防汛安全为主的运行管理特点，系统功能设计将坚持“实用、可靠、先进”的方针，实行“统一规划、分步实施；实用先进、安全可靠”的设计原则。

（1）统一规划 分步实施

系统按照统一规划的要求，立足阳谷县水利工程管理现状，综合考虑中长期发展需求，构建智能化的集中指挥控制系统平台，在此基础上，分析各类业务的急迫程度，重点解决面临的主要问题，梳理各类业务之间的相关关系，并充分考虑到阳谷县水利工程管理现状及经费保障能力，确定合理的分步实施步骤。

（2）实用先进，安全可靠

充分考虑信息技术和信息需求的迅速发展的趋势，在技术上应具有一定的超前性，采用国际或国内通行的先进技术，以适应现代科学技术的发展。总体设计要一步到位，要保证项目总体智能化水平达到稳定可靠。

技术上，充分吸收远程集中监控、水利枢纽联合优化调度、设备状态监测与检修等领域的最新科研成果，积极采用网络通信、计算机软硬件等方面的先进技术，在自动化、信息化、智能化等一些关键技术方面实现突破性创新，达到国际领先水平。

在确保技术先进性的同时，正确处理发展与安全的关系，注重系统安全性和实用性设计，综合平衡成本和效益，加强信息安全保密的技术措施和制度建设，建立完善的网络与信息安全保障体系，确保系统运行有高度的可靠性和安全性。

5 结束语

系统本着充分发挥阳谷县城区防汛河道泵闸工程的综合社会效益、挖掘设备的潜在运行管理效益并考虑经济性的原则进行设计，以阳谷县中心城区及金堤河的防洪排涝、联合调节等等诸多职能目的。在及时、准确地掌握区域内水雨情、工情、气象台风等信息的基础上，建成高效可靠、实用先进的综合管理系统，为管理部门准确、及时地提供防汛抗旱调水综合信息，为科学进行水利信息管理等提供科学依据，为防汛指挥提供支持。系统建成后，将在管理中心即可以通过各泵闸站现地设备获取水文、电气、图像、安全防范等各方面的数据，经数据分析、综合决策和指令下达，在管理中心实现对整个县域防汛河道及金堤河的闸站设备进行远程控制，以达到泄洪、排涝、调水、航运等综合效益。