江苏水利信息化与自动化的现状及其发展方向

蒋 斌 ，黄海田 ，2，王朝俊

（1.扬州大学能源与动力工程学院，江苏 扬州 225009；2.江苏省水利厅科学技术委员会，江苏 南京 210029；3.江苏省水利工程质量监督站，江苏 南京 210029）

0 前言

2009 年 10 月，江苏省水利学会、江苏省水利厅科学技术委员会举办了江苏水利信息化和自动化专题研讨会。会议邀请国网电力科学研究院、江苏省电力公司的专家作了专题报告。来自江苏水利科研、设计、管理等单位的 50 余名代表和专家参加了会议。会议收到相关论文 22 篇。会议回顾总结了 10 年来江苏水利信息化和自动化进程，展望了未来的发展趋势。本文综述了与会专家的主要研究成果和观点。

1 江苏水利概况

江苏地处长江、淮河下游，东临黄海。全省总面积 10.26 万 km2，地势西北高、东南低，河网密布、湖泊众多。平原洼地面积约占 68.8 %，丘陵山地占14.3 %，河湖水面占 16.9 %。江苏位于亚热带向暖温带过渡地带，南北气候差异和季风特征明显。特定的地理位置和气候特点，导致局部洪水频繁，区域洪水常见，流域洪水易发，决定了防洪任务的艰巨性。水资源时空分布不均，调蓄能力差，本地水资源不足，淮北、沿海、丘陵高地阶段性水资源紧缺。

经过长期不懈的建设，江苏已建成了比较完善的防洪、除涝、调水、挡潮等工程体系。江苏全省有 6000 多 km 流域性堤防可束水归道；有 160 多座大中型泵站、370 多座大中型水闸，可实现跨流域、跨区域控制调度；有 900 多座水库可进行调蓄；还有数不胜数的小型工程参与排蓄引灌。江苏已实现对除长江外的所有河流、湖泊、水库的水位和流量的有效控制。在江南，长江水可调入太湖大部地区，而太湖地区洪涝水可就近排入长江；在江北，长江水可调入淮河及沂沭泗全流域，淮河与沂沭泗洪水可互调并可调入长江。

2 江苏水利信息化与自动化建设

如何进一步发挥如此众多水利工程的效益？在信息时代，引领水利发展和现代化的重要途径是信息化和自动化建设。

2.1 水利信息化与自动化的建设过程

在水利工程如此丰富的江苏，运用信息化和自动化技术，最有可能取得较好的管理和经济效益。因此，从 20 世纪 90 年代中期开始，江苏水利启动了具有现代意义的信息化和自动化建设进程，使得江苏水利在信息化和自动化方面始终走在全国水利的前列。

2.1.1 自动化建设

1980～1983 年，江都水利枢纽建设了实时数据处理系统，采用 DJS-130 型电子计算机，通过分散型远动装置和无线遥测装置，收集和传输 4 座泵站、1 座变电所和 13 座水闸的 1482 个现场数据；1985 年，淮安渠南灌区采用简单总线技术，实现了 2 级分布式控制；1994 年，江都西闸通过微机系统实现了各种信息的采集和闸门的自动运行；1997 年，江都一站实现了实时数据采集、存贮、监测、报警、打印等功能，达到了实用级。

1999 年，江都抽水站机组监控关键技术项目实施完成。该监控系统在江苏水利系统首次采用分层分布式结构、PLC 控制、交流采样智能仪表、Intouch 组态软件等技术，在系统集成和大型泵站群在线优化调度系统方面达到了较高水平，目前江苏水利工程监控系统基本沿用该监控系统模式。1999 年高港泵站建成的微机监控系统采用集散控制系统（DCS）技术，监控系统主干网为 2 段相连的粗缆冗余总线网，各个采集控制站和控制室内的操作站组成以太网络结构，通过 TCP/IP 协议实现网络通信。选用 WebAccess 网络组态监控软件，实现了基于 Internet 的泵站远程监控。2000 年以后，江苏全面推广计算机监控技术，新建、加固改造工程基本都使用计算机监控系统。

2.1.2 信息化建设

1998 年以来，江苏水利实施了 20 项信息化工程，累计投资约 2 亿元。建成了 270 个水情遥测站，省以上报汛站自动测报率达 76 %。在苏北大运河沿线建设了 82 处水情、工情自动采集站和 4 个市界分水断面流量自动监测站。太湖地区建成 11 个水质自动监测站。利用公共通信网建成了江苏省水利厅至 13 个市水利局、11 个市水文局和 8 个厅属管理处的骨干网，各市建成了覆盖全市的地区网。在全国水利系统率先实现了省、市、县三级计算机联网。建成了覆盖省厅、各市水利局、厅属管理处的视频会议系统。水利基础数据库中的历史水文数据库、雨水情数据库、遥测数据库基本建成，水资源、水利工程、水质等数据库正在建设。

建成省水利厅、各市水利局、厅属管理处的防汛信息门户网站和防汛决策支持系统，并建立了空间信息和实时工情数据库。开发了淮河、沂沭河 2 个流域、6 座大型水库和 3 座中型水库的洪水预报调度系统。完成了苏北地区水资源配置监控调度系统第一阶段工程建设，开发了调度运行软件、来水预报模型和实时工情数据库。开发了省水利厅内网信息门户、办公自动化、工程项目建设管理信息系统等办公应用软件。

2.2 水利信息化与自动化的作用

作为水利现代化的重要基础工程和手段，水利信息化与自动化有效提升了水利工程管理、防汛防旱调度管理、水行政管理的科学化水平及效率与效益。

2.2.1 信息化方面

防汛指挥系统的建设，改善了防洪调度决策手段，增强了防汛决策的科学性、严密性和预见性。利用决策支持系统，淮河洪水预见期由 2 d 延长至 7 d，沂沭泗洪水预见期由 18 h 延长至 24 h，滁河、秦淮河洪水预见期由 6 h 延长至 12～18 h，提高了防洪抗灾的主动性，发挥了重大效益。

在抗御 2000 年 8 月淮北特大雨涝中，防汛指挥系统及时发出预警雨情、水情，通过采取预降内河水位，架设临时排涝机组，派出机动抢险队等措施，最大限度地减少了损失，减灾效益达 2 亿元。在 2001 年抗御淮北特大干旱中，根据系统提供的淮河、沂沭泗上中游的水情信息和枯水期来水预报，及时拦蓄雨洪资源，该年共多拦蓄水资源达 30 亿 m3。在抗御 2003 年淮河特大洪水中，借助防汛指挥系统，在洪泽湖水位尚在汛限水位以下时就预降水位0.4 m，腾出库容接纳上游洪水，避免了洪泽湖周边的滞洪和 110 万人转移、12 万 hm2耕地的淹没，取得了 12 亿元的减灾效益。在抗御 2007 年淮河流域大洪水中，采用防汛指挥系统进行分析预测，决定预降洪泽湖水位，启用淮河入海水道，以有效抑制了洪泽湖水位上涨，减轻了上中游的抗洪压力，减灾效益达 49.98 亿元。

2.2.2 自动化方面

水利自动化的主要服务对象是泵站、水闸的主机组、闸门及各种辅助设备。现代意义上的自动化是传统电磁自动化的换代，通过自动控制设备，实现对单个设备、设备单元、单个工程的自动控制。通过自动化与信息化的有机结合，水利自动化已形成一个集计算机、控制、通信、网络、信息为一体的综合系统，不仅能完成对单个工程的自动控制，还可以实现梯级、流域及跨流域水工程群的，经济运行、安全监控和信息共享，并具备生产管理、状态检修、智能报警、仿真培训等辅助功能。

水利自动化的建设，为实现水利工程的“无人值班（少人值守）”创造了条件，有效改善了运行管理人员的条件，减少了运行管理人员。近 15 年来，江苏新建了一大批水利工程，但运行管理人员并未增加，有效减轻了各级财政的负担。由于故障诊断和处置的准确性和及时性的大幅度提高，有效提升了工程和设备运行的安全性和可靠性，各级管理人员可利用多种工具，收集运行安全状态和结构异常信息，对异常信息进行综合分析、核查，确定异常程度，将分析结论进行发布和预警，为故障提前排除提供依据，实现故障提前排除，减少了运行损失。由于对主要设备状态在线监测的逐步实现，使得传统的基于时间因素的设备维修决策转变为基于状态因素的设备维修决策，减少了维修的盲目性，提高了维修的针对性和经济性。而自动化更为泵站的单台机组、单座泵站、单级中的若干座泵站、多级泵站的实时优化调度，甚至为清污设备的优化运行提供了可能性和有效性。根据优化调度软件提交的优化运行方案，自动控制系统可以方便地调整各台机组的运行姿态，从而使系统能够按给定目标优化运行，进而提高运行效率和效益。目前，江都、淮安、宿迁等水利枢纽已可以实现区域水工程群尺度的优化调度。整个江水北调工程的优化调度雏形已经建成。

对于水闸而言，根据调度目标，实时调整闸门状态已经变得非常便捷。由于淮河入海水道工程本身的特点，该工程在初期行洪时对总流量及南、北偏泓的流量和水位的控制要求较高，通过对入海水道沿线 4 座枢纽工程的自动控制，可以有效保证入海水道堤防和各水工建筑物的安全。对于灌区，通过决策支持系统对各分水口门的自动控制，可有效提高用水效率和供水质量。洪金灌区总面积 5 万 hm2，耕地面积 2.8 万 hm2，年均实灌面积 2 万 hm2。通过优化调度和自动控制，节省了调度的时间，提高了调度的效率，由 7 d 轮灌 2 次提高到 3 d 轮灌 1 次，且各分水口的水位平均提高了 10 cm，灌区自流面积增加了0.35 万 hm2。

3 江苏水利信息化与自动化存在的问题

江苏水利信息化和自动化建设起步较早，在初期建设时探索性的成分明显，这种探索不仅是江苏水利的探索，在一定程度上也是全国水利的探索。探索过程中，也存在和暴露出一些问题。

3.1 规划和标准的引领作用未得到充分发挥

尽管江苏在水利信息化和自动化建设初期就比较重视相关的规划工作，但由于对信息化和自动化认识的深度不足，使得规划本身的深度和质量不高，指导性不强。同时，由于客观上存在的信息化和自动化建设的部门、地区分割，又使得规划的约束性下降。在技术层面上，由于没有及时制定相关的技术标准，甚至缺乏指导性意见，也没有统一的规划与设计审查机制，使得信息化和自动化在构架、型式和设备的型号参数等方面表现出较严重的随意性，给后期不同尺度的整合带来了障碍。

3.2 公共资源的利用存在认识偏差

江苏水利 20 世纪 90 年代初建设的宁宿防汛数字接力通讯系统，90 年代中期建设的大运河一点多址通讯系统等总体上不能认为是成功的。究其原因，既有受当时技术水平的制约等技术因素，但更多的是这些系统为水利部门自建等体制因素。水利部门自建通讯系统，无论是建设和保障能力，还是投入水平，都难以保障系统的高水平建设、稳定可靠运行和系统效益的发挥。从 2000 年开始建设的水利骨干网采用租用公共通信网的方式，取得了明显的效果。但还存在一些本可以利用公网的站点仍然自建光纤、无线扩频等网络的现象，同样存在一系列管理问题。江苏水利自备的卫星通讯应急车，也未能发挥应有的效用。

3.3 功能定位和设备配置欠当

对信息化与自动化的目的和目标定位欠当，一定程度上存在追求外在表现形式的倾向。不顾工程规模，不考虑工程的重要性，不计效益，一味追求自动化，一味追求系统高配置的做法较为普遍且还在延续，以为有了自动化功能、用国际上最先进的设备堆砌起来就是现代化了。对于单个工程而言，近 10 年监控系统所实现的功能并没有明显增加，但造价却明显增加，系统的功能目标提高与系统造价的大幅增长不匹配。一些中小型水库的溢洪闸，建库 20～30 年以来都没有溢洪的记录，也要装上远程视频和自动控制系统。信息化方面存在低水平重复建设现象，追求系统高配置的做法亦较为普遍。

3.4 功能开发和资源整合效果不显著

由于自动化各相关系统之间存在较突出的性能、功能的不匹配问题，使得自动化监控系统的功能难以充分发挥。对于泵站，由于机组性能率定还处于试验阶段或真机率定的成本很高，机组性能是通过模型试验数据换算的，换算误差无法做出准确评估，使得机组调节缺乏可信的依据，因此优化调度还仅停留在软件的层面上。泵站的状态检测与故障诊断技术还处在探索研究阶段，一些被监控对象自身达不到自动操作的要求。这使得单座泵站也难以实现真正意义上的自动化。而多级泵站由于涉及河道输水与用水、湖泊调蓄、特定水位等众多因素，其优化模型还在不断探索中。对于水闸，由于大多数水闸的流量未精确率定，且水闸安全监测方面目前开展的较少，已有监测的稳定性和精确性也都不高，能真正实现控制的水闸并不多。对灌区和供水工程而言，整个灌区实现全面自动控制的范例现在还没有推出。因此，水利工程真正实现“无人值班（少人值守）”和自动优化控制运行的目标还有较大距离。

相对于信息化工程已有的硬件设施、应用软件、数据库等资源而言，在资源有效整合、互联互通、信息共享等方面效益还有待于进一步推进，资源或数据的挖掘还处于起步阶段，所谓的深度挖掘，无论是技术上还是机制上都还存在较多障碍。由于资金投入渠道不同，项目来源多样，成果归属问题复杂，建设标准各异，加之技术难度大等多方面因素，造成信息系统开发各自为政，软硬件环境统一利用困难，应用分散，缺乏整体优势等现象，资源整合难度大，导致信息化建设整体水平难以有效提高。

3.5 管理能力不足

信息化规划编制与实施能力不足，信息化和自动化建设标准难以统一，建设项目缺少归口部门的统一和有效审核。信息化和自动化建设执行水利基本建设的程序和规定，缺乏有针对性的建设管理规定，工程招标评标、建设监理、质量评价、性能检测、验收的要求不明确，使得建设整体目标的实现和质量保证方面存在一定风险。主管部门、工程参建单位、工程运行管理单位的专业人才匮乏，难以保证工程建设与运行管理质量。运行管理的资金不充足，制约了信息化和自动化工程的维护、升级、开发等后期工作。

4 江苏水利信息化与自动化的改进和发展方向

倪光南先生指出：“颇有讽刺意味的是，‘信息化带动工业化’的口号在实践中变成了‘以中国的信息化带动外国（信息产业）的产业化’”[1]。江苏水利信息化与自动化已经走过了 10 多年的探索与实践历程，今后应在总结已有经验的基础上，从指导思想到具体操作上进行重大改进，准确把握发展方向，使江苏水利信息化与自动化进入科学发展的时期。

4.1 明确目标定位

从本质上讲，信息化与自动化都是手段，而不是目的。水体在水网中的流动特征，与运输机械在路网中、电能在电网中、信息在通讯网中的流动特征有着重大的区别，因此，水利信息化与自动化应该在很大程度上有别于电力、通讯、道路、金融等系统的信息化与自动化。水利信息化和自动化的根本目的是发挥水利工程的最大能力，合理配置水资源，提高工程运行的安全可靠性，节省人力资源。水利信息化与自动化的一切规划、研发、设计、建设、管理行为，都应紧紧围绕这一主题。高度的信息化和自动化，应该不是水利所要追求的目标，即使建成了高度的信息化和自动化，也难以发挥信息化、自动化应有的效用，导致投资浪费，资源浪费，同时还将增加不必要的管理费用，充其量只能获得观感上的愉悦。对于水利工程，信息化与自动化系统的简约、实用和高效是应该始终遵循的基本原则。

4.2 大力实行标准设计

在操作层面上，水利信息化和自动化建设最重要的是标准设计。通过标准化设计，对系统内容、性能指标、设备配置及可靠性、安全性、稳定性、开放性等做出统一和具体的规定，以使信息化和自动化在各个层次、各个环节上都能基本匹配与衔接，既避免一些地方标准太高而造成浪费，又防止一些地方标准太低而造成短板效应。同时解决好数据接口、信息的存储与处理的标准化问题，避免形成一个个信息孤岛，提高信息利用率。对于不同类别的工程，也要有相应的标准设计方案供选择。信息化、自动化和保护装置的冗余度应适当，避免过度冗余。

4.3 充分利用公共资源

随着通信业的迅速发展，江苏省的光缆已通达到城市的每幢大楼、农村的每个村庄。水利信息化应充分利用这一技术条件，县以上骨干通信全部采用公网，县以下信息采集实行公网专网结合，适宜公网则取公网。不应再投资建设类似防汛应急通讯卫星车等设备和设施，需要时可租用或调用专业通讯系统的设备。对于规模小、数据量少或地处偏僻地区的工程和水文站点，应委托通讯部门进行信息的采集和传输，甚至可委托进行信息处理。信息化、自动化的设计和软件开发等工作应尽量委托高等院校和科研院所进行，工程维护应委托专业公司进行。

4.4 合理配置技术与设备

通讯协议主要有 RS-485 通讯、以太网通讯 2 种，以太网能采用通用的软件协议进行通信，开放性好，可以使自动化系统结构简单，组态容易，编程工作量减少，通讯速度快，极易实现远程控制和调试。PLC 是自动化系统的基础，应通过技术、经济比较，在满足功能要求的前提下，合理选用 PLC，避免 PLC 使用过多、档次过高的情况。视屏监视系统更应合理配置，回归视屏监视系统的本质功能。各类高气压电气设备配备的相关仪器仪表和保护装置也要大大简化，避免保护装置的造价高于被保护对象的情况。

应尽量选用国产信息化和自动化设备，改变一味追求进口设备的现象。目前国产设备的功能、性能及稳定性、可靠性均不低于进口设备，采用国产设备可以有效地降低投资和运行维修成本，提高系统的性价比。

4.5 强化人才培养与系统维护

切实加强水行政主管部门、水文系统、工程管理单位和水利设计、监理等单位信息化和自动化人才的引进与培养工作，以保证水利信息化、自动化工程建设与管理工作正常开展。在系统的维护与升级方面，日常维护应依靠管理单位自有的人才，以保证系统的正确操作、及时发现问题并能对简单问题进行相应处置。重大维修和升级可以采用服务外包的方式，以保证重大维修的及时有效和系统的常态化。系统维护的关键，是落实维护经费。

4.6 完善管理制度

建立强有力水利信息化、自动化工作的统一领导机制，统筹各地、各级、各方力量，共同做好工程建设、管理工作。合理调整有关部门职责，减少运行管理的复杂度，优化工作流程，提高管理的效率。在工程建设管理上，要针对信息化、自动化工程特点，制定相应的工程立项、设计、施工、质量、验收管理规定。特别要明确验收程序和相关标准，并委托专业公司对系统软硬件进行测试。

[1]倪光南. 从“信息化”到“工业化”的思辨[J]. 中国科技财富，2008，(11)：27～29.