现代水利工程信息自动化系统需求设计

文学鸿

（水利部水利水电规划设计总院，北京 100120）

现代水利工程信息自动化系统需求设计

文学鸿

（水利部水利水电规划设计总院，北京 100120）

为更好地推动水利信息化建设，通过梳理各类水利工程的信息自动化系统设计需求，归纳总结设计中经常出现的问题，并针对问题出现的原因提出相关建议，以供大家探讨。

水利工程；信息化；自动化；需求设计

0 引言

“十一五”以来，随着水利信息化建设的快速推进，全国水利信息化基础设施已初具规模、业务支撑逐步增强、保障环境明显改善[1]。大范围水利信息采集、高速数据传输及高效的水利工程远程监控的实现，不但提升了水利工程运行调度的现代化水平，更有力地支撑了水利工程规划、设计和管理等各项工作。

信息技术的迅猛发展促进了水利工程信息化建设水平的不断提高，但与此同时，工程设计中也渐渐出现了盲目追求信息化的现象，不顾及工程运用特点及规模，不遗余力地追求高标准和套用先进技术，既增加了国家建设资金的投入，也增加了日常使用与维护的复杂性。同时，对大型水利工程自动化水平要求过低，继续禁锢在“传统”甚至“落后”的“弱信息化”运行模式的设计方案也是存在的，过低的自动化水平不仅降低了工程运用效率和水资源调度的精确性，也增加了工程运行维护的人员成本，同样造成资金的浪费。

因此，为避免出现上述设计问题，本着建设一个具有功能实用、运行稳定、维护方便等特点的信息自动化系统，本文对各类水利工程信息自动化系统的设计需求进行了梳理，归纳总结出常见的设计问题，并针对问题出现的原因提出了相应解决建议，以供大家探讨。

1 设计需求

本文把可能涉及到信息自动化设计的水利工程大体分为 3 类，即水资源配置、水库和蓄滞洪工程。其中，水资源配置工程主要指引（调）水和灌溉工程；水库工程在本文特指水利行业建设的以防洪或供水为主要开发任务的综合运用的水利工程。

1.1 水资源配置工程

对于水资源配置工程，工程措施往往是建设取水枢纽，把集中后的水资源通过输配水系统（渠道、管道、涵洞、倒虹吸、水库、闸门等）输送到受水端，输水沿线可根据需要建设泵站或动能回收电站。水资源配置工程涉及的建筑物种类、数量较多，地域跨度一般会很大，可能会有多级管理机构分工负责工程的运行维护，其管理组织结构相对较复杂，如图1 所示。

图1 水资源配置工程典型管理组织结构

水资源配置工程的信息化系统特点主要是监控对象数量多，数据规模大，通信节点分散，数据传输距离远，公共通信网络一般不能全覆盖，通信接入系统投资较大，数据的应用较丰富。

设计上通常会包含以下功能需求：1）闸门远程监控；2）泵站或水电站远程监控；3）视频监视；4）安全监测；5）雨情、水情、墒情监测；6）水质（在线）监测；7）视频会商；8）移动视频传输；9）安防系统；10）三维仿真；11）分控中心或备调中心等。

在各等级的水资源配置工程中，上述功能需求的前 6 项几乎都包括在内，以保障实现此类工程的基本功能。而后 5 项只出现在少数大型水资源配置工程中，属于较高级的应用配置。

以安防系统为例，某些特别重要的水资源配置工程若遭到人为破坏，不仅威胁到工程运行安全，其社会影响也将不可挽回。此时，对工程整体或局部运用安防措施，全天候进行安全监视是很有必要的，发现问题能及时报警并迅速定位，既提升了工程管理效率，也增强了工程的安全性。对于移动视频传输，一般情况下长距离输水工程的视频监视很难做到全覆盖，有些位置甚至无法安装视频监视设备。当有视频需求时，附近的运行人员可持便携视频采集设备，通过无线传输通道把现场实时画面传回监控中心，以供后方人员及时分析判断，指导处置突发事件，省去了大量人员赶赴现场的成本，提高了运行维护效率。

1.2 水库工程

与水资源配置工程相比，水库工程的内容就相对简单一些，其工程措施往往是建设大坝形成水库，以防洪、供水运用为主并兼顾其他运用方式，比如发电、航运等。水库工程涉及的建筑物种类、数量较少，地域跨度小，运行及管理机构单一。此类工程的信息自动化系统特点是监控对象数量不多，数据规模不大，通信节点分布较集中，公共通信网络一般覆盖较差，通信接入系统投资较大，数据的应用较丰富。

设计上通常会包含以下功能需求：1）闸门远程监控；2）水电站远程监控；3）视频监视；4）安全监测；5）雨、水情监测及预报；6）水质（在线）监测；7）视频会商；8）三维防洪仿真等。

在上述各项功能需求中，前 6 项功能是绝大多数水库工程的基本配置，而视频会商功能往往在特别重要的具备防洪运用的水库工程中才会配置，因为这样的工程关系着广大人民的生命财产安全，一旦出现问题，将对社会利益产生巨大影响，所以为更合理地调度运用工程、更有效地处置重大突发事件，合理配置视频会商系统是有必要的。

对于三维防洪仿真系统，国内在此领域中的研究与应用已有些年头，常作为工程防洪调度决策的一个辅助工具。该系统具体应用于三维场景展示、洪水演进、洪灾预警、洪水淹没评估、防洪调度措施模拟等[2-5]，在当今信息化系统建设中很受推崇。

1.3 蓄滞洪工程

蓄滞洪工程主要利用河堤外的低洼地区及湖泊临时贮存洪水。此类工程涉及到的建筑物种类较少，但可能数量较多，地域跨度一般不大，管理分支机构有可能较多。此类工程信息自动化系统特点是系统随蓄滞洪区的使用率很低，监控对象的数量一般不多，数据规模不大，通信节点分布较分散，公共通信网络覆盖较好，通信接入系统投资一般不大，数据的应用较简单。

设计上通常会包含以下功能需求：1）闸门远程监控；2）泵站远程监控；3）视频监视；4）预警系统；5）雨情、水情监测；6）视频会商；7）移动视频传输；8）三维防洪仿真等。

同样，前 5 项是蓄滞洪工程基本的功能配置，特别是通信预警系统。在蓄滞洪区运用时，如何保证在最短时间内快速组织人畜安全转移，通信预警系统便起着至关重要的作用，设计中常以不同的通信手段相互备用。预警系统可采用的预警方式也是多种多样，现代的方式有语音电话、电视、无线（有线）广播、手机短信等；传统的方式有铜锣、手持报警器、扩音器等。

对于视频会商系统，多是在需要与上级指挥中心（主会场）会商防汛策略时以视频分会场形式设置，如图2 所示。会场有时设置在工程管理单位内，有时也会设在蓄滞洪区现场（比如进洪闸或退洪闸），以便与上级主管部门共享现场信息。蓄滞洪区视频分会场的设备应从简配置，因为蓄滞洪区使用率很低，作为分会场的场所面积有限且一般情况下并非专用，简化的配置既实现了所需的基本功能，又避免了昂贵设备的闲置与荒废。

图2 视频会商系统结构图

2 存在的问题

通过对现代水利工程信息自动化系统需求的梳理可知，各设计单位对有些信息化需求的认识是一致的，这些需求是工程得以安全、可靠、高效运行的基本保障；但对于另一些信息化需求而言，比如视频会商、三维防洪仿真、移动视频传输、安防系统等，不同的设计单位就有了各自的理解，对其应用尺度地把握不尽相同，由此产生一些问题。

2.1 设计原则

信息自动化系统设计原则方面的问题主要集中在以下 3 点：

1）信息自动化系统规模与工程的规模及重要性不协调。这种情况往往是信息化设计标准超出了工程本身的规模，比如某灌溉工程在前期设计中，各级渠道上总共近百个灌溉泵站、闸门均采用远程控制；再比如某蓄滞洪工程的管理处及其所属管理所均配置监控设备分别作为总控及分控中心。这种用巨大资金投入换来过于精细控制的做法并不划算，已经超出了该工程的规模。

2）不以需求为导向，为信息化而信息化。比如为某调水工程管理处配置视频会商分会场的显示设备，拟采用 55 in 拼接屏 4 行 3 列布置，拼接后的电视墙净尺寸至少为 3.6 m 宽、2.8 m 高，这一尺寸几乎布满了会议室整面墙，而且根据工程管理设计，该管理处常设人员只有 4 人，根本没有视频会商的必要，如此盲目的信息化设计严重脱离了实际需求。

3）没有合理的资源共享规划，导致重复建设。在某工程中，新设的水量、水位采集站点附近就有正在使用的水文站，所需的数据都有采集，但由于此数据无法共享，工程被迫新建数据采集站点。在分阶段实施的工程中也存在类似问题，后期建设的应用系统又独立配备了数据传输设备，先期建成的设备所预留的传输、处理能力完全被闲置，造成资源浪费。

2.2 设计深度

设计深度的问题常常体现为信息化专题设计报告中缺少技术方案比选、土建及配套工程的设计内容和工程量、实施计划说明等。而这些问题的出现，其实就是没有很好地执行信息化设计在各建设阶段的编制要求。

目前，水利部发布的与信息化相关的规程规范主要有：SL/Z 346-2006《水利信息系统项目建议书编制规定》、SL/Z 331-2005《水利信息系统可行性研究报告编制规定（试行）》、SL/Z 332-2005《水利信息系统初步设计报告编制规定（试行）》。另外，2014 年 2 月刚刚实施的水利水电工程三阶段报告编制规程中也对信息化设计有相应的要求[6-8]，建议遵照执行。

2.3 功能需求

对于功能需求方面的问题，一方面是实用性不足而先进性有余，比如某工程拟将视频会商会场设计为如图3 所示的虚拟会场。

图3 虚拟会议会场

这种虚拟会议与传统视频会议相比场景更自然、真实，异地用户感觉犹如在同一个会议室开会，但其在水利工程中的应用却显得弊大于利，具体如下：1）布置上对参会人数有很大限制，实用性降低；2）需要有专用的会议场所，很不经济，且与国家要求精简办公用房的目标相左；3）当参会各方会场有相同布置时才会有如此真实的体验，这显然很难实现。

另一方面是方案可行性的问题，比如蓄滞洪区采用微波接力通信，但蓄滞洪区运用时形成的大面积水域对微波传输是有负面影响的，作为主用通道不够可靠；再比如，当采用无线对讲机通信时，选用的设备频率范围和发射功率常常超出相关法律法规的限制等。

2.4 通信系统及其他

通信系统的问题往往是在通信方式选择方面，常常是过多地采用自建长距离光纤通信网，而较少地使用公共网络传输能力，这样做不仅增加了工程投资和通信系统运行维护的工作量，也很难发挥公共网络的多路由保护能力。至于卫星通信资源的使用率就更低了，尤其是水利卫星。水利卫星通信网可承载水利工程信息自动化全部业务类型，且具备卫星通信抗陆地灾害的特点，目前用于水利业务的通信应用是免除入网费和频率使用费的[9]。

其他方面存在的问题主要是备用调度中心、数据灾备中心、网络安全防护及安防系统的设立原则和建设标准不清晰，目前这些需求只是在建设单位有明确要求的情况下才被提出来，或者后期需要时补充建设，缺少统一、明确的设计标准作为参照，不利于信息自动化设计和运行管理标准的规范和统一。

3 结语

经过分析认为，出现信息自动化系统设计原则方面的问题或者说设计上不当之处的原因有以下几点：1）设计人员对水利工程的重要性、功能定位理解有误；2）设计上没有更加系统的规程规范作为参照；3）资源节约意识不强。

因此，针对问题出现的原因，结合个人对水利工程信息自动化设计的理解提出以下几点建议供大家讨论：

1）水利工程多为公益性事业，建设投资很大程度上需要靠国家财政，因此，信息自动化系统设计应以其功能经济实用为首要原则，同时具备运行可靠、维护方便等特点，兼顾适度的先进性。

2）制定完善的信息化标准体系，提高信息化设计标准管理精度。所谓提高管理精度，是指制定的标准可以更加细致地规范信息自动化系统各类功能的适用范围和建设规模，使水利工程信息自动化系统在技术上具有适当先进性的同时，其规模也能与工程建设规模相匹配。

3）《水利水电工程可行性研究报告编制规程》中提出：“特别重要枢纽、输水工程的计算机监控系统、通信系统设计，应进行专题研究”。除考虑工程等别之外，从节约投资的角度考虑，建议当信息自动化系统估算总投资在 3 000 万元及以上时也应编制专题报告，报告通过详细的技术经济比选确定推荐的方案。

4）通过开发标准化的水利信息技术应用产品及软件，在数据的采集、传输、存储以及应用环节最大化地实现资源共享。

5）提高水利卫星通信在水利工程信息化建设中的应用水平。

6）增强水利工程自动化专网信息安全防护的意识。

当前，水利工程信息化建设已处在良好的发展环境下，其走向成熟除了需要设计人员认真务实的态度以外，更需要制度与规范的引导。

[1] 水利部信息化工作领导小组办公室.全国水利信息化发展“十二五”规划[R].北京：水利部，2012: 3-9.

[2] 李云，范子武，吴时强，等.大型行蓄洪区洪水演进数值模拟与三维可视化技术[J].水利学报，2005, 36 (10): 1158-1164.

[3] 刘媛媛，刘舒，苑系民，等.广西防汛三维电子沙盘系统[J].中国防汛抗旱，2013, 23 (6): 11-13.

[4] 彭国均，池天河，张新，等.汀溪水库三维防洪调度管理信息系统研发[J].地球信息科学，2007, 9 (6): 82-87.

[5] 王跃.亭下水库三维防洪调度及运行管理系统研发[J].科技创新导报，2011 (32): 12-13.

[6] 水利部天津水利水电勘测设计研究院.SL 617-2013 水利水电工程项目建议书编制规程[S].北京：中国水利水电出版社，2013: 91.

[7] 水利部水利水电规划设计总院.SL 618-2013 水利水电工程可行性研究报告编制规程[S].北京：中国水利水电出版社，2013: 42.

[8] 水利部水利水电规划设计总院.SL 619-2013 水利水电工程初步设计报告编制规程[S].北京：中国水利水电出版社，2013: 44-46.

[9] 水利部.水利卫星通信网管理办法[R].北京：水利部办公厅，2014: 1.

Demand Design of Automatic Information System in Modern Water Resources Projects

WEN Xuehong
(General Institute of Water Resources and Hydropower Planning and Design, the Ministry of Water Resources, Beijing 100120，China)

To promote the construction of water resources informatization, this paper introduces the demands of automatic information system in all kinds of water conservancy project, and summarizes the problems in designing of automatic information system.To avoid these problems, the suggestions are proposed in this paper for discussion.

water resources projects; informatization; automation; demand design

TV39

A

1674-9405(2014)04-0064-05

2014-06-30

文学鸿（1981－），男，山东济南人，工程师，主要从事电气工程和信息化的设计、管理工作。