关于参窝水库防汛信息化系统改造工程设计的研究

李　兵

(辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳　110043)



关于参窝水库防汛信息化系统改造工程设计的研究

李兵

(辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳110043)

参窝水库防汛信息化系统改造工程经过整合系统资源，改建和增补部分项目，最终能够形成以水情测报为核心、大坝安全监测为基础、信息网络为骨干、闸门监测为保障、防洪调度为灵魂、测控计量为效力、远程监控为证物的并满足现代水利自动化、信息化要求的综合自动化系统。

防汛信息化系统；监控中心；水情测报；改造；参窝水库

1　概　述

参窝水库位于辽宁省辽阳市上游太子河干流上，距辽阳市45km，坝址以上流域面积6175km2，年径流量24.5亿m3，最大库容7.91亿m3，与上游70km处的观音阁[大 (1) 型]水库、90km处的一级支流关门山(中型)水库及下游15km处的一级支流汤河[大 (2) 型]水库形成太子河干流的梯级开发和联合调度，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、工业用水，并结合供水进行发电的综合利用的大(2)型水利枢纽工程。参窝水库信息化系统改造工程设计系统结构为分布式，软件设计为基于Web在线采集与离线分析条件下的B/S结构，工程管理局位于辽宁省辽阳市，工程大坝为混凝土重力坝，坝内部分廊道及竖井常年沥水。

2　改造的必要性

参窝水库是国内大坝安全自动化监测实施较早的水库之一，自1989年投运至今已有20多年的历史，目前参窝水库自动化监测系统已经完全处于瘫痪状态，所有的内观数据人工已无法采集，出现了大坝安全监测的盲区；外部监测项目也完全依靠人工完成。观测项目保留了坝顶水平位移、坝顶垂直位移、基础扬压力、渗流量4项，其余各观测项目均已停止监测。仅对以上观测成果每年整理一次。这种完全依靠人工观测、无自动化监测的现状，已成为水库大坝安全运行的巨大隐患，有必要进行改造。

3　改造目标

按照《参窝水库大坝安全监测自动化系统设计》(辽宁省参窝水库管理局，2003年11月)、《辽宁省参窝水库大坝运行报告》(辽宁省参窝水库管理局，2012年5月)及辽宁省参窝水库管理局对参窝水库大坝安全监测自动化建设的要求，多方面对原监测手段和废遗系统进行全面论证，应用现代技术与工程手段，侧重建设以大坝挡水建筑物、岸坡、溢流坝段、重要断层区域安全监测为主体，不忽视相关水工要素；以外部监测为主，内部监测为辅；以自动化监测为主，辅以人工巡视和巡查检验；在集中巡测过程中，重视单项校验分析；基于数据库的软件体系，实现在线监测、实时采集存储、传输入库、离线分析的多任务操作大坝安全监测系统。

实时掌握大坝运行情况，对大坝安全趋势作出预报，成为水库科学调度的依据。实现设计先进、经济合理、性能稳定、维护方便、功能实用的目标，达到国内同类大坝安全监测的先进水平。

4　系统监控中心

参窝水库防汛信息化系统监控中心设辽阳监控中心和南沙集控站，利用原有的工作机房，稍加改造，做简单装修使用。总体负责监控系统的全面管理。

监控中心CCU通过专用线路调集RTU传来的数据进行汇总、整理后供领导决策使用；水库管理人员可命令CCU自动或手动形成对RTU的命令调控，由RTU实现相应的采集、调集、控制等操作。

CCU由工控计算机、工程应用软件、光纤通信模块和中央控制台等组成，是水库管理人员与测控系统直接交流的主体。

4.1辽阳监控中心

辽阳监控中心由监控主机、工作站、服务器、交换机、配套设备和中心局域网组成。由该网经辽—参专线与南沙集控站互联，实现参窝地区、管理局辽阳会商室、辽阳办公网及上级管理网的互联。

机房内安装电源设备(市电电源与UPS电源)和中心网络服务器等；总控计算机为工业控制机，通信口以USB和RJ45为主，暂时保留COM，预留USB不少于2个、RJ45不少于1个，备用PCI总线不少于2条。

总体构建模式为：以计算机为核心的信息采集、传输和处理的体系结构，组成现场级CPU的分层分布式结构。由计算机系统、接口板、避雷系统(电源系统避雷、计算机信号避雷、电话信号避雷等)、打印机和不间断电源等设备组成。以计算机接收、分析、处理、存储、管理以及输出由前端设备远程传来的监测数据，并根据用户需要设置监测参数以及发送控制命令等。

4.2南沙集控站

南沙集控站利用原有的办公室做简单维修使用。由集控主机、工作站、服务器、交换机、配套设备和站级局域网组成。由该网经辽—参专线与辽阳监控中心互联，实现与管理局辽阳会商室、辽阳办公网及上级管理网的互联与信息共享。经坝—南专线建立MCU、RTU和IPC组构，与坝端大坝安全监测系统采集端设备、水库视频、闸门测控和启闭机运行信息系统、水轮发电机组测控及电厂运行监测信息系统、真空激光准直信息系统、参窝地区大坝端视频终端、南沙和北沙办公网等连接。同时与参窝分会商室、上级管理网(经参窝出口)相连。预留与其他扩展网络的接口。

5　信道建设

信息传输采用光纤连接，为CCU与系统内任意RTU之间建立稳定可靠的信息传输通道。

常用的信息传输方式有基于粗缆或细缆的网络结构，基于HUB或交换机的双绞线网络结构，基于公网或专用微波的有线与无线网络结构，基于光波的大气激光和光纤网络结构。

选择光纤传输的意义在于信息传输是大坝安全监测系统的重要组成部分，是各种数据信息的转移或传递通道。通常是将拟传输的信息设法加载到某种载体上，被调制的载体传输到目的地后，再将有用的信息从载体上卸载出来，达到数据传输的目的。显然，可传递的信息容量取决于载体可能调制的频带宽度，而可能获得的频带宽度又受限于载体频率有多高，载体频率越高则可利用的频带越宽，可传递的信息容量越大。同时从经济上看，可用带宽越大，平均到每一线的成本越低。随着社会的进步和发展，信息交换量的需求与日俱增。为增大通信容量，得到更快更省的通信方式，人们总是不懈地追求更高的载体频率或更短的波长。综观信息传输技术的发展，可以看到一个明显的特点：频率是由低频端向高频端发展的，而信息传输的方式却从中波、短波发展到微波、毫米波。可以说，信息传输技术的发展历史是不断开拓更高频率或更短波长的历史，也就是信息传输容量不断增长的历史。至20世纪60年代，微波及毫米波技术已经完善，要开发更高的载频，势必要开拓光波。

光波与通信用的无线电波一样，也是一种电磁波，所不同的只是它的波长比无线电波的波长短得多，或者说它的频率要高得多。光波由紫外光、红外光和可见光构成。目前，光纤通信光源使用的波长范围在近红外区内，即波长在0.8～1.7μm之间，是一种不可见光，它像通常使用的无线电波一样，是一种不能引起视觉的电磁波。光波的频率为1014～1016Hz，比常用的微波高104～105量级，因此，光波的通信容量也是微波通信容量的104～105倍，因而具有极大的通信容量。正因为光纤具有十分诱人的前景，因此不断促使人们以光纤作为更好的数据传输手段，形成以光波作为信息载体、以光纤作为传输介质的光缆数据传输过程。

6　子系统结构与功能设计

6.1水情测报系统

水情测报是一套遥测系统，包括遥测雨量站、水位、雨量站和中心站的改造，保留原系统测报站站位，取消原中继站，改用公网通信。随着测报技术的发展，数据信号传输由超短波改为GPRS，对重要的遥测站点实行一用一备(GPRS+卫星)方案。包括坝前水位、坝后水位、水温和气温等。在坝区观测楼附近建自动气象站。

遥测雨量站9个。站位：梨庇峪、商家台、南芬、桥头、本溪、偏岭、甬子峪、久才峪和参窝站。

遥测水位、雨量站3个。站位：梨庇峪(兰河)、桥头(细河)、本溪(太子河)。

6.2大坝安全监测系统

外部监测是系统改造的重点部分，监测项目包括控制网、位移、挠度、倾斜、基岩变形、扬压力、裂缝、坝体坝基渗流、渗透流量、绕坝渗流、坝前水位、坝后水位、坝前水温和局域气温。在保留原可用资源基础上做改造设计。

坝顶真空激光准直系统，经过9年运行，其光电设备已进入全面故障期。因此，对坝顶位移监测采取整合资源实施改造，利用原建筑结构，对已布设的真空激光准直系统，在保留管道和测点箱等建筑设施的基础上更换光电系统。

坝面水准点继续留用，由电子水准仪校测。

6.2.2变形监测

变形监测是针对大坝控制网、水平位移、垂直位移、坝体挠度、坝体倾斜和基岩变形等的监测。

6.3闸门监测系统

坝上有启闭机械39台(包括：门形行走式启闭机1台、固定卷杨式启闭机37台、电动葫芦1台)、闸门27扇(包括：弧形闸门14扇、平板闸门13扇),根据要求本设计不含闸门的监控，只负责闸门监测数据的传输与入库。

6.4供水计量系统

供水计量系统共有监测点28个，分布于本溪、营口等地，目前所有信号已通过专线全部传送到辽阳参窝水库管理局。本报告设计是把各监控点的计量数据进行整合、入库，供决策者使用。

石羊河流域的昨天、今天和明天——访国家发展和改革委员会农村经济司司长高俊才…………………………………………………………………(5.4)

6.5视频监控改造

6.5.1大坝与办公区视频

目前参窝地区有视频点8个，市内有视频点34个。均已运行10年，运行基本稳定，本次改造需对已坏视频点设备进行更换，并对两地视频规整在同一系统内运行，实现两地视频信息共存、共享。

6.5.2库区重点视频监控

库内采矿等重点监视点10个，全天候运行。

对于库区非法盗采，为便于调查取证，在库区采矿点附近安装无线视频监控系统，实行24h监控。

a.系统规划。监控终端设在管理局辽阳监控中心内，库区监控点距参窝大坝观测楼平均直线距离约为10km，设计采用无线传输，观测楼作前端接收，经坝—南专线进入南沙集控站。辽阳监控中心经辽—参专线接收经南沙集控站传来的库区重要视频点及大坝端通过光缆传输系统传来的各路摄像机视频信号，经信号处理还原成实时图像。辽阳监控中心由监控主机、视频分配器、控制码分配器、光端机、接收设备、数据指令发射设备和系统电源等组成。实现前端图像的实时集中监控、存储与回放。

传输设备包括光端机、光缆、射频电缆等，有效传输视频图像和控制信号。

前端设备由全天候摄像机、室外解码器、光端机和电源等设备组成。

b.视点布设。设计共布设10个视频监控点，分别位于库区内重要区域。

6.6水文监测系统

原水位观测为人工观测，流量测验以船为主缆道为辅，现测船和缆道等因年久失修老化，不能保证测流安全，从1998年开始断面实测流量被迫停止。

参窝水文站恢复流量测验采用缆道牵引ADCP流速仪进行施测方案。它将缆道的优势和ADCP测流的先进技术结合起来，用缆道牵引ADCP测流，缆道在高水、低水工作人员都可在岸上进行精确操作，不必下河驾船牵引ADCP测流，这样就避免了高水作业给工作人员带来的极大危险性。

ADCP测流法不同于传统流速仪测流法，它是动态方法，走航测验。传统流速仪法要求测流断面垂直于河岸，ADCP方法不要求测流断面垂直于河岸，走航的轨迹可以是随机的斜线或曲线；所测的垂线(子断面)可以很多，在每条“垂线”上根据设置不同厚度的深度单元相应测到几十个甚至上百个不同深度点的流速值，具有很高的精度；ADCP从测流断面上往返行走一次，不到0.5h即可得到断面平均流量。因此，ADCP测流法具有测流作业时间短、劳动强度小、人员安全可靠、数据精度高、稳定性强等特点。

6.7水质监测系统

水质监测规划设计采用潜水式水质自动监测分析方法对水质进行在线监测。根据取水技术规程要求，选取监测点，自动采样，自动分析，信号传至枢纽监控中心。实时反映相关参数的变化(量)和变化趋势，辅以人工分析即形成完整的水质监测系统。

6.8防汛会商系统

总体结构主要由DLP大屏幕拼接投影单元、多路视音频矩阵切换器、多路RGB矩阵切换器、音响扩声设备、会议讨论设备、远程视频会议设备、集中控制设备等组成。

系统具有良好的可靠性、可维护性和扩容能力；节省网络带宽；安装操作简便。将音频、视频与网络有机结合在一起，形成多媒体化的综合信息会商氛围。决策者会商发言的实时影像可清晰地传送到视频显示系统上，通过各种形式实现双向实时传送，可与远端的会商参与人员进行直观面对面的信息沟通与交流。该系统具有如下功能：

a.智能化。用智能化的设备和系统，达到优质、高效的系统功能。

b.多功能化。设计功能完善，满足各类防汛会商使用需要，提高场地与设备的利用率。

c.标准化。会商系统所传输的媒体资料、使用的设备与系统应和国际接轨，以方便中外交流；设备接口及采用制式应是国际统一标准。

d.数字化、多媒体化。信息时代，防汛工作须以数字水利为依托，调度决策也已由传统型转变为数字化型，信息化的表现手段也向多媒体化方向发展。该会商系统的内容与手段是数字化、多媒体化的集中体现。

e.模块化。模块化是近几年系统设计前沿理念。模块化设计可使系统功能组合灵活、扩充方便，利于个性化定制；易升级，不易浪费原始投资。

f.可扩展性。在系统设计中，采用易升级的高可靠性、高稳定性、先进性系统或设备，软件采用模块化设计；保证系统的先进性，方便系统的升级与扩展，增强系统长期的可使用性，提高工程投资的效益。

6.9防洪预报调度系统

原系统中没有自动洪水预报系统，此次改造计划建设洪水预报调度子系统，利用相关预报模型进行洪水预报与调度分析。

6.10综合网络与信管系统

辽阳办公楼机房是建于2001年的简易机房，缺乏必要的技术安全措施，不符合机房建设的基本要求。经多年运行后已破损，需要做机房装修；目前网络中使用的网站服务器、办公自动化服务器(OA)和防病毒服务器为2005年购置。2009年6月因电源不稳主机烧坏，维修后工作不稳定。UPS和微波系统使用的免维护蓄电池急需更新。内外网之间没有硬件防火墙。库区机房到坝上激光观测室之间光纤已无备用芯，需布设光缆。

7　建　议

a.自动化系统信号传输应尽量采用无线或地埋电缆，避免架空电缆，以减少雷击和外界因素对线路的破坏。

b.交流电源也应做好防雷措施，以避免交流电源架空线引雷对系统造成破坏。

c.自动化系统的应用给水利工程的管理带来了方便，特别是对水库的安全监测提供了及时有效的服务，但系统的长期稳定运行与及时的维护是分不开的，因此，需要做好定期的系统维护工作，以保证系统运行稳定、数据准确。

8　结　语

参窝水库防汛信息化系统改造工程经多方面对原监测手段和废遗系统的全面论证，应用现代技术与工程手段，侧重建设以大坝挡水建筑物、岸坡、溢流坝段、重要断层区域安全监测为主体，不忽视相关水工要素；以外部监测为主，内部监测为辅；以自动化监测为主，辅以人工巡视和巡查检验；在集中巡测过程中，重视单项校验分析；基于数据库的软件体系，建立了在线监测、实时采集存储、传输入库、离线分析的多任务操作大坝安全监测系统。

最终实现了设计先进、经济合理、性能稳定、维护方便、功能实用的目标，并达到了国内同类大坝安全监测建设的先进水平。

[1]黄祚继,黄忠赤,马浩.水利工程自动化现状与适应技术分析研究[J].水利建设与管理,2012(10).

[2]赵巨伟.辽宁省小型水库防汛报汛工作机制研究与实践[J].水利建设与管理,2015(8).

[3]姚真凯.水库安全运行管理信息系统构成浅析[J].水利建设与管理,2014(4).

Research on flood control information system improvement project design in Shenwo Reservoir

LI Bing

(LiaoningShenyangHydrographicOffice,Shenyang110043,China)

Shenwo Reservoir flood control information system improvement project can finally form an integrated automatic system through integrating system resources, transforming and increasing some projects. The integrated automatic system regards hydrological forecast as core, dam safety monitoring as basis, information network as backbone, gate monitoring as security, flood control scheduling as soul, measurement and control as effectiveness, and remote monitoring as evidence, which can meet the automation and informationization requirements of water conservancy.

flood control information system; monitoring center; hydrological forecast; improvement; Shenwo Reservoir

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.04.013

TV697.1+1

A

1673-8241(2016)04- 0049- 05