沙口水利枢纽综合管控系统的研究——水利枢纽智能化实践研究Ⅰ

彭智欣

（佛山市沙口水利枢纽站，广东佛山528000）



沙口水利枢纽综合管控系统的研究
——水利枢纽智能化实践研究Ⅰ

彭智欣

（佛山市沙口水利枢纽站，广东佛山528000）

摘要：通过对佛山市沙口水利枢纽所辖水利工程运维管控现状的调研及集中控制、整合管理需求的分析，提出水利枢纽综合管控系统的建设方案。在详细阐述设计思路、网络结构、总体架构的基础上，研究提高系统安全性和可靠性的可行方法，并通过技术亮点展示介绍水利枢纽综合管控系统与当前先进技术结合，为水利枢纽工程信息化改造提供参考和借鉴。

关键词：水利枢纽；自动控制；综合管控系统；水利信息化；智慧水利

佛山市沙口水利枢纽位于北江潭洲水道（东平河）北岸的汾江河入口处，是佛山市最大的综合性水利枢纽，管辖范围1 km2，包括船闸、分洪闸、引水闸、引水泵站以及佛山大堤沙口段（约1 km）等设施，肩负防洪、引水冲污、航运交通、堤防维护、截污、保护饮用水源等职责，在佛山市的防洪安全、改善汾江河流域水生态环境中发挥极其重要的作用。同时，沙口水利枢纽是佛山市防汛抢险物资中心仓库重地及广东省三防抢险潜水队、佛山市防汛抢险潜水队训练基地，为广东省的重要水利设施。

沙口水利枢纽综合管控系统是在广东省2013—2020年水利信息化发展规划［1］和佛山市政府提出的“智慧佛山”［2］的背景下，借鉴类似水利工程管理单位管控一体化系统的建设经验［3］进行研究和建设的。系统实现船闸、分洪闸、引水闸、引水泵站等所有水利设施的集中智能控制，实时掌握北江上游及汾江流域的综合水文信息和准确的引水量数据，实现整个水利枢纽的综合调度管理和科学预警预判，保障防汛安全，最大限度提升沙口水利枢纽引水冲污改善汾江河水生态环境功能，提高工程安全高效运行水平，充分发挥了工程效益。本文对此系统进行探讨。

1　现状分析

沙口引水泵站自动控制及视频监视系统2006年建成，设有两个PLC主站，4个远程LCU单元，中控室设有两台监控计算机，采用GE的CIMPLICITY平台监控设备启停及运行参数。船闸自动控制系统2009年建成，上下闸首各有一个PLC主站，采用的是Modicon Momentum系列，通过以太网与施耐德Magelis触摸屏相通讯。在中控室设有一台监控计算机，采用北京杰控FrameView监控软件，一个PLC从站，用于船闸的远程监控。

佛山市沙口水利枢纽站目前使用的现场设备运维系统、监测信息采集系统与监控系统已经使用多年，设备老旧，存在着以下问题。

（1）设备陈旧，操作性、安全性差。

（2）盲目估计闸门开度，安全隐患大。

（3）流域信息搜集落后，难以实现预警、预判。

（4）监控系统功能单一，不能满足安全运行要求。

（5）各运行点各自独立运行，缺乏统一调度中心，容易造成管理混乱。

（6）视频监控系统配置滞后，安全隐患突出。

2　综合管控系统建设方案

2.1系统设计

沙口水利集中控制系统是以地理空间信息为基础，以水雨情数据采集管理、实时监测预警为核心，以现代计算机技术、GIS技术、数字流域分析技术、分布式水文模型技术等相结合为手段，将基础数据、水雨情、空间数据、预报模型及方案等数据进行统一管理，通过实时监测和预报分析，进行报警和预警，发布预警信息，收集应急反馈。

系统采用模块化结构，以便模型扩展和完善；能够对各种预报模型的输入与输出信息进行有效管理；系统采用B/S和C/S相结合的模式，以空间服务系统为基础运行平台，包括模型及预案管理、站务信息管理、水情会商及服务、实时监测、洪水预报、预警发布、协同办公、运行维护等模块。

2.2网络结构

系统总体网络结构如图1所示。

图1　系统总体网络结构

其中运行监控系统采用全分层分布式计算机监控系统（CSCS），分为现地控制层、站控层和调度层。现地控制层由布置在各闸站的现地LCU构成，LCU以高性能PLC（可编程控制器）或过程控制器为核心，通过Modbus通讯总线完成现地运行信息采集与控制；站控层位于各闸站中控室，采用多微机结构，对各类信息进行存储、查询、统计、分析、显示、汇总，实现控制流程和异常报警；调度层是运行监控系统的管理者，负责闸站运行信息集成、显示和发送调度指令。监控系统采用10/100 Mbps以太网和现场总线作为监控网络。

2.3总体架构

沙口综合管控系统从体系架构上分为7个主要层次，分别为信息采集层、传输层、数据层、应用支撑层、平台层、业务应用层和门户层，如图2所示。

图2　系统总体架构

（1）信息采集层。信息采集层借助新一代网络、智能传感器等先进物联网技术，对设备运行状态、水位、流量、水质、工情、视频监控等进行全方位信息采集，实现与其他外部系统的通信与数据交换。

（2）数据层。数据层针对水利枢纽各业务工作流程的特点，建立统一的数据模型，通过成熟的数据库、数据存储和查询技术，采用分布式网络存储管理体系，满足海量数据管理与分析要求，形成统一的数据共享访问机制，为综合管控系统提供可靠的数据支撑［4］。数据库内容主要包括基础信息数据、空间数据、站点数据、水雨情实时数据、历史水文数据、洪水预报专用数据、气象数据等。

（3）应用支撑层。应用支撑层采用三维地理空间信息技术、大数据分析、水文模型、权限管理技术、SOA和分布计算技术对获取的海量信息进行实时的管理和控制、进行大规模的高速并行计算、智能信息处理、信息融合、数据挖掘、态势分析和预测计算、地理系统计算等，并为上层应用提供一个良好的用户接口。

（4）平台层。平台层以平台软件和服务为核心，基于下面各层的资源管理能力为业务应用层提供可用的、可伸缩的且易于管理的中间件平台和统一的开发、运行和管控环境，包括信息服务平台、业务管理平台、移动应用平台、决策支持平台和视频处理平台。

（5）业务应用层。业务应用层集成整合各种各样的应用需求并结合水利行业应用专业模型，构建多业务统一应用平台，按照业务分解为多个子业务模块。用户通过各种业务界面以特定权限访问应用层的相关业务平台，获得所需的数据与处理结果，实现资源共享。

信息安全管理措施包括数据安全和权限管理。根据系统建设的要求，将系统各类数据集中到数据库服务器中统一管理，并且提供对完整性支持的并发控制、访问权限控制、数据的安全恢复等。另一方面在系统中拟采用基于角色的访问控制机制，进行系统权限管理，消除系统运行隐患，同时提供良好的系统柔性。

3　技术亮点

3.1三维GIS技术

地理信息系统GIS具有采集、管理、分析、监测、数据可视化、空间分析与表达等功能，已经成为水利信息化的重要支撑和技术基础之一［5］。

沙口水利枢纽综合管控系统采用基于三维GIS的基础运行平台构建空间服务子系统。该子系统建设多比例尺公共图形库图层、影像数据；一方面通过当前空间服务系统来实现对水利信息数据的空间存储管理、空间查询、空间分析；另一方面将空间服务作为一种应用，与其他业务系统相结合，来实现系统空间数据的查询和浏览，并与预警预报紧密结合在一起。预警预报服务系统通过调用GIS控件库提供的方法，借用GIS提供的函数实现预警预报和水情服务功能。

3.2SOA技术

面向服务的体系结构SOA是一个组件模型，它将应用程序的不同功能单元（称为服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来，使得构建在各种各样系统中的服务可以使用一种统一和通用的方式进行交互［6］。

沙口综合管控系统采用SOA方式与现有的其他系统（如OA系统、三防信息系统、流域信息系统、水文信息系统）连接，构成协调高效的水利枢纽信息控制系统，实现了跨语言、跨平台异构系统间的交互，方便系统扩展开发。

3.3大数据分析技术

随着水利信息化建设的深入普及，水利行业已经进入大数据时代，需要大数据分析技术才能处理海量水利数据，从而提高决策力、洞察发现力、流程优化力和预测预警能力［7］。

沙口综合管控系统建立了大数据分析和展示平台。平台通过与所有子系统对接，根据客户实际需求调取各个系统的数据并展示到显示屏或者相关人员的电脑上。数据分析包括目前沙口所有系统的数据，还有新增知识库与专家库，为实现智能运行调度、冲污效果评估、科学三防决策提供有力支持。

具体包括私有云、大数据中心和展示平台3部分。

（1）私有云。基于SOA架构的数据中心，比如案例库、专家库、知识库、预案库等数据库。

（2）大数据中心。分阶段进行，第一阶段建立平台和整合现有的OA系统、工控系统、流域系统的数据，实现简单的数据挖掘与分析功能；第二阶段整合水务局和三防办的数据，实现流域综合分析功能。

（3）展示平台。能够综合展示沙口水利的平台，比如搜索功能、知识库功能、工控子系统、运行调度及自动化处理流程等。

3.4运行调度智能化

本系统在信息采集平台和预警预报子系统的基础上，借助流量分析模型、流域水文水质分析模型，实现了水闸和泵站的智能化调度运行，彻底改变过去凭个人经验盲目运行的状况，使工程效益最大化。

4　小结

通过综合管控系统可有效形成以信息化为平台的自动化管理模式，改变目前的工作模式和工作方法，实现资源的整合与共享、提高运行管理能力。同时以信息手段提高管理水平，加强水环境检测，提高预防和预警能力，增强本枢纽对突发性灾害的快速反应能力，降低灾害损失。

下一步可以考虑在此综合管控系统的基础上进一步优化和扩展，实现智能感知、智能调度、智能管理、智能决策的智慧水利管控平台。还可以通过流域信息云平台，建立流域联动运行机制，从而提高流域管理水平。

本文给出水利枢纽智能化实践研究总体概况，后续研究将介绍如何通过佛山市沙口水利枢纽各系统的信息集成，实现综合信息智能化管理。

参考文献：

［1］广东省水利厅.广东省水利科技发展规划（2013-2020年）［R］.广州∶广东省水利厅，2013∶27-28.

［2］佛山市政府.四化融合智慧佛山发展规划纲要（2010-2015）［R］.佛山∶佛山市政府，2010.

［3］雍成林，薛井俊.江都水利枢纽集中控制系统的研究与探讨［J］.水利信息化，2014（2）∶50-54.

［4］夏智娟，郑键兵，吴宁.水利工程综合管控系统元数据管理设计［J］.水电自动化与大坝监测，2013（2）∶19-22.

［5］百度百科. SOA（面向服务的体系结构）［EB/OL］.［2015-3-12］. http∶//baike.baidu.com/subview/21305/5033544.htm. ［6］胡志贵.真实三维环境重建及其在可视化规划设计与信息管理中的应用［J］.铁路勘察，2004（1）∶32-36.

［7］冯钧，许潇，唐志贤，等.水利大数据及其资源化关键技术研究［J］.水利信息化，2013（4）∶6-9.

【责任编辑：任小平renxp90@163.com】

Research on comprehensive management and control system of Shakou water conservancy hub

PENG Zhi-xin
（Foshan Shakou Water Conservancy Hub，Foshan 528000，China）

Abstract∶By researching the operation and maintenance status of water conservancy engineering controls under the jurisdiction of Foshan Shakou water conservancy hub，analyzing the centralized control and integrated management demand，plan for the construction of water conservancy hub integrated control system is presented. By introducing the design，network structure，general architecture，method of improving the system safety and reliability is feasible，and the technical highlights are used to show the water conservancy hub integrated control system with the advanced technology application，that provides the reference for the water conservancy project information transformation.

Key words∶water conservancy project；automatic control；comprehensive management and control system；water conservancy informatization；wisdom water conservancy

中图分类号：TV632

文献标志码：A

文章编号：1008-0171（2016）03-0030-05

收稿日期：2015-10-13

作者简介：彭智欣（1974-），男，广东佛山人，佛山市沙口水利枢纽站工程师。