鄂北工程自动化调度运行管理系统设计思路

陶 锋 ，吴仁旺，刘学知

（1.鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹），430071，武汉；2.湖北省水利水电规划勘测设计院，430071，武汉）

鄂北工程自动化调度运行管理系统设计思路

陶 锋1，吴仁旺2，刘学知2

（1.鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹），430071，武汉；2.湖北省水利水电规划勘测设计院，430071，武汉）

基于鄂北地区水资源配置工程实际业务需求，结合全国水利信息化总体架构，设计了鄂北工程自动化调度运行管理系统总体框架，包括采集与监控、网络与会商、数据资源、应用等4个层次。系统覆盖了鄂北局，3个建管部，沿线各闸站、视频监视点、水位流量水质监测点、安全监测汇聚点以及沿线受水区的供水企业，可实现通信传输、采集监测与数据汇聚共享、异地会商、监视监控、水量调度、工程管理、信息服务等主要功能。

鄂北地区水资源配置工程；自动化；水资源调度；框架研究

鄂北地区水资源配置工程输水线路长，地域分布广，交叉水系多，运行管理任务重，水量调度复杂，用传统方式进行管理调度不能满足实际需要。因此在实施主体工程建设的同时，借助物联网、移动互联、大数据、云计算等新技术和新理念，构筑覆盖工程全线并与现有水利信息化体系有机衔接的自动化调度运行关系系统。借助信息化手段，及时掌控水情和工程安全信息，监视现场情况，辅助调度决策，实施远程精准调度，提高工程管理的科学性和有效性，保证工程安全运行，促进水资源合理分配，提高水资源利用效率，最大限度地发挥工程效益。

一、目标与任务

1.系统建设目标

鄂北工程自动化调度运行管理系统建设的总体目标：以需求为牵引，以应用为导向，广泛采用最新信息技术开展信息化项目建设，形成集信息网络、采集监测、工程监控、视频监视、数据处理、综合应用、信息安全为一体的信息化综合体系，为工程管理和水资源优化配置提供现代化技术手段，最大限度地发挥工程效益，在全国树立现代水利工程运行管理标杆。具体目标是：

①实现工程全线自动监测和视频监视。在工程沿线开展变形、渗流、应力、PCCP管道阴极保护、闸站运行状态、水位、流量、水质等监测。在工程全线的重要部位布设视频摄像头，直观地掌握工程现场情况。

②实现水量调度智能化和水闸控制远程自动化。在鄂北局、各个建管部分别建立调度控制中心，通过计算机网络实现调度过程相关环节的自动化和程序化，对水闸（阀）进行远程自动控制。

③实现用水量计量自动化和水费征管网络化。实现各个分水口的水量计量自动化，并据此核算应缴水费。利用互联网向用水户提供用水量、水费、缴费提醒和欠费催缴等信息。

④实现工程运行管理手段的现代化。建立工程基础信息数据库及应用系统，全面准确地提供工程基本信息，为工程维护提供信息保障。借助智能手机和移动互联网技术，辅助日常巡查和事件处理。在应对突发事件时，能进行应急监测、应急调度，提高应对突发事件的应急响应能力。

⑤提供全面的信息服务。借助系统提供的信息服务功能，为鄂北工程管理机构内部、上级主管单位省水利厅、相关政府部门提供全面的信息服务。利用互联网向社会公众宣传鄂北工程，并提供可公开的信息服务。

⑥建设标杆工程。鄂北工程在全国有较大的影响力和知名度，要把自动化调度运行管理系统建设成为湖北省水利信息化样板工程，为鄂北工程管理现代化提供有力的技术支撑。

图1 鄂北工程自动化调度运行管理系统总体架构

2.系统建设任务

通过实施通信信息网络、信息采集、自动控制、视频监视、异地会商以及应用系统等项目建设，形成一套比较完善的信息化体系，具体建设任务包括如下9个部分：

①通信系统。采取自建与共建的模式，形成一张覆盖鄂北局、各建管部、各闸站以及各个视频监视站点的通信网络，以实现各类信息的传输。

②信息采集系统。在干渠控制断面、节制闸、分水闸、在线水库等处布置监测站点，实时监测水位、流量、雨量，监测数据发送到鄂北局数据库，供应用系统调用。

③计算机网络系统。在通信系统的基础上，建设上连湖北省水利厅，覆盖鄂北局、各建管部、各闸站的计算机网络，为信息传输、信息服务和会商调度提供网络支撑。

④视频会商与大屏幕显示系统。以鄂北局为中心，建设上连省水利厅，下至各建管部的视频会议系统，满足异地会商调度的需要。在鄂北局和各建管部建设规模适合的会商大屏幕、调度控制大屏幕，为视频会商、工程监控、调度指挥和信息服务提供显示环境。

⑤视频监视系统。在工程沿线各闸站、渡槽、管桥以及暗涵、倒虹吸、隧洞等地下输水工程的出入口布设视频摄像头，通过存储及转发手段，为鄂北局、各建管部和基层管理单位提供远程视频监视，及时掌握现场运行实况。

⑥数据中心。配置服务器及规模适度的存储备份系统，满足系统部署和信息存储的需要。建设标准数据库，为各个应用所共享。建设数据交换平台，将各类监测数据集中到数据库之中，供各应用系统调用。

⑦综合应用系统。配备必要的应用支撑软件，开发信息服务、水量调度与用水管理、会商调度决策支持等9项应用系统以及业务门户，为工程运行管理和调度提供应用服务。

⑧信息安全系统。配备必要的信息安全设备和系统，构筑保障整个系统正常运行的安全环境。

⑨系统运行实体环境。在鄂北局、各建管部设置计算机房和调度控制中心，按规范配备电源、照明、空调、消防、安防等设备，满足设备长期稳定运行和日常调度控制需要。

图2 系统边界划分

二、系统总体架构与组成

1.系统总体架构

根据大型引调水和灌区信息化建设的要求，结合鄂北工程对信息系统建设的需求分析，在全国水利信息化总体架构下，确定本工程自动化调度运行管理系统的总体框架，如图1所示。系统从底层的信息采集开始，依次按网络传输—数据存储处理—应用支撑—应用系统逐级向上构成一个完整的体系架构，具体包括采集与监控、网络与会商、数据资源、应用等4个层次，以及标准规范与管理制度、信息安全与运行保障等。

2.系统组成

（1）采集与监控层

鄂北工程将建设自动采集系统，实时监测雨情、水位、流量、水质、工程安全等数据；此外，在工程沿线各重要水闸将建设自动控制系统，该系统将收集水位、闸门启闭情况、系统工况等信息。采集和监控系统所获取的实时数据，以及通过外部交换获取的周边降雨、河流水情、水库水情和水环境数据，都将汇聚到数据库之中，供应用系统调用。

（2）网络与会商层

①通信网络。通信网络系统主要是解决鄂北局、建管部、现地各闸站、视频监视点及数据采集点之间语音、数据、图像等信息的传输问题。根据工程所处区域实际情况，本着“公专结合”的原则，采取租用、合建、自建相结合的方式构建通信网络。

②计算机网络。分业务网和控制专网两部分建设，两个网络之间通过单向网闸连接。控制专网将鄂北局、各建管部、现地闸站连接起来，专门用于对水闸进行远程控制。业务网包括鄂北局、各建管部、现地各闸站的计算机局域网，以及这些局域网互联形成的计算机广域网。业务网上连省水利厅，并接入互联网。

③视频会商系统。视频会商系统用于鄂北局、各建管部之间的视频会议和异地视频会商，会商系统基于业务计算机网组建。在鄂北局、各建管部配置大屏幕显示系统。

（3）数据资源层

在鄂北局设置数据中心，建设水雨情、水质、闸站运行等专题数据库，建设空间数据库、元数据库等，形成综合数据库系统。开发建设信息交换系统，实现工程运行管理所需各类信息的汇聚存储，并与相关外部管理单位之间交换数据。

（4）应用层

配备应用支撑平台，开发部署应用软件，为调度指挥、信息服务、监视监控、业务管理等工作提供信息服务和现代化管理手段。应用软件包括：信息服务系统、水量调度与用水管理系统、会商调度决策支持系统、闸站远程自动控制系统、洪水预报系统、工程管理信息系统、工程三维仿真系统、档案管理系统、办公自动化系统。

三、系统覆盖范围与边界衔接

1.系统覆盖范围

鄂北地区水资源配置工程信息化建设主要以“工程信息化”为主，兼顾“行政管理信息化”和“公众服务信息化”。其中将“行政管理信息化”涉及的档案管理电子化和办公自动化系统列入本系统，其他办公常用的软件（财务管理、资产管理、文字处理等办公软件等）不列入其中。“公众服务信息化”由鄂北局网站承担，不再新建网站，针对涉及用水户的用水计量数据、水费计收等信息增加相应模块。

自动化调度运行管理系统项目覆盖鄂北局，3个建管部，沿线61处闸站、412个视频监视点、74处水位流量监测点，3个安全监测汇聚点，3个PCCP监测汇聚点，3个水质自动监测站（水源、封江口、王家冲），同时也将通信光缆沿工程走向敷设、沿线受水区的供水管理纳入系统中。

2.边界衔接

通过建设鄂北工程自动化调度运行管理系统，将形成一个完整的系统架构体系，但这个体系不是孤立的，它与湖北省水利厅、输水工程沿线涉水单位以及气象、国土、环保等外系统之间存在互联互通、信息共享和应用协同的关系。系统边界如图2所示。

（1）与省水利厅的边界衔接

鄂北工程自动化调度运行管理系统是湖北省水利信息化的重要组成部分，因此必须与湖北省水利厅联网运行，具体衔接要求如下：

①计算机网络（业务网）与湖北省水利厅网络互联，为其他应用奠定基础。

②视频会商系统与湖北省水利厅视频会议系统级联 （MCU与MCU级联），既满足鄂北局与下属单位单独召开视频会议的要求，又能参加湖北省水利厅召开的视频会议。

③可以按湖北省水利厅的需求将部分摄像头的图像上传。

④相互之间交换数据，从湖北省水利厅（含省水文局）数据库提取相关水雨情、墒情、水质等数据，相对应地向省水利厅上传所需信息。能从省水利厅获取的数据（如大中型水库水情、水质数据）就从省水利厅相关数据库直接提取，尽量少从市、县获取。

⑤在应用层面进行协同，可以链接到湖北省水利厅相关应用系统（如气象系统、防汛信息系统、水资源信息系统等），同时向省水利厅领导和相关部门开放本方的信息系统，将信息集中展示。

（2）与涉水单位之间的边界衔接

除了从省水利厅获取所需信息（水库与河道水情、水质等）之外，还有一些数据要从输水工程沿线市县的水利局、水文局、水利工程管理单位和供水单位获取，本方的分水口门流量数据也要提供给对方共享。与上述涉水单位之间的衔接，采用前置机通过公网GPRS、4G等通信方式互联进行数据交换，而不考虑计算机网络互联，以免增加网络的安全风险。

（3）与外系统之间的边界衔接

与水利系统之外的单位衔接，除借用政府电子政务网络之外，不再进行网络互联。气象信息发布比较频繁，从已经建成的湖北省水利厅气象服务器获取，而来自国土、环保以及其他部门的数据量不大，也没有固定的交换时间，可与对方商定交换办法，采用人工录入或者采用前置机的方式进行交换。

四、系统主要功能

1.通信传输功能

通信网络和计算机网络是构建自动化调度运行管理系统的信息化基础设施。按照“公专结合”的思路，采用PTN技术，构建覆盖鄂北局、建管部（建管部）、现地闸站和监控点的通信网络，为计算机网络提供传输通道，为现地闸站和监控点提供接入系统的途径，同时为所有管理单位提供语音通信。

计算机网络是信息传输和业务应用的承载体，划分为业务网和控制专网两个相对独立的部分。控制专网覆盖鄂北局、3个建管部、44个现地闸站，部署闸站远程自动控制系统、水量调度与用水管理系统共2个应用系统，该网络与互联网物理隔离，与业务网通过单向网闸连接。业务网覆盖鄂北局、3个建管部、61个现地闸站和现地摄像监视点，在业务网上部署视频会商、视频监视、数据中心、综合应用等系统，与省水利厅外网互联，与互联网逻辑隔离。

2.采集监测与数据汇聚共享功能

利用物联网技术和自动控制技术，建立自动采集系统，实时监测雨情、水位、流量、水质等信息。在鄂北局设置数据中心，建设水雨情、水质、闸站运行等专题数据库，建设空间数据库、元数据库等，形成综合数据库系统。设置数据交换平台，将各个监测系统采集的数据汇聚到数据库，同时与省水利厅、省水文局、鄂北工程沿线的涉水单位和相关供水企业共享交换周边降雨、河流水情、水库水情以及水环境数据，以便将鄂北工程自动化调度运行管理系统所需各类信息集中到数据库，供各应用系统调用。

3.异地会商功能

在鄂北局和下属3个建管部分别建设会商室，配置会商所必须的硬件设备将异地会商系统与省水利厅的会商（视频会议）系统连通。开发会商调度决策支持系统和其他相关信息系统，在重要事项或出现突发性事件需要进行会商时，系统能够提供信息支撑、模拟演算、会商过程控制、会商成果管理等功能，满足会商决策所需的科学性和时效性。

4.监视监控功能

在鄂北工程沿线的水闸内外、明渠和渡槽重点部位、隧洞和倒虹吸进出口、在线水库的大坝和溢洪道等重点部位布设足够数量的视频摄像机，将现场图像实时传递到管理单位进行视频监控。针对水闸无人值守的实际情况，为确保安全，系统设置了门禁和报警管理系统，工作人员通过刷卡或指纹识别才能进入，当出现非法闯入时能及时向管理单位报警，并配合摄像机录制现场视频和抓拍照片。鄂北工程的44个节制闸和分水闸采取“现地手动—远程自动”控制模式，在鄂北局设置调度控制中心，在3个建管部设置调度控制分中心，通过闸站远程监控系统将中心、分中心与44个现地站LCU自动控制系统连接，实现水闸的远程监控和操作运行。

5.水量调度功能

水量调度与用水管理是鄂北工程运行的主要工作之一，系统建设了鄂北局的调度控制中心和建管部的调度控制分中心，开发了相应的信息系统。调度管理系统以鄂北工程水量调度与用水管理业务为核心，以全线自动控制、智能辅助决策为重点，运用先进技术，建设服务于日常调度事务管理、水资源配置方案编制、实时调度监控、应急调度、调度方案评价等业务的信息化作业平台，确保整个系统能快速获取工程运行的各种信息，下达调度指令，并配合闸站远程监控系统实现水闸的远程控制运行。系统能对各个分水口和用水户的水量进行监控，对水费的计量和征收提供相应信息。

6.工程管理功能

为提高工程管理的现代化水平，开发了工程管理系统、三维仿真系统和信息服务等应用系统。系统基于庞大的工程数据库，为工程信息管理、工程巡检、工程维修养护、工程管理考核、突发事件应急处理等提供信息支撑。

工程基础信息管理模块实现对工程基础信息的查询、检索和更新维护；工程巡检模块利用移动智能手机等设备或无人机实现对工程运行和安全状态的巡查、信息及时上报；工程维护养护模块对工程维护中的工程管护计划、项目方案及预算编制、组织实施等环节提供信息支持；管理考核模块对工程运行维护管理分级考评等环节提供信息支持。在应对突发事件时，能在已有的固定监测基础上，借助无人机、移动监测设备和应急通信手段，进行应急监测、应急调度，提高应对突发事件的应急响应能力。

7.信息服务功能

针对不同用户群体和用途，自动化调度运行管理系统在固定和移动互联网环境下，以基于二维的web服务和基于三维的虚拟仿真手段，为用户提供水雨情、水量、水质、闸站运行、安全监测、调度等全面的信息查询、统计分析、预测预报服务，为指挥决策和水资源调度、工程管理和其他各项具体工作的开展提供了强大的信息支撑。

五、结 语

鄂北地区水资源配置工程自动化调度运行管理系统的框架结构符合大型引调水和灌区信息化建设的要求，满足工程对信息系统建设的实际需要，与全国水利信息化总体架构保持一致，具有较高的完整性、先进性、实用性和可靠性。系统内部层次结构清晰，布局合理，功能先进实用，与外部衔接合理有序。按照本框架结构、建设内容和系统功能开展项目建设，能够实现自动化调度运行管理系统建设的各项目标。

[1]黄华东,等.引供水工程自动化系统综述[J].陕西电力,2010,38(12).

[2]杨铁树,贾改卿,张同生.大型引调水工程自动化系统设计综述[J].水科学与工程技术,2013(4).

[3]田新顺.新疆北疆供水工程水情自动化测报系统[J].中国高新技术企业,2013(16).

[4]侯召成,翟宜峰.南水北调中线干线自动化调度系统总体框架设计[J].水利信息化,2010(2).

[5]李静.南水北调中线干线自动化调度系统的设计和应用[J].网络安全技术与应用,2015(3).

Designing concept for automatic regulation and operational management system of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Provin

Tao Feng,Wu Renwang,Liu Xuezhi

Taking the actual needs of Water Allocation Scheme in North Hubei Province into consideration,general framework of automatic regulation and operational management system was designed combining with the overall framework of national water information system.It composes of four layers of collection and monitoring,network and consultation,data resources and application.The system involves a lot organizations and structures,covering Construction and Management Bureau of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province,three relevant ministries,sluice and gates as well as points of video monitoring,water level and flow monitoring,convergent point for safety monitoring and water supply utilities along the water diversion route.The system can be used for communication transmission,collection and monitoring,data gathering and sharing,long-distance consultation,monitoring and supervision,water allocation,water resources regulation and information service.

WaterResourcesAllocation Scheme in North HubeiProvince;automation;waterresources regulation;framework study

TV68+C931.9

B

1000-1123（2017）22-0015-04

2017-10-11

陶锋，工程师。

责任编辑 董明锐