南水北调工程调度运行管理系统建设与应用

陈阳，霍建伟

（1.水利部南水北调规划设计管理局，北京 海淀 100038；2.河南省勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）

0 引言

南水北调工程是缓解中国北方水资源严重短缺的重大战略性基础设施，实现了中国水资源南北调配、东西互济的优化配置目标。南水北调中线一期工程以丹江口水库作为水源地，全程通过自流的方式为河南、河北、北京、天津供水，目前已累计调水400 亿m3。南水北调东线工程在长江下游扬州附近引调长江水，采用多个梯级泵站联合运行，经京杭大运河，由洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖多个调蓄湖泊联合调度，穿过黄河后自流，途径江苏、山东、河北，最后到达天津。目前东线一期工程已经通水向江苏、山东供水，二期工程正在规划建设中。

南水北调东、中线一期工程共建设了山东段调度运行管理系统、苏鲁省际工程调度运行管理系统、江苏段调度运行管理系统、中线干工程自动化调度与运行管理决策支持系统、中线水源工程供水调度运行管理系统、引江济汉工程自动化调度运行管理系统6 大系统。调度运行管理系统是南水北调工程实现安全调水、精细配水、准确量水的重要手段，为合理调配区域内水资源、充分发挥南水北调工程的经济和社会效益起到技术支撑作用。目前各调度运行管理系统的主要部分已正式投入使用。随着工程连续多年的运行，部分信息采集设备、信息基础设施、自动化设施等逐步进入技改升级阶段，对南水北调东、中线一期工程调度运行管理系统进行回顾和总结并提出相关建议是十分有意义的。

1 南水北调一期工程调度管理系统建设应用情况

调度管理系统就是运用先进的计算机网络、通信、自动控制和信息等技术，以调水业务流程为主线，进行数据采集、数据传输、数据存储管理和应用支撑平台等建设，为调水工作提供数字化管理。

1.1 调度管理系统逻辑

自动化调度系统逻辑构成包括：信息采集、应用系统、应用支撑平台、基础设施、标准规范这五部分。各部分逻辑关系示意图见图1。

图1 各部分逻辑关系示意图

1.1.1 应用系统

应用系统运行在应用支撑平台架构上，通过应用支撑平台的数据服务中间件向数据存储系统进行数据访问，数据服务中间件有效的减少了数据接口数量、提高了系统整体响应速度。数据存储系统为应用系统提供海量数据存储、数据管理的直接访问机制及安全保障。应用系统数据流程见图2。

图2 应用系统数据流程图

水量调度是整个系统的核心业务。主要功能包括水调业务处理、闸站监控、水质监测、水量分配方案编制等。根据可调水量、沿线各地需水量、工程运行维护计划等作为依据，通过决策生成水量分配方案，根据水量分配方案通过闸站调度指令进行调水业务处理；根据闸站监控系统及水质监测系统来监控调水业务是否顺利进行，若遇到事故报警可根据具体情况生成应急方案。

工程管理系统是全线安全输水的重要保障。对全线输水工程的安全监测、突发事件响应和巡查维护进行管理，负责接收沿线和流域的水文、气象等防洪信息，确保工程防洪的安全。为工程运行巡查维护作业便捷化、管理考核规范化、突发事件响应及时化、维护方案制定自动化提供服务。

决策会商支持可为各项突发和重要事件提供决策支持的环境；提供各种信息支持和辅助决策功能，为异地可视会商提供软硬件支持。

电子政务系统包括综合办公、财务资产管理、档案管理等功能，实现政务管理的信息化、数字化、流程化、网络化。

1.1.2 应用支撑平台

应用支撑平台在逻辑上是一个有机整体，在物理上则是分布的系统，它针对南水北调工程的特点，为各个应用系统提供通用的、共性的、统一的开发和运行环境。水量调度系统、工程管理系统等不同功能的应用系统使用共同的应用组件，可以实现资源的有效共享以及不同应用系统的互联互通，实现应用系统的统一布局、统一管理，并保障了稳定性和扩展性。

1.1.3 数据采集与传输系统

数据采集与传输系统负责对工程运行、工程安全、水情、水质等多方面数据进行采集，由于各类信息采集方法和传输渠道不一样，不易建立统一的采集系统，所以将这些采集功能纳入各个应用系统中，由各应用系统分别采集信息存入专业数据库，加工整理并确认后作为各应用系统进行业务工作的数据来源，由各应用系统共享。

1.1.4 基础设施

数据存储与管理系统包含了各类基础数据库和专业数据库，实现了海量的数据存储以及数据管理功能，并为数据安全提供保障；通过分数据中心数据存储平台的本地备份系统和异地远程容灾系统，以及合理的备份策略，建立起完备的数据备份机制。

通讯系统和网络系统负责为工程各级管理机构之间及管理机构与现地闸站之间的语音、数据、图像等各种信息的传递，为远程闸站监控信息提供承载服务，实现各个现地闸（泵）站闸门的启闭及闸门相关信息的传输，还要为应用系统数据、计算机网络、通信系统各专业网管信息提供承载服务。

1.2 主要调度系统建设成果

1.2.1 闸站监控系统

中线干线工程调度运行管理系统的闸站监控系统覆盖260 余座闸站，是调度运行管理系统的核心系统之一，可以实现调度指令远程自动控制，统一下发，可显示闸门开度、水位、流量、启闭设备及供电系统运行参数，出现问题可及时提醒。水量调度系统是中线运行调度的中枢，根据丹江口的可调水量、受水区需水量及干渠输水能力自动生成供水计划并提前下达控制指令。通信系统全线共设置310个通信站点，负责中线干线工程各级管理机构之间及管理机构与现地闸站之间的语音、数据、图像等各种信息的传递。安防系统由视频监控系统、智能电子围栏系统、安防业务综合监控与信息服务系统等组成，涉及总公司、5 个分公司及全线47 个管理处，实现了技防、物防、人防相结合。

1.2.2 安全监测智能化

中线水源调度运行管理系统实现了监测段面实时流量、上下游水位变化及闸门开度、水质等监测、处理、审核、统计及高效管理。丹江口水库是南水北调中线工程的水源地，大坝安全监测自动化系统具有即时采集、分析、传输、展示和应用功能，实现了丹江口大坝安全监测智能化。

1.2.3 远程监控

山东段调度运行管理系统初步实现了预期的信息系统监测与管理、自动化数据采集和视频监控等功能，实现了对调水沿线的泵站、水库、各节制闸、倒虹吸工作闸、渠首、穿黄枢纽、重要分水口门等的远程监控。

1.2.4 调度运行管理

江苏段工程由沿线9个梯级泵站群逐级调水北送，泵站的统一调度和沿线湖泊的调蓄作用相配合进行输水，调度运行管理系统包括水情监测与管理系统、水质监测与管理系统、水量调度系统、工程维护管理系统、综合信息服务系统等，实现典型泵站工程调水运行数据、重要交水断面流量数据的接入，满足目前东线一期工程江苏段通水调度要求。

1.2.5 苏鲁省际段系统建设

(2)用{(xi,yi),(xi+1,yi+1),…,(xi+25,yi+25)}来计算GMC(Xi|Yi)和GMC(Yi|Xi)；

包括水量调度系统、工程管理系统、综合办公系统、信息监测与管理系统、综合会商系统、闸（泵）站监控及视频监视系统等，目前实现了水情水位、流量自动监测及实时接入信息监测与管理系统，工程安全数据监测，部分闸站的远程控制等多项功能。

2 系统评估

评估采用了会议座谈法、问卷调查法、文案调查法、实地调查法等方法进行了研究。

会议座谈：座谈对象涵盖了南水北调中线建管局、南水北调东线总公司等南水北调工程运行的5个相关法人单位，以及相关的工程及管理单位、专家、建设及运管人员，就各自动化调度系统的建设及运行情况逐一摸排清楚。

调查问卷：每份问卷分规划设计、建设实施和运行应用3个部分。规划设计实施效果问卷目的是调查设计方案对后续工程建设运行的作用，如设计方案发挥的作用、支持信息化运维的情况、设计亮点等；建设实施效果问卷目的是调查项目建设成效，包括发挥的提升工作信息化的作用、发生的变更情况及运维情况、是否满足系统运行需求、建设是否达到预期目标及提出的建议等；运行应用实施效果调查问卷主要是调查系统的运行效果，如各应用系统使用后发挥了什么作用、发挥的效果、系统运维情况、系统建设经验及下一步建设的建议等。完成法人及运管单位问卷调查表共计15 份，为此次研究工作提供了重要依据。

文案调查：对已存在的各种资料档案，以查阅和归纳的方式进行调查，尤其是各系统的初步设计报告，重点在应用系统、通信系统、运行实体环境等设计方面进行分析，根据设计报告与现有成果进行对比分析，评估建设成效。

实地调研：分别到南水北调中线河南分局及多个管理处、南水北调东线总公司及其直属分公司、丹江口水库等地进行实地查勘，了解工程巡查系统的使用，观看闸（泵）站监控系统、视频监控系统、安防系统的功能操作，观看机房、会商室等硬件设备，实地调研了布置在渠道、倒虹吸、闸站等地的各种监测设备，对于调度系统的实际运行状态有了更准确的了解。

3 建设与应用总体评价

南水北调东、中线一期工程自动化系统大大提高了工程运行的效率：通过自动化调度系统的信息采集系统对基础信息进行采集，不仅提高了信息采集的精确度，更是节省了大量的人力；闸（泵）站监控系统为调度提供了依据，提高了闸门调整的工作效率和准确度；视频监控等安防系统与信息采集系统互相配合，保障工程运行安全及准确性。报表生成功能减少了上报水情的工作量，同时自动化调度系统在防汛度汛及安全生产方面也发挥了重要的作用。

结合调研材料和评估情况，南水北调东、中线一期工程自动化系统建设、实施、运行经过较长时间的实践检验，系统建设总体上是成功的，符合工程实际的，在建设系统设计、建设和运行过程中积累形成了不少值得借鉴的好范例和经验。通过合理规划、统一管理、分步实施，调度运行管理系统应用效果良好，系统稳定性和安全性基本满足工程需求，在提高工程运行管理水平、促进水资源科学高效调度等方面，稳步发挥着至关重要的支撑作用，另外也促进了相关工作流程化、规范化，极大地提高了南水北调工程现代化管理能力，全面提升了南水北调工程水利信息化水平。例如中线干线工程时空信息服务平台，是基于数字孪生理念，打破信息条块分割，将信息、专题业务信息、实时运行信息、BIM 信息、基础空间信息、遥感及无人机实景信息一张图的形式进行融合发布，构建全数据汇聚、全业务支撑、一键式访问、一体化展示的中线一张图，为业务和决策提供全面数据支撑。

4 经验和建议

4.1 经验

在南水北调东、中线一期工程自动化系统建设、实施、运行应用中好的经验有：

4.1.1 规划设计目标合理，方案可行

中线干线调度管理系统紧紧围绕着中线干线水量调度运行管理特点，统筹考虑了工程运行管理、电子政务要求，建设能够应对各种调水突发事件和调度决策的会商系统，满足中线干线水量调度以及相关业务的需求，为调度决策提供功能强大的支持环境。并充分考虑系统建设的开放性、可靠性、可维护性，为今后的技术更新和功能升级留有充分的余地，接口、编码、数据、交换采用统一标准和规范。

4.1.2 统一管理、上下协同、分步实施

各项目法人采取统一管理、分步实施、分段部署、逐级集成的方式开展，基础设施同工程建设同步实施，应用系统建设和部署与工程进度紧密配合，使系统在工程施工完成、硬件设备到位后的最短时间内投入使用。

4.4.3 核心系统稳定可靠，应用成效显著

自动化调度系统是南水北调东、中线一期工程运行维护管理的核心系统，提高了工程的运行效率和科学调度，为工程的安全监控和管理提供支持。自动化调度系统中一些核心系统如闸站监控系统、视频监视系统、工程安全监测系统等经过长期的运行应用，系统稳定可靠。

4.4.3 组建专业化团队，强化运维保障

信息自动化系统多为电子产品，运行维护管理工作非常重要，各项目法人推行统一组织与分级管理、自主维护与专业代维相结合模式，选择通信、自动化专业运维队伍，加强工程运行维护管理工作，同时对日常及核心业务进行自主维护。加强对运管人员的培训，在日常运行过程中加强综合维护，定期开展工程维护检查，及时开展维修养护。如中线干线进行了机电电力以及消防设备设施和系统的运行、维护、大修、新建、改扩建及相关科研工作，以工程“现代化、信息化、标准化、智能化”运维为总体要求，大大提高了南水北调中线工程的运行管理效率和水平。

4.4.4 着力新技术试验应用，促进运行管理升级

为保证自动化调度系统正常、稳定、安全、可靠运行，进一步满足生产和管理需要，在自动化调度系统投入运行后，各运管单位深入研究、积极推动管理创新和技术创新。在技术上针对系统运行存在的问题，积极研究对策，并利用新技术、新工艺、新设备进行技术改造和升级换代，物联网、大数据、AI等信息技术得到有效利用，运行管理成效显著。

4.4.5 重视网络安全规划设计建设

随着国家对网络安全工作的重视程度不断提升，水利网络安全监管力度也不断加强，南水北调作为战略性基础工程必须保证数据等信息资产安全。南水北调一期工程自动化调度系统与工程控制系统结合，明确业务流程，规范作业表单，保障控制系统的安全，并加强安全教育学习，增强运维人员的综合素养。从物理安全、网络安全、数据安全和工业控制系统安全，保障了企业对信息的机密性、完整性、可用性、可控性和抗抵赖性的控制，比如通信线路路由尽量避开易施工区域、塌陷地、尽量降低迁改的风险，选择相对稳定的路由；根据渠段在飞鸟聚集区等特殊性使用相适应的光缆。

4.2 建议

①建立落实统一规范标准，促进规范化、标准化，南水北调东、中线一期工程调度运行管理系统各段系统之间数据、接口都不尽统一，给数据兼容共享带来一定的阻碍。后期信息化建设中，建议各段工程“系统建设、标准先行”，完善标准规范制度，加强信息化标准体系建设的执行力；建立多项目协调管理机制，加强项目过程全管控。②做好软硬件设备更新工作，并注重引用先进实用技术，长距离调水工程及调度运行管理系统建设周期长，随着新技术发展和时间推移，许多软硬件设备已经出现落后或老化情况，存在能耗高、效率低、精度低、安全隐患等情况。系统运行管理中，应根据行业技术发展、软硬件设备现状和应用需求，制定设备更新实施工作方案。调度系统向“智能化、智慧化”的升级转变，要增加智能预报、智能预警、智能调控、智能决策等辅助决策系统应用，5G、物联网、大数据、AI、虚拟现实、BIM等新一代信息技术可应用于信息化建设，结合新的信息技术对自动化系统进行升级改造，逐步实现“可视、可控制、可预警分析”的现代化智能调度运行管理系统，提高南水北调东中线一期工程调水业务运营管理水平和优化决策能力。③统筹社会资源、公共资源利用，更好兼顾成效和成本，随着国家层面政务公开、信息资源整合共享的推进，将为南水北调工程建设与运行管理提供一个良好的外部环境。南水北调工程是一个涉及地域广、领域多的系统工程，建议系统建设充分利用外部气象、水情、洪水预报、水环境等信息资源，也要考虑充分利用云计算、高速通信网络、对地观测卫星网络、水利天地图等国家相关信息基础设施，补充自身信息资源的短板，充分释放出信息化应有价值和潜力。