太浦闸工程运行智能化改造实践与思考

郑春锋，李 超

（水利部太湖流域管理局苏州管理局，215011，苏州）

按照智慧太湖建设总体部署，2019年起， 太浦闸管理单位制定了《太湖局直管工程“数字工程、智慧管控”技术方案》，组织开展直管工程控制运行的智能化改造， 通过建立太浦闸工程智能运行的指挥系统、 感知系统、执行与安全保障系统，并明确控制运行的质量标准， 初步实现了实时感知信息、 智能分析运算、 动态调整闸门、全程应急保护等智能控制功能，可以更高效、精确地执行调度指令，提高了工程控制运行质量和效率。

一、工程概况

太浦闸位于江苏省苏州市吴江区七都镇太浦河进口处，是太湖东部骨干泄洪及环太湖大堤重要口门控制建筑物，在太湖流域防洪和向下游地区供水中发挥着重要作用，是水利部太湖流域管理局（以下简称太湖局）直管工程之一，由太湖局苏州管理局负责运行管理。 太浦闸建成于1959年，2000年安全鉴定为三类闸。2012年9月—2014年7月，经水利部批准，太浦闸采用原址拆除重建方案进行了除险加固。 主要建筑物等级为1 级，共10 孔，单孔净宽12 m，总净宽120 m；闸底板设计高程-1.5 m（镇江吴淞高程），设计流量985 m3/s，校核流量1 220 m3/s。

太浦闸工程防洪、 供水效益明显。 在防御1999年、2016年流域特大洪水和2020年流域大洪水中， 太浦闸工程排洪作用尤其明显；建成以来已累计排洪351 亿m3。 2000年以后，太浦闸工程保持长年开启，向太浦河下游地区增加供水； 进入新时代，尤其是太浦河下游地区上海金泽水源湖、浙江嘉善水源地等相继建成投入使用后， 太浦河沿线地区对于水资源、水生态、水环境和美丽河湖提出了更高的需求，太浦闸的供水作用日益凸显；自2000年以来，已累计向下游地区增加供水294 亿m3。

二、智能控制运行需求的提出

1.流量精确控制难度大

太浦闸工程运行涉及江苏、浙江和上海，为长三角生态绿色一体化发展示范区提供防洪、供水和水生态安全保障。 随着长三角一体化上升为国家战略，示范区对水安全保障的需求日益突出，太浦闸工程的控制运行受到各方关注，工程控制运行规范化和精细化要求越来越高。

作为流域控制性工程， 太浦闸由太湖局根据《太湖流域洪水与水量调度方案》直接调度。由于工程地处平原河网地区， 下泄流量的大小对于太湖水位和河道下游地区影响较大。 按照依法精细科学调度的原则， 在统筹流域和区域防洪供水等多目标调度需求情况下， 由太湖局下发的调度指令一直是精确的，通常是要求太浦闸工程下泄流量按照某一具体数值来控制。比如供水期间，调度指令通常会要求太浦闸按照50 m3/s 或者80 m3/s 控制下泄流量。 这种情况下，太浦闸一般是所有闸门均匀开启，保持局部开启常态。由于受到工程上下游水位、风力风向、黄浦江潮位等影响， 太浦闸下泄流量波动明显，流量精确控制难度极大。

2.工程启闭操作运用频繁

在调度指令实际执行过程中，为确保日平均流量符合调度指令要求，管理单位采取的方式是全过程控制，通过过程管控来保证结果，具体来讲就是“实时监控在线流量、实时计算平均流量”， 根据在线流量累计当前的平均流量，对照调令流量统计分析偏差并动态纠偏，让在线实测的过闸流量尽量每时每刻都保持在调度指令要求的范围内。 全过程在线流量监控，对管理单位现场运行人员的工作质量提出了严苛要求。 管理人员需要紧盯在线流量（1 次/5 min）变化，一旦在线流量连续4 次超过调令流量的±20%， 管理人员就要及时进行相应的闸门调整。

实际执行过程中，除了上下游水位差、闸门开度，影响太浦闸工程过闸流量的因素还有套闸运行、泵站运行、风力风向变化、上游河口水位、下游平望水位、金泽水位、黄浦江潮汐影响等。 太浦闸工程的过闸流量对这些因素十分敏感，流量变化大，闸门调整频次非常高。 为了保障上下游河道流态稳定， 太浦闸工程通常是10孔闸门均匀开启， 保持相同开度；因此，每次需要启闭操作10 孔闸门，才算完成闸门调整1 次，并形成闸门调整报告1 份。 据初步统计，2020年太浦闸工程共调整闸门538 次，2021年514 次，闸门启闭操作运用非常频繁，运行管理工作量巨大。

三、智能控制运行的实践探索

1.明确控制运行的质量标准

为便于调度指令执行、统一考核评价标准， 管理单位于2010年制定了 《太湖局直管工程控制运行规定（试行）》， 明确工程控制运行的质量标准要求。 在此基础上，2020年管理单位又研究制定了《太湖局直管工程控制运用方案》， 报太湖局批准后印发执行。 根据该方案，太浦闸控制运用的总体原则是“按照日平均流量进行控制，同时兼顾8时报汛流量”。方案明确了执行调度指令或闸门控制运行应该达到的精度要求。比如，当调度流量不超过100 m3/s， 允许偏差为±10 m3/s；当调度流量超过100 m3/s，允许偏差宜控制在±5%以内，不应超过±10%。 对于自然河道，通过拦河节制闸精细控制河道流量，并明确提出流量控制的质量标准，这也是水闸工程技术管理自加压力和管理创新的体现。 该方案为太浦闸精确执行调度指令提供了指导依据和质量标准，也成为太浦闸工程智能控制运行的价值标准。

2.建立智能运行的感知系统

（1）实时感知水闸工程状态变化

太浦闸工程设置有水闸主体建筑物垂直位移测点116个、堤防沉降测点22个、 水平位移测点15个、伸缩缝测点31个、 扬压力测点25个、地基反力测点9个和底板内力测点21个等。 在2012—2015年太浦闸除险加固工程中建设了太浦闸工程安全监测系统， 实现了水闸主体建筑物垂直位移、底板扬压力、底板内力等工情信息的自动采集和统计分析， 可以实时感知工程状态信息的变化。

（2）实时感知气象、水位（潮位）、流量变化

太浦闸下游的太浦闸水文站建设有在线测流系统， 经过多年运行与率定优化后， 能够提供实时在线（1 次/5 min）的太浦闸下泄流量数据。管理单位建设有工情业务应用系统，已经与太湖局建设的太湖流域水情遥测系统、太湖流域水资源实时监控和信息采集系统等进行信息共享，可以实时共享采集到太浦闸的实时下泄流量数据，工程上下游水位、风力风向、气温、降雨量等环境量监测数据，以及太湖湖口水位、太浦河下游平望水位、 金泽水位和河道流量、黄浦江潮位等数据。

（3）实时感知运行状态信息变化

2012—2015年太浦闸除险加固工程中建设了太浦闸闸门监控系统，采集了启闭机电压、电流、荷重等各种电气量， 闸门开度及各现场控制箱内控制器状态等实时数据，操作人员通过监控主计算机人机界面， 可以监视各种站内设备运行状态和实时参数， 可对站内设备直接进行操作。

上述水情、气象、工情数据和运行状态信息汇聚在一起能够建立起太浦闸智能运行感知系统，初步实现实时感知工程状态和环境信息变化。

3.建立智能运行的指挥系统

平原河网地区的河道水位变幅小，河流水动力弱，且多为感潮河段，受潮汐和周边水利工程运行影响而常见往复流。 太浦闸工程上下游的水位差较小，在开闸运行期间，通常上下游水位差为40 cm 以下， 历史上所经历过的最大正向水位差为83 cm（2016年太湖流域特大洪水期间），最大反向水位差为-80 cm（2021年“烟花”台风影响期间）。 工程初步设计中所提供的水位流量关系理论曲线，难以指导工程实际操作运行。 2019年起，管理单位引入AI 算法，利用人工智能机器学习中成熟适用的BP 神经网络模型，对闸门开度、太浦河入口水位、太浦闸下游水位、平望水位、金泽水位、金泽流量和太浦河口风力等7个影响因素与过闸流量之间的关系进行统计分析，通过对长序列历史数据的学习训练，找出各影响因素的权重，建立了多维（多个变量）动态水位流量关系模型（图1）。

图1 太浦闸BP 神经网络训练过程

这个流量关系曲线模型是多维的，能根据7个输入变量的实测值来预测过闸流量，并根据实测值与预测值的自动比对、迭代训练，不断学习来提高准确度；同时流量关系曲线模型是动态的， 随着7个因素的变化，曲线形状会动态调整变化。 此流量关系模型具备实时推算过闸流量、智能推荐闸门开度、准确预报工程倒流等功能，固化到闸门自动控制系统中以后，可以对照调度方案并结合实际变化发出调整闸门的指令，实现自动调整闸门，从而形成发布指令、指挥闸门操作运用的“大脑”，建立智能运行的指挥系统。

4.建立智能运行的执行与安全保障系统

在太浦闸除险加固中建成的太浦闸闸门计算机监控系统，可以实现利用计算机对闸门操作运行的自动化控制， 这是闸门智能运行的执行机构。 在接收到上级调度指令或者神经网络系统发出的闸门调整指令后，闸门监控系统自动进行闸门开启和关闭，以及闸门开度的调整，可以完整记录操作运行信息，并将调整信息反馈给闸门控制系统。

在太浦闸除险加固中建成的太浦闸视频监视系统， 安装有34 台摄像机，用于对太浦闸重点区域进行实时视频监视， 在节制闸闸门两侧、上下游河道、中控室、套闸闸室、交通桥等处设置监视摄像机，对设备运行工况及周围的现场情况进行全方位的监视和管理，实时监视工程现场环境变化和安全状态。

太浦闸除险加固中建成的太浦闸安全监测系统， 可以实时监测工程垂直位移、 底板扬压力和底板内力变化； 管理单位依据规程规范和工程实际，积极与设计单位沟通，明确了各监测项目成果的安全阈值，包括警戒值指标和最大安全指标，以利于观测成果应用， 更好地指导工程安全管理。 此外，为满足智能化运行时现场安全预警和安全保障需要，管理单位与有关科研院所合作，研制并安装了声光预警与保护装置，在闸门启动前、启动中均会自动启动声光报警和语音提醒， 结合现场视频跟踪等方式加强现场安全防控，防范安全事故发生。

四、智能控制运行的成效与不足

1.成效

太浦闸控制运行智能化改造以后， 现场运行人员只需关注安全条件和签收新调度指令， 调度指令执行、流量监控、闸门调整建议、调整结果反馈等其他流程全部由计算机完成， 可以有效减少运行人员工作量。 借助太浦闸智能运行管控系统，太浦闸流量控制取得了较好的应用效果，调度指令执行的时效性、准确性得到有效保障。 通过与在线实时流量比对，及时动态调整闸门状态，加强过程流量的精细控制， 保障了调度运行精度目标。 比如2020年6月28日至8月14日太湖流域大洪水期间， 太湖水位持续超警48 天，超保9 天。 通过应用该系统，太浦闸平均流量控制精度均达到 《太湖局直管工程控制运用方案》要求，即不超过±10%， 平均流量控制精度达到±5%以内的时段约占77%，同时工程保持安全运行，效果显著。

2.不足

一是感知手段有待完善。 采集的现状数据中工程安全监测、重要设施设备运行状态等实时感知工程运行状态数据仍然较少， 需要进一步完善。 二是管控平台有待整合。 通过智能化改造建立的工程数字调度、智能控制、太浦闸BIM、安全监测等系统独立运行， 采集到的数据分散存储，没有形成高度耦合、业务协同的智慧管控平台。 三是“四预”能力有待挖掘。 通过智能化改造初步实现了太浦闸工程运行精细控制、工程安全监测预警，但是在大流量排洪预演、闸泵联合供水预报、倒流关闸预判等方面有待增强。 四是网络安全有待加强。目前网络安全基础环境仅满足等级保护二级要求，总体防护能力无法满足系统深化应用需要。

五、智能控制运行的建议

2021年年底，“建设数字孪生太浦闸（泵站）”作为先行先试11 项重大水利工程的数字孪生工程， 已列入水利部《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》。 太浦闸将按照水利部的标准规范要求，依据《数字孪生水利工程建设技术导则》 和工程实际， 推进数字孪生太浦闸 （泵站）建设。

1.搭建数字孪生平台

以BIM+GIS 技术为支撑在水利部L1 级和太湖局L2 级数据底板基础上构建太浦闸（泵站）L3 级数据底板，承载工程规划、设计、建设、运行、维护等阶段的信息；优化感潮河网闸门泄水流量预测模型，构建工程安全分析评价模型和工程运行预测模型，实现工程安全在线监测预警和精准执行调度指令要求；构建工程防洪与供水能力、工程运行、应急预案等知识库，为决策支持提供智慧支撑。

2.夯实信息基础设施

基于工程运行安全和智能化管控需要，查漏补缺，充分利用物联网、传感、定位、视频、遥感等技术，强化水工建筑物常规及关键薄弱点变形监测、渗流监测、内部监测，快速侦测、分析存在的安全隐患，提升工程安全监测预警的时效性与智能化程度；提升通信、计算、控制和机房运行环境等设施水平；遵循“实用、安全”的原则， 采用网络安全管理平台，对网络运行状况进行集中监测报警；围绕风险识别、安全防护、检测评估、监测预警、事件处置等方面做好关键信息基础设施安全管理。

3.提升“四预”业务智能水平

汇集气象部门风力、风向、降雨、潮位等预报信息，实现工程所处气象环境提前感知；通过物联网监测，健全涵盖工程安全监测、视频监视、运行监控、 声光电报警安全监测预警系统， 通过数字孪生模型进行监测点精确定位、监测数据实时监测、预警信息滚动发布， 实现工程安全运行全覆盖、可感知、能预警；通过数字孪生场景模拟进行预演， 实现工程精准执行调度指令和安全在线监测预警要求；将太浦闸应急预案与数字孪生平台深度融合，具备模拟险情状态、 定位出险位置、 发布响应信息、调拨应急物资、模拟处置效果等功能，实现应急预案数字化应用。 ■