某水库大坝工程信息化系统设计

任哲明，李春辉，2，王洪洋，2，刘天鹏，2

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林长春130021）

1 概述

某水库工程主要由大坝、溢洪道、输水洞及尾水河道组成，总库容3804.70万m3，设计供水量3.96t/d，工程等别为III等，主要建筑物土坝、溢洪道、输水洞及供水管线级别为3级，管线附属建筑物级别为4级，尾水河道级别为5级，输水线路从水库输水涵洞出口开始至水厂止。为实现对水库大坝安全监测和输水管道流量、压力数据的自动采集[1-3]，以及对管道调流阀和库区摄像头的远程控制[4-6]，而建设水库大坝工程信息化系统，为工程运行调度和监督管理提供支持，提高日常管理水平和效率。

2 系统设计

2.1 系统构架

系统分为感知层、传输层、数据支撑层、应用软件层4个部分。感知层为各采集传感器、采集终端；传输层为通讯设备及通讯网络；数据支撑层包括各类数据信息，数据库和数据库管理软件；应用软件层包括安全监测自动化系统、视频远程监控系统、供水监控系统，各软件系统依托数据库，通过传输层对感知层的传感器、采集终端进行信息采集、管理、分析。

按照“两纵四横”的总体布局，在工程运行管理处布设信息管理中心，信息化系统设在中心工作站。其安全监测数据、供水管线调流阀阀门开度、管道压力、流量数据等通过GPRS或4G传入中心服务器，视频监控数据通过光纤传输至中心服务器。信息化系统对各专业数据进行信息展示及对前端摄像头和管线调流阀进行控制。

2.2 实体建设设计

2.2.1 信息管理中心建设

中心设备包括工作站3台、服务器2台（1用1备）、视频NVR1台、网络设备（网络交换机3台、防火墙1台、4G或GPRS接收模块2套），此外还有机柜2个、打印机1台及工作台1套等。信息管理中心面积不小于50m2。

2.2.2 网络建设

安全监测数据，供水管线的调流阀、压力表、流量计数据等通过GPRS或4G传入中心服务器；视频监视数据通过光纤传输至中心服务器；数据中心工作站与服务器采用局域网进行通信，预留与上级单位通信的网络接口。

2.2.3 供电系统

信息管理中心的用电设备主要为数据服务器及网络交换机，系统运行时要求不间断供电。因此，供电系统采用市电供给较为可靠，可直接引接，同时配置1台UPS不间断电源，保证断电情况下继续供电2h。为防止闪电雷击及操作过电压对设备造成的危害，配电柜进线处装设过压保护装置，以消除线路上产生的瞬时高压尖峰脉冲，保证计算机设备稳定运行，不受损坏。

现地数据采集站的用电设备主要为数据采集装置、交换机及无线通讯模块，系统运行时要求不间断供电，系统各监测站不考虑设置独立的电源系统，就近接入照明或检修电系统，必要时牵引部分电缆。

2.3 信息化系统设计

2.3.1 数据库设计

信息中心服务器安装大型关系数据系统，数据包括基础数据库、安全监测数据库、供水监控数据库、视频监控数据库等，在备份服务器上进行数据备份。

2.3.2 安全监测自动化系统设计

1）安全监测自动化系统功能

系统应具备多种采集方式和测量控制方式，能显示监测布置图、过程曲线、监测数据分布图、监测控制点布置图、实时反映数据异常情况及监测设备工作状态的报警提示窗口等；具备数据自动存储和数据自动备份功能，操作和管理功能，数据通讯和网络安全防护功能；系统具有自检能力，对现场设备进行自动检查，能在计算机上显示系统运行状态和故障信息，以便及时进行维护。同时，系统应具有较强的环境适应性和耐恶劣环境，具备防雷、防潮、防锈蚀、防鼠、抗振、抗电磁干扰等性能，能够在潮湿、强电磁干扰条件下长期连续稳定正常运行。

2）安全监测自动化系统软件

此系统软件是一个以计算机网络、分布式数据库、多媒体应用和数学模型技术为基础的，集成数据采集、数据管理及数据分析的综合性系统软件。

系统软件具有可视化用户界面，能方便地修改系统设置、设备参数及运行方式，能根据实测数据反映的状态进行修改、选择监测频次和监测对象；具有对采集数据库进行管理的功能；具有绘图、报表编辑功能及其他功能。

在信息中心通过工作站对整个监测自动化系统进行数据采集和控制，完成监测数据的管理及日常工程安全管理工作，包括在线监测、离线分析、图表制作、数据库及其管理、系统管理等。

2.3.3 视频远程监控系统设计

1）视频远程监控系统功能

实现对大坝、溢洪道、输水洞、尾水河道、水库出入口、上坝道路、办公区、库区对外交通等重点部位的实时监控，各视频前端图像信息能准确、清晰、实时地传送到监控中心，并转换成模拟信号上传至监控屏幕，同时可对多路视频进行监控；监控中心能够对摄像机镜头进行光圈、焦距、景深距离控制操作，对云台进行全方位控制；可随时将现场情况录像，并可进行智能回放及检索；在网络适应性及要求方面，可支持网关、NAT（网络地址转换）、代理、防火墙和路由器等；系统具备良好的扩充性能，增加视频监视设备不会影响原有系统的性能和质量；系统具有完善的系统管理功能，包括安全管理、用户管理和服务器管理等。

2）视频存储

水库共设置摄像头68个，摄像头录像数据保存时间为30d，每个摄像头1h视频图像压缩后为200MB，则需要的存储空间为2Mbit/s×3600×30×24×68/8/1024/1024=42.02TB，同时考虑存储冗余，需配置6T硬盘8块，满足录像存储要求。

2.3.4 供水监控系统设计

1）供水监控系统功能

实现供水量数据、设备状态、现场供电状态的自动采集、传输、接收、存储、显示和查询；实时监测电动阀门的开、关状态；远程开启、关闭阀门或调节阀门开度，提高管理效率，降低管理成本；实时监测管网压力，保障用水合理供应，辅助调配水厂供给；能够对供水量、阀门、压力数据进行记录、统计、分析和对比，从而形成报表和图形，用户可根据需求进行查询、浏览和打印；具有与便携式检测仪表或便携式计算机通信的接口，能够使用便携式检测仪表或便携式计算机采集监测数据，进行人工补测、比测，防止资料中断；具有较强的环境适应性和耐恶劣环境性。

2）供水监控系统软件

系统软件需具备友好简洁的用户界面，并且操作简单方便。用户和系统的人机交互界面包括流量、阀门、压力远程监控，以及与业务系统的调用接口。软件系统界面包括身份验证、流量和压力数据监测、阀门控制、数据检索和系统管理等功能。数据采集和处理功能即自动周期性地从现地级设备采集实时数据，并进行计算、更新实时数据库、数据存盘、保存历史数据；能实时显示主要设备的操作动态过程及有关参数；业务系统的接口包括历史数据接口、实时数据接口和控制操作数据接口。

2.4 综合信息服务系统设计

工程综合信息服务系统以通信网络、硬件设备为依托，应用服务平台为技术支撑，结合现代高新技术进行综合开发，形成技术先进、功能完善、实用性强的系统，为决策者提供专业的信息及分析结果。系统包括信息展示平台和工程信息管理系统。

信息展示平台可对各专业信息进行统一展示、集中管理，采用图、表等多种显示方式，为管理者提供统一、直观的信息查询、浏览界面。

工程信息管理系统实现对工程的相关信息进行管理，系统能够完成信息的录入、查询、修改等日常管理。

3 系统集成

系统集成目标是将工程信息化系统的软硬件及基础环境进行集成，整合形成一套覆盖整个工程的完整系统，使得建设系统的设备、数据能够互联互通，有效地实现通信系统、网络系统、业务应用系统、数据库之间的协调一致。

应用系统集成是在系统硬件集成基础上，通过系统配置和联调将应用支撑平台、数据库、业务应用系统等集成在一起，开发系统登录认证、综合信息门户等，形成一个完整的系统。

应用系统间统一数据服务和共享接口，各模块可以通过服务器访问数据库中的数据。在软件环境的基础上，搭建运行数据交换的服务中间件、应用中间件、数据同步服务等，建立与大屏幕系统的集成和适配，为系统运行提供支撑。

4 结语

水库大坝工程信息化系统建设的实施，能够有效提高水库的调度和管理水平，为运行管理人员及时掌握工程运行情况创造条件，提高监控手段，减少非常态事件的发生，同时提高城市供水保障和水资源的利用效率，具有显著的经济效益和社会效益。