自动化系统在闸坝运行管理中的应用——以二热节制闸为例

朴立君，胡加玲，张 楠，马新浩

（北京市城市河湖管理处，北京 100043）

北京市城市河湖建有各类闸坝107 座，这些建筑物在防洪抢险、排涝抗旱、水资源调配等方面发挥了重要作用[1]。在调配水资源的过程中，闸坝是十分关键的组成部分。随着水利行业自动化和信息化的发展，对闸坝进行自动化改造变得尤为重要。在具备条件的情况下，尽可能实现自动化，将闸坝的运行状况、水文水情监测数据等基础信息准确、及时地反馈至上级水利管理调度部门，可以保证相关调度及决策的科学性。

闸坝自动化系统主要对重要水工建筑物及河道进行自动监测[2]，保证闸坝更加安全、可靠、经济的运行，以期实现“无人值守”或“少人值守”的目标。

1 自动化系统建设概述

1.1 建设目标

基于基础网络，通过建设集闸门自动控制、水情监测、视频监控等功能于一体的闸坝自动化监控系统，实现闸坝运行管理自动化。通过PLC 对闸门开度、闸上、下水位和降雨量等水情数据，以及闸坝运行参数进行实时监测，出现异常能及时给出警示；开发远程控制软件终端，实现远程调节闸门开度；视频监控系统将闸门及河道的图像传输至监视器，为监测数据、控制过程等提供实时画面验证支撑，确保运行安全。

1.2 建设原则

（1）实用性、可靠性和安全性原则。应根据闸站日常业务和调度运行管理的实际需要建设自动化系统。合理选用系统架构、安全策略等，保证系统具备较高的安全可靠性。

（2）先进性原则。应采用先进、成熟、有发展前途的技术和服务器系统、存储设备、网络产品、数据库系统软件等，着眼于目前系统需求，同时也面向未来发展。

（3）模块化和开放性原则。在设计系统的整体方案时，对于系统整体的结构以及软、硬件平台等部分以及确定所用设备的具体类型及相应的开发过程等，均应遵循“标准和开放”原则。在对应用系统进行开发时，应选用标准化和模块化的模式，完成软件开发后能够以其为基础设立起相应的应用平台，并保证平台具备较高的灵活性，后续能够结合需求进行扩展。系统除了具备开放性较强的结构外，还能够提供多样的接口形式。此外，其内部应预留出一定的可扩充空间。

（4）可扩展性原则。在构建系统时应充分考虑后续的使用需求，因此应有较高的可扩展性，能够在业务需求增加及信息技术提升的情况下实现平滑升级。所开发的各个应用系统均应满足功能方面的各项需求，且运用过程应尽可能便捷高效，跟实际情况保持一致。

（5）可维护性及易用性原则。系统应用实施要以易管理、易维护为基本原则。系统要易学易用、维护简便，同时应对管理与维护的可视化、层次化及实时控制等进行充分考虑。

1.3 系统结构

闸坝自动化监控系统总体结构划分为数据、控制两大系统，其中数据系统包括数据采集、传输网络、数据存储和应用系统4层；控制系统包括应用系统、传输网络、闸门运行3层。系统整体结构，如图1所示。

图1 系统总体结构

数据采集层主要包括闸门状态、水情数据、监控视频等信息的自动采集，其中闸门状态包括闸门开度、荷重、电压、电流等，水情数据包括水位、流量、降雨量等，监控视频包括对闸门、水尺、河道等水工设施的监控画面。

传输网络层是信息传输的媒介与依托，担负着数据传输的任务，主要包括自建光缆、政务网、专线、5G（含4G）等技术，为整个自动化监控系统的运转和使用提供基础网络支撑。

数据存储层的主要作用是将数据采集层产生的数据通过一定的方式进行保存和管理，为各个应用系统提供高效率的数据调用服务。

应用系统层是自动化监控系统的最顶层，承载着数据综合展示、数据查询、控制操作等人机交互功能，主要包括数据平台、监控平台、软件终端等。

闸门运行是闸门控制的指令执行机构，包括控制操作台、闸门启闭机等设施，具有现地控制和远程控制2 种模式，现地控制时接受现地控制操作台指令进行闸门运行控制，远程控制时接受远端控制系统指令进行闸门运行控制。

2 二热节制闸自动化系统应用现状

2.1 系统概况

2.1.1 监测系统

二热节制闸水文站位于永定河引水渠玉渊潭—西便门段末端。二热节制闸建于20世纪70年代，工作闸门为舌瓣平板钢闸门，共3 孔，由3 台固定卷扬式启闭机操作，并有1 扇浮箱叠梁检修闸门。系统通过PLC 自动采集闸门荷载、闸门开度、闸门工作状态等数据，并传至管理房监控工作站[3]。闸门控制采用现地控制、计算机集中控制与远方控制相结合的控制方式[4]。闸门前后设有码盘式水位计监测水位，在下游西便门处设有电子水尺监测水位，在闸站的开阔地带设有翻斗式雨量计监测雨量，在闸站下游设有流量计监测流量，将这些数据传至监控工作站。

2.1.2 控制系统

闸门控制采用3 级控制模式，即现地控制、远程控制、异地控制。

（1）现地控制。在放置启闭机的楼层为每孔闸门配置1 个现地控制柜，控制柜内设有PLC、继电器等相关的元器件，并预留远程控制接口，箱体表面设有闸门启闭控制按钮和指示灯。在现地控制柜箱面板上设有“现地/零位/远程”转换开关，当转换开关置于“现地”位置时，通过控制柜按钮控制闸门；当转换开关置于“零位”位置时，不能对闸门进行操作（即检修状态）；当转换开关置于“远程”位置时，PLC 依据远程下发命令，控制闸门的起、停。

（2）远程控制。系统采用PLC 控制技术，实现机电设备的自动化监控及相关数据采集。在监控工作站上通过组态软件实现与PLC 的通信连接，最终实现对闸门运行的远程控制。

（3）异地控制。通过基础网络，实现异地计算机对闸门的运行控制。本次仅在硬、软件上预留功能接口。

2.1.3 视频监控系统

视频监控系统主要通过数字摄像机、监视器等设备对二热节制闸运行状况进行监视[5]，二热节制闸共设置6 台数字摄像机。启闭机检修层室内放1台摄像机，监视3台启闭机的动作情况。3处水尺各放1台摄像机监视水位尺，在水尺处加装补光灯，便于提高夜间观看效果。闸门上游放1 台摄像机，监视闸门升降工况。大门入口处放置1 台摄像机，监视进出人员。

监控站用2 台52 寸液晶监视器建成电视墙，以实时监测设备运行情况及环境，监控图像存储至NVR数据服务器。

2.1.4 传输网络

为保证监测数据和控制信号的稳定、安全传输，二热节制闸监控室与闸室以及沿河图像监视点、数据采集点之间敷设了符合行业标准和使用需求的光缆线路，连接数据监测、闸门控制各个层级。通过网络，二热节制闸全部监测数据实时回传存储服务器，监控室可对闸门进行远程控制，实现闸门自动化运行管理。

2.2 数据分析

2.2.1 水位比测

基本水尺水位采用3段制观测，每天在8、16、20时观测水位。为获取准确的水位数据做进一步检验，对二热节制闸汛期和非汛期上游水位数据资料进行分析。本次比测分析，选取二热节制闸水文站2022 年2—9 月共8 个月人工基本水尺水位观测数据与自动监测数据共242 组进行对比分析。数据观测以一星期为单位，自动监测与人工观测水位过程线如图2—3所示。由图2—3可以看出，二热节制闸自动与人工同步观测得出的水位数据存在一定差异，但是整体偏离情况并不显著。

图2 二热节制闸2—5月水位比测过程线

图3 二热节制闸6—9月水位比测过程线

2.2.2 自动监测水位数据不确定度

（1）计算公式。参照《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）[6]，所得结果需达到置信水平95%，综合不确定度为3 cm。若通过自动装置对水位进行监测，在估算相应的不确定性度时运用公式为：

式中：X″y为自动监测设备的系统不确定度；X'y为自动监测设备的随机不确定度；XZ为综合不确定度；Pyi为第i次自动监测水位（m）；Pi为第i次人工观测水位（m）；N为校测次数。

（2）结果分析。通过上述公式计算，将二热节制闸自动监测与人工观测水位不确定度计算结果进行整理，结果详见表1。2022 年2—9 月，自动化监测系统监测得到的数据通过上式计算，结果均能达到《水位观测标准》（GB/T50138-2010）中设定的标准，说明自动化监测系统监测的水文数据精度满足规范要求，同时自动化监测设施具有一定的可靠性[7]。

表1 二热节制闸自动监测与人工观测水位不确定度计算结果

3 自动化系统在运行管理中存在的不足

3.1 智慧化水平不高

当前，二热节制闸自动化系统智慧化水平不高。目前，自动化系统只实现了闸坝的部分数据采集和远程控制功能，尚未对闸坝其他方面的自动化进行开发。采集的闸坝数据缺少智能分析、自动调度等现代智慧技术的应用，未能充分实现闸坝智能化运行管理方式[8]。同时，视频监控系统主要依托硬盘录像机，缺乏监控平台，尚未应用智能监测、联动警示等技术。大量的研究表明，自动化系统只是智慧化的其中一部分，要实现智慧化还需要预报系统、电调监控系统、可视化展示系统等多方面支撑[9]。因此，闸坝的智慧化建设还有待进一步加强。

3.2 缺乏统一的建设标准

目前已建成的闸坝自动化系统，由于在建设时没有设立统一的标准，在实际建设过程中，年代、设备、技术以及系统集成厂商设计思路等均存在差别。在设备类型方面，相关资料显示运用PLC 便来自Schneider等不同品牌，闸位仪的型号也多达5种，这导致系统兼容性和拓展性差，后续进行升级改造、管理及维护工作时会面临诸多难题[10]。此外，硬盘录像机的类型也十分多样，而视频编码方式、接口相应软件之间无法实现兼容，因此无法实现对设备的整合，整体运用效率较低。不同水闸所开发的自控软件也存在同样问题，操作的界面及方式存在显著差异，具备功能各异。因此，闸坝自动化系统建设发展受到不利影响，并对运行管理工作造成困扰。

3.3 运行管理水平不高

闸坝自动化系统具有一定的复杂性，包含了多种设备仪器、多项技术，从而实现了更加数字化的运行管理。闸坝自动化系统打破了传统的运行模式，通过现代化技术提高闸坝人员的工作效率，但也存在亟待解决的问题。在以往的闸坝运行管理过程中，技术人员专业素质不高，存在着传统观念，难以快速高效地掌握新型的操作技术。同时，由于自动化系统的原理较为复杂，加之缺乏专业对口人才，导致自动化系统并没有得到有效应用。自建设闸坝自动化系统以来，由于缺乏系统的培训学习，技术人员只是按照操作规程简单应用，并未能通过实际情况灵活操作，进而造成了当前的运行管理模式存在部分问题[11]。

4 提升自动化运行管理的建议

4.1 加强智慧化建设

闸坝中的自动化技术随着时代进程正在飞速发展，在选择自动化技术时，需要采用“因地制宜”原则，选择符合当地闸坝条件的新技术。自动化系统的建设是闸坝智慧化的一部分，闸坝的智慧化还需要增加智能数据分析、智慧化调水等方面功能。在加强闸坝智慧化建设的同时，也要保证河湖生态及社会的健康与安全，最终实现以智能化决策、调度、分析三者相互配合，以此来推动水利工程智慧化发展[12]。

4.2 建立自动化系统建设标准

统一的建设标准能提高自动化系统建设的质量、效益、管理水平，因此应建立相关系统的设计标准和施工标准。各个闸坝的自动化系统主要功能是基本相同的，通过总结现有各自的优缺点和实际使用效果，结合闸坝的实际使用需求，统筹规划自动化系统建设工作，建立统一标准规范，提高系统兼容性和拓展性，在设计上逐步建立标准同时建立科学严谨的施工标准提高工程质量，为系统建设质量提供保障。

4.3 提高运行管理水平

闸坝自动化、智能化的同时，要求相关工作人员要转变传统观念，学习以新技术、新理念进行运行的管理模式。相关管理单位应积极聘请专家进行授课培训，并进行自动化设备原理讲解，从而使工作人员提高理论水平。技术人员通过学习自动化系统理论知识，结合日常工作实践操作，进一步提升自身专业素养，提高闸坝自动化运维水平[13]。同时，需要引入专业人才作为管理人员，为高质量运行管理自动化系统提供有力保障，全面提升闸坝安全运行的精细化、规范化管理水平[14]。

5 结语

对于闸坝管理体系而言，闸坝实现自动化能够给闸坝正常运营及调度提供高效技术支撑，保证闸坝可以更好地发挥效用，为所覆盖区域提供优良服务，进而保证整个区域内的水环境处于安全状态。随着经济社会发展，闸坝自动化系统的使用覆盖更加广泛与全面，但依旧存在不足，需要进一步引进新技术与新方法[15]。本研究对二热节制闸的自动化系统建设与应用进行了初步分析与研究，但尚存在不足，未对闸坝智慧化进行深入探讨，如何让闸坝智慧化建设趋于完善还有待进一步探索。