朱建文

（山西中部引黃水務(wù)開發(fā)有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

在水利工程的管理和建設(shè)中信息化系統(tǒng)有著十分重要的作用。近年來，隨著科技信息化的不斷發(fā)展，對水利工程管理和建設(shè)的信息化要求越來越高。西范灌區(qū)東擴工程位于運城市西北部，涉及新絳、聞喜、萬榮及稷山等四縣，主要是為解決該受水地區(qū)灌區(qū)的缺水問題，還兼顧改善原灌區(qū)38.47萬畝耕地。該擴建工程的建設(shè)線路較長涉及面較廣，對其高效率管理是十分必要的，需要設(shè)計符合該工程特點的全線信息化管理系統(tǒng)。

1 工程全線信息化內(nèi)容及任務(wù)

1.1 全線信息化系統(tǒng)內(nèi)容

西范灌區(qū)東擴工程全線信息化系統(tǒng)的內(nèi)容包括：遠方控制監(jiān)控系統(tǒng)（調(diào)度中心），五座泵站遠方調(diào)度系統(tǒng)，總干渠19座閘室監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 全線信息化的任務(wù)

全線自動化的任務(wù)為：

（1）建立流域為主體的輸水調(diào)度中心，調(diào)度中心擬建在西范管理局。

（2）調(diào)度中心能夠采集各個監(jiān)控點包括：各個泵站、分水閥室等各類自動化信息。

（3）建立調(diào)度決策幫助軟件系統(tǒng)，合理的模擬流域輸水調(diào)度過程，通過水力仿真軟件的復(fù)核，為決策層提供可靠的、優(yōu)化的調(diào)度運行方案。利用現(xiàn)代化通訊手段，最終實現(xiàn)對各泵站、各調(diào)節(jié)閥的遠方控制。

（4）能夠建立完整的遠程工業(yè)可視（電視）系統(tǒng)。以便對主要監(jiān)控點（調(diào)壓池、建筑物、機組等）實現(xiàn)遠方實時監(jiān)視。

（5）工程安防系統(tǒng)是由紅外對射、監(jiān)視、門禁等設(shè)備組成建立。

2 調(diào)度模式及通信系統(tǒng)

2.1 調(diào)度模式

為達到供水工程穩(wěn)定安全輸水，全線各種水工建筑物和機電設(shè)備的經(jīng)濟、安全運行的目的，須對沿線各分水閥室、泵站進行統(tǒng)一調(diào)度。為此設(shè)立統(tǒng)一調(diào)度中心，實現(xiàn)全線自動化。

調(diào)度的操作權(quán)限由現(xiàn)地級、站控級和調(diào)度級三級組成。

其中，控制級別最高為現(xiàn)地級，其次為站控級。主要控制內(nèi)容包括：泵站的監(jiān)控主機、自動級公用LCU、機組LCU以及各閘室LCU（可由現(xiàn)地控制裝置PLC兼做）。遠方調(diào)度級為最后，全線設(shè)備自動化由調(diào)度中心統(tǒng)一進行管理和控制。

全線的自動化調(diào)度模式是：控制調(diào)度中心統(tǒng)一管理調(diào)度、集中監(jiān)控，近期實現(xiàn)現(xiàn)地監(jiān)控站的少人值班，以至實現(xiàn)最終的少人值守、無人值班。

2.2 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)由沿線總干所有閘室和五座泵站組成，特點是沿線的各閘室分散、且線路較長。目前，現(xiàn)代通信網(wǎng)的三大支柱是光纖通信、衛(wèi)星通信和無線電通信。結(jié)合工程全線自動化任務(wù)及實際情況的特點，通訊方式選擇光纖通信。實現(xiàn)光纖通信有以下兩種方案：

1）沿控制中心、所有控制點和輸水線路敷設(shè)光纜為主通信通道；備用通信為租用公網(wǎng)的一條專用通道作為調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

2）按不同的路徑（直埋和架空）沿控制中心、所有控制點和輸水線路敷設(shè)兩條光纜，形成通信物理環(huán)網(wǎng)，一路為主，另一路為備。

方案二從技術(shù)角度考慮，可靠性較高，同時投資較大。綜合從經(jīng)濟、可靠、安全性考慮采用方案一。

3 網(wǎng)絡(luò)傳輸方式及監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸方式

1）三網(wǎng)合一傳輸方式

采用綜合以太網(wǎng)接入設(shè)備。光纖技術(shù)（優(yōu)化）和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸交換技術(shù)，建設(shè)自動化系統(tǒng)綜合信息傳輸平臺，其為“三網(wǎng)合一”的建設(shè)支撐，可實現(xiàn)以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)、視頻和語音等業(yè)務(wù)功能靈活接入，及通過光纖實現(xiàn)調(diào)度電話、工業(yè)電視、安全監(jiān)測系統(tǒng)和生產(chǎn)自動化等業(yè)務(wù)功能。

優(yōu)點是：“三網(wǎng)合一”為系統(tǒng)。過多的外圍接入設(shè)備不再需要，后期設(shè)備維護減少。同時組網(wǎng)靈活，使用空間小，安裝方便。

缺點是：國內(nèi)生產(chǎn)廠家不多，三網(wǎng)之間明顯的物理隔離沒有，損失部分視頻信號。

2）三網(wǎng)分離傳輸方式

通信系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)采用以太網(wǎng)交換機。以太網(wǎng)交換機提供多個接口，便于安全監(jiān)測和調(diào)度監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)容的內(nèi)網(wǎng)傳輸。為了降低投資和減少設(shè)備維護，應(yīng)用網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)可以采用綜合業(yè)務(wù)光端機，總線式異步數(shù)據(jù)傳輸通道可提供多個，及可配置異步數(shù)據(jù)接口RS232/485等設(shè)備。站點交換機中接入各站點視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用視頻服務(wù)器的方式，調(diào)度中心統(tǒng)一管理。電話調(diào)度系統(tǒng)：駐地話音網(wǎng)關(guān)設(shè)備在通信機房設(shè)置一套，程控調(diào)度交換機與該套設(shè)備相連；在各控制站點設(shè)置普通電話機及接入語音網(wǎng)關(guān)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（100 M）交換機直接接入語音網(wǎng)關(guān)。

從網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)考慮，三網(wǎng)分傳輸方式可靠性最高，但是投資過大。結(jié)合輸水特點，傳輸方式采用三網(wǎng)合一。

3.2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊、分布、分層式體系結(jié)構(gòu)。

調(diào)度中心為雙層以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由SCADA雙服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、視頻服務(wù)器、大屏DLP工作站、工程師站、操作員工作站以及WEB服務(wù)器等設(shè)置互為熱備，以上設(shè)備分別接入兩層以太網(wǎng)。

采用單層以太網(wǎng)為泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)。泵站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)地控制裝置及公用LCU、機組LCU和熱備操作主機等共同組成，與調(diào)度中心通過通訊服務(wù)器相連。

調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)、沿線閘室LCU與泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)一起組成了單層工業(yè)以太網(wǎng)。

3.3 調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)

3.3.1 功能要求

1）遠程調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)有效、準確、迅速地完成對各級泵站及各個閥室等被監(jiān)控對象的監(jiān)視。

2）調(diào)度中心應(yīng)能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和進行處理，安全運行的監(jiān)視，屏幕顯示，實時調(diào)節(jié)和控制，事故處理和恢復(fù)操作的指導，鍵盤操作，數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)診斷，軟件培訓及開發(fā)，泵站設(shè)備的維護運行管理等功能，監(jiān)控程序控制實現(xiàn)操作票校核和檢測。

3.3.2 調(diào)度中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）由SCADA/AGC/AVC服務(wù)器2套、光纖磁盤陣列1套、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器2套、操作員兼工程師工作站2套、WEB服務(wù)器1套、ON-CALL工作站1套、大屏幕DLP系統(tǒng)1套、通訊服務(wù)器2套、1000 M集控中心網(wǎng)絡(luò)交換機1套、路由器1套、UPS1套、打印機1臺、GPS1套、防火墻1套、縱向隔離裝置2套等組成調(diào)度中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)；各泵站的監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)度中心通訊，配置了通訊服務(wù)器1套。

2）系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)以局域網(wǎng)為核心，實現(xiàn)工作站和服務(wù)器的功能分擔，并對數(shù)據(jù)進行分散式處理，符合技術(shù)發(fā)展的趨勢。具有處理速度快、工作效率高、系統(tǒng)風險小等特點。

各工作站/服務(wù)器在系統(tǒng)中處同等地位功能，以后系統(tǒng)擴充不會引起現(xiàn)有系統(tǒng)較大波動，并對整個系統(tǒng)的不斷完善提供有力條件。

在系統(tǒng)中，各工作站若出現(xiàn)故障只會對局部功能產(chǎn)生影響，可使整個系統(tǒng)功能的簡單化，其可靠性可大大提高。

3）開放式的系統(tǒng)環(huán)境

開發(fā)應(yīng)用、接口用戶和系統(tǒng)互聯(lián)的環(huán)境組成開放式環(huán)境，采用此環(huán)境系統(tǒng)要做到：確保用戶運行硬件更新的同時，其軟件能夠繼續(xù)使用，不同系列產(chǎn)品的可移植性得到解決；確保在其他計算機上的相互操作，同時用戶的資源投資應(yīng)得到保護；選擇合適的不同品牌的硬件，使得計算機的集成性提高；經(jīng)局域網(wǎng)將工作站/全圖形服務(wù)器連接作為基礎(chǔ)，將系統(tǒng)組成開放式分布系統(tǒng)。

4）局域網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)按IEEE設(shè)計，應(yīng)用開放式的分布結(jié)構(gòu)，光纖電纜作為網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，通信規(guī)約為TCP/IP，大于10/100Mbps的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。

3.3.3 軟件配置

1）系統(tǒng)及組態(tài)軟件

工程系統(tǒng)軟件主要包括：UNIX、Windows XP等，為了保證系統(tǒng)的完整與可靠，監(jiān)控系統(tǒng)采用亞控組態(tài)軟件。

2）數(shù)據(jù)庫軟件與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫軟件

實時數(shù)據(jù)庫與歷史數(shù)據(jù)庫應(yīng)當是完全獨立的、不依賴于任何第三方關(guān)系數(shù)據(jù)庫（如MS SQL Server、Oracle等）的商業(yè)產(chǎn)品化的工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫軟件采用基于SQL的大型對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，應(yīng)滿足 ANSI/ISOSQL86、SQL92、SQL99 等標準，在通用性、實時性、可靠性、開放性、可擴充性和安全性具有最好的技術(shù)及國際認證。

3）核心防護軟件

在操作系統(tǒng)的安全功能之上核心系統(tǒng)防護軟件提供了安保層，訪問方式是從內(nèi)核層控制截取文件，進而加強系統(tǒng)的安全可靠性。防護軟件支持多種操作系統(tǒng)功能。即使以系統(tǒng)管理員權(quán)限進入入侵，也不能對系統(tǒng)篡改和數(shù)據(jù)竊取，從根本上杜絕由于操作系統(tǒng)缺陷而造成的入侵。

4）信息化系統(tǒng)

信息化系統(tǒng)通過采集和收集各類流域內(nèi)的信息，完成調(diào)度決策輔助模塊、水力學仿真模塊、計劃與執(zhí)行管理模塊、信息發(fā)布模塊等一系列調(diào)度輔助模塊。根據(jù)信息化系統(tǒng)的特點，一些模塊之間存在著相互依存的關(guān)系。因此信息化系統(tǒng)設(shè)計采用統(tǒng)一模塊化，分布實施的原則。

3.3.4 多媒體會議室

目前全世界高級的數(shù)字會議是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)時分的復(fù)用技術(shù)，即語言進行數(shù)字化，可在電纜上實現(xiàn)多路的同時簽到、發(fā)言、討論、同聲傳譯、表決、投票等會議功能?？蓪Ω黝悤h提供較為靈活管理等多功能。會議系統(tǒng)的核心是控制設(shè)備。

3.4 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要分為工業(yè)視頻監(jiān)視系統(tǒng)和安防視頻監(jiān)視系統(tǒng)。對于安防視頻監(jiān)視系統(tǒng)集中顯示和存儲在調(diào)度中心。

方案的構(gòu)成本著實現(xiàn)“無人值守，少人值班”的控制模式，并充分考慮了系統(tǒng)實用性、先進性、可靠性和系統(tǒng)可擴展性的需要。

方案采用了基于模擬視頻和數(shù)字視頻相結(jié)合的組成方式，使系統(tǒng)既具有模擬視頻圖像質(zhì)量好、實時性強的特點，又具備網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻應(yīng)用廣泛、使用和存儲方便等方面的特性。

3.4.1 工業(yè)視頻監(jiān)視系統(tǒng)

1）系統(tǒng)功能

在輸水工程中視頻監(jiān)控實際業(yè)務(wù)主要是在工作現(xiàn)場安裝攝像機，以實現(xiàn)遠程狀態(tài)下觀測工作人員工作情況和設(shè)備安全運行狀況。在控制室內(nèi)安裝視頻監(jiān)測系統(tǒng)工作站和相關(guān)控制設(shè)備，實時視頻錄像服務(wù)器是系統(tǒng)核心，攝像機所有信號傳輸給它，并進行相應(yīng)的錄像和數(shù)字化處理，與監(jiān)控系統(tǒng)相連。應(yīng)用云臺就可以對對攝像機的光學參數(shù)、方向等功能進行控制。

通過客戶端或Web方式監(jiān)控軟件，遠程用戶即可實現(xiàn)遠程管理和監(jiān)控。

2）監(jiān)視內(nèi)容

工業(yè)視頻監(jiān)視系統(tǒng)包括四座泵站視頻監(jiān)視系統(tǒng)、19座閘室視頻監(jiān)視系統(tǒng)。

3.4.2 安防視頻監(jiān)控

安防系統(tǒng)由出入口控制、入侵報警、視頻監(jiān)視系統(tǒng)組成。

1）視頻監(jiān)視系統(tǒng)

采用模擬傳輸、數(shù)字存儲、電纜與光纜相結(jié)合，實現(xiàn)調(diào)度中心安防。

在建筑物制高點安裝帶有云臺、變焦鏡頭的彩色一體化攝像機。在大樓入口、樓道等安裝攝像機。

監(jiān)視功能：在安防工作站、分站上對整個監(jiān)視區(qū)域進行監(jiān)視。

錄像功能：可以采用同步錄像、定時錄像和視頻報警觸發(fā)錄像。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)配有逆向解碼主機、同步錄像存儲器、智能矩陣、視頻分配器、專用鍵盤及軟件等。

2）監(jiān)視內(nèi)容

擬在每處泵站室外布置2個安防攝像頭，合計8個攝像頭；在調(diào)度中心設(shè)置8個攝像頭。工程合計布置16個攝像頭。

3）出入口控制系統(tǒng)

識讀式出入口控制系統(tǒng)由識讀（顯示）裝置、傳輸網(wǎng)絡(luò)、管理控制器、記錄設(shè)備、執(zhí)行機構(gòu)等組成。識讀式系統(tǒng)的各類識別裝置、執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)保證操作的有效性和可靠性，應(yīng)有防尾隨措施。對非法進入的行為，應(yīng)發(fā)出報警信號，以及疏散、緊急逃生的有關(guān)規(guī)定。識讀式系統(tǒng)應(yīng)具有人員的出入時間、地點、順序等數(shù)據(jù)設(shè)置、顯示、記錄、查詢和打印等功能，時間誤差應(yīng)在±10 s以內(nèi)，并有防篡改、防銷毀等措施。

4 結(jié)論

西范灌區(qū)東擴工程信息化管理可實現(xiàn)各個監(jiān)控點的監(jiān)控管理，可以使得工程在管理中實現(xiàn)“無人值守，少人值班，高效管理”的控制模式，最終實現(xiàn)對各泵站、各調(diào)節(jié)閥的遠方控制，提高工程運行效益。