袁 東 ，徐永兵 ，閆士秋 ，張文博

（1. 山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250014；2. 山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心，山東 濟(jì)南 250014；3. 山東省水文局，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

為了緩解山東省濰坊、威海、青島、煙臺(tái)等市的供水緊缺，山東省委省政府緊急啟動(dòng)了黃水東調(diào)工程，黃水東調(diào)即在東營(yíng)市引黃河水向東調(diào)入濰坊、威海、青島、煙臺(tái)等市，包括應(yīng)急一期和二期工程。該工程對(duì)緩解四市水資源供需矛盾，優(yōu)化山東半島地區(qū)水資源配置，保障其經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。應(yīng)急一期和二期工程從黃河年調(diào)引水量為 4.52億 m3，年供水量為 3.15億 m3。工程利用原有麻灣引黃泵站，同時(shí)新建曹店引黃、曹店入沉沙池、麻灣入沉沙池、入廣南水庫(kù)、一期加壓、二期加壓等泵站。工程規(guī)模為大（1）型，工程等別為 I 等。

工程為長(zhǎng)距離調(diào)水工程，主要利用干渠、管道、閘站、泵站、水庫(kù)、閥站實(shí)現(xiàn)調(diào)水。調(diào)度覆蓋單體建筑物較多，其中一期泵站6座、水庫(kù)1座、明渠7座節(jié)制閘、管道沿線2座閘站、37 座閥站；二期泵站1座，管道沿線1座閘站、40 座閥站。調(diào)水需要調(diào)度的單體建筑物較多，工況復(fù)雜，調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)的建設(shè)是十分必要的。

1 需求分析

1.1 功能分析

根據(jù)工程調(diào)度特點(diǎn)，結(jié)合業(yè)務(wù)流程，功能需求為整體水量統(tǒng)一調(diào)度，全工程調(diào)水聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制，保障調(diào)水，快速響應(yīng)特殊事件，支撐調(diào)度會(huì)商決策與工程運(yùn)行安全。

1.2 信息采集需求分析

包括沿線干渠、水庫(kù)、管道的水情信息，以及泵站、閥站、閘站運(yùn)行信息和視頻采集。其中，泵（閘）站、閥站運(yùn)行信息采集系統(tǒng)的功能是對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集傳輸和處理。運(yùn)行狀態(tài)信息包括泵站上下游水位、機(jī)組啟閉開度和抽水量、閘門開高和過(guò)閘流量、輔助系統(tǒng)設(shè)備和變電所設(shè)備、閥站閘閥的控制運(yùn)行狀態(tài)信息等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)泵、閘、閥運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，保證水泵機(jī)組、水閘正常運(yùn)行。根據(jù)黃水東調(diào)應(yīng)急工程建設(shè)分工，泵站、閥站運(yùn)行信息采集前端設(shè)備（包括 PLC、水位計(jì)、流量計(jì)、閘位計(jì)等）由計(jì)算機(jī)監(jiān)控工程建設(shè)完成。由于泵站、閘閥站運(yùn)行信息采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)密切相關(guān)，因此泵站運(yùn)行信息采集納入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)。

視頻信息采集是對(duì)泵站、閥站工程各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、管理區(qū)安全狀況、上下游水面狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視的系統(tǒng)。根據(jù)黃水東調(diào)應(yīng)急工程建設(shè)分工，視頻前端設(shè)備（包括攝像頭、編解碼器、現(xiàn)地存儲(chǔ)設(shè)備等）由視頻監(jiān)視工程建設(shè)完成。

1.3 數(shù)據(jù)需求分析

根據(jù)對(duì)通信自動(dòng)化系統(tǒng)的功能分析，數(shù)據(jù)需求包括水量調(diào)度、計(jì)算機(jī)監(jiān)控、水情、視頻監(jiān)視等數(shù)據(jù)。

1.3.1 水量調(diào)度數(shù)據(jù)需求

根據(jù)水量調(diào)度功能分析，水量調(diào)度主要完成水量調(diào)度計(jì)劃制定、執(zhí)行監(jiān)控和應(yīng)急及結(jié)果分析反饋等功能，包括水量調(diào)度計(jì)劃制定、實(shí)時(shí)水量調(diào)度、水量統(tǒng)計(jì)和水費(fèi)計(jì)算等數(shù)據(jù)需求。

1.3.2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)需求

輸水沿線參與控制的有7座泵站、1 座水庫(kù)、10 座閘站和77座閥站。每個(gè)站點(diǎn)采集的信息內(nèi)容和具體要求如下：泵站運(yùn)行狀態(tài)、閘站水位、閘門啟閉狀態(tài)、開度、荷重、關(guān)鍵點(diǎn)位流量，閥站電動(dòng)蝶閥狀態(tài)、電流、電壓、PLC 各種數(shù)據(jù)和故障等信息。

具體需要實(shí)現(xiàn)以下要求：1）實(shí)時(shí)完成泵站、閘站、閥站運(yùn)行和控制信息采集，采集時(shí)間控制在秒級(jí)；2）實(shí)時(shí)采集、匯集、處理、存儲(chǔ)泵站、閘站、閥站運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)；3）有可靠的安全機(jī)制，保證對(duì)閘門（泵機(jī)）、閥門控制的安全；4）有靈活的訪問(wèn)機(jī)制、接口及完善的數(shù)據(jù)流程，同時(shí)具備上聯(lián)能力。

1.3.3 水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需求

水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需求主要包括干渠、泵站出口、重要交水?dāng)嗝嫠亢洼斔删€周邊水文等信息。

1.3.4 工程管理數(shù)據(jù)需求

主要包括2種數(shù)據(jù)需求：1）工程維護(hù)數(shù)據(jù)需求，包括工程人工巡查信息。2）工程防洪數(shù)據(jù)需求，主要包括干渠凌情、交叉河流水文氣象、閘站水位流量、流域和市縣的洪水預(yù)報(bào)、交叉河流上相關(guān)的工程險(xiǎn)情等信息。

1.3.5 視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)需求

輸水渠上參與生產(chǎn)運(yùn)行的閘站、閥站、水庫(kù)、泵站和其它控制站作為采集站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)采集的信息內(nèi)容和具體要求為：視頻監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)時(shí)完成閘閥（泵）站視頻信息采集，實(shí)時(shí)采集閘閥（泵）站的圖像，有健全的控制機(jī)制，協(xié)調(diào)對(duì)閘閥門（泵機(jī)）和攝像頭的控制，實(shí)時(shí)采集所需視頻信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體框架

以需求分析為基礎(chǔ)，本著避免重復(fù)建設(shè)的原則，根據(jù)總體功能，綜合考慮與膠東調(diào)水工程聯(lián)合調(diào)度需要，采用先進(jìn)、科學(xué)的信息與管理技術(shù)[1-2]，形成山東省黃水東調(diào)工程調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)的總體框架。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2.2 工程管理綜合信息系統(tǒng)

工程管理綜合信息系統(tǒng)采用 SOA 架構(gòu)，包括應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)、應(yīng)用支撐平臺(tái)。應(yīng)用系統(tǒng)為調(diào)水提供各種應(yīng)用服務(wù)，支撐日常的運(yùn)行維護(hù)，提高了管理效率和質(zhì)量，包含工程運(yùn)行維護(hù)、OA、水量調(diào)度和工程檔案管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)是整個(gè)調(diào)度運(yùn)行管理等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，所有數(shù)據(jù)在這里集中和處理，為各個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)資源，是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心，為各個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算和應(yīng)用提供基礎(chǔ)。應(yīng)用支撐平臺(tái)為各個(gè)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的跨系統(tǒng)支撐，最主要包括中間件等，是各個(gè)系統(tǒng)的底層支撐，各系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用支撐平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)、消息等的傳遞，保障了各個(gè)系統(tǒng)之間的互聯(lián)和互通，實(shí)現(xiàn)了邏輯的大統(tǒng)一，形成了標(biāo)準(zhǔn)化的資源。

2.3 信息采集

黃水東調(diào)工程的信息采集是整個(gè)調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)[3]，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)控制與智能運(yùn)維一體化系統(tǒng)，完成各系統(tǒng)信息的采集、傳送、整理、分析和管理。采集來(lái)源分為自動(dòng)、人工及與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。自動(dòng)采集主要包括工程運(yùn)行、水情、工程安全和視頻等信息[4]，所有的終端都進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)控制與智能運(yùn)維一體化系統(tǒng)，有效控制了信息采集的效果與功能穩(wěn)定。

2.4 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)沿線的閘、閥和泵站進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)調(diào)水自動(dòng)化[5]。本系統(tǒng)由遠(yuǎn)程和現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)組成，是自動(dòng)化調(diào)水和保證調(diào)水工程安全運(yùn)行的核心，采用國(guó)產(chǎn)主流計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件，保障調(diào)水運(yùn)行核心系統(tǒng)自主可控，建設(shè)實(shí)時(shí)庫(kù)和歷史庫(kù)，創(chuàng)新地采用排程控制系統(tǒng)，把調(diào)水命令通過(guò)模型自動(dòng)計(jì)算后直接下達(dá)到每個(gè)泵站，安排每臺(tái)泵的變頻控制，從而達(dá)到精細(xì)化控制的目的，大大節(jié)約了能源，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度的真正自動(dòng)化。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

2.5 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

利用視頻監(jiān)視、視頻傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)建設(shè)覆蓋各級(jí)機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)圖像監(jiān)視和安防監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)地閘和泵站的環(huán)境、輸水、水泵、閥站運(yùn)行情況，從而到達(dá)科學(xué)調(diào)度、精確計(jì)量的目的。

圖1 山東省黃水東調(diào)工程調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)總體框圖

圖2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

黃水東調(diào)應(yīng)急工程視頻監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮相關(guān)部門的使用要求，按照多級(jí)中心管理架構(gòu)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)集散式控制要求，分為二級(jí)架構(gòu)，由總調(diào)度中心、泵站及閘站視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。

第一級(jí)為沿線閘閥站、泵站視頻監(jiān)視系統(tǒng)。負(fù)責(zé)閘站現(xiàn)地的實(shí)時(shí)監(jiān)視，設(shè)存儲(chǔ)及監(jiān)控設(shè)備，能就地觀看，經(jīng)視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)傳至管理視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

第二級(jí)為總調(diào)度中心。主要完成對(duì)各泵站視頻信息的分類處理與備份，對(duì)輸水沿線的各泵站、重要閘站、閥站關(guān)鍵位置進(jìn)行視頻監(jiān)視和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

二級(jí)之間通過(guò)設(shè)在綜合管理平臺(tái)控制視頻控制權(quán)限和圖像瀏覽。視頻監(jiān)視系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D3所示。

2.6 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是信息采集、應(yīng)用、泵站和閥站監(jiān)控、數(shù)據(jù)資源及管理和應(yīng)用支撐平臺(tái)等系統(tǒng)的信息承載平臺(tái)，是系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_(tái)。根據(jù)傳輸信息的重要性，承載信息的分析，網(wǎng)絡(luò)流量、流向分析和安全需求不同，本工程網(wǎng)絡(luò)分為業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)、控制專網(wǎng)。為了保障網(wǎng)絡(luò)同步運(yùn)行與安全，建設(shè)時(shí)間同步和網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)。2個(gè)網(wǎng)間采用網(wǎng)閘，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，保障了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與安全性。網(wǎng)絡(luò)承載各類系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 視頻監(jiān)視系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖4 網(wǎng)絡(luò)承載各類系統(tǒng)示意圖

控制專網(wǎng)功能是承載最高實(shí)時(shí)性和最強(qiáng)安全性需求的泵、閘、閥站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)功能是承載視頻、綜合辦公、各種其他應(yīng)用等。

2.7 綜合通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是整個(gè)調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要由傳輸系統(tǒng)、通信光纜、時(shí)鐘同步及綜合網(wǎng)管等部分組成[6]，實(shí)施中采用基于 SDH 技術(shù)的多通道、高效率的大容量 MSTP 設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，組成2個(gè)相切環(huán)網(wǎng)，大大加強(qiáng)了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

黃水東調(diào)應(yīng)急工程通信自動(dòng)化系統(tǒng)信息傳輸距離跨度大、節(jié)點(diǎn)多、信息量大，根據(jù)信息流量與流向，同時(shí)兼顧靈活性和擴(kuò)展性，黃水東調(diào)應(yīng)急工程通信傳輸系統(tǒng)按骨干層（主干網(wǎng)絡(luò)）和接入層2層結(jié)構(gòu)組建。

1）骨干層主要由總調(diào)、泵站、管理站等節(jié)點(diǎn)之間組建的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)雖少，但傳輸容量較大，對(duì)容量和可靠性要求較高，經(jīng)綜合比較后采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，用來(lái)完成各節(jié)點(diǎn)之間高效、可靠的大數(shù)據(jù)流傳輸。

2）接入層主要由骨干層下轄的現(xiàn)地閘、閥站、泵站管轄設(shè)備建筑物單體及與骨干層節(jié)點(diǎn)間連接（接入網(wǎng)絡(luò)）的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，負(fù)責(zé)本站業(yè)務(wù)的接入和匯聚及轉(zhuǎn)接區(qū)域內(nèi)業(yè)務(wù)接入電路，需要較強(qiáng)的匯聚和較穩(wěn)定的接入等能力。二級(jí)網(wǎng)絡(luò)主要由工業(yè)應(yīng)用級(jí)傳輸平臺(tái)組建成環(huán)網(wǎng)，負(fù)責(zé)完成工程沿線的各個(gè)密集分布的現(xiàn)地站到業(yè)務(wù)匯聚節(jié)點(diǎn)信息的接入和匯聚上傳任務(wù)。

2.8 調(diào)度電話系統(tǒng)

調(diào)度電話系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)全線調(diào)度中心、泵站、管理站所、閘閥站統(tǒng)一語(yǔ)音調(diào)度和輔助行政語(yǔ)音通話的重要保障，分為調(diào)度和行政辦公系統(tǒng)。

本項(xiàng)目站點(diǎn)比較分散，閥站有專用光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋，因此采用 VOIP 技術(shù)等方式實(shí)現(xiàn)本工程語(yǔ)音系統(tǒng)的功能。

3 結(jié)語(yǔ)

山東省黃水東調(diào)工程調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)為整個(gè)調(diào)水工程運(yùn)行和維護(hù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人值班，有人值守”的調(diào)水功能，所有泵站及閘閥站在調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制，有效地支持了調(diào)水決策，工程運(yùn)行安全得到了保障，運(yùn)行提高了效率，減少所需人員，水量調(diào)度實(shí)現(xiàn)了有計(jì)劃有規(guī)范，人機(jī)交互友好，調(diào)水模型和控制互為依賴，辦公實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化，流程清晰[7]。集泵站群的渠道和管道結(jié)合輸水工程對(duì)調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)的需求迫切，系統(tǒng)建成后效果十分明顯，對(duì)整個(gè)工程的科學(xué)決策、現(xiàn)代化管理提供助力，最終實(shí)現(xiàn)精細(xì)配水的目標(biāo)，對(duì)其他綜合調(diào)水工程是非常有借鑒意義的。