甘肅省引大入秦工程灌區信息化系統研究與應用

朱薛琰 章飛

【摘要】 根據甘肅省引大入秦工程灌區的實際情況，對灌區的運行管理模式進行了系統的分析研究，并基于信息化技術提出了引大入秦灌區信息化系統的總體方案，為進一步實施奠定了可靠的基礎，同時對類似工程的科學管理具有借鑒意義。

【關鍵詞】 灌區 信息化 研究與應用

一、工程概況

引大入秦工程是一項跨流域大型自流灌溉工程，工程主要包括引水樞紐、總干渠、東一干渠、東二干渠等項目?？偢汕L86.81km，設計引水流量32m3/s，干渠及分干渠5條，全長254.63km，支渠及分支渠61條，全長766km。灌區信息化系統包括通訊環網光纜265km，水位監測站點92處，水位計量點111處，面測流點13處，水質監測點3處，引水閘閥監控3處，視頻監視站點29處以及在調度中心配置計算平臺、網絡交換平臺、存儲平臺、視音頻平臺、管理平臺、系統平臺等集計算、處理、存儲、服務、查詢、共享、發布功能于一體的信息工程。

二、系統背景及功能

引大入秦工程灌區信息化系統總體設計遵循適用可靠、技術先進、功能齊全、經濟合理、主控設備和配套設備穩定可靠的指導思想和設計原則，以建設分布式水情量測系統、水質自動監測系統、閘閥自動控制系統、遠程視頻監視系統為重點，實現集中遠程監測重要渠系水位、流量、水量、水質參數，重點閘閥泵站遠程監控、重要水工設施遠程視頻監視、計量計費、供水分析、節水控水、水務公開、信息共享、輔助決策等多種科學化管理功能，實現網絡互聯互通、內外信息共享、資源廣泛整合、業務深度協同，以提高現有的調水、配水能力，減少人為干預，從而提高經濟效益和社會效益，實現工程和灌溉整體水平和綜合效益，為科學管理、高效控制、節能增效將起到直接的作用而構筑的一個自動化、網絡化、數字化、智能化的信息系統。

系統包括基于GIS平臺的水資源監測管理模塊、工程管理模塊、水量計量計費模塊、水量調度運行模塊、巡檢檢修跟蹤模塊、水質監測分析評價模塊、工程安全分析評估模塊、數據查詢和綜合信息服務模塊、供水調度決策模塊等灌區應用軟件系統。

三、主要系統設計

信息化系統工程核心采用10G網絡中樞，匯聚和接入層為全千兆，桌面終端至少為100M的星形網絡拓撲結構，且核心交換路由設備實現熱備冗余。工程主要包括光纖通訊系統、水情測報系統、水質監測系統、閘閥監控系統、視頻監視系統、調度中心系統、調度分中心系統和應用軟件系統八大系統，依據功能介紹以下四個系統。

3.1 水情測報系統

水情測報系統是在遙測終端控制下，自動完成對各干、支、斗渠水位、流量等參數的采集和預處理，并經通信鏈路向中心站報送所采集的數據。實行定期采集或每當流量參數發生一個計量單位的變化時，遙測終端機就自動采集，并進行合理性處理，加注時標，按指定的格式存儲并上報中心站。如遙測站與中心站發生通信線路中斷時，數據在本地保存，若再通信鏈路恢復，依據中心指令再將歷史數據發送到中心。測站數據的報送方式有自報體制、自報-確認體制、應答體制、混合體制等幾種方式。本系統水情監測系統數據傳輸方式主要采用GPRS數據傳輸通信方式，能夠完全滿足對水位、流量及水尺圖像監測的要求，且節約了運行成本。

3.2 閘閥監控系統

灌區閘閘閥控制系統是自動調節水資源和水利調度的控制執行系統，也是灌區重要的生產執行系統。根據調度中心的指令，在閘門控制器設備控制下，自動完成各閘門的啟閉操作，同時完成對閘前、閘后的液位、流量等參數進行采集、預處理及存入固態存儲器，并經通信鏈路向中心站傳送所采集的數據。

3.3 視頻監視系統

遠程視頻監視系統是信息化技術在水利工程中的又一項成功應用，通過實時的視頻圖像，水資源調度管理人員和運行看護人員可以足不出戶地通過顯示設備實時監視或錄像查詢水工設施運行情況，及時發現水情汛潮并通過錄像進行供水事故跟蹤追憶分析。視頻監視系統的視頻數據采集控制分為四個層級，一層前端為視頻采集層，適應大范圍、全天候的監視水工工程設施和設備運行工況，系統采用技術先進的全數字的高清網絡視頻監控系統；二層為視頻圖像網絡接入傳輸層，進行H.264/H.265壓縮，所有視頻監控點全部接入光纖專用網絡；三層為視頻圖像信號的集中監控，視頻資料存儲和雙碼流轉發，配置專業的視頻集中管理平臺，實現視頻通道管理、視頻圖像訪問授權認證、視頻集中存儲及多媒體轉發功能，監控中心配備CVS全1080P的數字高清網絡存儲陣列；四層為控制訪問層，配置專門的網絡視頻客戶端，授權實時監看視頻、查閱錄像資料、進行視頻輪巡、處理報警信息等。視頻監視系統由一體化網絡視頻攝像機（IPC）、前端視頻壓縮存儲、傳輸網絡設備和監控中心平臺及視頻光纖終端組成。視頻信號經視頻IPC處理壓縮后上傳光纖通訊網絡，通過分布式授權體系，在視頻監視終端上通過監視軟件可以對視頻監視點的進行實時監視和云臺控制，根據組織機構可形成多級視頻監控管理體系。

3.4 調度中心系統

調度中心系統建設是整個灌區信息化系統建設的重點和關鍵，其核心任務是系統的高度集成、深度融合和灌區信息化系統應用支撐平臺。主要設施有服務器設備、存儲設備、視頻會議主機、通訊網絡設備、安全及接入設備、大樓綜合布線MDF、服務器網絡機柜設施、UPS動力供電設施、空調設施等。

調度中心大屏幕系統是調度中心的窗口工程，采用國際領先的高清晰度數碼顯示技術、無縫拼接技術、多屏圖像處理技術、信號切換技術、網絡技術等的應用綜合為一體，集成為一個擁有高亮度、高對比度、全色彩、全視角、高分辨率高智能化控制、操作方法先進的大屏幕顯示系統。

四、系統集成

4.1 數據庫

在信息系統中，數據庫在整個系統中占有非常重要的地位，它不但起著存儲各種信息，供統計、查詢、分析等作用，而且使各個子系統之間的數據接口更為協調化，提高數據共享程度，降低數據的冗余，優化整個系統的運行性能。數據庫結構設計是整個系統完成效率好壞的關鍵所在。數據庫結構設計依據OPC、DDE、MODBUS、ODBC等通信方式和SQLSERVER、ORACLE、Access等適用范圍組建了綜合數據庫、公用數據庫/共享數據庫、專業主題數據庫、基礎數據庫四層關系數據庫。作為100% 基于Web的企業信息系統，完全按照組態設計，具有良好的系統開放性。系統充分利用MS SQL Server數據庫，面向對象設計，以確保建立一個數據庫完整、系統強大，并且擴展自如的信息系統。系統具有友好的人機界面，運用瀏覽器/服務器（B/S）結構，幫助用戶隨時通過標準的瀏覽器訪問。數據庫及應用服務器承擔了絕大部分數據處理工作，這樣，在增加用戶數時不會明顯增加網絡通訊負擔、昂貴的硬件投資，以及IT系統管理成本。系統建立在開放的Internet標準上，如HTTP和XML，與其他信息系統集成非常容易。

4.2 應用軟件

應用軟件以調度中心高性能服務器集群為計算平臺，以關系數據庫和GIS為支撐，構筑應用系統運行平臺。應用平臺軟件及中間件部署在應用服務器上；SQL Server數據庫和空間數據庫部署在數據庫服務器上；數據采集接口和實時數據庫部署在SCADA服務器上；視頻管理及流媒體服務部署在視頻存儲管理平臺；協同辦公軟件部署在OA服務器上；統一信息門戶及WEB部署在WEB服務器上；網絡管理及防病毒服務部署在管理服務器上。

灌區信息化系統應用軟件是灌區信息化系統建設的核心。應用軟件采用企業私有云架構，基于WEB體系架構，基于UCML應用框架，面向SOA開發，以MS DotNet/J2EE+ SQL Server為基礎平臺，采用先進成熟的技術體系架構，以MS DotNet Framework或J2EE及Web Server / Browser為底層應用框架，采用Browser/Server或Client/Server相結合的多層體系結構。應用高級開發語言C#，AJAX++，Java Script，Html/Java等多種語言綜合開發，開發灌區統一信息門戶、協同辦公系統、水費計量征收管理系統、綜合信息服務系統、水量調度決策支持系統、水質監測分析評價、工程安全分析評估及衛星遙感影像及三維虛擬仿真等高級應用軟件，并以XML實現與其他應用系統在數據層的無縫集成。

4.3 系統集成

通過定制開發應用軟件邏輯功能實現生產與管理的業務深度融合，并通過訪問權限控制和功能邏輯組合實現業務流程重組；通過中心平臺海量數據深度挖掘動態調度決策和水利灌區管理信息化高級應用，為各級管理人員進行綜合信息服務。

應用支撐平臺集成是整個信息化系統集成的關鍵，以統一信息門戶為灌區信息化系統的軟件入口，實現統一登錄、認證、信息推送、內部公告、郵件提醒、辦公事務列表；集成實現業務層集成、邏輯功能層集成、信息轉換層集成、數據訪問層集成。

五、運行管理

信息化是一個跨地域、多部門的系統工程，運行管理以調度監控信息中心為主要職能部門、分中心設信息化和自動化專管機構、最基層設信息化專管人員的三級管理組織管理體系。在多年實際運行，提高了管理水平，實現偏遠觀測點無人值守，降低了工程運行成本，提高水量計量的準確性和及時性，創建了良好的工作環境，為水利工程的進一步改革與發展奠定了基礎。

六、結束語

信息化系統在引大工程中發揮了許多優點，也使引大工程的管理上了一個層次，但隨著計算機、網絡等技術的進步，工程的缺點逐漸顯露，太陽能設備的供電、前臺及終端設備的更新等問題，使系統不能高效和可靠的運行。為此提出幾點建議：一是水利工程中的設備選型一定要結合實際，考慮壓力、溫度、濕度、水流沖刷、泥砂沉積等因素；二是系統的兼容性、耐久性和可擴展性是工程效益能否發揮的關鍵因素；三是系統運行維護必不可少，而且運行維護投資也是信息化系統工程面臨的最大問題。