疏勒河昌馬水庫信息管理控制系統的開發與應用

【摘要】根據昌馬水庫管理運行情況，研究開發出了昌馬水庫信息控制管理系統，將閘門開度儀及雷達物位計所采集的數據進行處理，提高了水庫管理效率，實現了水庫管理現代化。

【關鍵詞水庫控制管理；物位計；開發

1、引言

昌馬水庫是甘肅省河西走廊（疏勒河）農業灌溉暨移民安置綜合開發項目的龍頭工程，總庫容1.934億m3，是以農業灌溉為主，兼顧工業供水、水力發電和防汛等綜合利用的大（2）型水利樞紐。由于水庫管理工作人員少，水庫管理信息化程度不高，水庫管理工作存在著諸多的不利因素。

1 水位觀測存在諸多困難。昌馬水庫所在庫區位置常年多風，庫區水面起伏不定，人工水位觀測難度大精度低；在冬季枯水期昌馬水庫蓄水位達到設計洪水位2000.8m，高水位蓄水期間要求水庫運行管理人員加強觀測，實行24小時不間斷觀測制度，運行人員觀測水位，夜間觀測不準確且不安全；在每年的7月水庫放空后，上游來水直進直出，因庫底沒有水尺，無法觀測水位，只能依靠上游水文站提供流量數據。

2 水庫巡視管理難度大。冬季天氣嚴寒，極端氣溫達到-38℃，運行人員夜間巡視不可預知危險因素較多。

3 水庫信息管理程度低。水庫水文觀測數據需要耗費大量時間進行人工整理，數據的查詢使用很不方便，不能夠實現數據采集、記錄、分析的全程數字化。

4 閘門設備啟閉操作信息化控制手段薄弱。閘門操作必須現場人工操作，一人監護，一人操作，加之水庫通訊設施不完善，遠程現場不能及時準確的得到閘門控制信息。

茲于以上原因，昌馬水庫信心控制管理系統應用而生，解決汛期低水位、人工觀測精度低和冬季高水位觀測難度大等問題。

2、系統介紹及硬件構成

昌馬水庫信息管理控制系統充分考慮了庫區水利設施建設、水資源環境狀況、水庫工程現狀、以及生態環境與水資源的關系等特點，主要服務于水庫管理過程中存在的一些問題的解決，并根據需要對所測數據進行后期處理。系統的技術路線是利用水資源信息的監測和獲取技術、信息分析和數據集成與可視化技術、決策支持技術等技術原理與方法，利用現代信息系統和網絡技術方案，實現了庫區信息化平臺和應用系統地建設。

根據昌馬水庫自動觀測水位的研究項目需要，并充分考慮水庫現有設施的基礎上，構建昌馬水庫信息管理控制系統，系統硬件主要組成部分包括：

雷達物位計：雷達物位計天線發射及窄的微波脈沖，這個脈沖以光速在空間傳播，遇到被測介質表面，其部分能量被反射回來，被同一天線接收。發射脈沖與接收脈沖的時間間隔與天線到被測介質表面的距離成正比。由于電磁波的傳播速度極高，發射脈沖與接收脈沖的時間間隔很小（納秒量級）很難確認，90X系列26G雷達物位計采用一種特殊的解調技術，可以準確識別發射脈沖與接收脈沖的時間間隔，從而進一步計算出天線到被測介質表面的距離。

開度傳感器：稱閘門開度測控儀是由絕對值型旋轉編碼器、自動收纜裝置或或其它形式的耦合器、顯示、控制器、傳輸電纜、RS485數字通信接口等部分組成，閘門運動通過耦合器帶動傳感器旋轉，即可輸出與閘位相對應的格雷碼編碼信號。

PLC：可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。

光纖收發器：光纖收發器，是一種將短距離的雙絞線電信號和長距離的光信號進行互換的以太網傳輸媒體轉換單元，在很多地方也被稱之為光電轉換器（Fiber Converter）。

終端盒：終端盒系列產品是光纖傳輸通信網絡中終端配線的輔助設備，終端盒主要用于光纜終端的固定，光纜與尾纖的熔接及余纖的收容和保護。

交換機：用于電信號轉發的網絡設備。它可以為接入交換機的任意兩個網絡節點提供獨享的電信號通路。

視頻監控：采用可360度旋轉的高清攝像頭。

系統各組成部分通過信號線進行連接，以完成管理控制系統的信號采集、反饋任務。系統的運行關系如下圖所示。

系統的運行關系圖

3、系統軟件功能構成

昌馬水庫信息管理控制系統基本可分為三部分：監測部分、傳輸部分、應用部分。

監測部分主要用于對水庫水位等數據進行監測，并實時反饋；數據傳輸部分用于將監測所得數據、信號化信息、拍攝水庫實況等傳輸至信息中心數據庫，以及應用部分；應用部分水庫聯合調度系統、水情實時采集系統以及渠系閘門自動監控該系統，主要是數據反饋信息的執行部分。控制系統通過三部分的連接，可實現功能如下：

1 水位觀測功能：實現水位自動監測，水位觀測精度達到了厘米級別；

2 閘門遠程控制：實現閘門遠程控制，并且實時顯示閘門開度等狀態；

3 水位歷史曲線：對采集到的水位進行處理后繪制成的線條，查看歷史水位變化情況；

4 登錄操作事件：記錄登錄及登陸后進行的操作事件。

5 視頻監控：在溢洪道、發電洞、排砂洞檢修閘門、排砂洞工作閘門處設置了

6處高清旋轉式攝像頭，對水庫現場進行監控。

4、系統數據處理

4.1 水位自動監測

雷達物位計是通過雷達發射微波脈沖，微波脈沖遇到水面后反射，雷達物位計接收水面反射的微波脈沖，通過時間差測算出雷達距離水面距離，并將測算得到的距離轉化成4-20ma電信號（0-40m量程）。

水面高程計算如下：

H—水面高程；

HW—雷達物位計安裝高程；

t—時間差；

V—微波脈沖波速。

由于風的影響，物位計采集到的水位會隨著波浪起伏而變化。因此，必須對物位計采集到的水位值進行一定的處理，根據信號干擾以及波浪上下起伏的特點，本次數據處理采用算術平均值的方法。

對某一量進行一系列等精度測量，由于存在隨機誤差，其測得值皆不相同，應以全部測得值的算術平均值作為最后的測量結果。

算術平均值的意義：在系列測量中，被測量所得的值的代數和除以n而得的值成為算術平均值。

雷達物位計每秒采集到一個數據，在90秒內可以得到x1，x2，……，x90，共90個數據，取得這90個數據的平均值，隨著時間的推移，可以得到其中，

所以，組態王程序每個90秒便可得到一個水位值，通過水位值，可以得到與水位值一一對應的水庫庫容、庫區面積。

4.2 水位監測數據誤差分析

為了更好的驗證雷達物位計的準確性，從2014年2月份開始至2014年12月底，對雷達物位計經過半年的運行和比測，該儀器性能非常穩定，精度非常高。本次比測嚴格按GB/T 50138-2010《水位觀測標準》有關規定執行。比測的水位變幅為1956.29m-2001.23m。時間為4個月。主要采用每天8時和2月份的最高水位及5月最低水位人工整點觀測的水位值，共計120組數據與雷達物位計值作對比分析，二者關系為換算系數為1.0，測點標準差Se=0.2%，隨機誤差為0.4%，系統不確定度為0.8cm，置信水平95%的綜合不確定度為0.8cm，達到規范規定的精度要求。

4.3 其他觀測數據的處理

水位觀測數據、閘門控制數據、視頻監控數據、管理系統登錄及操作數據都將以數字化形式存入系統管理中，操作人員可以隨時調取軟件運行期間內的數據信息，每一條操作都會被記錄在案。

5、結語

疏勒河昌馬水庫信息管理控制系統的建成加快了疏勒河流域水資源管理局水利信息化建設步伐，保證了疏勒河灌區產生良好的社會效益、經濟效益和生態效益。通過實施水利信息化，利用當今比較先進的數據庫技術、網絡通訊技術和計算機軟件技術，建成疏勒河昌馬水庫信息管理控制系統，以全面提高疏勒河管理局的管理技術水平，實現水資源的合理配制和優化調度。昌馬水庫信息管理控制系統的建設，為促進科學化、規范化和現代化管理提供了有力的科學支撐，取得了以下幾方面的明顯成效：

1 減輕了水庫觀測人員的工作負擔。依靠自動化系統提供快速及時、準確可靠的工程信息，對水庫安全運行、水雨情、突發事件及歷史事件等進行實時監測監控和記錄，最大程度上降低了因天氣因素帶來的觀測不便、觀測實時等影響，減小了工作強度，減輕了工作負擔。同時，昌馬水庫擔負著給灌區供水的重要任務，建成信息化控制管理系統可以方便快捷的實現灌水的配置和調度，大大節約了人力成本。

2 有效提高了水庫的現代化管理水平。通過快速、準確的信息傳遞，克服了過去對突發事件防范能力差的缺陷，可以通過水情及大壩安全的動態監測和預報，及時發現事故，迅速做出反應，為防洪排澇、水資源優化配置等決策提供科學依據。疏勒河昌馬水庫信息管理控制系統是從工程水利向資源水利轉變，從傳統水利向現代水利、可持續發展水利轉變；從過去重點對水資源的開發、利用和治理，轉變為在水資源的開發、利用和治理的同時，更為注重對水資源的配置、節約和環境生態保護；從過去對水質、水量、水能的分別管理轉變為對水資源的統一配置、統一調度、統一管理，在這個歷史轉變過程中，水利信息化是實現上述轉變的重要技術基礎和前提，通過現代化的管理手段，實現水資源的合理配置，這也是水利現代化的重要標志。

3 極大提高了水庫的運行效益。水庫信息控制管理系統的建成，提高了信息的可靠性和科學性，可以進一步挖掘水庫的潛力，實現水資源的科學合理調配，加強水庫運行的可靠性，充分利用洪水資源，增加興利效益。 疏勒河昌馬水庫信息管理控制系統建成以水庫水情、大壩與閘門運行狀態信息自動采集為基礎，以公專結合的信息網絡平臺為支撐，以水庫工程的安全運行為主體，以水庫信息管理與決策支持為核心，以水庫閘門的自動化監控為手段，實現水庫調度與水資源統一管理和優化配置，全面提高水資源的利用率和水利工程管理水平，增強防災減災能力，為玉門、瓜州農業發展起到重要的作用，為當地提供了較好的經濟效益、社會效益和生態效益，為敦煌生態項目提供了保障基礎。

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作者簡介：周會榮，男，漢，甘肅玉門，本科，助理工程師，所長，主要從事水庫和水電站的運行管理工作及水利水電工程施工管理。