论文部分内容阅读
【摘要】 根据甘肃省引大入秦工程灌区的实际情况，对灌区的运行管理模式进行了系统的分析研究，并基于信息化技术提出了引大入秦灌区信息化系统的总体方案，为进一步实施奠定了可靠的基础，同时对类似工程的科学管理具有借鉴意义。
【关键词】 灌区 信息化 研究与应用
一、工程概况
引大入秦工程是一项跨流域大型自流灌溉工程，工程主要包括引水枢纽、总干渠、东一干渠、东二干渠等项目。总干渠全长86.81km，设计引水流量32m3/s，干渠及分干渠5条，全长254.63km，支渠及分支渠61条，全长766km。灌区信息化系统包括通讯环网光缆265km，水位监测站点92处，水位计量点111处，面测流点13处，水质监测点3处，引水闸阀监控3处，视频监视站点29处以及在调度中心配置计算平台、网络交换平台、存储平台、视音频平台、管理平台、系统平台等集计算、处理、存储、服务、查询、共享、发布功能于一体的信息工程。
二、系统背景及功能
引大入秦工程灌区信息化系统总体设计遵循适用可靠、技术先进、功能齐全、经济合理、主控设备和配套设备稳定可靠的指导思想和设计原则，以建设分布式水情量测系统、水质自动监测系统、闸阀自动控制系统、远程视频监视系统为重点，实现集中远程监测重要渠系水位、流量、水量、水质参数，重点闸阀泵站远程监控、重要水工设施远程视频监视、计量计费、供水分析、节水控水、水务公开、信息共享、辅助决策等多种科学化管理功能，实现网络互联互通、内外信息共享、资源广泛整合、业务深度协同，以提高现有的调水、配水能力，减少人为干预，从而提高经济效益和社会效益，实现工程和灌溉整体水平和综合效益，为科学管理、高效控制、节能增效将起到直接的作用而构筑的一个自动化、网络化、数字化、智能化的信息系统。
系统包括基于GIS平台的水资源监测管理模块、工程管理模块、水量计量计费模块、水量调度运行模块、巡检检修跟踪模块、水质监测分析评价模块、工程安全分析评估模块、数据查询和综合信息服务模块、供水调度决策模块等灌区应用软件系统。
三、主要系统设计
信息化系统工程核心采用10G网络中枢，汇聚和接入层为全千兆，桌面终端至少为100M的星形网络拓扑结构，且核心交换路由设备实现热备冗余。工程主要包括光纤通讯系统、水情测报系统、水质监测系统、闸阀监控系统、视频监视系统、调度中心系统、调度分中心系统和应用软件系统八大系统，依据功能介绍以下四个系统。
3.1 水情测报系统
水情测报系统是在遥测终端控制下，自动完成对各干、支、斗渠水位、流量等参数的采集和预处理，并经通信链路向中心站报送所采集的数据。实行定期采集或每当流量参数发生一个计量单位的变化时，遥测终端机就自动采集，并进行合理性处理，加注时标，按指定的格式存储并上报中心站。如遥测站与中心站发生通信线路中断时，数据在本地保存，若再通信链路恢复，依据中心指令再将历史数据发送到中心。测站数据的报送方式有自报体制、自报-确认体制、应答体制、混合体制等几种方式。本系统水情监测系统数据传输方式主要采用GPRS数据传输通信方式，能够完全满足对水位、流量及水尺图像监测的要求，且节约了运行成本。
3.2 闸阀监控系统
灌区闸闸阀控制系统是自动调节水资源和水利调度的控制执行系统，也是灌区重要的生产执行系统。根据调度中心的指令，在闸门控制器设备控制下，自动完成各闸门的启闭操作，同时完成对闸前、闸后的液位、流量等参数进行采集、预处理及存入固态存储器，并经通信链路向中心站传送所采集的数据。
3.3 视频监视系统
远程视频监视系统是信息化技术在水利工程中的又一项成功应用，通过实时的视频图像，水资源调度管理人员和运行看护人员可以足不出户地通过显示设备实时监视或录像查询水工设施运行情况，及时发现水情汛潮并通过录像进行供水事故跟踪追忆分析。视频监视系统的视频数据采集控制分为四个层级，一层前端为视频采集层，适应大范围、全天候的监视水工工程设施和设备运行工况，系统采用技术先进的全数字的高清网络视频监控系统；二层为视频图像网络接入传输层，进行H.264/H.265压缩，所有视频监控点全部接入光纤专用网络；三层为视频图像信号的集中监控，视频资料存储和双码流转发，配置专业的视频集中管理平台，实现视频通道管理、视频图像访问授权认证、视频集中存储及多媒体转发功能，监控中心配备CVS全1080P的数字高清网络存储阵列；四层为控制访问层，配置专门的网络视频客户端，授权实时监看视频、查阅录像资料、进行视频轮巡、处理报警信息等。视频监视系统由一体化网络视频摄像机（IPC）、前端视频压缩存储、传输网络设备和监控中心平台及视频光纤终端组成。视频信号经视频IPC处理压缩后上传光纤通讯网络，通过分布式授权体系，在视频监视终端上通过监视软件可以对视频监视点的进行实时监视和云台控制，根据组织机构可形成多级视频监控管理体系。
3.4 调度中心系统
调度中心系统建设是整个灌区信息化系统建设的重点和关键，其核心任务是系统的高度集成、深度融合和灌区信息化系统应用支撑平臺。主要设施有服务器设备、存储设备、视频会议主机、通讯网络设备、安全及接入设备、大楼综合布线MDF、服务器网络机柜设施、UPS动力供电设施、空调设施等。
调度中心大屏幕系统是调度中心的窗口工程，采用国际领先的高清晰度数码显示技术、无缝拼接技术、多屏图像处理技术、信号切换技术、网络技术等的应用综合为一体，集成为一个拥有高亮度、高对比度、全色彩、全视角、高分辨率高智能化控制、操作方法先进的大屏幕显示系统。
四、系统集成
4.1 数据库
在信息系统中，数据库在整个系统中占有非常重要的地位，它不但起着存储各种信息，供统计、查询、分析等作用，而且使各个子系统之间的数据接口更为协调化，提高数据共享程度，降低数据的冗余，优化整个系统的运行性能。数据库结构设计是整个系统完成效率好坏的关键所在。数据库结构设计依据OPC、DDE、MODBUS、ODBC等通信方式和SQLSERVER、ORACLE、Access等适用范围组建了综合数据库、公用数据库/共享数据库、专业主题数据库、基础数据库四层关系数据库。作为100% 基于Web的企业信息系统，完全按照组态设计，具有良好的系统开放性。系统充分利用MS SQL Server数据库，面向对象设计，以确保建立一个数据库完整、系统强大，并且扩展自如的信息系统。系统具有友好的人机界面，运用浏览器/服务器（B/S）结构，帮助用户随时通过标准的浏览器访问。数据库及应用服务器承担了绝大部分数据处理工作，这样，在增加用户数时不会明显增加网络通讯负担、昂贵的硬件投资，以及IT系统管理成本。系统建立在开放的Internet标准上，如HTTP和XML，与其他信息系统集成非常容易。 4.2 应用软件
应用软件以调度中心高性能服务器集群为计算平台，以关系数据库和GIS为支撑，构筑应用系统运行平台。应用平台软件及中间件部署在应用服务器上；SQL Server数据库和空间数据库部署在数据库服务器上；数据采集接口和实时数据库部署在SCADA服务器上；视频管理及流媒体服务部署在视频存储管理平台；协同办公软件部署在OA服务器上；统一信息门户及WEB部署在WEB服务器上；网络管理及防病毒服务部署在管理服务器上。
灌区信息化系统应用软件是灌区信息化系统建设的核心。应用软件采用企业私有云架构，基于WEB体系架构，基于UCML应用框架，面向SOA开发，以MS DotNet/J2EE+ SQL Server为基础平台，采用先进成熟的技术体系架构，以MS DotNet Framework或J2EE及Web Server / Browser为底层应用框架，采用Browser/Server或Client/Server相结合的多层体系结构。应用高级开发语言C#，AJAX++，Java Script，Html/Java等多种语言综合开发，开发灌区统一信息门户、協同办公系统、水费计量征收管理系统、综合信息服务系统、水量调度决策支持系统、水质监测分析评价、工程安全分析评估及卫星遥感影像及三维虚拟仿真等高级应用软件，并以XML实现与其他应用系统在数据层的无缝集成。
4.3 系统集成
通过定制开发应用软件逻辑功能实现生产与管理的业务深度融合，并通过访问权限控制和功能逻辑组合实现业务流程重组；通过中心平台海量数据深度挖掘动态调度决策和水利灌区管理信息化高级应用，为各级管理人员进行综合信息服务。
应用支撑平台集成是整个信息化系统集成的关键，以统一信息门户为灌区信息化系统的软件入口，实现统一登录、认证、信息推送、内部公告、邮件提醒、办公事务列表；集成实现业务层集成、逻辑功能层集成、信息转换层集成、数据访问层集成。
五、运行管理
信息化是一个跨地域、多部门的系统工程，运行管理以调度监控信息中心为主要职能部门、分中心设信息化和自动化专管机构、最基层设信息化专管人员的三级管理组织管理体系。在多年实际运行，提高了管理水平，实现偏远观测点无人值守，降低了工程运行成本，提高水量计量的准确性和及时性，创建了良好的工作环境，为水利工程的进一步改革与发展奠定了基础。
六、结束语
信息化系统在引大工程中发挥了许多优点，也使引大工程的管理上了一个层次，但随着计算机、网络等技术的进步，工程的缺点逐渐显露，太阳能设备的供电、前台及终端设备的更新等问题，使系统不能高效和可靠的运行。为此提出几点建议：一是水利工程中的设备选型一定要结合实际，考虑压力、温度、湿度、水流冲刷、泥砂沉积等因素；二是系统的兼容性、耐久性和可扩展性是工程效益能否发挥的关键因素；三是系统运行维护必不可少，而且运行维护投资也是信息化系统工程面临的最大问题。
【关键词】 灌区 信息化 研究与应用
一、工程概况
引大入秦工程是一项跨流域大型自流灌溉工程，工程主要包括引水枢纽、总干渠、东一干渠、东二干渠等项目。总干渠全长86.81km，设计引水流量32m3/s，干渠及分干渠5条，全长254.63km，支渠及分支渠61条，全长766km。灌区信息化系统包括通讯环网光缆265km，水位监测站点92处，水位计量点111处，面测流点13处，水质监测点3处，引水闸阀监控3处，视频监视站点29处以及在调度中心配置计算平台、网络交换平台、存储平台、视音频平台、管理平台、系统平台等集计算、处理、存储、服务、查询、共享、发布功能于一体的信息工程。
二、系统背景及功能
引大入秦工程灌区信息化系统总体设计遵循适用可靠、技术先进、功能齐全、经济合理、主控设备和配套设备稳定可靠的指导思想和设计原则，以建设分布式水情量测系统、水质自动监测系统、闸阀自动控制系统、远程视频监视系统为重点，实现集中远程监测重要渠系水位、流量、水量、水质参数，重点闸阀泵站远程监控、重要水工设施远程视频监视、计量计费、供水分析、节水控水、水务公开、信息共享、辅助决策等多种科学化管理功能，实现网络互联互通、内外信息共享、资源广泛整合、业务深度协同，以提高现有的调水、配水能力，减少人为干预，从而提高经济效益和社会效益，实现工程和灌溉整体水平和综合效益，为科学管理、高效控制、节能增效将起到直接的作用而构筑的一个自动化、网络化、数字化、智能化的信息系统。
系统包括基于GIS平台的水资源监测管理模块、工程管理模块、水量计量计费模块、水量调度运行模块、巡检检修跟踪模块、水质监测分析评价模块、工程安全分析评估模块、数据查询和综合信息服务模块、供水调度决策模块等灌区应用软件系统。
三、主要系统设计
信息化系统工程核心采用10G网络中枢，汇聚和接入层为全千兆，桌面终端至少为100M的星形网络拓扑结构，且核心交换路由设备实现热备冗余。工程主要包括光纤通讯系统、水情测报系统、水质监测系统、闸阀监控系统、视频监视系统、调度中心系统、调度分中心系统和应用软件系统八大系统，依据功能介绍以下四个系统。
3.1 水情测报系统
水情测报系统是在遥测终端控制下，自动完成对各干、支、斗渠水位、流量等参数的采集和预处理，并经通信链路向中心站报送所采集的数据。实行定期采集或每当流量参数发生一个计量单位的变化时，遥测终端机就自动采集，并进行合理性处理，加注时标，按指定的格式存储并上报中心站。如遥测站与中心站发生通信线路中断时，数据在本地保存，若再通信链路恢复，依据中心指令再将历史数据发送到中心。测站数据的报送方式有自报体制、自报-确认体制、应答体制、混合体制等几种方式。本系统水情监测系统数据传输方式主要采用GPRS数据传输通信方式，能够完全满足对水位、流量及水尺图像监测的要求，且节约了运行成本。
3.2 闸阀监控系统
灌区闸闸阀控制系统是自动调节水资源和水利调度的控制执行系统，也是灌区重要的生产执行系统。根据调度中心的指令，在闸门控制器设备控制下，自动完成各闸门的启闭操作，同时完成对闸前、闸后的液位、流量等参数进行采集、预处理及存入固态存储器，并经通信链路向中心站传送所采集的数据。
3.3 视频监视系统
远程视频监视系统是信息化技术在水利工程中的又一项成功应用，通过实时的视频图像，水资源调度管理人员和运行看护人员可以足不出户地通过显示设备实时监视或录像查询水工设施运行情况，及时发现水情汛潮并通过录像进行供水事故跟踪追忆分析。视频监视系统的视频数据采集控制分为四个层级，一层前端为视频采集层，适应大范围、全天候的监视水工工程设施和设备运行工况，系统采用技术先进的全数字的高清网络视频监控系统；二层为视频图像网络接入传输层，进行H.264/H.265压缩，所有视频监控点全部接入光纤专用网络；三层为视频图像信号的集中监控，视频资料存储和双码流转发，配置专业的视频集中管理平台，实现视频通道管理、视频图像访问授权认证、视频集中存储及多媒体转发功能，监控中心配备CVS全1080P的数字高清网络存储阵列；四层为控制访问层，配置专门的网络视频客户端，授权实时监看视频、查阅录像资料、进行视频轮巡、处理报警信息等。视频监视系统由一体化网络视频摄像机（IPC）、前端视频压缩存储、传输网络设备和监控中心平台及视频光纤终端组成。视频信号经视频IPC处理压缩后上传光纤通讯网络，通过分布式授权体系，在视频监视终端上通过监视软件可以对视频监视点的进行实时监视和云台控制，根据组织机构可形成多级视频监控管理体系。
3.4 调度中心系统
调度中心系统建设是整个灌区信息化系统建设的重点和关键，其核心任务是系统的高度集成、深度融合和灌区信息化系统应用支撑平臺。主要设施有服务器设备、存储设备、视频会议主机、通讯网络设备、安全及接入设备、大楼综合布线MDF、服务器网络机柜设施、UPS动力供电设施、空调设施等。
调度中心大屏幕系统是调度中心的窗口工程，采用国际领先的高清晰度数码显示技术、无缝拼接技术、多屏图像处理技术、信号切换技术、网络技术等的应用综合为一体，集成为一个拥有高亮度、高对比度、全色彩、全视角、高分辨率高智能化控制、操作方法先进的大屏幕显示系统。
四、系统集成
4.1 数据库
在信息系统中，数据库在整个系统中占有非常重要的地位，它不但起着存储各种信息，供统计、查询、分析等作用，而且使各个子系统之间的数据接口更为协调化，提高数据共享程度，降低数据的冗余，优化整个系统的运行性能。数据库结构设计是整个系统完成效率好坏的关键所在。数据库结构设计依据OPC、DDE、MODBUS、ODBC等通信方式和SQLSERVER、ORACLE、Access等适用范围组建了综合数据库、公用数据库/共享数据库、专业主题数据库、基础数据库四层关系数据库。作为100% 基于Web的企业信息系统，完全按照组态设计，具有良好的系统开放性。系统充分利用MS SQL Server数据库，面向对象设计，以确保建立一个数据库完整、系统强大，并且扩展自如的信息系统。系统具有友好的人机界面，运用浏览器/服务器（B/S）结构，帮助用户随时通过标准的浏览器访问。数据库及应用服务器承担了绝大部分数据处理工作，这样，在增加用户数时不会明显增加网络通讯负担、昂贵的硬件投资，以及IT系统管理成本。系统建立在开放的Internet标准上，如HTTP和XML，与其他信息系统集成非常容易。 4.2 应用软件
应用软件以调度中心高性能服务器集群为计算平台，以关系数据库和GIS为支撑，构筑应用系统运行平台。应用平台软件及中间件部署在应用服务器上；SQL Server数据库和空间数据库部署在数据库服务器上；数据采集接口和实时数据库部署在SCADA服务器上；视频管理及流媒体服务部署在视频存储管理平台；协同办公软件部署在OA服务器上；统一信息门户及WEB部署在WEB服务器上；网络管理及防病毒服务部署在管理服务器上。
灌区信息化系统应用软件是灌区信息化系统建设的核心。应用软件采用企业私有云架构，基于WEB体系架构，基于UCML应用框架，面向SOA开发，以MS DotNet/J2EE+ SQL Server为基础平台，采用先进成熟的技术体系架构，以MS DotNet Framework或J2EE及Web Server / Browser为底层应用框架，采用Browser/Server或Client/Server相结合的多层体系结构。应用高级开发语言C#，AJAX++，Java Script，Html/Java等多种语言综合开发，开发灌区统一信息门户、協同办公系统、水费计量征收管理系统、综合信息服务系统、水量调度决策支持系统、水质监测分析评价、工程安全分析评估及卫星遥感影像及三维虚拟仿真等高级应用软件，并以XML实现与其他应用系统在数据层的无缝集成。
4.3 系统集成
通过定制开发应用软件逻辑功能实现生产与管理的业务深度融合，并通过访问权限控制和功能逻辑组合实现业务流程重组；通过中心平台海量数据深度挖掘动态调度决策和水利灌区管理信息化高级应用，为各级管理人员进行综合信息服务。
应用支撑平台集成是整个信息化系统集成的关键，以统一信息门户为灌区信息化系统的软件入口，实现统一登录、认证、信息推送、内部公告、邮件提醒、办公事务列表；集成实现业务层集成、逻辑功能层集成、信息转换层集成、数据访问层集成。
五、运行管理
信息化是一个跨地域、多部门的系统工程，运行管理以调度监控信息中心为主要职能部门、分中心设信息化和自动化专管机构、最基层设信息化专管人员的三级管理组织管理体系。在多年实际运行，提高了管理水平，实现偏远观测点无人值守，降低了工程运行成本，提高水量计量的准确性和及时性，创建了良好的工作环境，为水利工程的进一步改革与发展奠定了基础。
六、结束语
信息化系统在引大工程中发挥了许多优点，也使引大工程的管理上了一个层次，但随着计算机、网络等技术的进步，工程的缺点逐渐显露，太阳能设备的供电、前台及终端设备的更新等问题，使系统不能高效和可靠的运行。为此提出几点建议：一是水利工程中的设备选型一定要结合实际，考虑压力、温度、湿度、水流冲刷、泥砂沉积等因素；二是系统的兼容性、耐久性和可扩展性是工程效益能否发挥的关键因素；三是系统运行维护必不可少，而且运行维护投资也是信息化系统工程面临的最大问题。