城市防洪工程的信息化探索

殷奇紅，劉晨燁，劉丹杰

（常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213100）

0 引言

城市防洪工程管理處職能是對管轄范圍內(nèi)發(fā)生的水情收集、傳輸、匯總、分析、核對等一系列管理工作，現(xiàn)代化數(shù)據(jù)信息收集、傳輸和調(diào)度決策支持系統(tǒng)是非常有必要的[1]。在此之前相關(guān)系統(tǒng)雖然進(jìn)行了一定的建設(shè)但是還不夠完善，防洪工程資料緊缺、數(shù)據(jù)少且沒有系統(tǒng)性；防洪信息交換傳播方式、途徑單一且穩(wěn)定性較低；前端設(shè)備覆蓋面狹窄，缺乏各類數(shù)據(jù)信息的共享整理及分析處理。

信息自動化項目的建成有利于城市防洪設(shè)施的統(tǒng)一管理和調(diào)度運行，做好城區(qū)防洪排澇和調(diào)水工作。承擔(dān)城市防洪工程的維護(hù)、養(yǎng)護(hù)、檢查、觀測和控制運行等日常工作，保證工程正常運行，展開城市防洪工程相關(guān)服務(wù)。

1 城市防洪信息化應(yīng)用現(xiàn)狀

常州市屬于太湖流域范圍，北枕長江，南臨太湖，境內(nèi)河網(wǎng)密布，京杭大運河自西北的鎮(zhèn)江向東南無錫經(jīng)市區(qū)穿越過境，多條北支和南支河流溝通著長江和太湖，聯(lián)系著滆湖、長蕩湖，構(gòu)成縱橫交錯的水網(wǎng)地區(qū)。整個地勢西北高東南低，低洼圩區(qū)眾多，遇暴雨常引發(fā)洪澇災(zāi)害，水環(huán)境、水資源問題日益凸顯。

常州市城市防洪工程管理處的主要管轄地帶為常州市運北片，東至丁塘港、南至新大運河、西至鳳凰河、北至滬寧高速公路，區(qū)內(nèi)面積156.2 km2，該區(qū)域是常州市經(jīng)濟(jì)、文化核心區(qū)和人口密集區(qū)。多為低洼地區(qū)，地面高3.50～6.00 m。經(jīng)過多年積極創(chuàng)新探索和堅持不懈，常州市的水雨情數(shù)據(jù)、常州泵站與閘站運行工情的信息數(shù)據(jù)及多媒體數(shù)據(jù)建設(shè)實現(xiàn)了零突破，從獨立單一到整體集成的轉(zhuǎn)變，一套基本覆蓋全市范圍的信息數(shù)據(jù)資源體系逐漸實現(xiàn)。

隨著國家防洪抗旱信息化建設(shè)的深入開展，與走在前列的省市相比，常州城市防洪水利信息化建設(shè)還存在一些差距：系統(tǒng)建設(shè)零散；廣域網(wǎng)通信建設(shè)落后；基礎(chǔ)工作不完善，電子資料較少；信息化手段支撐公眾服務(wù)水平有待提升；應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)不夠，資源利用程度不高；人員的綜合素質(zhì)還是有待提高；信息化設(shè)備陳舊。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能介紹

城市防洪工程管理處信息自動化建設(shè)的基礎(chǔ)是在充分利用全市水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)以防洪抗旱為重點，利用現(xiàn)有先進(jìn)成熟的計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息化技術(shù)，建立全面完善的具有自動化控制能力、數(shù)據(jù)采集處理能力、業(yè)務(wù)處理能力的技術(shù)平臺，組建具有組織協(xié)調(diào)、指揮決策、信息傳遞、汛情反饋等高效快捷的防洪決策支持調(diào)度系統(tǒng)，全面提高防洪防旱、調(diào)水引水、水環(huán)境整治等及水資源管理部門的管理質(zhì)量與效率，進(jìn)一步提升服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)調(diào)度、運行、管理的職能管理。

從邏輯結(jié)構(gòu)上來劃分，本系統(tǒng)主要包括一個中心，兩個平臺的建設(shè)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

一個中心：指城市防洪工程管理處信息化數(shù)據(jù)中心。從功能結(jié)構(gòu)上分為在線監(jiān)測信息、業(yè)務(wù)信息、基礎(chǔ)信息、視頻信息等。

兩個平臺：是指泵閘站綜合自動化監(jiān)控平臺和信息綜合業(yè)務(wù)管理平臺兩個平臺構(gòu)成。

泵閘站綜合自動化監(jiān)控平臺：指對城市防洪工程管理處的樞紐進(jìn)行自動化監(jiān)控，以實現(xiàn)集中管理、統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一調(diào)度。

信息綜合業(yè)務(wù)管理平臺，是城市防洪工程管理處政務(wù)管理、防洪調(diào)度指揮的一個綜合應(yīng)用管理平臺，包含的內(nèi)容有：防汛防旱調(diào)度系統(tǒng)、協(xié)同辦公管理系統(tǒng)、設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

常州市城市防洪工程管理處信息化管理系統(tǒng)的核心功能是綜合監(jiān)控所轄水利樞紐機(jī)組運行、周邊環(huán)境、運行效果，為市水利局一級平臺提供支撐數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)上述核心目標(biāo)，該系統(tǒng)在實現(xiàn)層面上分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)交換與服務(wù)、業(yè)務(wù)管理與應(yīng)用服務(wù)3個層次，由圖2所示。

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場控制層

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場控制層主要完成水利樞紐現(xiàn)場運行工況的信息采集與視頻信號的采集和現(xiàn)場泵閘站設(shè)備的控制。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場控制層由各個現(xiàn)場設(shè)備自動控制子系統(tǒng)和現(xiàn)場視頻監(jiān)視子系統(tǒng)兩部分組成。

現(xiàn)場自動控制子系統(tǒng)以PLC為核心，采集各臺機(jī)組設(shè)備的電壓、電流、報警控制信號以及由傳感器采集來的上、下游水位，也通過PLC控制機(jī)組啟動和停止，同時PLC通過TCP/IP接口，互相聯(lián)系集控中心的遠(yuǎn)程控制服務(wù)器，為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供服務(wù)。

現(xiàn)場視頻監(jiān)視子系統(tǒng)通過在泵閘站部署視頻攝像機(jī)采集圖像信息，就地存儲在水利樞紐的硬盤錄像機(jī)中，調(diào)用時通過專用網(wǎng)絡(luò)向部署在集控中心的視頻管理平臺發(fā)送現(xiàn)場視頻圖像，實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。

現(xiàn)場控制子系統(tǒng)與現(xiàn)場視頻監(jiān)視子系統(tǒng)通過交換機(jī)與集控中心設(shè)備互聯(lián)，實現(xiàn)監(jiān)測信息的上傳與控制命令的下發(fā)。

（2）數(shù)據(jù)交換與服務(wù)層

數(shù)據(jù)交換與服務(wù)層主要實現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層上傳數(shù)據(jù)的接收與數(shù)據(jù)整編入庫，以及對外提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)與接口。

數(shù)據(jù)交換與服務(wù)層包括：數(shù)據(jù)、視頻信息等數(shù)據(jù)庫和通信服務(wù)子系統(tǒng)組成。

綜合數(shù)據(jù)庫提供對所有工況、水位以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲與管理服務(wù)。

通信服務(wù)子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)整編、入庫以及本系統(tǒng)與外系統(tǒng)（如一級平臺）的數(shù)據(jù)交換服務(wù)。通信服務(wù)子系統(tǒng)在接收到現(xiàn)場子系統(tǒng)上傳的現(xiàn)場數(shù)據(jù)后按照數(shù)據(jù)整編規(guī)范對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并記錄到綜合數(shù)據(jù)庫。同時，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的特性，按預(yù)定規(guī)則向一級平臺子系統(tǒng)分發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。在接收到一級平臺子系統(tǒng)的查詢指令后，按照要求將綜合數(shù)據(jù)庫的相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按一級平臺要求組織編碼，并通過一級平臺的數(shù)據(jù)采集接口提交到一級平臺。

（3）業(yè)務(wù)管理與應(yīng)用服務(wù)層

業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)提供對綜合數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理與相關(guān)的業(yè)務(wù)支撐。主要包括：綜合調(diào)度、巡檢、協(xié)同辦公、設(shè)備維護(hù)等管理子系統(tǒng)。

4 各子系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計應(yīng)該遵循專業(yè)性規(guī)范，堅持標(biāo)準(zhǔn)化和開放性原則、保證先進(jìn)性與實用性兼顧原則、考慮高性能和經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一原則、確?？煽啃院桶踩谝辉瓌t、選擇可用性和適度可擴(kuò)展性原則，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，充分利用已有資源、選擇相對便捷的管理與維護(hù)協(xié)議，QOS保證。

圖2 系統(tǒng)組成圖

新建網(wǎng)絡(luò)要求能夠?qū)崿F(xiàn)各樞紐與數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)互通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)有水利專網(wǎng)的互聯(lián)互通，實現(xiàn)樞紐各項管理信息的自動交換和共享，從而全面提升水利工程運行管理的水平[2]，提高管理效率，為信息暢通、指揮調(diào)度科學(xué)提供有效通信保證。

總體網(wǎng)絡(luò)采用具有鏈路冗余特性的樹型形狀的雙星型結(jié)構(gòu)，整體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃為專業(yè)性強(qiáng)的核心及服務(wù)器群區(qū)域，各個水利工程單獨設(shè)置區(qū)域，接入層聯(lián)結(jié)上下區(qū)域，區(qū)域末端設(shè)置客戶端可供用戶進(jìn)行控制使用；核心交換機(jī)位于管理處信息數(shù)據(jù)集控中心機(jī)房，采用雙主干網(wǎng)絡(luò)的雙核心設(shè)計，以此設(shè)置足夠的空間確保主交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的容錯，在一臺交換機(jī)有故障的時候不用手工切換和維護(hù)，另外一臺備用交換機(jī)就能保障網(wǎng)絡(luò)始終處于正常運行狀態(tài)中。采用IP交換的全交換硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸交換，網(wǎng)絡(luò)主干采用先進(jìn)的千兆位以太網(wǎng)交換技術(shù)，最大限度地確保主干的數(shù)據(jù)傳輸速率，以此保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸交換的實時性。

4.2 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)置專業(yè)規(guī)范的訪問接口，有效集成各類應(yīng)用模塊。在一體化平臺基礎(chǔ)框架的基礎(chǔ)上，嵌入融合業(yè)務(wù)應(yīng)用等多個子系統(tǒng)，通過統(tǒng)一管理、統(tǒng)一工作流定制、統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)等提供數(shù)據(jù)共享和無縫切換軟件模塊功能，標(biāo)準(zhǔn)化管理各應(yīng)用系統(tǒng)。

（1）采用面向服務(wù)的共享與聚合技術(shù)

SOA架構(gòu)的全面支持，是面向服務(wù)的共享與聚合技術(shù)的最佳體現(xiàn)，它采集了服務(wù)器上發(fā)布的服務(wù)和本地信息數(shù)據(jù)，最終將采集的數(shù)據(jù)整合成結(jié)果發(fā)布[3]。

（2）采用“快速構(gòu)建”的開發(fā)模式

由于管理單位的各項業(yè)務(wù)管理，工作流程以及業(yè)務(wù)填報的各種表單、流程的簽署、對應(yīng)的服務(wù)等需求沒有定式的模式，為了達(dá)到隨需應(yīng)變的需求，通過業(yè)務(wù)構(gòu)建和維護(hù)管理平臺，實現(xiàn)業(yè)務(wù)所涉及的流程、表單和報表等業(yè)務(wù)組成元素的可視化快速構(gòu)建和維護(hù)。

（3）信息資源服務(wù)技術(shù)

按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范梳理空間數(shù)據(jù)中心內(nèi)的各類信息，建立規(guī)劃信息資源目錄體系，形成可統(tǒng)一管理和服務(wù)的空間信息資源目錄。不僅為規(guī)劃管理需求提供全面、一致、完整的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，更提供數(shù)據(jù)背后的知識、關(guān)聯(lián)和規(guī)則服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合展現(xiàn)、內(nèi)控預(yù)警、分析決策。

（4）高速緩存技術(shù)

圖3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

高速緩存屬于內(nèi)存緩存的一種形式，處于在中間圖像文件和顯示緩存中間，可以適當(dāng)提高圖像漫游，讀取從中間圖像文件圖像數(shù)據(jù)后存儲到該緩存區(qū)域，再將該緩存區(qū)的圖像數(shù)據(jù)拷貝到顯示緩存區(qū)顯示出來。

在圖像漫游過程中，當(dāng)滾動視圖的可見窗體尺寸小于此緩沖區(qū)的大小，系統(tǒng)則就只需找到應(yīng)拷貝的存區(qū)位置，通過拷貝該區(qū)域內(nèi)的圖像顯示在滾動視圖上，可以大大加速圖像的漫游。

4.3 中央計算機(jī)子系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)運用4C技術(shù)，即計算機(jī)、通訊、圖像顯示和現(xiàn)代控制理論技術(shù)，采用“集中控制、管理，分散控制”的集散控制系統(tǒng)，完成所轄水利樞紐實時監(jiān)視和實時監(jiān)控[4]。

本工程設(shè)計的計算機(jī)管理系統(tǒng)分為3層，即現(xiàn)場測控層、中心控制層和管理監(jiān)控層。

現(xiàn)場測控層各PLC控制站與中央控制室之間以光纜連接，實現(xiàn)整個項目運行自動化。主要的樞紐設(shè)備設(shè)有自動控制、遠(yuǎn)程控制、手動控制3層控制模式。

中心控制層對機(jī)組運行過程中的自動控制和報警保護(hù)、電壓電流等各項重要參數(shù)、設(shè)備工況等進(jìn)行在線實時監(jiān)控，由操作員站、上位機(jī)站、服務(wù)器、UPS等組成，具備管理功能、對設(shè)備地控制功能、通訊功能。

管理監(jiān)控層由城市防洪工程管理處辦公樓內(nèi)的行政管理和有關(guān)職能部門的計算機(jī)組成，承擔(dān)有關(guān)的財務(wù)管理、水行政執(zhí)法管理、工程管理、行政管理和辦公自動化等方面的工作。

4.4 PLC控制子系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)城防工程管理處所管轄的樞紐的基本情況，完成覆蓋各樞紐的遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控系統(tǒng)，包括完成現(xiàn)地自動化控制改造，及建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。樞紐PLC控制子系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：數(shù)據(jù)采集與處理；運行監(jiān)視和事故報警；控制與調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)通信。

通過系統(tǒng)監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程檢測，監(jiān)視和遙控，樞紐內(nèi)自動控制系統(tǒng)的運行，使得樞紐系統(tǒng)運行做到無人值守；實時監(jiān)控樞紐各設(shè)備運行狀態(tài)和工況數(shù)據(jù)。對于運行異?；蛘咴O(shè)備故障，給出報警；記錄樞紐運行趨勢；生成樞紐運行報表。對于需要系統(tǒng)監(jiān)控中心進(jìn)行控制的設(shè)備，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。通過光纖網(wǎng)絡(luò)將樞紐各監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)上傳至城市防洪工程管理處監(jiān)控中心和市水利局。

PLC控制層網(wǎng)絡(luò)將收集到的數(shù)據(jù)上傳至樞紐本地的監(jiān)控中心，同時通過光纖的方式將信號傳輸至城防處調(diào)度中心和市水利局。

5 結(jié)論

本文所涉及的信息化自動化系統(tǒng)在減少自然災(zāi)害損失中將起到重要作用。

可減少甚至避免洪水泛濫時淹沒地區(qū)在受淹期間的經(jīng)濟(jì)損失；可降低或減少受淹地區(qū)在淹沒期以后以及淹沒區(qū)以外在經(jīng)濟(jì)上和生活上受到的各類影響；避免洪澇災(zāi)害帶來的生態(tài)環(huán)境惡化；可提前做好易澇地區(qū)的防汛準(zhǔn)備工作來降低易澇地區(qū)可能發(fā)生的災(zāi)害影響。智慧水利信息化建設(shè)涉及的硬件設(shè)施，大多具備高、精、尖的特點，集約化特征明顯，相比于傳統(tǒng)水利硬件建設(shè)，能體現(xiàn)出維護(hù)人員少、占地面積小、自動化維護(hù)程度高等特點。

同經(jīng)濟(jì)效益一樣，水利信息化項目可以帶來的社會效益是多方位的、影響巨大而深遠(yuǎn)的。

通過建立各種智慧工程管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對水利工程的實時感知和實時控制，消除工程隱患，保障工程安全。

水利信息化的建設(shè)將帶動產(chǎn)、學(xué)、研相互促進(jìn)，發(fā)展和培養(yǎng)綜合型、應(yīng)用型、技能型的高素質(zhì)人才，帶動技術(shù)創(chuàng)新，為城市發(fā)展帶來新的動力。