基于5G和IPv6的閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)解決方案

(重慶市會(huì)得水利技術(shù)股份有限公司，重慶，401120)

1 引言

水利行業(yè)是一個(gè)歷史十分悠久的行業(yè)，也是信息十分密集的行業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)已進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。采用新技術(shù)、新設(shè)備對(duì)水利工程項(xiàng)目的設(shè)備與管理進(jìn)行現(xiàn)代化改造和智能化建設(shè)是歷史發(fā)展的必然趨勢(shì)，水利行業(yè)的發(fā)展前景有著深遠(yuǎn)的影響。

目前，水利行業(yè)閘門控制通訊一般采用有線和無(wú)線兩種方式，有線通訊主要有電纜和光纜兩種，無(wú)線通訊主要有GPRS通訊，每種通訊方式的優(yōu)缺點(diǎn)如附表所示。

附表 各通訊方式的優(yōu)缺點(diǎn)

2 5G和IPv6簡(jiǎn)介

5G即第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)，區(qū)別于前幾代移動(dòng)通信的特點(diǎn)有：峰值速率可達(dá)10Gbit/s；空中接口時(shí)延約1ms，滿足自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等實(shí)時(shí)應(yīng)用；超大網(wǎng)絡(luò)容量，提供千億設(shè)備的連接能力，滿足物聯(lián)網(wǎng)通信。

目前5G通信已經(jīng)商用，IPv6已經(jīng)大面積部署，5G和IPv6的結(jié)合，解決了成本問(wèn)題、高延遲問(wèn)題、安全性問(wèn)題，為基于5G和IPv6的閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)奠定了信息傳輸?shù)膱?jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于5G和IPv6的閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由控制中心、現(xiàn)地控制室、水位測(cè)量組成，系統(tǒng)架構(gòu)如附圖所示。

3.2 通訊方式

控制中心采用光纖入戶支持IPv6的寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)地控制室和水位測(cè)量采用支持5G和IPv6的DTU接入互聯(lián)網(wǎng)。

4 系統(tǒng)功能

4.1 控制中心

控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度中心，主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、工控機(jī)和軟件等構(gòu)成。

服務(wù)器分為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水位記錄、閘門開(kāi)度記錄、閘門啟閉記錄等，應(yīng)用服務(wù)器用于接收實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)、發(fā)布系統(tǒng)信息、提供調(diào)用接口、遠(yuǎn)程控制閘門等。

附圖 基于5G和IPv6的閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)

為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，特建立冗余備份機(jī)制。本系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備份機(jī)制，即備份處于聯(lián)機(jī)狀態(tài)，當(dāng)前應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)高速通信線路將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到備份系統(tǒng)，保持備份系統(tǒng)與當(dāng)前應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的同步；也可定時(shí)在備份系統(tǒng)上恢復(fù)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。一旦發(fā)生災(zāi)難，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到備用服務(wù)器，無(wú)須等待、不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

工控機(jī)通過(guò)與應(yīng)用服務(wù)器的通訊作為日常管理的人機(jī)接口。

4.2 現(xiàn)地控制室

現(xiàn)地控制室距離閘門現(xiàn)場(chǎng)比較近，主要由閘門電控箱、5G路由器(IPv6)、交換機(jī)、不間斷電源、LCU、閘門開(kāi)度儀以及攝像機(jī)組成。

為探索鉆井廢棄泥漿用于路基路面材料可行性，取了5口井的樣品，并對(duì)其主要污染指標(biāo)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。5個(gè)鉆井廢泥漿樣品，其主要污染情況不同，其中樣品1號(hào)，污染指標(biāo)主要是色度、COD超標(biāo)；其他四個(gè)樣品除了色度、COD超標(biāo)外，重金屬六價(jià)鉻也超標(biāo)。5個(gè)樣品中樣品3號(hào)污染最嚴(yán)重，處理難度更大一些。因此，選擇3號(hào)樣品作為試驗(yàn)對(duì)象。

閘門開(kāi)度儀采用彈拉式開(kāi)度儀，它是將測(cè)量柔絲的線位移轉(zhuǎn)換成碼盤的角位移，以達(dá)到用編碼器來(lái)測(cè)量線位移的目的。同時(shí)將閘門的開(kāi)度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳到LCU里，完成測(cè)量工作。

閘門電控箱直接控制閘門的啟閉電機(jī)，有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式。日常工作模式為自動(dòng)，當(dāng)LCU故障后可切換到手動(dòng)工作模式，由工作人員按動(dòng)操作按鈕進(jìn)行閘門的啟閉。

LCU通過(guò)交換機(jī)和路由器與控制中心的應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通訊，將閘門開(kāi)度儀的信號(hào)傳輸至應(yīng)用服務(wù)器，可根據(jù)應(yīng)用服務(wù)器的指令直接控制閘門電控箱(自動(dòng)模式)，也可以在遠(yuǎn)程控制故障時(shí)，工作人員點(diǎn)擊觸摸屏上相關(guān)按鈕實(shí)現(xiàn)自動(dòng)(手動(dòng))啟閉閘門。

攝像機(jī)用于觀察閘門實(shí)時(shí)狀態(tài)，工作人員可通過(guò)攝像機(jī)畫(huà)面中閘門的啟閉情況與閘門開(kāi)度儀采集的開(kāi)度進(jìn)行對(duì)比，一旦發(fā)現(xiàn)不符可在系統(tǒng)中進(jìn)行校準(zhǔn)。另外可通過(guò)攝像機(jī)畫(huà)面進(jìn)行環(huán)境和人員的監(jiān)控，一旦有可疑人員，系統(tǒng)可自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。

4.3 水位測(cè)量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況建立一體式水位站，由立桿、野外專用機(jī)箱、操作平臺(tái)、太陽(yáng)能電源系統(tǒng)、避雷設(shè)施、水位計(jì)、RTU等組成。一般采用浮子式、氣泡式或雷達(dá)式水位計(jì)，將水位轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絉TU。

RTU用于水文測(cè)站(水文站、水位站、雨量站等)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、發(fā)送等。工作模式有自報(bào)式、應(yīng)答式和混合式三種，一般情況工作于自報(bào)式。RTU將水位信息通過(guò)5GDTU(IPv6)傳輸至控制中心的應(yīng)用服務(wù)器，經(jīng)處理后存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

4.4 軟件平臺(tái)

軟件平臺(tái)是部署在應(yīng)用服務(wù)器的一套服務(wù)軟件，提供多種界面和接口?？稍谌我馐跈?quán)的終端(PC、手機(jī)、平板)進(jìn)行操作。PC平臺(tái)有C/S(客戶端訪問(wèn)，支持Windows平臺(tái))和B/S(瀏覽器訪問(wèn))兩種類型，手機(jī)平臺(tái)和平板平臺(tái)有Android和iOS兩種類型。

系統(tǒng)有一套嚴(yán)格的權(quán)限控制，設(shè)有軟硬件隔離，操作指令有密碼、手機(jī)驗(yàn)證碼、人臉識(shí)別等各等級(jí)。所有用戶的所有操作均會(huì)記錄其操作內(nèi)容、操作時(shí)間、操作者等信息，無(wú)法刪除。這樣可以充分保證閘門操作的安全。

數(shù)據(jù)采集模塊可實(shí)時(shí)接收遙測(cè)站發(fā)來(lái)的水文數(shù)據(jù)包，自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)的幀格式，并進(jìn)行合理性判斷，分類自動(dòng)存貯；將最近來(lái)報(bào)的N條記錄按來(lái)報(bào)時(shí)間以表格的形式顯示在數(shù)據(jù)采集窗口，便于用戶分析查看；各數(shù)據(jù)采集項(xiàng)可預(yù)先設(shè)置最大與最小限值，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過(guò)該限值區(qū)間時(shí)不入庫(kù)，只做日志記錄；具備數(shù)據(jù)合法性驗(yàn)證、數(shù)據(jù)有效性校驗(yàn)、接收確認(rèn)、通訊狀態(tài)監(jiān)視等功能；具備通道中斷恢復(fù)后采集通信自動(dòng)恢復(fù)功能；具備自動(dòng)和手動(dòng)補(bǔ)傳功能。

系統(tǒng)基礎(chǔ)信息包括水位庫(kù)容對(duì)照、水位面積對(duì)照、水庫(kù)水位(H1)、閘門開(kāi)度(H2)和實(shí)際H1～Q1、H2～Q、H～M、H～V曲線。工作人員可隨時(shí)觀察閘門狀態(tài)、電流電壓、開(kāi)度、水庫(kù)水位和蓄水量等參數(shù)的變化情況。

閘門控制支持點(diǎn)擊啟閉；可設(shè)定閘門開(kāi)度和時(shí)間自動(dòng)啟閉；可設(shè)定目標(biāo)水位、目標(biāo)流量自動(dòng)計(jì)算閘門開(kāi)度和放水時(shí)間并控制閘門啟閉。

統(tǒng)計(jì)報(bào)表包括水位庫(kù)容過(guò)程線、閘門開(kāi)度過(guò)程線、放水流量過(guò)程線、水位庫(kù)容報(bào)表、閘門開(kāi)度報(bào)表、放水流量報(bào)表等，另外系統(tǒng)支持自定義報(bào)表格式、打印和導(dǎo)出功能。

短信預(yù)警包括自動(dòng)發(fā)布、手動(dòng)發(fā)布、點(diǎn)單式信息查詢?nèi)N。自動(dòng)發(fā)布：當(dāng)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生變化達(dá)到用戶設(shè)定的警戒值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向指定的人員手機(jī)上發(fā)布監(jiān)測(cè)信息短信，通報(bào)當(dāng)前的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息；手動(dòng)發(fā)布：在汛情緊張或發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，由值班人員將信息以短信方式發(fā)布至相關(guān)人員的手機(jī)上，或每隔一段時(shí)間自動(dòng)將當(dāng)前實(shí)時(shí)信息發(fā)布到管理人員的手機(jī)上，通報(bào)當(dāng)前的實(shí)時(shí)信息；點(diǎn)單式信息查詢：用戶只需向指定號(hào)碼的手機(jī)發(fā)送指定數(shù)字，系統(tǒng)即會(huì)根據(jù)用戶的選擇，向該手機(jī)用戶發(fā)送所需的實(shí)時(shí)信息。

實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像：可對(duì)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行可變鏡頭的變焦、聚焦、光圈，全方位云臺(tái)的上、下、左、右進(jìn)行控制和操作，且全方位攝像機(jī)可以設(shè)定為自動(dòng)掃描方式，即攝像機(jī)通過(guò)全方位云臺(tái)進(jìn)行上下左右來(lái)回掃描，及時(shí)掌握監(jiān)控點(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)的運(yùn)行情況。通過(guò)系統(tǒng)應(yīng)用軟件自動(dòng)把數(shù)字圖像存儲(chǔ)到硬盤上，可通過(guò)系統(tǒng)播放軟件將圖像播放出來(lái)。系統(tǒng)可將遠(yuǎn)端監(jiān)控點(diǎn)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式傳輸?shù)剿璧倪h(yuǎn)方任何一個(gè)地點(diǎn)。

系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)越限、設(shè)備異常聲、光報(bào)警等功能；提供設(shè)備/檔案管理、維護(hù)功能；可與水情自動(dòng)遙測(cè)、大壩自動(dòng)觀測(cè)等系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)與調(diào)度系統(tǒng)共同組成水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)。

5 總結(jié)

此系統(tǒng)在5G+IPv6無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器與LCU的實(shí)時(shí)無(wú)線通訊，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程水庫(kù)閘門的控制。該系統(tǒng)降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、網(wǎng)絡(luò)延遲，提高了操作實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性，可有效地減少誤操作的發(fā)生，為水庫(kù)管理工作帶來(lái)了方便，可對(duì)水庫(kù)的防洪調(diào)度起到積極的作用。