某水庫大壩工程信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任哲明，李春輝，2，王洪洋，2，劉天鵬，2

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021；2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林長(zhǎng)春130021）

1 概述

某水庫工程主要由大壩、溢洪道、輸水洞及尾水河道組成，總庫容3804.70萬m3，設(shè)計(jì)供水量3.96t/d，工程等別為III等，主要建筑物土壩、溢洪道、輸水洞及供水管線級(jí)別為3級(jí)，管線附屬建筑物級(jí)別為4級(jí)，尾水河道級(jí)別為5級(jí)，輸水線路從水庫輸水涵洞出口開始至水廠止。為實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫大壩安全監(jiān)測(cè)和輸水管道流量、壓力數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集[1-3]，以及對(duì)管道調(diào)流閥和庫區(qū)攝像頭的遠(yuǎn)程控制[4-6]，而建設(shè)水庫大壩工程信息化系統(tǒng)，為工程運(yùn)行調(diào)度和監(jiān)督管理提供支持，提高日常管理水平和效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)分為感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用軟件層4個(gè)部分。感知層為各采集傳感器、采集終端；傳輸層為通訊設(shè)備及通訊網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)支撐層包括各類數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件；應(yīng)用軟件層包括安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)、視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、供水監(jiān)控系統(tǒng)，各軟件系統(tǒng)依托數(shù)據(jù)庫，通過傳輸層對(duì)感知層的傳感器、采集終端進(jìn)行信息采集、管理、分析。

按照“兩縱四橫”的總體布局，在工程運(yùn)行管理處布設(shè)信息管理中心，信息化系統(tǒng)設(shè)在中心工作站。其安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、供水管線調(diào)流閥閥門開度、管道壓力、流量數(shù)據(jù)等通過GPRS或4G傳入中心服務(wù)器，視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過光纖傳輸至中心服務(wù)器。信息化系統(tǒng)對(duì)各專業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息展示及對(duì)前端攝像頭和管線調(diào)流閥進(jìn)行控制。

2.2 實(shí)體建設(shè)設(shè)計(jì)

2.2.1 信息管理中心建設(shè)

中心設(shè)備包括工作站3臺(tái)、服務(wù)器2臺(tái)（1用1備）、視頻NVR1臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)3臺(tái)、防火墻1臺(tái)、4G或GPRS接收模塊2套），此外還有機(jī)柜2個(gè)、打印機(jī)1臺(tái)及工作臺(tái)1套等。信息管理中心面積不小于50m2。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，供水管線的調(diào)流閥、壓力表、流量計(jì)數(shù)據(jù)等通過GPRS或4G傳入中心服務(wù)器；視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)通過光纖傳輸至中心服務(wù)器；數(shù)據(jù)中心工作站與服務(wù)器采用局域網(wǎng)進(jìn)行通信，預(yù)留與上級(jí)單位通信的網(wǎng)絡(luò)接口。

2.2.3 供電系統(tǒng)

信息管理中心的用電設(shè)備主要為數(shù)據(jù)服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要求不間斷供電。因此，供電系統(tǒng)采用市電供給較為可靠，可直接引接，同時(shí)配置1臺(tái)UPS不間斷電源，保證斷電情況下繼續(xù)供電2h。為防止閃電雷擊及操作過電壓對(duì)設(shè)備造成的危害，配電柜進(jìn)線處裝設(shè)過壓保護(hù)裝置，以消除線路上產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓尖峰脈沖，保證計(jì)算機(jī)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，不受損壞。

現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集站的用電設(shè)備主要為數(shù)據(jù)采集裝置、交換機(jī)及無線通訊模塊，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要求不間斷供電，系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)站不考慮設(shè)置獨(dú)立的電源系統(tǒng)，就近接入照明或檢修電系統(tǒng)，必要時(shí)牽引部分電纜。

2.3 信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

信息中心服務(wù)器安裝大型關(guān)系數(shù)據(jù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫、供水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫等，在備份服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。

2.3.2 安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)功能

系統(tǒng)應(yīng)具備多種采集方式和測(cè)量控制方式，能顯示監(jiān)測(cè)布置圖、過程曲線、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分布圖、監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)布置圖、實(shí)時(shí)反映數(shù)據(jù)異常情況及監(jiān)測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)的報(bào)警提示窗口等；具備數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)自動(dòng)備份功能，操作和管理功能，數(shù)據(jù)通訊和網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)功能；系統(tǒng)具有自檢能力，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)檢查，能在計(jì)算機(jī)上顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，以便及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和耐惡劣環(huán)境，具備防雷、防潮、防銹蝕、防鼠、抗振、抗電磁干擾等性能，能夠在潮濕、強(qiáng)電磁干擾條件下長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定正常運(yùn)行。

2）安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)軟件

此系統(tǒng)軟件是一個(gè)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式數(shù)據(jù)庫、多媒體應(yīng)用和數(shù)學(xué)模型技術(shù)為基礎(chǔ)的，集成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)分析的綜合性系統(tǒng)軟件。

系統(tǒng)軟件具有可視化用戶界面，能方便地修改系統(tǒng)設(shè)置、設(shè)備參數(shù)及運(yùn)行方式，能根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反映的狀態(tài)進(jìn)行修改、選擇監(jiān)測(cè)頻次和監(jiān)測(cè)對(duì)象；具有對(duì)采集數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理的功能；具有繪圖、報(bào)表編輯功能及其他功能。

在信息中心通過工作站對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理及日常工程安全管理工作，包括在線監(jiān)測(cè)、離線分析、圖表制作、數(shù)據(jù)庫及其管理、系統(tǒng)管理等。

2.3.3 視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能

實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩、溢洪道、輸水洞、尾水河道、水庫出入口、上壩道路、辦公區(qū)、庫區(qū)對(duì)外交通等重點(diǎn)部位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，各視頻前端圖像信息能準(zhǔn)確、清晰、實(shí)時(shí)地傳送到監(jiān)控中心，并轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)上傳至監(jiān)控屏幕，同時(shí)可對(duì)多路視頻進(jìn)行監(jiān)控；監(jiān)控中心能夠?qū)z像機(jī)鏡頭進(jìn)行光圈、焦距、景深距離控制操作，對(duì)云臺(tái)進(jìn)行全方位控制；可隨時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況錄像，并可進(jìn)行智能回放及檢索；在網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性及要求方面，可支持網(wǎng)關(guān)、NAT（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換）、代理、防火墻和路由器等；系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)充性能，增加視頻監(jiān)視設(shè)備不會(huì)影響原有系統(tǒng)的性能和質(zhì)量；系統(tǒng)具有完善的系統(tǒng)管理功能，包括安全管理、用戶管理和服務(wù)器管理等。

2）視頻存儲(chǔ)

水庫共設(shè)置攝像頭68個(gè)，攝像頭錄像數(shù)據(jù)保存時(shí)間為30d，每個(gè)攝像頭1h視頻圖像壓縮后為200MB，則需要的存儲(chǔ)空間為2Mbit/s×3600×30×24×68/8/1024/1024=42.02TB，同時(shí)考慮存儲(chǔ)冗余，需配置6T硬盤8塊，滿足錄像存儲(chǔ)要求。

2.3.4 供水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）供水監(jiān)控系統(tǒng)功能

實(shí)現(xiàn)供水量數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)供電狀態(tài)的自動(dòng)采集、傳輸、接收、存儲(chǔ)、顯示和查詢；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)閥門的開、關(guān)狀態(tài)；遠(yuǎn)程開啟、關(guān)閉閥門或調(diào)節(jié)閥門開度，提高管理效率，降低管理成本；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管網(wǎng)壓力，保障用水合理供應(yīng)，輔助調(diào)配水廠供給；能夠?qū)┧?、閥門、壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、分析和對(duì)比，從而形成報(bào)表和圖形，用戶可根據(jù)需求進(jìn)行查詢、瀏覽和打印；具有與便攜式檢測(cè)儀表或便攜式計(jì)算機(jī)通信的接口，能夠使用便攜式檢測(cè)儀表或便攜式計(jì)算機(jī)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行人工補(bǔ)測(cè)、比測(cè)，防止資料中斷；具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和耐惡劣環(huán)境性。

2）供水監(jiān)控系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件需具備友好簡(jiǎn)潔的用戶界面，并且操作簡(jiǎn)單方便。用戶和系統(tǒng)的人機(jī)交互界面包括流量、閥門、壓力遠(yuǎn)程監(jiān)控，以及與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的調(diào)用接口。軟件系統(tǒng)界面包括身份驗(yàn)證、流量和壓力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、閥門控制、數(shù)據(jù)檢索和系統(tǒng)管理等功能。數(shù)據(jù)采集和處理功能即自動(dòng)周期性地從現(xiàn)地級(jí)設(shè)備采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算、更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)存盤、保存歷史數(shù)據(jù)；能實(shí)時(shí)顯示主要設(shè)備的操作動(dòng)態(tài)過程及有關(guān)參數(shù)；業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口包括歷史數(shù)據(jù)接口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口和控制操作數(shù)據(jù)接口。

2.4 綜合信息服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工程綜合信息服務(wù)系統(tǒng)以通信網(wǎng)絡(luò)、硬件設(shè)備為依托，應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)為技術(shù)支撐，結(jié)合現(xiàn)代高新技術(shù)進(jìn)行綜合開發(fā)，形成技術(shù)先進(jìn)、功能完善、實(shí)用性強(qiáng)的系統(tǒng)，為決策者提供專業(yè)的信息及分析結(jié)果。系統(tǒng)包括信息展示平臺(tái)和工程信息管理系統(tǒng)。

信息展示平臺(tái)可對(duì)各專業(yè)信息進(jìn)行統(tǒng)一展示、集中管理，采用圖、表等多種顯示方式，為管理者提供統(tǒng)一、直觀的信息查詢、瀏覽界面。

工程信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的相關(guān)信息進(jìn)行管理，系統(tǒng)能夠完成信息的錄入、查詢、修改等日常管理。

3 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成目標(biāo)是將工程信息化系統(tǒng)的軟硬件及基礎(chǔ)環(huán)境進(jìn)行集成，整合形成一套覆蓋整個(gè)工程的完整系統(tǒng)，使得建設(shè)系統(tǒng)的設(shè)備、數(shù)據(jù)能夠互聯(lián)互通，有效地實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫之間的協(xié)調(diào)一致。

應(yīng)用系統(tǒng)集成是在系統(tǒng)硬件集成基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)配置和聯(lián)調(diào)將應(yīng)用支撐平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)等集成在一起，開發(fā)系統(tǒng)登錄認(rèn)證、綜合信息門戶等，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

應(yīng)用系統(tǒng)間統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)和共享接口，各模塊可以通過服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。在軟件環(huán)境的基礎(chǔ)上，搭建運(yùn)行數(shù)據(jù)交換的服務(wù)中間件、應(yīng)用中間件、數(shù)據(jù)同步服務(wù)等，建立與大屏幕系統(tǒng)的集成和適配，為系統(tǒng)運(yùn)行提供支撐。

4 結(jié)語

水庫大壩工程信息化系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)施，能夠有效提高水庫的調(diào)度和管理水平，為運(yùn)行管理人員及時(shí)掌握工程運(yùn)行情況創(chuàng)造條件，提高監(jiān)控手段，減少非常態(tài)事件的發(fā)生，同時(shí)提高城市供水保障和水資源的利用效率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。