一体化综合管控技术在茨淮新河灌区的建设研究

孙政安 ，刘 磊 ，刘传武

（1. 安徽省茨淮新河工程管理局，安徽 蚌埠 233400；2. 南瑞集团有限公司，江苏 南京 211111）

0 引言

我国设计灌溉面积 2 万 hm2及以上大型灌区有456 处，现状灌溉面积为 1.85×107hm2，占总有效灌溉面积的 30.2%，灌溉用水量占大陆灌溉用水总量的 33% 以上。大型灌区是重要的农业基础设施、粮棉油生产基地，也是农民增收的重要保障。大型灌区信息化经过多年的建设无论是规划设计、建设实施，还是维护管理都有了长足的进步[1]。

近年来国家持续推进大中型灌区的建设，以实现精准灌溉、节水增效，促进农业可持续发展。但我国大中型灌区的信息化系统基本由多个功能单一的子系统建设而成[2]，存在设备厂家产品单一，无成套产品，产品功耗高，接口差异性大，多类系统操作运维繁杂，数据实时性与测控全面性不能得到保障等问题，国外产品不适用于中国灌区，从而导致灌区预报调度与自动化感知测控、供水、计量等环节脱节，制约了灌区精准灌溉目标的实现。为形成灌区全面感知及智慧管控的一体化综合管控系统，需要从多元测控系统、灌区预报与调度模型及智慧综合管控系统等方面实现灌区信息共享，科学决策，过程监控，实现水资源的合理配置和灌溉系统的优化调度[3-5]。

茨淮新河灌区全河段分 4 级控制，建有茨河铺、插花、阚町和上桥 4 处枢纽，分段控制流量和水位，沿河两岸各县市均已建灌溉站，共建有涵闸86 处、排灌站 245 处。随着国民经济社会的发展，对茨淮新河的工程管理提出更高的要求，流域管理和区域管理相结合的模式与新时代对水利工程运行管理提出的新要求不相适应。为全面提升灌区现代化管理水平，以灌区最迫切的水工程管理和水资源调度智能业务为出发点，紧密结合茨淮新河灌区现代化管理需求，在建设智能感知的基础上，利用一体化综合管控平台进行茨淮新河灌区一张图综合展示、水利工程安全运行、水资源开发利用、工程档案管理，依托综合门户、移动服务等手段提升灌区专项业务应用能力。

灌区水利一体化综合管控平台作为灌区应用智能化的新概念提出，主要包括以下 2 个方面：1）一体化综合管控硬件平台。针对灌区监测类型多，设计多元测控的一体化综合管控硬件平台，实现灌区闸泵站、水情、水质等信息的现地监控。2）一体化综合管控软件平台。通过将各类业务数据、应用服务、人机界面等灌区水利资源进行建模与集成，实现一体化、标准化、智能化的分布式灌区水利应用。根据茨淮新河灌区的现地对象类型，建成标准化的、先进的、开放的、可靠的、安全的、适应性强的一体化和标准化的灌区水利一体化综合管控平台，全面支撑茨淮新河灌区的信息化管理。

1 一体化综合管控平台总体设计

1.1 总体框架

本研究从实际出发研制适用于茨淮新河灌区的多元测控一体化综合管控硬件平台架构，在此架构基础上实现灌区水情、闸控等灌区现地监控设备的一体化监控，并通过多专业融合的一体化综合管控软件平台实现灌区水情、闸控、视频等各类信息的远程综合管控。

灌区信息化应用系统是由多监控系统集成的综合系统，结合信息化发展水平及水利信息化建设顶层设计，采用一体化统一平台设计，在统一平台上实现各类监测与调度专业应用，以及信息管理和决策支持应用。灌区信息化应用系统主要由综合数据采集与交互接口、统一数据库共享平台、应用支撑平台、一体化业务应用平台构成[6-7]。

灌区一体化综合管控平台对现场各类监测监控数据进行统一采集处理，并在同一平台上实现闸站、水情、视频图像等各类传统自动化系统数据的统一采集，综合展示，以及报警、报表等公共应用；统一实现闸站远程自动化监控、水雨情测报、视频监视、水量调度、水费征收、移动应用、办公自动化、门户网站等专业应用；统一实现全景 Web发布及 GIS 展示等信息管理应用；并在一体化综合管控平台上实现综合专业业务分析与处理及会商决策支持等决策支持应用，为实现灌区综合调度提供一体化的综合技术平台。

灌区一体化综合管控平台应用系统总体架构如图 1 所示。

图 1 灌区一体化综合管控平台架构图

1.2 建设内容

1.2.1 信息采集系统

用来描述茨淮新河灌区基本情况，描述的是灌区的基础资料，信息更新周期比较长，主要包括灌区位置、面积，灌排、用水户信息，以及灌区管理层信息等基本数据[8]。

为加强灌区水资源调配的能力，必须加强管理局对茨淮新河沿线主要泵站、分水闸门水量的监控。为完善水情数据，在茨淮新河辖区内，依托安徽省水文监测项目建设，茨淮新河沿岸已建设多处雨量、水位监测站点，数据落地在安徽省水文局信息监测平台。为避免重复建设，节省投资，设计通过数据共享的方式实现水雨情数据采集，提高数据利用率。

建设利辛县谢刘站、阜阳市阜蒙河站、凤台县小黑河站、怀远县河西站、蒙城县蒙凤沟站等站的计算机监控系统；更新改造上桥节制闸计算机监控系统；共享整合永幸河灌区管理处所辖泵站的运行状态和数据；共享整合茨河铺、插花、阚疃枢纽计算机监控系统。

利用现地一体化硬件平台装置在茨淮新河灌区沿线建设 61 套雷达水位计、59 套雷达波流速仪和16 套闸泵站监控系统，实现灌区水位、流量及闸泵的一体化监控，接入已建系统的相关数据。沿线建设 133 处视频监视站点，并通过有线和无线方式进行数据传输，实现灌区重要节点的实时监视。

1.2.2 通信网络系统

根据茨淮新河灌区网络现状和感知网络建设内容，网络通信系统包含以下节点：安徽省水利厅，茨淮新河工程管理局、茨淮新河工程管理局蚌埠基地，上桥枢纽、茨河铺枢纽、插花枢纽、阚疃枢纽、凤台县永幸河灌区管理处、62 座二级灌排泵站。

现地监控设备的通信网络综合考虑茨淮新河灌区的网络节点，灌区的通信网络系统的建设以租用公网专线和无线网络的方式实施，管理局区域以自建光缆的方式实施。

1.2.3 数据资源管理平台

为满足灌区业务需求，根据数据分类及流程分析，数据库总体设计应涵盖水量分配、闸泵站监控、工程维护、水情监测与管理、水质监测与管理、综合办公、视频图像、空间基础地理信息、沿线地区社会经济和生态等数据，是一个具有多级结构、广域分布的大型综合数据库系统。

数据资源管理平台可对已建和新建系统进行有效整合，形成一个互通共享的平台，避免平台系统的孤岛效应和重复性建设[9]。

茨淮新河灌区以安徽省水利厅水利大数据平台为基础，补充建立统一资源目录，整合茨淮新河灌区工程调度业务数据，共享融合安徽省水利厅水利大数据平台的数据，通过多元化采集、主体化汇集创建全域化原始数据，开展存量和增量数据资源汇集和治理，形成标准规范数据资源[10]。

1.2.4 应用支撑平台

利用功能强大的应用支撑平台构建灌区一体化综合管控软件平台，遵循面向服务的软件体系架构，采用分布式服务组件模式，提供统一的服务容器管理、层次化的功能设计，能有效对数据及软件功能模块进行良好组织，提供统一的、简便的应用开发和运行环境。针对系统应用和运行维护需求开发的公共应用支持和管理功能，能为应用系统的运行管理提供全面的支持。

灌区应用支撑平台可以实现资源的有效共享和应用系统的互联互通，为应用系统的功能实现提供技术支持、多种服务及运行环境，是实现应用系统之间及应用系统与其他平台之间信息交换、传输、共享的核心。茨淮新河灌区一体化综合管控软件平台主要包含基础应用组件、公共服务、应用交互、虚拟化应用组件等组成部分。

1.2.5 业务应用系统

在一体化综合管控软件平台的基础上建立的茨淮新河灌区业务应用系统，包括闸泵站监控与管理、水量调度、水费征收、视频监控、工程安全监测管理、综合信息服务、综合办公等系统。

1.2.6 应用交互系统

在茨淮新河灌区建设门户、手机 App 及微信公众号等应用交互系统，实现灌区业务的便捷查看及交互。

1.2.7 标准规范体系

灌区信息化系统涉及学科门类较多，覆盖范围较广，建设周期相对较长，需要多家建设单位相互协作共同完成。工程建设中所用设备可能涉及不同厂家的产品和技术，因此制定相应的标准体系，是规范、统一信息化系统建设和运行管理的重要基础，也是系统信息和软、硬件资源共享，系统有效开发和顺利集成，系统安全运行和平稳更新完善的重要保证。按照 SL 61—2015《水文自动测报系统技术规范》，SL/Z 388—2007《实时水情交换协议》及SL 651—2014《水文监测数据通信规约》等规范统一标准。

1.2.8 安全体系

对于灌区来说，为满足最根本的安全需求，需要建设主动、开放、有效的系统安全体系，实现网络安全状况可知、可控和可管理，形成集防护、检测、响应、恢复于一体的安全防护体系。在茨淮新河灌区通过防火墙、堡垒机、WAF（Web 应用防护系统）、上网行为管理、日志设计系统等建设整个灌区的网络安全体系。

2 一体化综合管控硬件平台

灌区信息化建设涉及的自动化控制的对象较多，分布范围较广，需要采集的物理量类型多，采用的传感器类型相应较多，相应测控装置涉及的闸泵站监控、水情监测、视频监视等多个专业。若传感器和测控装置的现场总线不能统一，势必增加现场布线难度，给设备的更换维护带来一定困难，且对现场操作人员的业务能力要求也较高，各专业自动化子系统的融合也较难统一到一个系统中。为此，针对灌区监测业务设计了具备多元测控方式和低功耗物联功能的硬件架构，提出集自供电、自唤醒、自调节、计量及远程运维于一体的低成本测控解决方案，利用一体化监控装置实现闸泵站自动化控制、水情采集等业务一体化监控。茨淮新河灌区闸泵站多元测控拓扑图如图 2 所示。

图 2 茨淮新河灌区闸泵站一体化监控拓扑图

一体化综合管控硬件平台主要由 PLC 及扩展模块组成。PLC 模块是一体化管控硬件平台的核心部分，内嵌电源转换模块，为整套系统提供工作所需的电源，负责系统的工作参数存储、运行时的任务调度、内部高速总线控制、数据存储及对外通信。PLC 模块集成翻斗式雨量传感器、SDI-12 及RS-485 等接口，基本可以独立完成针对水情专业的监测功能，当一体化综合管理硬件平台应用于自动控制或工程安全监测领域时，需要选配相应的扩展模块以完成特定的监控功能。

3 一体化综合管控软件平台

一体化综合管控软件平台主要在建立灌区数据资源管理、应用支撑等系统的基础上，实现灌区所有业务的模块化建设和统一应用。业务应用系统的设计和实现遵循当前主流 W3C 标准和规范，采用SOA 架构，基于电子地图技术，通过应用支撑平台提供泵闸站监控类、工程维护管理类、水量管理类、视频类信息的服务功能，完成对信息的查询、统计分析等功能。系统设计完整的权限机制，能根据不同的角色，授予不同的权限，访问不同的资源。系统设计强大的 Web 应用框架，在此框架上通过灵活配置，快速定制信息服务应用界面，为灌区管理提供信息支持。主要应用系统包括 GIS 综合信息服务、泵闸站监控与管理、水量调度、水费征收、视频监控、工程安全监测管理、智能应用、移动应用、综合办公和应用交互等系统[11]。

3.1 GIS 综合信息服务系统

通过电子地图或高分辨率影像图、数字高程模型及基础地理信息资料，依托 GIS 平台服务、遥感影像分析技术等，构建各类专题服务，为茨淮新河灌区工程管理与调度决策提供可视化地图支撑。通过采用地理信息、虚拟仿真等技术，将灌区的基本状况和各种业务数据、图表整合到电子地图上，实现一张图及多维展示的目的。通过基于地图的查询，能及时、准确、直观地把握灌区水资源的运行现状。全程监测灌区水流水位、流量、视频等信息，并通过模拟图形实时三维动态显示重要节点状态[12]。

3.2 水量调度系统

水量调度系统主要完成水量调度日常业务处理工作，为水量调度方案编制、综合决策会商提供基础支持。通过各级日常业务处理功能的设计开发，可以有效规范灌区的水量调度日常业务处理工作，使日常业务处理工作规范化、程序化、自动化，提高水量调度日常处理工作的效率[13]。

根据茨淮新河灌区水资源调度的要求和实际梯级泵站的运行管理制度，从灌区需水、配水、供水及反馈等环节进行灌区水资源的总体调度。灌区水量调度主要业务流程如下：年度限额分配方案（年内各月用水计划的编制与下发）→实际用水过程监控→对比统计评价→计划分配调整→总结。具体流程图如图 3 所示。

图 3 灌区水量调度流程图

水量调度工作内容如下：根据水量调度的需要收集各类信息，依据用水总量控制、年内控制、以供定需、统一调度分级管理负责的原则，编制流域水量分配方案、紧急情况下的水量调度预案和年度水量调度计划，并负责进行灌区水量的实时调度[14]。水量调度具体采取年计划、月调节、旬调度的方式，根据调度指令的下发和执行反馈形成闭环水量调度流程，达到管理与调度控制无缝融合，灌区按需灌溉、科学管控、节水增产的目的，推进灌区水资源调度的智能化水平。

3.3 移动应用系统

通过构建面向系统各级个性化、人性化的移动信息服务需求，实现茨淮新河灌区移动应用的安全登录、信息查询、巡检上报、信息提醒与视频浏览等功能，为茨淮新河灌区日常管理工作提供移动环境服务。

3.4 应用交互系统

应用交互系统主要提供灌区的内外网门户，为灌区管理人员和社会公众提供应用交互接口。

1）内网门户。内网门户提供的个性化服务为局域网用户提供个性化的访问界面，以及有权访问的应用功能和信息内容，灌区各级工作人员通过内网门户进行身份验证后，进入个性化工作界面，查阅相关信息。

2）外网门户。外网门户提供公共参与、监督水资源管理的渠道，及时向用户、公众及社会发布水资源管理和流程审批动态信息，定期向社会各界公告流域水资源情势、开发利用保护情况和重要水事活动，提高社会各界对水资源的关注，增强全民的节水、惜水、护水意识。

4 结语

在茨淮新河灌区利用现地一体化综合管控硬件及软件平台，实现了灌区所有业务的一体化运行与管理。本研究主要从现地多元测控技术方面做出创新，实现水情、闸控、视频信息的一体化监控，设计并实现一种支持各类自动化设备测控接入的标准通信服务架构，提出支持行业主流协议的接入规范标准，可接入主流的闸泵阀控制、水情、视频等装置设备。建设了灌区一体化综合管控软件平台，构建以 GIS 综合展示、预报调度、工程管理、信息服务为主体的灌区智慧管控应用体系，并基于平台开发了相应的功能组件。

本研究总体建立了“灌区信息观测直观化、通信网络立体化、运行环境集约化、应用系统智能化、安全体系可靠化”的茨淮新河灌区信息化体系，推动了茨淮新河灌区业务、管理和服务模式创新，促进了茨淮新河灌区信息化从“传统模式”向“智能管理”的转变[15]，为茨淮新河灌区管理能力现代化提供了有力支撑。为进一步推进灌区智能化的发展，建议今后应从灌区大数据分析和智能互动应用进行深入的研究。