数字水务信息系统

案例二　数字水务信息系统

一、系统概述

21世纪是一个以网络为核心的信息时代，其特征就是数字化、网络化、信息化（如E－mail）。“信息是人与外界相互作用的过程中所交换的内容的名称”（N．Wiener）。信息系统权威戴维斯给信息系统下的定义是：用以收集、处理、存储、分发信息的相互关联的组件的集合，其作用在于支持组织的决策与控制。该定义前半部分说明了信息系统的技术构成，称作技术观；后半部分说明了信息系统在组织中的作用，称作社会观，合起来称作社会技术观（socio－technical view）。

信息系统不断融入工农业、国防、科研、文教及卫生、商业、行政管理等各个领域。水务是国民经济的基础设施，水是人类的生命之源，日益突出的水资源问题，已严重制约着社会发展。水务信息化建设已是刻不容缓，它是实现防汛抗旱科学指挥，水资源统一管理和优化配置，提高水资源利用效率，实现水务现代化的基础和前提。“数字水务”是真实水务系统的数字化再现，将综合应用地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、遥感（RS）、宽带网络、多媒体及虚拟仿真等技术，建立数据、网络、应用3大平台，对河道、水闸、泵站、管网等水务基础设施和水文、水质、水压等水情信息进行自动化监测、实时化调度、网络化办公、系统化管理和规范化服务。

本案例通过对实施的水务监控系统工程的介绍，提出数字水务信息系统的整体解决方案的构想。

二、上海市数字水务规划概况

1．水务信息化现状

上海市对于水务数字化、信息化给予了足够的重视。在过去的10年中建立了许多的监控系统。为了更好地、综合地利用水利资源，有关部门对综合的水务信息系统进行了规划，主要方针是：依托上海信息产业优势，顺应现代信息技术的发展趋势，正确处理好当前与长远、局部与全局、基础性建设与功能性开发的关系，以水务发展需求为导向、应用为核心，与“数字上海”建设相同步，全力推进以数据平台、网络平台和应用平台为基本框架，以3大行业基础数据库、局核心数据库和社会服务系统、决策辅助系统、政务管理系统为主要内容的“数字水务”建设。

这个目标的实现要分3个阶段来实施。具体的阶段目标如下：

（1）2003年要实现互联互通、信息共享。

（2）2005年要实现自动监控、网上办事。

（3）2007年构筑起以信息资源数字化、信息传输网络化、信息技术应用普及化为标志的“数字水务”基本框架，实现水务系统化管理、自动化监测、实时化调度、科学化决策、网络化办事、规范化服务的阶段性目标。

2．系统解决方案

水利的建设不仅仅关系到人民的生活、生产需求，还关系到国计民生。“数字水务”是规模庞大的信息工程，它是结构复杂、功能强大、涉及面广、投资巨大、建设周期长的一项系统工程。因此，该系统应遵循的原则为“统一规划、统一设计、分步实施、分级建设”。

（1）系统概述。

●建设目标：

通过建立一个水务资源的分布式管理系统，保证资源数据的集中性、一致性、完备性、可靠性；

通过该分布式管理系统的建立，使涉水业务中的各类资源及环境、设备及其业务处于规范的管理和监控之下，为日常管理和维护提供方便、功能多样化的辅助工具，提高工作效率；

通过该系统的建立，实现水资源的合理调配、水质的监测与管理等，在日常水资源建设保护、防汛抗旱中为各级领导指挥调度提供决策参考；

通过该系统的建立，使水资源管理工作由传统的文字、报告形式，提高到统一的空间定位、空间分析与应用、高效的数据库管理、专业的水利计算与图文并茂的信息管理模式，为水资源的调度与管理、水污染的监测和治理提供了实时、准确的决策支持。

●需求分析及设计：

一是信息管理平台的建设，即数据存储与处理系统。数字水务信息系统所要传输的业务主要包含以下内容：

业务数据：自动采集、测报分站点水情、水文数据；

业务话音：人工采集数据上传，调度命令的上传下达电话；

普通数据：水利行业OA应用，Internet／Intranet应用数据；

办公话音：除业务话音外的日常办公、通讯电话；

视频业务：水情、工情、险情的监控图像，视频会商系统。

二是综合通讯网络平台的建设，即数据传输系统。系统网络采用开放结构，满足多业务应用。要满足不同的设备联网和不同厂家的应用软件平滑连接或移植，必须充分利用邮电或广播电视的公网系统，结合水利工程实时的光纤专网，建成一个覆盖各闸站及水文、水质监测站点的平台。

三是数字水务综合通信系统的传输方式，具体包括：

利用点到点／点对多点的数字微波技术；

利用通讯卫星转发器提供的信道资源；

通过租用公网光纤公用通路，实现透明光纤通信传输系统；

利用集群移动通信技术，建立基站、分站集群移动通信传输系统；

利用数字程控交换技术，建设数字程控交换通信系统；

利用短波、超短波通信和机电警报技术，建设无线反馈通信系统；

利用公网或专网光纤、铜缆，建设城域、局域网络；

利用其他方式，包括利用公网提供PSTN／GSM／X．25／FR／寻呼网络等通信方式。

四是绘制数字水务信息系统总体框架图（见图1）。

图1 数字水务信息系统总体框架

五是系统的设计思想及技术特色。

先进的系统设计思想：基于水资源的专家模型库和水务业务管理流程，基于单一的开发平台和简单的运行环境，基于动态实时性的资源管理方式和面向对象的设计思想，所见即所得。

分布式的网络体系结构。

强大的数据处理能力。

系统的特性：安全性、可维护性、易操作性、可扩展性、开放性。

（2）数字水务信息管理系统。加强水资源统一管理，提高水的利用效率，建设节水型社会是水利现代化的核心任务。以现代水管理手段和技术、现代水资源管理体制和运行机制为支撑，在对水资源开发、利用、治理的同时，特别强调对水资源的配置、节约和保护，注重流域生态建设。通过数字水务信息管理系统，能有效地促进从传统水利向现代水利、可持续发展水利转变，有力地推进水利现代化进程。

以先进的遥感、GIS、数据库、计算机网络、软件工程、信息工程、多媒体、Web等多种技术，使系统平台具有“实用、先进、实时、可靠、开放、规范，界面友好和便于扩展”等特点。根据不同的应用层面，分别开发水质监测系统、水土保持与生态环境监测系统、防汛抗旱减灾管理、水价仿真分析、节水农业管理、节水政务、节水工程建设与管理信息、节水型社会建设公众服务、决策会商等信息管理系统、水资源管理及辅助决策。

（3）分布式的网络体系结构。系统采用client／server（C／S）方式和browser／server（B／S）混合的分布式的体系结构，可以采用两级或三级客户／服务器结构。

局域网与广域网的应用在当前的环境下有各自的优点。局域网的应用安全性高、性能好、配置简单，其应用构架为C／S结构；广域网下应用伸缩性好，总体拥有成本低，其应用构架为B／S结构。

●C／S方式用于数据维护和管理。数据录入、修改、查询统计、财务数据的统计、地图、各种工单及统计报表的打印、用户管理等。

●B／S方式用于信息查询和浏览、信息发布。功能包括：水务资源和用户的查询统计、财务数据的统计。

上述B／S也是未来数字水务管理系统在结构体系上的发展方向。水资源管理信息系统和数据传输网络分别见图2、图3。

三、顺德市水务系统

1．简介

（1）工程概况：顺德市地处珠江下游冲积平原，地势低洼，历史上洪涝灾害频繁，水利的重要地位和作用十分突出。进入20世纪90年代以来，顺德的水利事业与国民经济同步迅猛发展，对水利工程的硬件和软件提出了更高的要求。为了全面实现顺德水利工程现代化，在全市水利工程以及堤围改造的基础上，水利信息化和水利工程集中监控提到了重要的位置。

（2）总体设计原则和思路：

●总体设计原则：“技术先进，安全可靠，易于维护，扩展性强”。

图2 水资源信息管理系统和数据传输网络

图3 水资源管理信息系统

●总体设计思路：

整个工程要设计成一个高可靠性的系统；

现场泵闸站的设计要达到“无人值守”；

监控系统设计成先进、可靠、扩展性好的网络；

融合多媒体技术、PLC技术和网络技术，设计和配置可靠的、成熟的、先进的、合理的接口界面（软件和硬件），将多种专业技术有机地结合在一起，构成监控通讯系统，为生产调度、生产指挥、实时监控、降低生产运行成本、提高管理水平，提供行之有效的手段。

（3）系统需求分析和设计内容：

●必须充分利用邮电或广电的公网系统，结合水利工程实时集中监控的光纤网，建立建成一个覆盖各闸站及水文、水质监测站点的通信网络系统，建立一个起点高和适度超前的中心信息管理平台。

●调度中心系统构成采用同行业最先进、最成熟的软硬件平台，并且能实现平稳升级，具有较强的兼容性和可扩性。计算机网络采用开放结构，满足多业务应用。能够满足不同的设备联网和不同厂家的应用软件平滑连接或移植，采用的关键设备必须是可靠的品牌产品。控制系统采用分层、分布式系统结构，满足分级监视和控制要求。

●在构建“数字流域”信息系统时，需要考虑以下几个方面：

海量空间数据的管理；系统的开放性；空间建模及分析能力；系统的综合信息发布能力及系统的可伸缩性。

（4）分层分布式网络结构图（见图4）。

图4 分层分布式网络结构图

2．SCADA监控系统

（1）SCADA监控系统原理图（见图5）。

图5 SCADA监控系统原理图

（2）网络通讯系统。

●网络设计原则。网络通讯规约拟采用国际通用的开放性规约，以利于今后系统的扩展升级以及与各个相关水利系统的整合。从通讯技术的发展来看，基于TCP／IP协议的网络技术是今后网络发展的方向，建议不论在水闸还是在系统间的信息传递，均以TCP／IP协议为基础，图像信息传输均以IP包的方式来传送。

●网络分层建设。调度中心拟接入的泵、闸站点约有40多个。由于站点到调度中心绵延几十千米，传输距离长、气候及地理环境复杂，监控数据的实时传送、监控设备运行状态实时的监视均需要可靠的通讯系统作保证。根据现代通讯技术的发展趋势，根据对有线通讯、无线通讯和光纤通讯的比较和设计者多年来从事水利自动化工程的经验，认为调度中心综合自动化监控系统的通讯传输应采用光纤专网为主干网，公网和无线通讯相结合的综合通讯网络。

●租用和敷设光纤的比较。租用光纤设备方式的优点是：一次投资费用小，光纤设备的日常维护由通讯公司完成，图像与数据信号在租用网上传输也能满足监控需求；其缺点是：租用光纤设备方式需定期向通讯公司支付租用费用，有时网络带宽可能得不到保证。

●无线网络通讯方案。无线以太网作为新兴的技术，受到广泛使用，本工程中在比较开阔的地方采用无线扩频技术非常适合，建网方便、成本低、网络速率最高可达11M／s，传输图像效果好，且传送基于IP网络协议是一种很好的网络通讯方式。

（3）监控中心。监控、监视系统是整个工程调度中心系统的基础，直接监测、控制、采集现场视频图像，是水利实现自动化的关键，因此，作为排灌工程调度中心系统的第一构建步骤，即本工程的首期工程，本方案设计书将作重点说明。

监控系统包括现场监控站和监控中心；现场监控站主要实现对闸、站运行技术参数的自动监测，如闸站水位（上游、下游水位），闸门开启高度、流量，泵站开启状态，泵站流量，电机工作电流，电机进线电压，电机温度等；闸站的视频实时监视系统，实时监视各节制闸、船闸，泵站及机房的工作状态，监视画面可通过广域网传输；对闸、站的区域性自动化集中控制，各闸、站可根据不同情况采取不同的运行控制方式（如根据降雨及水位的变化来自动控制；在控制中心遥控控制；现场手动控制等），有关人员也可通过计算机广域网系统来实施对有关水闸及泵站的远程遥控开关控制。实时遥测水质（COD、溶解氧、总氮、总磷、氨氮）的监测。

（4）视频会议系统。视频会议系统（见图6）是一个基于Internet和宽带传输的实时远程协作系统，新一代视频和实时远程多媒体交互式系统。基于分布式多

图6 视频会议系统

服务器系统，兼顾各种网络服务的应用，传输最高品质的音频和视频。视频会议系统的结构为：市水利局中心会议室、三防信息指挥中心会议室、监控中心会议室、市属下各水利分局会议室、管理和传输系统。市水利局，三防信息指挥中心，监控中心，市属下各水利分局通过实时监控系统远程IE浏览流域水利闸、站水利参数和现场闸、站、堤岸实时图像。通过本视频会议系统，还能召开远程交互式视频会议，指导防汛工作。而且还能与其他科室进行可视化办公；可以任意选取任何一路视频及语音，并可录像和录音存档。

（5）系统组成。监控中心由管理服务器、控制计算机、通信控制器、CCTV系统、以太网、网络集线器、UPS、模拟屏等设备组成。调度中心与远程水闸控制站都有通讯通道连接。监控中心将采集到的整个系统各站的数据信息加以处理、储存、显示，以此来了解各站的运行情况及水位等情况，并调度各站的运行。调度中心可对下属各站下达调度命令和全局数据，在中央控制模式时还能直接操纵现场设备。就地控制分站的自动控制程序能根据来自监控中心的指令和全局数据，结合现场设备的具体情况来控制本站的运行。操作人员也可以在就地控制分站的操作柜前直接控制现场设备。

监控系统的SCADA软件留有与信息管理系统的接口，接口规约为ODBC（开放式数据库连接）。一旦业主需要建立信息管理系统，监控系统可通过这个标准接口为信息管理系统提供监控数据。

（6）控制模式。控制模式遵照“分散控制集中管理”的原则分3层控制实现：

●中央控制层：中心调度控制室直接发布控制命令，控制命令通过现场泵闸站就地PLC实施。

●就地控制层：此控制层优先级别高于中央控制，由各分站就地PLC（或RTU）控制各设备的开、关及关联设备的联动、连锁控制。就地控制分就地手动和就地自动控制。就地手动控制指操作人员可以按动就地PLC（或RTU）柜面板上的MMI按钮，手动控制该设备的开、停。就地自动指在建立调度运行模型后能根据水情自动完成泵站及水闸的自动控制运行调度。

●机侧控制层：具有最高的控制优先级，在PLC（或RTU）柜上，当控制方式手柄处于“机侧操作”时，或PLC（或RTU）的控制被屏蔽时，现场设备均可以在配电屏或电气控制柜上实现手动控制和检修。这些配电屏或电气控制柜需提供基本的控制连锁或联动。

（7）系统主要功能。数据处理功能、报警处理功能、事件处理功能、显示功能、调度控制功能、信息管理功能。

（8）设备配置。

计算机主机：HP VL400；

网络集线器：3COM 3C16610；

激光打印机：HP LJ1100le；

针式打印机：EPSON LQ1600KIII；

不间断电源（UPS）：6kVA／1H；

模拟屏及其控制器；

背投式一体化显示屏；

监控软件。

（9）软件系统。本系统提供完整的、成熟的适合于水系工程特点的系统软件、监控软件和应用软件。

●系统软件选用Windows NT实时多任务操作系统。

●监控软件。监控软件选用的是美国Wonderware公司的Intouch监控软件，是基于操作系统的人机界面（HMI）软件，是创建人机界面应用的最快捷和最容易的方法，包括ActiveX控件、OLE、图形、网络等。还可以通过添加自定义ActiveX控件、向导、常规对象，以及创建InTouch QuickScript扩展，来扩充InTouch的功能。

●应用软件。软件方案对包括数据流向、软件内容、功能模块划分、通讯协议等均相应作出设计。系统的可靠长期稳定运行，不仅基于可靠的产品和设计，同时取决于业主对系统的要求及其定位，以及业主在系统设计、编制、调试和最终系统的验收等。

3．现场自动化RTU系统

（1）系统描述。现场自动化RTU系统即数据采集系统，是“数字水务”工程建设的基础，具备数据广泛性、采集快捷性、数据存在应时性的特点。“数字水务”采集系统采用人工和自动采集相结合、卫星遥感和雷达扫描相结合的方式获取数据，并对外部数据进行有效整合。该系统包括通讯网络、远端终端单元（RTU）、SCADA中心站和采集各种信息的传感器。SCADA系统具有远程操作监视、控制、诊断和本地控制过程；RTU具有模块化和可扩展性，可实现数字量和模拟量输入、输出，并支持多中心通讯方式。

RTU系统对现场站的设备（如：异步电动机及水泵、液压启闭闸门、供油泵、冷却水系统等）的数据进行采集和控制。系统主要由PLC数据采集控制单元组成。机组的温度检测和电量测量由相应的机组微机保护装置中的温度检测模块和电量测量模块来完成。机组RTU的PLC与机组微机保护装置间采用Modbus－RTU通讯。

（2）RTU控制柜。

●RTU柜的配置及技术要求：

每个柜内配备一套PLC控制器；

每个柜中配备一台UPS，容量不小于1．0kVA；

每个柜中配置足够的接线端子。

●PLC技术性能的一般要求。各站就地PLC技术性能：PLC应采用模块式结构，各远程分站PLC应采用同一型号同一系列，以保证系统和维护的一致。

（3）现场站的软件控制。

●数据采集：对过程数据自动进行巡回采集和存贮，采样周期小于100ms。

●泵闸站的控制：各泵闸站的泵闸控制，一般情况下按中心调度控制室调度指示或由其直接控制。但就地PLC应按运行要求设置相关的连锁。如低水位时泵不能启动、按分区运行时该关的闸门未关应报警等等。

●事件顺序记录：事故记录按类划分，并有时间标记。

报警信号：检测到设备不正常时，应将设备号以状态字的格式向中心调度控制室报告，报警发生时应有声光提示，提请操作人员注意；

接受调度命令；

编程语言：梯形图、结构文本语言、顺序功能流程图。

4．图像监视系统

（1）系统描述（见图7）。

图7 图像监视系统

根据系统的具体特点，系统配置以先进、实用为前提。由于环境的特殊性，设备选型以进口产品为主。考虑晚间的照度较低，特别在暴雨等环境下，现场照度更低，因此要求使用低照度进口摄像机（一般摄像机满足不了上述环境的使用要求）。在信号传输上采用同轴电缆传输，这种传输可以满足小于0．5千米以内的距离要求。中央控制室的监视设备采用数字硬盘录像主机、专用控制键盘。以计算机控制方式处理图像，采用电脑液晶彩色显示器作为图像显示设备，以使图像清晰稳定。

（2）设备组成。

●16路数字硬盘监控系统采用韩国POS Watch的产品。具体功能特性如下：

POS Watch是一款采用RTOS实时操作系统和MPEG4压缩技术，具有强大的网络功能，带有数字矩阵、云台控制、报警联动录像功能的嵌入式专业级数字录像监控系统。

●操作键盘：本工程采用POS Watch公司专用的STD操作键盘。

●摄像机：本工程采用Yamano公司的超低照度数字化彩色CCD摄像机。1／3″DSP红外线彩色摄像机，采用高灵敏度红外线摄像原件、电子快门、背光补偿处理。

●镜头：本工程采用日本精工公司生产的AVENIR镜头、SSG0812自动光圈镜头、SSL06060可变镜头。

（3）系统特点。

●所采用的摄像机能够最大范围地观察站内外及周围环境，通过控制云台、镜头能够观察细微变化；

●所有室外摄像机可以适合晚间工作，在低照度的情况下，同样可以获得比较清晰的图像画面；

●对所有主控设备实行集中管理，采用数字硬盘图像监控系统，使图像监视系统更清晰、更稳定和可靠；

●录像系统能够手动或自动录制设定的监控画面的图像，以备查询；

●要求摄像机系统设备的防水性好；

●工程所处雷电频繁活动区，极易引起雷击而使设备遭到破坏，要求系统具有完善的防雷接地措施，如在电源线、信号线和户外设备上增加防雷器，以增加系统的可靠性等。

5．本系统主要特点

（1）集光机电一体化、电子信息技术、数字数据通讯为一体。

（2）采用现代化的通讯技术、自动化技术、计算机技术及多媒体技术。

（3）结合目前世界上先进的测量技术，对诸如流量、水质、水位等参数进行在线的实时监测。

（4）对城市污水排放及处理、原水和自来水输送、调配进行实时监视与控制。

（5）对水利工程以及泵站抽水机组，闸门、船闸等进行实时监视与控制。

6．系统建成后达到的目标

系统建成后达到的目标是：实现“遥测、遥控、遥调和遥视”的功能。

（1）实现各水闸泵站工程运行技术参数监测；各站点的水位、雨量、水质的实时监测；水（船）闸、泵机运行情况实时视频图像监视；闸、泵站的集中自动化控制及远程遥控等。

（2）通过建设GIS地理信息系统和应用数据库技术构建合理科学的水利模型，建立一个集计算机技术、数据库技术、通讯技术、水文、地质等多项技术为一体的综合性信息系统。

（3）在此基础上，应用数据库技术建立调水调度辅助决策系统和水闸运行调度指挥系统，给领导科学、合理地调度水利工程提供决策依据，同时也为领导提供一个网上远程控制水利工程运行的环境。

7．应用效果

该项目的建成和投入运行，将带来巨大的效益和深远的意义。

（1）社会效益：提高了堤围水闸站、电排站运行的自动化水平和现代化管理效率，对确保设备的正常运行、保障人身安全，提升水利工程的整体形象和水平等级，具有重要的意义，也必将为顺德市的水利现代化发挥巨大的社会效益。

（2）经济效益：该项目的建成投入运行，通过精简水闸站、电排站的运行值班人员，提高运行可靠性，会取得一定的经济效益。估计在5～10年收回建设费用。并在时效性、实战性和科学防洪治涝灾害方面都将有显著的提高。

（3）防洪效益：本项工程优化了防洪调度方案，提高了北滘镇的防洪工程体系的可靠性，具有明显的减灾防灾效益。

（4）水资源综合利用效益：实现水利工程自动化监控，将有利于水资源利用和水质的保护，水资源的联合调度所产生的效益将越来越明显。