1. 行業(yè)背景

1.1．現(xiàn)狀

某灌區(qū)位于灤河以南，沙河以東，北靠京山鐵路，南臨渤海。包括唐?？h東西灌區(qū)，灤南縣群眾灌區(qū)，樂亭縣灤樂灌區(qū)，豐南縣南部及軍墾農(nóng)場。灌區(qū)管理處則承擔著整個灌區(qū)的供水任務，供水任務非常艱巨，但意義重大。其管轄的輸水總干渠總長110千米，沿渠分布著113座閘門及105臺水泵，年平均引水量7億立方米,其經(jīng)濟和社會效益十分顯著。

由于自動化水平的滯后，灌區(qū)的科學化調(diào)度困難重重，配水和用水之間的矛盾經(jīng)常發(fā)生，并時常造成人力、財力的浪費，貽誤灌溉良機。為提高區(qū)域有限灌溉水資源的抗旱能力和取得最大的灌溉效益，分析區(qū)域間水源關系，在各灌溉區(qū)域內(nèi)部建立多水源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，實行多水源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)配，以提高灌溉保證率和灌溉效率。因此從節(jié)水節(jié)能及現(xiàn)代化管理要求出發(fā)，必須建立灌區(qū)自動化調(diào)度系統(tǒng)。

1.2．需求分析

在這種背景下，灌區(qū)的信息化建設更是至關重要，灌區(qū)信息化就是充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，深入開發(fā)和廣泛利用灌區(qū)管理的信息資源，包括信息的采集、傳輸、存儲和處理等，大大提高信息采集和加工的準確性以及傳輸?shù)臅r效性，做出及時、準確的反饋和預測，為灌區(qū)管理部門提供科學的決策依據(jù)和提高管理效率、降低管理成本，提高灌區(qū)管理的效率和水平，以促進灌區(qū)實現(xiàn)科學管理和高效管理。

2. 灌區(qū)數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)方案設計

2.1．方案設計簡介

灌區(qū)信息化系統(tǒng)由兩級網(wǎng)絡組成，其中調(diào)度中心站、泵站遙控站通過開通專用光纖信道組成水利專網(wǎng)，傳輸遙控數(shù)據(jù)、視頻流等測控信息；各遙測站與中心站通過超短波組成無線通訊網(wǎng)絡，傳輸實施水情工情數(shù)據(jù)等信息。移動狀態(tài)用戶可以利用GSM網(wǎng)進行手機查詢和定制。在此基礎上，按照灌區(qū)管理實際需要，選擇配置成熟的應用軟件，形成以信息采集系統(tǒng)、灌區(qū)綜合數(shù)據(jù)庫及信息處理系統(tǒng)、灌區(qū)調(diào)度管理決策支持系統(tǒng)、灌區(qū)自動化監(jiān)控系統(tǒng)、灌區(qū)辦公自動化系統(tǒng)、財務管理及水費計收系統(tǒng)、水務公開系統(tǒng)等為主的灌區(qū)管理應用系統(tǒng)。

2.2灌區(qū)數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)建設目標

立足現(xiàn)有工程設施，緊密結(jié)合泵站灌區(qū)特點，有效利用計算機自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、遙測傳感技術(shù)、通信技術(shù)、多媒體技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，在做好信息化規(guī)劃的基礎上,因地制宜、分步實施，充分吸收和借鑒各種成功的灌區(qū)信息化建設模式，形成一套科學合理、運作高效的管理調(diào)度決策支持系統(tǒng)，進一步優(yōu)化整合系統(tǒng)資源，拓展完善供水服務體系，從而保障灌溉供水的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，全面提高灌區(qū)的管理水平和經(jīng)濟效益。

2.3系統(tǒng)網(wǎng)拓撲圖

灌區(qū)數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)根據(jù)功能分為數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場監(jiān)測站、灌區(qū)信息化調(diào)度中心和各泵站3個層次（如圖示）。

1）各遙測站

對沿線引水閘、節(jié)制閘、上下游水位、閘門開啟高度，設備運行狀態(tài)以及其他監(jiān)測站點的水位、雨量等參數(shù)進行適時監(jiān)測、自動傳輸、處理備份。

2）配水站

各配水站直接控制各級泵站的開停機和各級節(jié)制閘、進水閘、分水閘的啟閉高度。同時監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測各級渠道的流量，并反饋給調(diào)度中心，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3）智能化調(diào)度中心

按給定的運行條件（如灌溉制度、給定流量、開度、時間等指令），根據(jù)采集的信息數(shù)據(jù)進行決策，優(yōu)化選擇并運行灌區(qū)既定的水量調(diào)度方案，發(fā)送閘門自動調(diào)控指令和泵站得取水指令，并進行自動記錄打印，實現(xiàn)調(diào)度決策智能化。同時對防汛、水量、水費等特殊因素，由信息管理人員通過計算機網(wǎng)絡運行特殊的調(diào)度方案。

3. 遙測站

遙測站通過各種傳感器檢測水情、工情、雨情、墑情、地理數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、沿線引水閘、節(jié)制閘、上下游水位、閘門開啟高度、設備運行狀態(tài)等參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡GPRS將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳回控制中心的實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)整個灌區(qū)的數(shù)據(jù)共享。

由于整個灌區(qū)地域廣，建設有線網(wǎng)絡比較困難，很多數(shù)據(jù)需要通過無線網(wǎng)絡進行傳輸，而大多數(shù)軟件采用的是虛擬串口的連接方式非并發(fā)處理，效率低下不穩(wěn)定。力控軟件采用獨立的CommBridge組件，數(shù)據(jù)為并發(fā)處理、完全透明的解決方案，從而消除了一般軟件將GPRS網(wǎng)絡綁定虛擬串口的查詢訪問方式造成數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的隱患。

4. 配水站

各配水站直接控制各級泵站的開停機和各級節(jié)制閘、進水閘、分水閘的啟閉高度。同時監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測各級渠道的流量，并反饋給調(diào)度中心，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

泵站、變電站、節(jié)制閘現(xiàn)場測控網(wǎng)是由各泵站、變電站、水管站現(xiàn)場工作站及與之連接的各個現(xiàn)地監(jiān)控單元組成，以現(xiàn)場總線方式連接，站控系統(tǒng)軟件采用力控FCPower電力電氣監(jiān)控組態(tài)軟件實現(xiàn)。

力控電力電氣監(jiān)控組態(tài)軟件FCPower結(jié)合了通用組態(tài)軟件和電力專業(yè)技術(shù)，是使用先進的計算機軟件編程技術(shù)開發(fā)的專業(yè)電力系統(tǒng)自動化的組態(tài)軟件，適用于變電站綜合自動化、電廠電氣監(jiān)控（ECS）、企業(yè)供配電自動化、水電站綜合自動化及樓宇配電自動化等后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

4.1主要功能簡介

根據(jù)泵站設備工作操控流程設計為監(jiān)控界面系統(tǒng)(主控界面、配電系統(tǒng)界面 、單機組界面、綜合參量界面)，操控流程（配電系統(tǒng)、機組系統(tǒng)、綜合監(jiān)控），日志系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存貯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡發(fā)布系統(tǒng)，邏輯參量修正系統(tǒng)、控制輸出系統(tǒng)，查詢系統(tǒng)，安全維護系統(tǒng)，報表系統(tǒng)。

4.1.1 監(jiān)控界面系統(tǒng)

監(jiān)控界面系統(tǒng)為人機交互的主界面環(huán)境，它以WINDOWS窗口為主體劃分為系統(tǒng)菜單欄、工具欄、主監(jiān)控顯示區(qū)、系統(tǒng)狀態(tài)欄。

4.1.2 系統(tǒng)菜單欄

系統(tǒng)菜單欄包括：系統(tǒng)設置、界面切換、參量設置、日志管理、報表、設備操控、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡管理。

系統(tǒng)菜單欄包涵全系統(tǒng)的功能管理，如圖所示。

4.1.3 主監(jiān)控顯示區(qū)

主監(jiān)控顯示區(qū)以泵站電氣線路連接圖為背景標示各參量數(shù)據(jù)，點擊各動態(tài)組件可查看動態(tài)細節(jié)圖，示意圖如下：

4.1.4 系統(tǒng)狀態(tài)欄

顯示系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)，如時間、發(fā)送速率、模塊信息、采樣等。

4.1.5 窗口環(huán)境

用戶接口應支持同時在屏幕上進行重疊或平鋪的多窗口顯示。這些窗口可由用戶選擇，并能夠移動和縮放，以滿足用戶不斷變化的需要。

每個窗口在其外邊都有一個邊界或窗口框，并提供下列元素：

☆標題區(qū)域，用以識別窗口內(nèi)的顯示內(nèi)容；

☆最大化按鈕，用以將窗口增大至覆蓋整個顯示屏；

☆最小化按鈕，用以將窗口減小至一個圖標；

☆再生尺寸功能，用以改變窗口的初始大??；

☆窗口菜單按鈕，用以顯示該窗口支持的一系列控制操作；

每個操作臺上的一個窗口應作為活動窗口，允許用戶通過它與系統(tǒng)進行交互操作，而其它所有窗口仍應繼續(xù)顯示并刷新，通過點擊另一個窗口邊界內(nèi)的任意區(qū)域，可激活該窗口，窗口的邊界應改變顏色，以表明該窗口為活動窗口，活動窗口應顯示在其它重疊窗口的頂部。

窗口接口至少包括以下特性：

☆菜單欄，位于顯示窗口的頂端，緊靠標題欄的下部，它包含進入下拉菜單的按鈕；

☆工具欄，位于菜單欄下部，包含一些經(jīng)常使用功能的便捷鍵；

☆彈出菜單，包含一組從可控顯示元件（如：斷路器、水泵、進水閘門）進入的控制按鈕；

☆控制按鈕，按鈕上帶有文字或圖形標簽，以指示選擇該按鈕時所執(zhí)行的何種操作；

☆水平或垂直滾動條；

計算機系統(tǒng)通過各種類型的TFT顯示畫面來支持用戶對系統(tǒng)功能進行交互操作，這些畫面不僅應包括全局顯示，還包括圖形、表格以及棒圖顯示。

FCPower提供了三種報表工具：FCPower內(nèi)置報表組件、專業(yè)電力報表、基于Excel的報表工具，可方便用戶制作任意復雜的報表系統(tǒng)。

組態(tài)軟件操控流程分為系統(tǒng)流程、初始化流程、配送電流程、故障保護機制、相關參量測控流程、查詢流程、數(shù)據(jù)存貯與發(fā)布流程。

組態(tài)軟件軟件系統(tǒng)在主構(gòu)架驅(qū)動下分層次、按模塊，完全根據(jù)系統(tǒng)消息狀態(tài)自動進行有關流程處理。

所有控制操作都應通過選擇系統(tǒng)圖表或圖形顯示上的目標或從相關的彈出菜單（對話框）上選擇有關控制命令來執(zhí)行。

通過軟功能鍵或通過調(diào)度員特殊功能鍵盤，都可實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的任意或所有操作，如報警確認、生成報表、發(fā)出控制命令、插入意見、提供標簽、送出信息、要求趨勢顯示、交互執(zhí)行應用程序功能以及重新配置計算機系統(tǒng)等。

人機接口可在屏幕上提供不同的顏色、符號和指示（如閃動的顏色），以表示正常和非正常情況。所采用的顏色、符號以及指示信號至少應能區(qū)別輸水線路上不同的元件和設備。表示系統(tǒng)各元件的顏色、符號、指示信號均能夠自動設定。用戶既能夠?qū)σ粋€獨立的調(diào)度員記錄進行諸如進入、存儲、恢復、修改、刪除等操作，也同樣能夠?qū)τ嬎銠C系統(tǒng)所附的自由格式的記錄進行相同的操作。

不論是通過鍵盤還是鼠標執(zhí)行的多步驟操作，都有時間限制。如果系統(tǒng)或用戶在預先規(guī)定的時間內(nèi)沒有對下一個邏輯步驟作出反應，該過程應被復位，并且應對這種超時情況產(chǎn)生一個報警。如果調(diào)度員沒有緊跟下一步驟，工作站的屏幕顯示器應出現(xiàn)一個指導信息，這時如果用戶開始執(zhí)行另一個不相關的指令，前一個已完成部分步驟的操作將被自動取消。

各現(xiàn)場工作站是各泵站、變電站、節(jié)制閘現(xiàn)場監(jiān)測控制的主體，各自相互獨立，主要承擔對所轄范圍內(nèi)所有機電設備、工程設施運行狀況的監(jiān)測、控制，實時將各設備、設施運行參量上傳至監(jiān)控調(diào)度中心工作站，無條件執(zhí)行灌區(qū)監(jiān)控調(diào)度中心的各項工作指令。緊急情況下，各現(xiàn)場工作站也可脫開監(jiān)控調(diào)度中心完成對所轄范圍設備、設施監(jiān)測控制，并可支持辦公自動化系統(tǒng)、水務公開系統(tǒng)、財務管理及水費計收管理系統(tǒng)等應用系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。各泵站、變電站、節(jié)制閘工作站之間可通過通信以太網(wǎng)與管理局局域網(wǎng)及其它站閘完成語音數(shù)據(jù)通信、信息交換和查詢。各現(xiàn)地控制單元主要完成對本單元測控對象各類運行參數(shù)的實時檢測和上傳，執(zhí)行各現(xiàn)場工作站下達的各項工作指令，在緊急情況下現(xiàn)場工作人員也可對測控對象實施手動控制操作，且手動操作具有優(yōu)先級。

5. 智能化調(diào)度中心

智能調(diào)度中心是整個灌區(qū)信息化的核心，該調(diào)度中心安裝力控實時數(shù)據(jù)庫軟件pSpace，在環(huán)保中心力控實時數(shù)據(jù)庫pSpace負責匯集來自各現(xiàn)場監(jiān)測站的實時數(shù)據(jù)，為客戶端提供實時、可靠、安全的數(shù)據(jù)，并且給中心的關系數(shù)據(jù)庫提供有效的數(shù)據(jù)。過程數(shù)據(jù)平臺選擇實時歷史數(shù)據(jù)庫pSpace，其優(yōu)點是灌區(qū)管理中心和各分中心平臺統(tǒng)一，采集接口豐富，可以適應不同數(shù)據(jù)源的采集；實時性高；可以存儲大批量的過程歷史數(shù)據(jù)；結(jié)合關系數(shù)據(jù)庫可完成管理類數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。而單獨采用關系數(shù)據(jù)庫，對多種數(shù)據(jù)源（ACCESS、OPC、GPRS）的采集難以實現(xiàn)，基本不具備采集功能，對整體系統(tǒng)的兼容性和擴展性有影響，并且實時性較差，灌區(qū)管理中心和各分中心做不到無縫連接。

pSpace數(shù)據(jù)庫運行于灌區(qū)管理處，用于建立水位、閘位等數(shù)據(jù)庫，雨情數(shù)據(jù)庫、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫、工情數(shù)據(jù)庫。負責整個灌區(qū)數(shù)據(jù)采集、存儲、檢索和大部分的管理數(shù)據(jù)平臺建設，負責建設此設計概要下提出的五個子數(shù)據(jù)庫中的工程資料數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)庫、分析評價數(shù)據(jù)庫、方案建議數(shù)據(jù)庫。方法庫的部分功能應用則結(jié)合SQL 2000實現(xiàn)，為SQL 2000提供原始數(shù)據(jù)和部分方法模塊。

智能調(diào)度中心的客戶端軟件采用力控eForceCon SD，力控eForceCon SD監(jiān)控組態(tài)軟件構(gòu)成的控制系統(tǒng)可以構(gòu)成先進的、分布式冗余、容錯架構(gòu)，該產(chǎn)品采用分布式組件設計，適應網(wǎng)絡的多人協(xié)作與并行開發(fā)，保證了軟件的可“伸縮性”非常強，適應了“e”時代的要求，結(jié)合. NET平臺技術(shù)，集成了web service技術(shù)，輕松構(gòu)建小區(qū)實時信息門戶，開發(fā)過程采用了先進軟件工程方法，使產(chǎn)品品質(zhì)得到充分保證，該產(chǎn)品的設計避免了目前市場上各類軟件不是操作過于復雜就是功能過于簡單的弊病。

強大的分布式報警、事件處理，支持報警、事件網(wǎng)絡數(shù)據(jù)斷線存儲，恢復功能并增加聲音、郵件和短信報警通知方式，全新的多線程IO調(diào)度程序，使通訊效率更高、速度更快。

支持腳本在線調(diào)試，支持變量智能搜索功能，變量構(gòu)件模板保證快速生成網(wǎng)絡工程，支持多語言切換，保證多語言版本穩(wěn)定內(nèi)核，海外擴展更方便，可以充當力控小區(qū)實時歷史數(shù)據(jù)庫pSpace 5.0的客戶端，與pSpace系統(tǒng)無縫集成，可以和地理信息系統(tǒng)（GIS）、ERP系統(tǒng)等諸多第三方軟件系統(tǒng)進行無縫連接與集成，支持PDA掌上終端和IE瀏覽器訪問力控的WEB服務器。

5.1調(diào)度中心各功能模塊簡介

5.1.1灌區(qū)自動化監(jiān)控

灌區(qū)自動化監(jiān)控系統(tǒng)由灌區(qū)監(jiān)控調(diào)度中心工作站、各泵站、水管站現(xiàn)場工作站及其現(xiàn)場測控單元組成。該系統(tǒng)依托灌區(qū)信息采集系統(tǒng)和綜合數(shù)據(jù)庫的信息支持，以各類圖表、圖形實時顯示各系統(tǒng)流程圖、實時狀態(tài)圖、接線圖以及關鍵設施、設備的運行參數(shù)，從而實現(xiàn)對全灌區(qū)系統(tǒng)的全面監(jiān)控；可準確執(zhí)行灌區(qū)調(diào)度決策支持系統(tǒng)下達的各項工作指令，根據(jù)灌區(qū)調(diào)度需要，完成對各泵站機組、各支斗口閘門、各變電站開關的遠動程序化操作控制，實現(xiàn)對泵站出水流量、閘門開度、水位高程的閉環(huán)調(diào)節(jié)調(diào)整，保證各類設施設備高效運行，基本實現(xiàn)各泵站、變電站、閘站“無人值班、少人值守”，從而大幅提高灌區(qū)運行效率，降低工人勞動強度；可及時了解掌握各設施設備的安全動態(tài)，自動判斷設施設備的不正常工作狀態(tài)，準確進行故障及事故的緊急處置，減少事故的范圍及損失，提高灌區(qū)運行的可靠性和經(jīng)濟性。

5.1.2水務公開

由綜合數(shù)據(jù)庫服務器、信息傳輸系統(tǒng)、各泵站、水管站現(xiàn)場工作站及分布于灌區(qū)各典型收益村鎮(zhèn)、各用水大戶等處的電腦顯示系統(tǒng)、電腦觸摸屏查詢系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)運用計算機語音仿真技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)，可使灌區(qū)所有水管職工和用水戶及社會各界人士隨時對自己及他人各類灌溉用水參數(shù)、水量及水費繳納情況進行電話查詢和電腦觸摸屏查詢，并能查詢灌區(qū)管理機構(gòu)、灌溉管理知識、水價優(yōu)惠政策等相關信息，使灌區(qū)供用水情況及灌區(qū)管理情況完全置于廣大用水戶的公開監(jiān)督之下，從而使灌溉管理透明化、公開化，徹底杜絕以水謀私等各類不正之風，更好服務于灌區(qū)用水戶及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。

5.1.3灌區(qū)調(diào)度管理決策支持

系統(tǒng)能根據(jù)信息采集系統(tǒng)所收集、檢測的各類農(nóng)作物需水情況、土壤墑情信息、水源水文資料、灌區(qū)區(qū)域氣象信息、灌區(qū)內(nèi)土地資源分布及農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、用水統(tǒng)計資料等生成階段性或灌季的生產(chǎn)供用水計劃，合理確定灌區(qū)的開機時間、提引水量、不同區(qū)域的灌溉制度及各級渠系的配水調(diào)度方案，避免單純依靠經(jīng)驗進行調(diào)配水可能造成的調(diào)度失誤及由此造成的水量浪費，提高灌區(qū)運行的經(jīng)濟性；還可以根據(jù)已出現(xiàn)的各類越限、事故報警，自動生成緊急事件的處置預案，供調(diào)度及管理人員參考，從而保證全系統(tǒng)各類設施設備的安全、經(jīng)濟、高效運行。

5.1.4 與GIS系統(tǒng)的無縫集成

力控eForceCon監(jiān)控組態(tài)軟件具有豐富的組件接口，軟件可通過GIS組件實現(xiàn)與GIS系統(tǒng)的無縫集成。GIS組件支持Mapinfo與ArcGIS的地圖文件格式，支持組件方式集成GIS-GPS的功能，利用腳本和VBA調(diào)用可充分互動。利用力控eForceCon監(jiān)控組態(tài)軟件與GIS系統(tǒng)的無縫集成，能夠把灌區(qū)灌溉、水利防汛抗旱業(yè)務中的各種信息與反映空間位置的圖形信息有機地結(jié)合在一起，根據(jù)用戶的需要對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析，并提供決策支持。

5.1.5與視頻系統(tǒng)的無縫集成

系統(tǒng)采用先進的數(shù)字處理技術(shù)，使得圖像質(zhì)量更高，更易于保存，通過網(wǎng)絡設備可以將圖像進行遠程傳輸，實現(xiàn)圖像的遠程監(jiān)視、遠程控制等功能。

系統(tǒng)軟件可以提供強大的圖像處理功能，調(diào)節(jié)圖像的亮度和對比度等，即使是在很低的照明度的情況下，也能得到高質(zhì)量的被監(jiān)控對像的圖像，并且可以將圖像保存為通用格式，在專業(yè)圖像處理軟件中進行進一步的處理。

結(jié)合當前先進的IT技術(shù)，基于SOA架構(gòu)、結(jié)合. NET平臺技術(shù)的力控eForceCon監(jiān)控組態(tài)軟件支持B/S和C/S混合模式，實現(xiàn)了與視頻監(jiān)控、多媒體無縫集成，數(shù)據(jù)和視頻有機結(jié)合。

6. 總結(jié)

采用國內(nèi)先進監(jiān)控組態(tài)軟件力控eForceCon SD、實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品力控pSpace激勵數(shù)據(jù)平臺，利用自動控制、網(wǎng)絡通信、計算機以及GIS 等信息技術(shù)構(gòu)建大型灌區(qū)信息化系統(tǒng)，建設能夠掌握灌區(qū)雨情、工情、水情、墑情、災情的信息基礎平臺和重點信息化應用系統(tǒng)，科學地制定水資源優(yōu)化調(diào)度方案，為防汛抗旱、節(jié)水灌溉、水力發(fā)電、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護等方面的決策提供科學依據(jù)，充分發(fā)揮已建工程設施的效能，實現(xiàn)資源共享和有效利用，促進灌區(qū)經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展，建立節(jié)水型農(nóng)業(yè)、節(jié)水型工業(yè)和構(gòu)建社會主義和諧社會，實現(xiàn)灌區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。