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摘要 东风渠渠首水资源 调度管理信息系统研究 模式识别与智能系统专业 研究生：赵春云指导教师：周新志 本文是结合四川省都江堰东风渠管理处的一个具体实际工程而完成的硕士 论文。 东风渠是都江堰最大的灌区，它位于以成都为中心的“天府之国”的腹心 地区，是举世闻名的都江堰水利工程的重要组成部份。灌区的水源主要是靠岷 江上游自然来水提供，并按照都江堰管理局配水计划进行引水，然后经各干、 支渠进行配水，通过这样的调配来使用灌区的水资源。东风渠除了担负工业用 水、生活用水、灌溉用水、生态环保用水外，还兼具防洪、发电、旅游、水产 养殖、水土保持等综合功能，对于成都的发展有着重要意义和作用。 作为灌区进水口的渠首站在整个灌区有着特殊地位，对于整个灌区的引水 和配水起着关键性的作用。本文就是以东风渠灌区为研究背景，根据渠首站的 功能需求和用户要求，设计了“东风渠渠首水资源调度管理信息系统”，实现 了灌区数据采集和数据处理、各种水情监视、闸门自动控制和灌区调度等功能。 本文的研究工作主要在以下几方面： 1 、结合东风渠渠首水资源调度管理信息系统的特点，对系统的体系结构进 行了深入研究。采用智能系统模型，构建了渠首水资源调度分层递阶的控制体 系结构，并对该体系结构中各层的功能进行了详细阐述。 2 、对系统整体的硬件实现和软件实现进行了研究。依据东风渠渠酋站水资 源调度管理信息系统的实际需求，阐述了实现思路，并设计了水情监测、闸群 控制、视频监控以及中控室模拟屏予系统的硬件和相关软件。 摘要 3 、对东风渠渠首闸群控制和视频监控等子系统的构建和实现进行了深入的 设计研究工作。 4 、针对东风渠渠首张家桥电站的用水调度问题，应用模糊控制理论进行了 水资源调度控制策略的深入研究，设计了调度控制规则和调度控制器，并已通 过了现场试验。 “东风渠渠首水资源调度管理信息系统”已经成功的投入运行，系统极大 的方便了渠首站的水资源调度管理，提高了东风渠灌区水利自动化和管理水平， 为整个东风渠灌区“数字水调”的建设工作搭建好了基础的平台。 关键词：水资源调度管理闸群模糊控制 些! ! ! ! ! ! s t u d yo nm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mo fw a t e r r e s o u r c e si nd o n g f e n gc a n a lh e a d p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l li g e n c es y s t e m g r a d u a t e ：z h a oc h u n y u n t u t o r ：z h o ux i n z h i t h i s p a p e r i sf i n i s h e db a s e do nap r o j e c ti nd o n g f e n gc a n a l d e p a r t m e n t d o n g f e n gc a n a li st h eb i g g e s ti r r i g a t e da r e ao fd u j i a n g y a n ，w h i c h i si m p o r t a n tp a r to fd u j i a n g y a nw a t e rp r o j e c t s t h ew a t e rm a i n l yc o m e s f r o mm i n ji a n gr iv e ra n disi m p o r t e da c c o r d i n gt ow a t e rd is t r i b u ti o np l a n b e s i d e sp r o v i d i n gw a t e rt oi n d u s t r y ，1 i v i n g ，i r r i g a t i o na n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ，d o n g f e n gc a n a lc a np r e v e n tf l o o d ，g e n e r a t ee l e c t r i c i t y ，e t e i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nd e v e l o p m e n to fc h e n g d u a st h ei n l e to fi r r i g a t e da r e a ，c a n a lh e a ds t a t i o ni sv e r yi m p o r t a n t t oi m p o r tw a t e ra n dd i s t r i b u t ew a t e r t h i sp a p e rd e s i g n sm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e mo fw a t e rr e s o u r c e si nd o n g f e n gc a n a lh e a da c c o r d i n g t of u n c t i o nd e m a n d sa n du s e rd e m a n d s t h es y s t e mr e a l i z e sd a t ac o l l e c t i o n d a t ad i s p o s a l ，w a t e rs i t u a t i o ni n s p e c t i o n ，g a t ec o n t r o la n di r r i g a t e d a r e ad is p a t c h i n g t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e di nf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e m ，h i e r a r c h yo fs y s t e mi sd e e p l ys t u d i e d i n t e l l i g e n c es y s t e mm o d e l i sa d o p t e dt os e tu pc o n t r o ls t r u c t u r eo fm u l t i l a y e r t h ef u n c t i o n so f l a y e r sa r ea l s oi n t r o d u c e d 2 s t u d yo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a c c o r d i n gt oa c t u a ld e m a n d so f c a n a lh e a d ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fi n s p e c t i o no fw a t e rs i t u a t i o n ， c o n t r o lo fg a t e sg r o u p ，v i d e ow a t c ha r ed e s i g n e d 3 t h es e t u pa n dr e a li z a t i o no fg a t e sg r o u pc o n t r o la n di n s p e c t i o n s u b s y s t e m sa r ed e e p l ys t u d i e da n dd e s i g n e d 4 p o i n t e dt ot h ed i s p a t c h i n go fz h a n g j i a q i a oe l e c t r i c i t ys t a t i o n ， f u s s yc o n t r o lt h e o r yi sa p p l i e dt oc o n t r o ls t r a t e g yo fw a t e rr e s o u r c e s c o n t r o lr u l e sa n dd i s p a t c h i n gc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e da n de x p e r i m e n t e d i nc a n a lh e a d m a n a g e m e n ti n f o r m a ti o ns y s t e mo fw a t e rr e s o u r c e si nd o n g f e n gc a n a l h e a dh a sb e e ns u c c e s s f u l l yi m p l l e dt oc a n a lh e a d i ti sv e r yc o n v e n i e n t f o rd i s p a t c h i n ga n dm a n a g e m e n to fc a n a lh e a d ，e n h a n c e st h el e v e lo fw a t e r a u t o m a t i o na n dm a n a g e m e n to fd o n g f e n gc a n a la n db u i l d sab a s i cp l a t f o r m f o r “d i g i t a lw a t e rd i s p a t c h i n g ”o fd o n g f e n gi r r i g a t e da r e a k e yw o r d s ：w a t e rr e s o u r c e g a t eg r o u p d i s p a t c h i n gm a n a g e m e n t f u z z yc o n t r o l i v 四川大学碗士论文 第一章绪论 1 1 课题背景“1 水资源是生命的源泉，是生态系统不可缺少的要素，是人类赖以生存和发 展不可代替的宝贵资源，它同土地、能源等构成人类经济与社会发展的基本条 件。但由于社会经济的发展和入口的增长，特别是工业化、城市化进程的加快， 水资源的需求量在不断增加，水资源短缺已成为了全球性危机，世界各国都非 常关注这个问题。1 9 9 7 年1 月，联合国在对世界淡水资源的全面评价的报 告中就指出：缺水问题将严重地制约2 1 世纪经济和社会发展，并可能导致国家 间的冲突。 我冒的水资源状况也不容乐观，与许多国家一样，我国在发展经济、保护 人类生存环境的过程中，也面临着日益严重的水资源短缺和环境恶化问题。我 国原本就是一个水资源相对贫乏的国家，水资源总量约为2 8 万亿m 3 ，居世 界第6 位，人均占有量约为2 3 0 0 m 3 ，仅为世界人均占有量的1 4 ，列世界第 3 0 9 位，现已被列为世界上1 3 个严重贫水国家之一。 我国一方面水资源短缺，另方面又存在着严重的浪费现象。目前，占总 用水量近7 0 的农业灌溉用水，由于灌区建设标淮低，老化失修严重，灌溉设 备落后，尤其是管理水平低，管理手段落后及政策不合理，使得灌区灌溉水资 源有效利用系数仅为0 4 3 ，远远低于发达国家农业灌溉水资源有效利用系数0 8 左右的水平。城市及工业用水也存在严重浪费现象，城市工业用水重复利用率 一般不超过5 0 ，工业万元产值耗水量相当于工业发达国家的5 至6 倍。 面对上述问题，如何合理利用、管理和开发水资源就成为关系到国民经济 可持续发展的重要问题。水资源的合理利用，除了在兴修水利工程、提高全民 节水意识等方面努力外，更为重要的是运用新兴的信息技术。调整治水思路， 转变治水方针，从工程水利向数字水利转变，从传统水利向现代水利、可持续 发展水利转变。另一方面，随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把 遥测遥控、通信及计算机技术应用于水资源的调度管理，水位的控制和调节等， 来实现水资源的合理输送、节制和分配，形成水资源调度管理信息系统成为了 第一章绪论 可能。 信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，也是我国产业优化升级和实 现工业化、现代化的关键环节，要把推进国民经济和社会信息化放在优先位置。 水利的现代化，离不开水利信息化的支撑，水利的信息化是当前我国大力推进 和提倡发展的。如何将新兴的信息技术应用于水利，实现水利信息化，就成为 当今水利建设的重要一环，也是一个非常重要的研究课题。 1 2 课题来源 本文课题来源于四川省都江堰东风渠管理处的一个工程项目。 都江堰是一个世界著名的大型水利工程，修建于公元前2 5 6 年，至今已有 2 2 6 0 年的历史，灌溉面积现已超过6 7 万m 2 ( 1 千万亩) 。灌区范围包括7 个市 ( 地) 、3 7 个县( 市、区) ，幅员面积2 3 2 万如竹2 ，成为以工农业供水为主，兼 顾防洪、发电、养殖、旅游、环保等多目标多层次的水资源综合利用系统，对 四川省国民经济的发展起着举足轻重的作用。 目前，都江堰灌区已形成了一个庞大体系，灌区内有干渠、分干渠5 5 条， 长2 4 3 7 k m ：支渠5 3 6 条，长5 7 4 2 k m ；斗渠5 4 6 0 条，长1 2 0 3 7 k m ：各型水闸5 0 0 余座，其中大中型水闸4 4 座。灌区水利工程管理设1 个局( 都江堰管理局) 、7 个处、5 4 个管理站。灌区用水由都江堰管理局统一调配，但灌区尚未建立现代 化的管理信息系统，原有的管理方式已不适应灌区的发展，灌区配水尚未实现 优化调度，这些都制约着灌区效益的提高。n 1 东风渠管理处是都江堰管理局下属的一个处，其灌区包括都江堰老灌区的 柏条河、走马河、府河、毗河、江安河灌区和建国后陆续建成的东风渠1 4 期 新灌区。灌区设计灌溉面积为2 7 7 1 3 万亩，2 0 0 3 年有效灌溉面积为2 9 1 7 2 万 亩。灌区共有干渠1 6 条，长8 0 6 6 4 k m ；分干渠9 条，长2 1 0 2 k m ；万亩以上支 渠6 8 条，长8 3 1 3k m ；千亩至万亩斗渠1 1 8 条，长6 3 1 3 k m ；千亩以下渠道1 5 5 1 条，长2 7 9 1 8 k m 。水电站5 4 座。总装机7 9 6 6 万千瓦。蓄水设施共1 8 7 9 8 处， 总库容1 1 4 亿州3 。其中：小型水库9 3 座，总库容0 2 9 亿珊3 ；山平塘1 8 6 万口，总库容0 8 2 亿聊3 ；石河堰1 0 5 节，总库容0 0 3 亿m 。 东风渠管理处主要负责：灌区内1 6 条河渠的工程管理及维护、灌溉灌区 2 删川大学硕士论文 2 9 1 7 2 万亩农田；向灌区内的城市引供工业，环保和城市人民生活用水。为灌 区社会经济的发展和人民生活的日益提高做出了显著的贡献。近年来，为更好 地服务灌区人民，造福社会，东风渠管理处坚持科学的发展观和治水新思路， 力图建立个与自然共融的现代化新灌区，为此在资源水利、数字水利、生态 水利、人文水利、经营水利上作了积极的探索和努力，并取得了骄人的成绩。 本课题就是以东风渠灌区为研究对象，设计一套水资源调度管理信息系统， 以保证更好的为灌区的社会经济发展和人民生活服务。 1 - 3 国内外现状。1 世界上许多国家都投入了大量的物力和财力对水情实时监测和水资源管理 进行研究，以期能更好地利用水资源和提高管理效率。县前，世界上在这方面 取得较好成绩的国家，包括美国、澳大利亚等。 以维多利亚州g o u l b u r n - m u r r a y 水务局监测和灌溉管理系统为例，维多利 亚州的g o u l b u r n m u r r a y 水务局是澳大利亚负责g o u l b u r n 和m u r r a y 流域水资源 管理最大的农村水利机构。它负责管理六大灌区和维多利亚州水资源调度，主 要业务是在所有的河道系统建立完善的实时水情监测和管理系统。其中包括 s c a d a 系统，计算机系统、水情数据库及水资源管理和灌溉供水计划和调度。对 于复杂的g m w 水务局河道系统，使用者可以从计算机网络系统上通过数据对河 道系统进行管理。澳大利亚r u b i c o n 公司开发的软件在水务局计算机网络二十 多个u n i x 和n t 服务器上运行。这一软件管理整个地区4 0 ，0 0 0 监测站的数据和 系统运行，每个主系统上采用r u b i c o n 的l c 驱动嚣运行c i t e c t 的软件， 我国的水利工程建设在“八五”、“九五”期间取得了明显的成就，开发 了一大批水利管理系统，为合理利用水资源和水利的可持续发展战略作出了重 大贡献。这些系统中，大型的如黄河防洪决策支持系统、长江防洪系统、全国 防洪调度系统和中央防汛指挥自动化系统等。中小型的如淮河流域防汛实对水 情信息传输系统、江苏省大运河监测调度系统、太湖流域水情自动测报系统等 难以计数。尽管这些大大小小的水利工程，因各自要实现的重点目标、地理条 件、社会因素等在功能上、规模上、具体设置上存在着较大的差异。但其基本 的工作原理却是一致的：现场采集原始数据( 如水位、雨情、洪水流量等) ，传输 第一章绪论 至某地方( 系统设有一级或多级调度中心) 进行处理，采取相应的措施( 如控制闸 门动作、决策调度、数据发布等) 。 1 4 本文主要研究内容及论文内容安排 本文是以东风渠灌区为研究背景，根据功能需求和客户要求，设计了“东 风渠渠首水资源调度管理信息系统”，并着重在以下几方面进行了研究工作： l 、结合东风渠渠首水资源调度管理信息系统的特点，对系统的体系结构进 行了深入研究。采用智能系统模型。构建了渠首水资源调度分层递阶的控制体 系结构，并对该体系结构中各层的功能进行了详细阐述。 2 、对系统整体的硬件实现和软件实现进行了研究。依据东风渠渠首站水资 源调度管理信息系统的实际需求，设计了水情监测、闸群控制、视频监控以及 中控室模拟屏子系统的硬件、软件和实现思路。 3 、对东风渠渠首闸群控制和视频监控等子系统的构建和实现进行了深入的 研究设计工作。、 4 、针对东风渠渠首张家桥电站的用水调度问题，应用模糊控制理论进行了 水资源调度控制策略的深入研究，设计了调度控制规则和调度控制器，并已通 过了现场试验。 论文的内容安排如下所述： 第一章是绪论部分，主要介绍课题背景、课题来源和国内外现状及本文的 主要研究内容；第二章是东风渠水资源调度管理信息系统的体系结构，主要讲 述了系统的体系结构设计和总体方案设计，详细讨论了采用的智能系统模型； 第三章是系统的硬件设计，对系统整体的硬件实现进行了阐述；第四章是系统 的软件设计，阐述了系统的软件设计过程：五章是东风渠渠首水资源调度设计 研究，针对张家桥电站的用水调度问题，应用模糊控制技术深入研究了渠首站 的调度控制；第六章是本文的总结：最后是参考文献和致谢等。 四川大学硕士论文 第二章东风渠渠首水资源调度管理信息系统的体系结构 2 1 概述 水资源调度管理信息系统是一个由水情遥测、图像监控、闸门控制、计算 机网络共同组成的调度管理系统，是在常规监测的基础上，通过各种快速有效 的手段，及时准确掌握水量的变化情况，并按照城市、灌区排水用水需求，结 合来水情况、河道情况等基本信息，合理调度并控制闸门泵站等设备，实现水 资源联合调度，达到水资源合理调配和防灾减灾的目的。 东风渠是都江堰最大的灌区，覆盖地域广阔，水工建筑众多，灌区内干渠、 支渠纵横，斗渠星罗棋布。东风渠灌区内的管理对象很多，管理业务也很复杂， 且服务功能多样。要科学管理和有效调度这样的灌区，充分利用水资源，保护 生态环境，建设一套先进、可靠的水资源调度管理信息系统是十分必要的。其 渠首站的工程分布如图2 - i 所示。 图 1 渠首站工程分布图 第二章东风渠渠首水资源调度管理信息系统的体系结构 经石堤堰后上府河作为渠首站的进水河，经过渠首站分为总干渠和下府河。 总干渠承担着成都灌区的灌溉，下府河承担了成都地区的工业、弓l 水等任务。 可见，渠首站水资源调度管理信息系统的建设有着很重要的作用。 2 2 系统体系结构设计“” 东风渠渠首水资源调度就是要协调各种供水需求，拟定最佳的配水方案， 而任何一种方案执行的调度操作都不能超过基本的水安全警戒指标。因此，水 资源调度自动化系统要解决的是一个具有边界约束的多目标、多任务的控制问 题。另一方面，水资源既有量的问题。又有质的问题，影响水量和水质的因素 很多，内部作用机理复杂，且大多具有非线性特性。水量和水质又是互相关联、 相互影响的。从系统论的观点看，水资源调度自动化系统面对的是一个关联因 素众多、且具有典型非线性特性的复杂过程，因而，利用传统的基于数学模型 构造控制规律的决策方法很难适用于这种复杂目标对象。同时，由于历史的原 因，我国灌区信息化发展还很不平衡，基础相对薄弱，只能以需求为导向，采 取分阶段建设的方法。因此，这就要求我们必须为系统规划一个好的体系结构， 通过科学划分功能层次，递阶地实现目标任务的协调与分解，降低整体求解的 复杂性。 基于对灌区水资源调度系统特性的分析，我们认为，采用智能系统理论中 分层递阶的智能控制模型搭建灌区水资源调度自动化系统是一条有效的途径。 分层递阶的智能控制体系结构是一类仿人控制的系统模型，它从功能上模 拟人的智能决策行为，并从结构上仿效这一行为的执行过程，非常适合作为灌 区水资源调度系统这种多层次、多变量、多目标对象的结构描述。其典型结构 如图2 - 2 所示。 系统由组织级( 决策层) 、协调级( 管理层) 、过程级( 执行层) 组成，通 过通信网络形成一个分层递阶的结构体系，遵从自下而上智能程度越高、控制 精度越低，自上而下控制精度越高、智能程度越低的原则进行功能分配。这种 递阶结构非常符合人的思维决策方式，也与灌区水资源调度的决策协调控制过 程十分吻合。 6 堕型查堂堡主堕塞 图2 - 2 分层递阶智能化体系结构 1 、组织级 组织级属于分层递阶智能系统的最上层。它的作用是对于给定的目标或任 务进行规划求解形成决策方案，并转化为完成该任务( 或动作) 的组合：再将 这些子任务送到协调级，通过协调处理，生成可执行的具体操作或命令；过程 级接收到这些操作指令后，按要求执行规定的任务；最后对任务执行的结果进 行评价，并将评估结果逐级向上反馈，同时对以前存储的知识信息进行修正， 从而起到学习的作用，改进决策的效果。 东风渠渠首水资源调度管理信息化系统中，组织级的功能由管理处水调中 心调度会商系统完成。会商系统实际上是一个大型的软件系统，构建在数据库、 知识库、模型库之上，通过选择合适的决策支持算法，基于水资源供求关系和 水权理论进行任务规划，形成调度方案，送至水调中心总调度室进行调度协调， 完成灌区水资源的优化调度控制。 组织级应具有良好的人机交互功能，因为任何通过会商形成的决策都必须 在决策层的直接参与和干预下才能得到确认并被授权执行。 第二章东风渠渠酋水资源调度管理信息系统的体系结构 2 、协调级 协调级是分层递阶智能系统的中间层，它接受从组织级传来的命令，经过 实时信息处理，产生一系列可供过程级执行的具体任务或操作指令。 作为系统的管理层，协调级担负着把高层决策形成的规划或方案转化成可 具体操作的过程。同时，协调级还要监督过程的执行情况，并随时反馈到组织 级，为上层决策提供方案执行效果的重要信息。为了完成调度协调任务，协调 级需要具有如下功能： 1 ) 通信功能。能够向上层的组织级和下层的过程级发送和接收信息，实现 通信管理。 2 ) 数据处理功能。数据处理器对来自组织级豹命令信息和从过程级反馈的 状态信息进行描述，以提供需要执行任务的信息以及当前系统的状态。数据处 理器中通常还包括一个监控器，它根据上层来的指令信息和下层的反馈信息对 数据描述进行维护和修改。同时，该监控器还负责数据处理器与任务处理器之 间的连接。 3 ) 任务处理功能。任务处理器对要执行的任务进行识剐，通过状态匹配和 推理机制进行任务的分解，继而形成任务的准确描述，并将其完整的控制命令 送至底层单元。在相应的任务完成后，通过监控器组织反馈信息以某种方式送 至决策层，该监控器也负责任务处理器与学习处理器之间的连接。 4 ) 学习功能。能够根据任务不断执行所取得的经验来逐渐减小决策过程的 不确定性，以达到不断改进任务执行的能力。 3 、过程级 过程级即常规监控执行单元。在本系统中，过程级由渠首站所属闸门控制、 水情监测、视频监控等单元构成。过程级并不需要进行任务的规划和协调，它 只需按照给定的指令执行规定的操作，或者根据下达的目标参数实现常规的闭 环控制。过程级应具备足够的控制精度，而这是由过程控制技术来保证的。 根据灌区水资源管理方式的特点，特别是长期执行的任务协调与任务调度 程序，经过深入调研和论证，我们提出采用图2 3 的树型结构作为东风渠灌区 水资源调度管理信息系统的分层递阶体系结构。 在递阶结构中，系统协调级可以从功能和结构上进一步划分为两个层面： r 四川大学硕士论文 第一个层面主要完成调度任务的分解，即把由组织级形成的调度方案分解为多 个子任务的组合，这部分功能由东风渠管理处水调中心总调室完成；第二个层 面负责调度任务的协调，通过开发合适的算法把各个子任务转化成可供执行单 元准确执行的指令，送到系统的过程级( 执行层) ，这一层面的功能由渠首水调 分中心协同完成。 图2 3 东风渠水调分层递阶体系结构 基于上述分层递阶模型，为了满足东风渠灌区水调系统建设的实际需要，我 们构建了如图2 - - 4 所示的一个网络结构灵活、保障措施完善的网络体系。其中， 第二章东风暴撮首水资源调度管理信息系统的体系结构 系统调度中心为东风渠管理处，分中心为渠首站，现场测控点包括水情监测站 和闸门监控点。 围2 - - 4 东风渠灌区水调系统结构图 2 。3 系统总体设计 东风渠渠首水调信息管理系统要求将上下游水位信号共3 路( 府河上段， 府河下段，东风渠) 、9 孔闸门开度状态及视频等信息能进行自动采集；对9 孔 闸门进行自动监控，控制支持三种方式：现地手动单元控制，集中控制，计算 机自动远程控制( 定流量，定开度) ；采集东风渠、府河下段实时视频信号并 在计算机屏幕上进行多孝申方式显示；对镜头、云台和灯光等辅助设施进行控制。 能根据相应闸门状态进行定位操作；支持通过g s m 网络的数据共享；当测报点 水位、流量超过一定量级时，系统能自动发出警报，为水资源调度管理提供全 面服务。 根据需求分析，考虑到本系统的特点，本系统采用模块化的设计方法，将 】0 四川大学硕士论文 整个系统分成水情测报子系统、闸门控制子系统、视频监控予系统、模拟屏子 系统等几部分，其系统拓扑图如图2 - 5 所示。 图2 - 5 系统拓扑图 系统各部分之间除了水情测报系统有些例外情况，其余各部分之间用r s 4 8 5 总线进行通讯。 1 、水情采集 完成水情水量数据的定时记录、变幅记录、向监控中心传送记录数据，接 受中心的控制数据完成水情遥测终端的设置与检测。中心站部分通过通信网络 完成对各个水情遥测终端数据的采集与保存，水情处理软件完成水情数据的分 析与处理，完成符合水管部门和行业规范的水文数据统计功能和成果资料整编 及报表功能。 2 、视频监控 视频监控是采集总干渠、下府河视频监测点的实时视频信号并在计算机 屏幕上进行多种方式显示，使中控室的操作人员在中控室内就能观察到闸群 及河道的情况。 3 、模拟屏显示 对所有河流、渠道均采用蓝色光显示，并用控制电路控制光的变化，模拟 河水流动的效果；通过控制电路可以实现：河水流动、河水不流动( 表示有水 第二章东风渠渠首水资源调度管理信息系绕的体系结构 不流的储水状态) 、河水断流( 河段中蓝光熄灭表示河道中无水) 。可对水位、 流量及时显示；可显示闸位，并能对报警发出指示。其实物图见图2 - 6 。 2 6 模拟屏 4 、闸门控制 系统工程渠首站施工分布图如图2 7 所示，图中两个五角星表示两个视频 监测点，箭头方向表示河流的流向。 闸门控制就是根据用水调度要求，在中控室实现对图中所示的九孔闸的开 启、关闭、停止、急停等的集中控制。 图2 - 7 粱首站施工分布固 1 2 四川大学硕士论文 第三章系统的硬件设计 上一章我们讨论并确定了系统的体系结构和系统方案，这一章对系统的硬 件结构做设计研究。 本系统硬件总的结构图如图3 1 所示。 图3 1 系统硬件结构圈 图中，虚线左边为本地控制，右边为远端网络。本地控制负责一个水情测 控站的水情闸位监测、闸门就地集中控制、闸门自动控制、闸门视频监控等。 另外，本地系统还必须包括远程通讯功能。这样通过公共或专用通讯媒体，不 仅本遗信息可传达到管理中心等场所，而且管理中心等的信息、指令等也可下 传到本地，实现信息共享。 根据系统特点及用户要求，本系统在设计本地控制时，充分考虑了兼容性、 扩展性及原系统操作人员的习惯等情况。本地控制结构示意图如图3 - - 2 所示。 第三章系统的硬件结构 i ，。_ i | 藜? 薯。蠢 耀i l 云台及摄像头卜 0藕阐 卜- i ：昂岛b 薯倍? l 一。叠攀等攀誉鬻鬻 1 蕊囊灞，囊刘泳狃传黪i i “。“8 ”莽r 。誉操作筐业l 。一 刚霆蕊h 。i 篙鞘翳蠹 臀黪 嚣i 鬻“翱蘸鏊 。j 孽- 卜溢橙翩二誉i l 旧十 - 墓黪卜 鎏；睡爹鬻 嗯警黟 图3 2 本地控制结构示意图 本地控制的硬件部分包括六大部分：水调中控操作台、水情监测子系统、 闸群控制子系统、视频监控示系统以及模拟屏显示。在本系统设计中，各种通 信、控制信号及接口都遵守了下述标准： 状态信号或开关信号 无源触点信号，2 2 0 v 2 a 模拟量信号4 - 2 0 m a 数据信号接口r s - 4 8 5 ，r s 2 3 2 计算机网络接口 e t h e r n e t ( t c p i p ) 3 1 中控室操作台功能设计与实现 为了便于全面协调和监控，实现过程状态的显示、报警、记录和操作，必 须设置渠首监控中心。 中控室操作台的主要功能是显示并记录来自各现地控制单元的过程数据和 实现人机接口功能，将过程参数集中起来，实现信息处理和操作的集中化。具 体功能如下： 1 、数据处理功能 系统具有水情数据分类、检索及显示功能；基本监测点的状态显示的功能； 下属分站的数据下载功能以及历史数据存档管理等功能。 四川大学硕士论文 2 、报警处理功能 当故障发生时，可发出声光报警，并记录打印输出。报警可以由操作员确 认后消除和定时消除，对已确认的报警带上时标，存入报警数据库。 3 、事件处理功能 具有事件登录、检索、存档、事件驱动报表打印功能。 4 、显示功能 在操作台c r t 上除显示文字、表格、图形、曲线及报警外，还可显示视频 监控图像。 5 、调度控制功能 可根据用水需求及水位情况，对闹群进行控制，实现水资源的调度控制。 本系统中控室操作台实物图如图3 3 所示。 图3 - 3 中控室操作台外观图 该操作台可支持视频路数为4 路；可控制闸门路数为9 路；闸位检测的路 数最大为1 6 路；水位检测路数最大为8 路；可外接智能终端；1 7 寸真彩色显示： 视频显示方式为2 路数字分割，循环，闸门联动；水文信息显示方式有直方图、 曲线图、过程线三种方式：可对水文信息进行统计。 其中工作站是系统中最核心的部分，其硬件实现采用研发( 爱雷斯科技， 第三章系统的硬件结构 i n d u s t r i a l a c s ) 的a c s 一3 8 2 5 p 一体化c r t 工作站。其主板为a c s 一6 1 6 9 v e 全长 卡( i n t e l 8 1 5 e 芯片组，两个串口：r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 及r s 2 3 2 ，u s b ，板载 g e f o r c e 2 显卡) ：底板为a c s - i 0 0 7 p 2 无源底板；处理器是pi i i1 2 g ，内存 2 5 6 m ，硬盘8 0 g ；显示器是1 7 寸飞利浦c r t 显示器( 分辨率1 0 2 4 x7 6 8 ) 。 3 2 水情监测子系统设计 水情信息是水利管理最重要的基础信息，是水文预报、水资源管理、防汛 抗旱决策等的主要依据。水情测报是采用水文、通讯和计算机等多学科技术对 水文信息进行遥测、传输和处理的水情自动化系统，用于解决相关的水文测报 问题。水情自动测报系统是根据水利系统的规范和要求，充分利用数据采集技 术、计算机技术、网络技术和数据库技术等实现水情数据的采集、处理和发布 为一体的综合信息管理系统，是现代化科技与管理密切结合的一项系统工程。 东风渠渠首站的水情采集分为本地采集和远地采集两种方式： l 、本地采集 本地采集的结构图如图3 4 所示，该部分采用了多功能采集卡、r s 4 8 5 信号 适配器、水位传感器等部件。 1 ) 多功能采集卡：采用研发d a c - 7 1 1 d g 采集卡。其主要性能如下：a d ( 单 端1 6 路，差分8 路) ，2 路1 2 位d a ；采样速率：最大i o o k h z ：1 6 路d i ，1 6 路d o , 3 个计数器：i s a 总线。 2 ) r s 4 8 5 信号适配器：采用自制的信号转换器。 3 ) 水位传感器：采用压力式传感器，工作电压2 4 v 。输出型号：4 2 0 m a 。 由于本地采集点离中控室操作台距离不是很远( 几百米以内) ，所以通过有 线方式采集。r s 4 8 5 适配器将水位传感器检测到的4 2 0 m a 电流信号转换成4 8 5 信号输送到多功能板。多功能板在工作站的监控下运行，通过通道选择，分别 接入各路信号，经a d 转换及相关处理后，输送到相应存储器，供工作站使用。 在工作站，这些水位信号首先被转换成对应的流量信号( 按水位一一流量关系 曲线处理) ，最后，这些信号( 包括水位、流量等) 一方面被实时显示在工作站 的显示屏上和存储在系统数据库中；另一方面在后台，系统还做好了各种统计 报表。需要时，用户可以随时调出，予以显示、打印；管理中心也可随时予以 1 6 四川大学硕士论文 收集调用。 j 蓦甏i ：萎i ，曩一_ | ： r “。- 。_ _ 。r 。一 蠢i 毒冀磐_ _ j | i i l 澄鎏棼 工 i | i 控 0 机 囊喾+ 参； l _ _ 二一 图扣4 本地采集结构图 2 、远地采集 由于远端的采集点离中控室较远，所以采用无线方式采集到工控机。远地 水情监测点的水情测报终端可以通过内部g s m 模块向中控室发短消息。中控室 操作台内通过嵌入的g s m 模块接收短消息，并传到工控机进行相关处理，其示 意图如图3 - 5 所示，图中只示意出了四个远地水情采集终端。 图3 - 5 远地采集示意圈 3 3 闸群控制子系统设计 由于闸门孔数众多，位置分散，下游水位计安放地点距闸门较远。因此本 系统采用分层的控制结构，既系统控制级分为( 省厅，管理处) 站控制级集中 第三章系统的硬件结构 控制级手动控制级。 闸群控制子系统的闸位检测包括智能模块( 适配器) 、闸位传感器等部分。 其中闸位传感器采用了浮子式传感器。这是当前大多数闸位检测采用的方式， 其特点是准确、成熟可靠、不受外部干扰。闸位传感器置于各闸门上。传感器 检测到的闸位信息经智能模块转换成相应的数字信号，通过r s 4 8 5 总线传达到 工作站。闸位检测示意图如图3 6 所示。 1 2 v 电源 $ 匹配电阻匹配电阻 图3 6 闸位检测示意图 其中 表示仅在最后一个节点加此电阻。 通讯的一些基本参数如下：设计最大节点数为1 2 8 ：工作方式是主从式；通 信速率为6 0 0 b p s 。 如同水情信息一样，闸位信息也显示在系统的显示窗口上和存入系统数据 库中。可供用户以后在需要时随时调出了解情况，也可供管理中心查询。当然 该部分数据最重要的用途，就是供闸门控制使用。 闸群控制子系统包括中心集中手动控锘4 盘、就地控制盘、p l c 、多功能采集 卡等。其结构图如图3 7 所示。其中多功能采集卡是前面讲述水情监测子系统 中已介绍过的，本部分使用其中的d i 和d o 部分。d i 用以检测闸门当前的工作 状态，d o 用来执行相关锁定、报警等功能。另外由于p l c 具有可靠性高、抗干 扰能力强、功能丰富、应用广泛等优势，为确保控制效果，本系统采用了p l c 四川大学硕士论文 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l ，可编程逻辑控制器) 来实现对闸门的控制。 其基本参数如下：型号为松下n a i sf p i c 5 6 ；i o 接口数为5 6 个( 输入：3 2 ， 输出：2 4 ) ；继电器输出，d c 输入；r s 4 2 2 接口。 图3 7 闸群控制结构图 闸群控制子系统的闸门控制包括中心集中控制和就地控常两种。而中心 集中控制又有两种控制方式：按系统设定状况自动控制和人为强制启动。通 过“自动手动”转换按钮操作人员可设定其工作方式。当设定为自动模式时， 系统按预先设定的工作预案处理相关情况。当满足启动条件时，工作站通知 p l c 进行相关处理，p l c 输出的控制信号经闸门控制接口板( 主要由中间继电 器组成) 转换为闸门控制信号直接启动闸门。操作人员可根据需要，手动对 闸门进行开启。其操作指令( 升、降、停) 也是经p l c 发出的，而其操作方 式基本与系统原操作方式一致。另外闸门还有就地控制方式，这种控制方式 的操作与原来完全一致。但这三种控制方式的优先级别是不一样的，系统设 定的控制优先级别由高到低依次是：就地控制一集中手动控制一自动控制。 当有高优先级的控制对，是无法启动低优先级的控制；当低优先级的控制正 在执行时，发生更高级别的控制，低级别控制将立即被停止执行。 当闸门启动时，其动作信号经闸门状态检测接口板( 为中间继电器) 检 测出来，一方面输出到闸门状态l e d 显示盘通过指示灯直观地显示出来， 方面提供给多功能采集卡。多功能采集卡采集到这些数字信号后，存入相应 第三章系统的硬件结构 的寄存器供工作站调用。 本次工程对闸群控制的主回路和二次回路进行了新的设计，在主配电回路 ( 一次) 中，增加了主空气开关电动控制设施，同时也根据站方的要求增加电 机综合保护装置，使系统具有过流，过压，缺相保护，并具有分励脱扣功能。 可用于闸门启闭机设备运行状态的安全监控，在应急情况下，可用于自动紧急 切断主回路，保证电机的安全可靠运行，在闸1 7 - - 次回路中，串装闸门上下行 程开关，可有效的保证闸门在安全范围内正常运行。其电气图如下图3 8 所示。 闸群控制子系统如此设计的目的在于在提高自动化水平、方便操作人员的 同时，保证闸门控制稳定可靠地工作。上面的方案正是考虑到了各种可能的情 况，并参考相关其它行业经验后给出的处理方式。这样即使工作站处于全面瘫 痪状况，系统仍可实现对闸门的有效控制。 3 4 视频监控子系统 视频监控子系统以各闸门的现场实时视频图像方式，使监控管理员和值班 人员能及时直观的了解闸门的工作情况。 原来渠首站闸门控制时，操作人员不能很直观地看到闸门的动作，根据现 场地形及需要，设置两个视频采集点，通过这两个视频采集点，就可以实时监 控渠首站的九孔闸门。 对视频监控系统来说，经过了三个发展阶段：模拟视频监控、基于p c 视频 采集卡的视频监控和基于嵌入式服务器的数字视频监控。与传统的模拟监控相 比，数字监控具有许多优点，但考虑到本实际工程和其他一些现实及技术因素， 在这里采用基于p c 视频采集卡的视频监控系统。 本系统视频部分由以下几部分组成：视频采集卡、显示器、摄像头、云台 控制器等。其结构图如图3 - 9 所示。 四川大学硕士论文 图3 - 8 闸f l - - 次回路电气图 2 l 熬三章系统的硬件结构 图3 - 9 视频监控子系统的结构图 其部件的相关说明如下： l 、视频采集卡：采用飞图d v s 4 8 1 6 a v c 多路视频采集卡。主要性能如下： 四路视频输入：四路立体声音频输入；采集速率为2 5 帧秒。 2 、云台控制器：采用利凌p i h 一8 2 0 数字解码控制器。主要性能如下：r s 4 8 5 接口；通讯协议：p e l c o - d ( 派尔高) ；波特率：2 4 0 0 b p s ；可控镜头变焦、焦距、 光圈；可控云台上、下、左、右；提供3 路无源常开继电器开关；地址可在1 6 4 之间设置；提供自检功能。 3 、摄像头：采用索尼( s o n y ) 的f c s - c 4 8 0 。 视频监视部分工作流程为：视频采集卡将摄像头拾取来的视频信号转换成 数字图像信号。工作站根据系统设置或用户要求获取这些信号，输出到显示屏 的对应位置。用户可以根据需要选择显示方式：单路显示或全部监控。当用户 需要调整显示效果时，可以通过面板功能键进行调解。这些调节包括：镜头变 焦、镜头焦距、镜头光圈、云台任意转动( 上、下、左、右) 等。 另外，这些图像信号不仅可以显示在本系统上，还可以通过通讯网络输出 到管理中心等场所。通过这种方式，在无人值守的水文站、提灌站等场所，均 可较为直观地了解当地情况，极大地方便管理人员监管、调度和控制。另外， 监视的图像信号可以存储在系统中，以作资料查询。 2 2 四川大学硕士论文 3 5 系统防雷设计 东风渠渠首区域属于多雷区，雷雨季节设备易受到雷击，为保护整个系统 的安全运行，必须在枢纽管理站设置防雷接地系统。 由于自动化系统设备中含大量的c m o s 半导体集成模块，耐过电压电流能力 极低，无法保证在特定的空间里遭受雷击时仍能安全运行。造成雷击的主要原 因在于：设备元件和供电回路受雷电感应的影响；设备连接和元件上积累的静 电荷；从其它网络耦合至