（水利工程专业论文）灌区信息管理网络建设的探索.pdf

摘要 灌区信息管理网络建设的探索 学科名称：水利工程 作者姓名：赵军校 导师姓名：孙超图教授 摘要 ( 签名：垒霉棱) 签名加遗田 本文根据计算机监控系统的技术发展趋势，结合了现代网络技术， 以计算机监控系统为目标，提出了一种适合于水利工程管理工作构建大 系统的解决方案即基于w 曲技术的计算机监控系统。系统模型采用 基于b s 的三层网络结构，网络系统平台和现场站的建设方案采用了适 合于建设实际的可持续发展的建设模式。该系统方案采用i m e m e 饥m r a n e “ e x 曲n e t 为信息通道，构建上层w e b 服务系统，实现各现场站间的通信 和具体应用；各现场站采用基于现场总线的分层分布式控制系统实现各 现场站的监控功能。 文章分析了基于w e b 技术的监控系统的可行性和实用性，全面分析 和阐述了该系统的模型、网络系统平台和现场站监控系统的构建方案。 系统的适用范围广，开放性和扩展性强，符合水利信息化建设的发展趋 势，具有较高的推广应用价值。 最后，文章提出了基于p w s 构建了w 曲服务系统，实现了监控系 统数据、画面基于i n t e m 引i n 廿锄e t 的远程传送的建设方案，并进行了分 析；且在灌区信息管理网络的安全方面提出了看法。 关键词：w e b 技术计算机监控系统b s建设方案 a b s t r a c t r e s 翰r c hi ni n f o r m a t i o n 】v h n a g e m e n tn e t w o r ko f i 耐g a 6 0 na r e a d i s c i p i i n et i “e ：h y d l 田e i e c t r i ce n g i n e e r i n g a u t h o r a m e ：z h a o j u x i a o s u p e i v i s o r ：p r o s u n c h a o t u a b s t r a c t c o m b i n i n gw i t ht l l em o d e mn e m o r kt e c h n 0 1 0 剖，b a s i n g o nt l l e t e c h n o l o 盱 d e v e l o p m e n t 订e n d so fc o m p u t e rm o n i t o r i n ga n dc o n n d ls y s t e m ，t h i sp 印e rp r o v d sa s o l u t i 彻 印p l y i n g f o r l a i 售e - s c a l es y s t e m c o n s 1 l c t i o ni nh y d r a u l i c e n g m e e 血培 m 锄a g e m e n tw i 血t h eg o a lo fc o r n p 眦e rm o n i t o r i n ga 1 1 dc o n n d ls y s t e m ，i e c o m p u t e r m o n j t o r | n g 缸l dc o n 廿0 ls y 妣mb a s e do nw e b 钯c h n o l o 黟t h es y s t e mm o d e la d o p t s3 l a y e r sn e t 、v o r ks 协l c n l r eg m u n d i n go nb s ，t h ec o n s 肌c t i o np l a no fn e t 、v o r ks y s t e ma i l d l o c a ls t a t i o ne m p l o y st h ee s t a b l i s h i n gm o d e lf i n i n gf o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h e s c h e m ea d o p t si n t c m e 们n t f a n e 征x 廿蛐e ta si n f o r m a t i o nc h 锄e lf o rb o 血t h ec o l l s t n j c t i o n o f u p p e rw 曲s e r v i c es y s t e m ，a n dt h ea c h i e v eo f a p p l i c a t i o n 5 锄dc o m m u n i c a t i o nb e t 、v e e n l o c a ls 诅廿o n s a l l l o c a ls t a t i o n sp l a ym er 0 1 eo f m o i l i t o n n g 粕dc o n t r o lb yt h eh i e r a r c m c a i d i s m b u 吐o ns y s t e mb a s e do n6 e l db u st e c h n o l o 舀- a sw e l la ss t u d y i n gt 1 1 ep f a c t j c 曲i l i t ya 1 1 d 诧a s i b i j j t yo ft h cw e b - t e c l l l l o l o 扩b 嬲e d m o n i t o r i n ga n dc o n 廿_ o ls y s t e m ，t h ep 印e ra l s o 百v c s 锄o v e r a ua i l a l y s i sa n de l a b o r a t i o n o f t h es y s t e mm o d e i ，n e t 、v o r ks y s t e mp l 甜b n na 1 1 dt h em o n i t 0 咖ga n dc o n t r 0 1s y s t e m s f i e l dc o n s t 兀j c 廿0 np l a no f t l l es t a _ t l o n a tl a s t h ep a p e rg i v e so u t 也ec o n s 仃u c t i o np i a l la n di t sa 1 1 a l y s i s t h ep i a ni s ， c o n s 仃u c t i n gaw e bs e r v i c es y s t e mb a s e do np w s ，w h i c hc o u l dr e a l i z et h ed a t aa 1 1 d i m a g e s t e l e 仃锄s m i s s i o nt h i o u g hi n t e m e t ，l n n 孤e t k e yw o r d s ：w e bt e c h n 0 1 0 9 yc o m p u t e rm o n i t o f i n ga n dc o n t r 0 1s y s t e m b sc o n s t n l c t i o np i a n 1 我省“金水工程”构想 灌区信息管理网络建设的探索 中央提出实施西部大开发战略，加快了西部经济建设的步伐。而 水的问题在西部大开发中占有举足轻重的作用。实施西部大开发对发 展我省水利事业提供了前所未有的大好机遇，借西部大开发的强劲东 风，加快我省水利基础设施建设，推动灌溉管理走向现代化、自动化、 智能化，将是2 1 世纪信息时代灌溉农业发展的必然趋势。 我省“金水工程” 问题提出 构想 经过多年的辛勤努力，我省大型灌区己完成了分散式的单用户、 点对点、局域调控的初级应用阶段，积累了一定的实践经验。随着高 新科技的迅速发展，现行体制条件下技术和资金投入滞后或缩减，已 形成的灌区用水管理、节水灌溉系统远不能满足灌区现代化建设的要 求，其面临的主要问题如下： 灌区地域分布广阔，地理位置及地形地貌结构复杂，通信手段 落后，信息传输不畅。 供水保证率低。由于灌区河源供水工程调蓄能力小、径流变差 大、时空分布不均匀，可引水量严重不足，供水保证率低，导致供需 矛盾突出，急需应用新技术来对水资源进行合理调配、科学管理和决 策支持。 灌区用水管理技术水平落后。目前灌区通过看天、看地、看庄 稼来决定用水时间，在用水上实行指令性、申报制、按比例三结合的 配水原则，鼓励适时偏早用水，多浇地。没有通过灌区内的实际数据 进行长系列的优化调度管理，科学地决定用水时间和配水方案，对灌 两安理工大学工程硕士学位论文 区用水进行科学决策。 灌区水资源管理配套设施不完善。由于灌区检测设备和控制设 备落后，不能准确获取水量和其它水利参数。数据传递主要通过人工 和电话传递方式，速度缓慢，直接降低了数据的动态性和实时性，给 调度配水带来影响。 灌区基础薄弱，科研条件落后，对新技术应用薄弱。专业人员 只进行过计算机应用的初级培训，对高新技术g i s 、i n t e i e t 网络、 数据库建立等几乎是一片空白，同时，灌区没有一套成熟的水资源信 息管理系统或决策支持系统来为灌区的管理、运行提供服务，因而无 法动态调配渠系用水。办公自动化程度严重影响灌区未来发展。这些 都对灌区科学管理、正确决策产生影响。 技术的复杂性和工程的艰巨性。信息系统具有涉及面广( 如业 务上涉及方方面面，以及与上、下多级管理机构的联网) 、信息处理量 庞大等特点，因此无论是调研工作、网络平台建设和数据库建立工作 等都将是巨大的和艰巨的。 面对上述问题，有关领导和专家已经认识到，要使灌区水利、农 业再上一个台阶，必须加大科技和资金投入，加快灌区的现代化建设 和灌区的配套改革。另一方面，灌区管理必须应用高新科技，以实现 对灌区的规划、评价、效益分析、调度决策等智能化提供支持，同时 与国际接轨。即建立灌区管理信息系统。 1 2 指导思想、目标和建设原则 1 2 1 指导思想 根据党中央关于编制“十五”计划的建议精神和全国水利发展 “十五”计划和到2 0 1 0 年规划确定的发展目标，结合我省水利系统 实际情况和特点，充分发挥行业优势，积极采用先进技术，按照“统 一规划，各负其责；平台公用，资源共享：以点带面，分步建设”的 2 我省“金水工程”构想 思路，逐步建立起与国民经济基础设施地位适应的、能有效促进水利 事业可持续发展的水利信息化体系，以推进水利行业的技术优化升级 和提高行业的管理水平，更好地为国民经济建设和社会发展服务。 1 2 2 目标 我省“金水工程”的近期目标是：从现在起用五年左右的时间， 基本建成覆盖全省水利系统的水利信息网络，全面开发水利信息资源， 建设和完善一批水利基础数据库，健全信息化管理体制，形成法规、 标准规范和安全体系框架，全面提高准确、及时、有效的信息服务。 重点建设我省防汛抗旱指挥系统、水利政务信息系统、水质监测和评 价信息系统、水资源管理决策支持系统、灌区管理信息系统等，并部 署实施其它应用系统的建设。建立水利信息化教育培训体系，培养和 造就一批水利信息技术和管理人才。 到2 0 1 0 年全面完成水利信息公用平台的建设，建成全省水利信 息网络，全面完成我省省防汛抗旱指挥系统、水利政务系统、水资源 管理决策支持系统、水质监测和评价信息系统、水土保持监测与管理 信息系统、灌区管理信息系统、水利信息公众服务系统、水利规划设 计管理信息系统、水产渔业管理信息系统、水利数字化图书馆等1 0 个 应用系统和安全体系的建设并投入运行，在水利系统基本实现信息化。 1 2 3 建设原则 ( 1 ) 以需求为导向，实现长远目标和近期目标相结合，分期实施， 急用先建，逐步推进。近期要以为政务、防治洪涝干旱灾害、水资源 优化配置和生态系统建设优先开发和利用信息资源为重点，立足当前 实际，整合已有资源，最终形成完整的水利信息化体系。 f 2 ) 全面规划、统一标准，做到全省水利信息化建设一盘棋。各地 区、各部门都要服从总体规划，避免重复建设。 f 3 1 以政府投入为主，充分发挥中央和地方两个积极性，鼓励多方 西安理工大学t 程硕士学位论文 筹集资金，共同建设全省水利信息系统。 ( 4 ) 在金水工程的建设中，要按照“先进实用，高效可靠”的原则， 尽可能采用现代信息技术的最新成果，使其具有较好的先进性和较长 的生命周期，保证系统的开放性和兼容性，为系统技术更新、功能升 级留有余地。 f 5 1 充分利用国家的信息公共基础设施和相关行业的信息资源，实 行优势互补，资源共享。 1 3 建设任务 “十五”期问，我省“金水工程”建设主要包括： 1 3 1 水利公用信息平台建设 基本建成覆盖全省水利系统的水利信息网络；建设和完善全省水 文数据库、基础水利工程数据库，水利空间数据库等基础数据库：制 定和完善一批水利信息化建设与管理的技术标准和规范；建成全省水 利信息网络管理中心。 1 3 2 建设和建成十大应用系统 ( 1 ) 建成陕西防汛抗旱指挥系统 ( 2 ) 完善和建成全省水利政务信息系统 ( 3 ) 建设水资源管理决策支持系统 ( 4 ) 建成水质监测和评价信息系统 ( j ) 建成水土保持监测与管理信息系统 ( 6 ) 建设灌区管理信息系统 ( 7 ) 完善水利信息公众服务系统 ( 8 ) 建设全省水利规划设计管理信息系统 ( 9 ) 建设全省水产渔业管理信息系统 ( 1 0 j 建设水利数字化图书馆 4 我省“金水工程”构想 1 3 3 完善和建设水利信息安全体系 在上述信息网络和应用系统建设中，同步实施安全体系建设。 1 4 水利信息系统结构 水利信息化系统建设主要目标是将地理信息系统技术( g e o g r a p h i c i n f o 兀i l a t i o ns y s t e m 简称g i s ) ，现代通信测控技术、优化技术和计算 机网络技术等先进技术运用于灌区的管理中，以提高水利系统管理水 平，充分发挥灌溉效益，促进灌区农业的发展。实现用水信息管理现 代化、设施管理现代化、水政事务及附属设施现代化。 信息系统运行平台是水利信息工程的基础设施。它包括：计算机 硬件系统平台、网络数据通信平台、网络操作系统平台、数据库管理 系统平台、多媒体视象系统平台等，如图1 所示。水利信息系统运行 平台应具有：多厂商、多平台、多协议、多媒体及多通信手段的，集 计算机、通信、电视技术为一体的，面向国际标准的特点。水利信息 工程是一个周期长、业务范围广的系统，因此对系统平台与系统集成 都有很高的要求。系统平台的选择是一个复杂的技术、经济、社会问 题，是系统成败的关键所在。 图卜1水利信息化系统运行平台 西安理工大学工程硕士学位论文 1 4 1 计算机硬件系统平台 计算机硬件系统平台包括主机、服务器，工作站、终端、外设等。 硬设备的选择除应具有良好的兼容性，满足系统互连、互通要求外， 还应根据应用需求和服务类别，选择性能良好、配置相适应的硬设备 组成硬件平台。 对于面向计算类的服务器，要求具有高c p u 计算能力，服务器应 有具有足够大的内存容量和高速缓冲技术。面向数据库的服务器要求 较高的磁盘流量，分布式数据库则要求较高的网络速率。面向通信与 网络的服务器应具有实时性要求，要求处理延时较短有较大的高速i o 缓冲，磁盘流量要求高，对并行与异步处理也有较高要求。面向多媒 体与视像会议的服务器要求较大的磁盘( 光盘) 容量，对显示器，语音， 图象，视频信息有相应的软硬部件的特殊要求。对于视频信息还要求 较高的网络速率与磁盘流量，应充分考虑带宽、电视电话、语音信箱、 电视会议大屏幕、多媒体视像编辑及多点控制内容要求。视像会议系 统有较高实时要求。面向可视化与虚拟现实应用服务器( 工作站) 应具 有3d 图形与视像动画能力，尤其要具备数据可视化的能力。在选择 计算机硬件平台时，应当参照t p c 机构t p s 测试作为定量分析、选用 计算机平台的参考依据。硬件的选择必须与网络操作系统和数据库管 理系统的选择统筹考虑。 1 4 2 数据通信平台 数据通信平台是各种业务数据传输的载体。考虑到网络信息技术的 飞速发展，为了满足各种业务的数据传输要求，水利网络数据通信平台 由骨干网和局域网构成。骨干网络的建设需要在上级部门的统一协调下， 依托公用电信网，充分利用现有设施，建立连接各地市水利局的广域网 络。局域网及网络中心的建设将按照要求，采用现代组网技术水利信息 化系统建成后，将形成上连水利部、省政府、省水利厅，下连各水利、 6 我省“金水工程”构想 各管理站，横连外省市，外连国际互连网。成为运转灵活、协调高效的 电子信息传递枢纽，实现数据、图形、图像和声音等多媒体通信，初步建 立信息网络决策支持系统，以此创造一流的办公效率和管理水平。在此 基础上，进一步拓展和开发系统结构和功能，为水利管理和决策提供及 时准确的信息服务和技术支持，增强各管理部门的直接管理和组织能力。 1 4 3 系统数据库及功能实现 水利信息数据库是供多个应用系统共享的数据库，是建立信息资 源的主要途径，通过提供标准接口，允许上级通过远程调用获取基本 数据，实现数据的自动提交。 将要建设的基础数据库包括：防汛抗旱数据库、水资源数据库、 水质及水环境数据库、用户区地理分布图形数据库、水利工程数据库、 生产运行数据库、多媒体数据库、外部数据库等。如图2 所示。 防汛抗旱数据库：将工情、旱情采集点和旱情检测站获取的有关 信息实时存入防汛抗旱数据库。主要包括：气象信息、水情信息、工 情信息、旱情信息，灾情信息、讯情信息、物资信息等。为防汛抗旱 综合信息管理系统提供数据服务。 水资源数据库：主要包括水用户信息，用水定额、供水计划、用 水计划、耗水信息、污水排放量及水价等。为水资源优化调度和配置 提供数据服务。 水质及水环境数据库：存放各类水质基本信息、水质历史资料， 为水质检测与评价信息系统提供数据服务。 用户区地理分布图形数据库：利用g i s 技术，建立水资源分布及 水用户区地理分布图形数据库。 水利工程数据库：存放己建水利工程历史资料、现状信息，在建 水利工程的设计方案、现场管理信息、技术规范、进度信息、质量管 理信息、招标活动信息、技术专家库、建设与管理的政策法规等。 西安理工大学工程硕士学位论文 生产运行数据库等：设备现场运行信息、控制信息、生产设各台 帐信息、各类资产信息，各类生产记录、会议记录、人员信息、经营 信息、企业管理信息等。 多媒体数据库：水利信息工程不仅要处理常规的数据，如：数据、 字符、文本、实数等，还要处理图形、图象、声音、动画及视频数据。 为了适应这种独特的数据需求，多媒体数据库技术就成了必不可少的 选择。多媒体数据库是庞大的，高级多媒体应用所需要的，它不仅要 解决多媒体信息的储存问题，还要解决适合于多媒体信息的查询和操 纵问题。 外部数据库：存放外网信息，通过外部网站，对外提供各类信息服务。 图卜2 数据库 8 2 灌区管理情况概述 2 灌区管理情况概述 联合国有关机构总结世界各地多年水资源评价的经验，摸索出一 套水资源可持续发展标准的新知识，即人均水资源量3 0 0 0 m 3 以下为轻 度缺水，2 0 0 0 m 3 以下为中度缺水，1 0 0 0 m 3 以下为重度缺水，5 0 0 m 3 以 下为极度缺水。水资源量折合径流深小于4 0 0 m m 的地区为干旱地区。 我省人均水资源量仅1 2 3 8 m 3 ，水资源量折合径流深小于4 0 0 m m ，属干 旱缺水地区。不仅如此，我省有限的水资源在时空分布上也极不平衡， 6 5 的降雨量集中在每年的6 9 月份：拥有7 3 的人口和8 0 耕地的 秦岭以北地区仅占全省水资源总量的2 9 。水资源不足与用水量大的 矛盾己日趋尖锐，成为制约我省农业和经济社会发展的重要因素。农 业灌溉是用水大户，占总用水量的8 0 左右，随着未来人口的增加和 经济社会的发展，对粮食和农产品的需求将不断增加，需要进一步扩 大灌溉面积，因而灌溉用水量的需求在一定时期内呈上升趋势。毋庸 置疑，所有一切水资源调控措施都应以农田节水灌溉为基础。农业不 节水，其它措施都不可能从根本上缓解水资源供需紧张的矛盾。因此， 合理利用水资源和节约用水已成共识。我省的灌溉农业以地面灌溉和 渠灌为主，农业节水除了改进灌水技术和搞好灌区老化工程的更新改 造外，更要认识到提高灌区的灌溉管理与决策水平同样是节水的重要 方面。西部大开发战略的实施，为促进我省各大灌区灌溉管理水平的 提高提供了前所未有的历史机遇和条件，必须抓住这一历史机遇，把 我省大中型灌区水资源联网调度工程搞好，这将是提高灌区灌溉信息 网络化管理的技术水平与节水灌溉的有力举措，也是实现西部大开发 宏伟蓝图的重要内容。 2 1 我省灌区管理现状及存在问题 我省的农田灌溉虽经历了从早期的大水漫灌发展到定额灌溉，但 西安理工大学工程硕士学位论文 灌溉用水过程的管理至今仍是粗放型的，灌溉系统的效能远低于其实 际的灌溉能力，单位面积上的引灌水量大大超过实际作物需水量，灌 溉过程中的水量浪费十分严重，灌区与灌区之间以及地表水与地下水 资源缺乏相互协调和统一管理，在灌区现有技术条件下无法实现各大 灌区水资源的优化配置，灌区水量与流量调度管理仍然十分落后，结 果导致灌溉效率低下。主要问题表现在以下方面： 就灌区管理机制与水资源的调度而论，农业用水的管理体制不健 全，灌区的经营思想陈旧，备种规章制度还很不完善，距市场经济的 要求还有很大差距。管理上各自为阵，上级主管部门与各灌区由于信 息传输手段落实，不能准确及时掌握了解灌溉信息，也无法实现无水 源调节灌区与水库灌区之间水资源的优化配置与合理调度，水库灌区 调蓄径流以丰补欠的功能未能充分发挥。 就灌区的灌溉过程而言，目前大型灌区输水渠系的水量调控大都 采用人工调节方式，调度人员根据配水计划和渠道中的水位和流量现 状，决定渠道中流量该怎样分配，再把分配方案通知调闸人员，调闸 人员根据分配的流量确定闸门丌度，而闸门调节幅度的大小凭调闸人 员的经验掌握。在此期间，调度人员所需的水情是由人工测出，每次 测流所得数据都是瞬时值，加上人工测流次数有限，调度人员只能根 据水流的静态状况做出决策和判断水情变化，但对这个变化过程什么 时候稳定，将会对分水带来多大影响都无从得知，只能凭调度人员的 经验。另外调闸过程是否合理，调闸人员并不清楚，一般人工调节都 是一次性到位，这不一定是f 确的闸门运行方式，它可能影响到干渠 水流和分水流量的稳定。由于无法预测水流的变化，常常出现重复调 度，如第一次调度后，下级渠道认为流量不足要求增大流量，或流量 过大要求减小流量。有时渠中水位和流量发生了变化，中途得临时调 度，造成水量浪费，灌溉质量降低，如果管理调度人员经验不足，则 浪费损失会更大。根据国外的统计资料，人工调控的衬砌渠道中，由 0 2 灌区管理情况概述 于调节不准确而造成的水量年平均损失率为渠系渗漏损失率的3 倍， 且其损失程度与调度人员的经验成反比。另据我们对某水库灌区9 0 一 9 6 年的1 8 次灌水过程中的水量调度情况调查，由于调度原因造成的 渠道退水量占出库水量最高达7 3 4 2 ，平均为3 7 1 8 ；而渠道退水 量占斗口水量则最高达8 9 86 5 ，平均达1 2 0 2 6 。这也是我国多数 灌区普遍存在的问题，而其根本原因在于灌区的水管理体制与水情调 度管理技术水平落后。由此可见提高灌溉管理水平，其节水潜力是巨 大的。 综上所述，目前灌区从信息管理角度来看，问题可归结为： a 信息的真实性差；真实性是对信息的最基本要求，失实的信 息不仅无用，而且会对管理者产生误导。 b 信息的实时性差；灌区目前的水情信息是人工定时测报，间 隔时间达2 4 小时，水情调度室获得的是滞后的信息，而滞后信息将 对管理决策失去现实意义。 c 信息的局限性；人工采集的水情信息无法使管理者掌握灌区 灌溉过程全部情况，人工处理信息难以使决策科学合理，存在极大的 局限性和盲目性。 随着农业向现代化的发展，将对灌溉管理提出越来越高的要求， 灌溉管理信息是重要资源的认识已被普遍接受。实现节水农业必然要 求灌区的灌溉管理做到决策科学、运行高效、节约资源的目的。 2 2 国外灌溉管理发展现状与趋势 在灌区计算机用水管理的实际应用方面，经济发达国家已取得很 多成功经验，正向普及化方向发展。 在美国，大型灌区都设有调度中心，实行自动化管理。控制面积 达4 0 0 多万亩的英皮里尔灌区枢纽，管理人员仅有1 0 名；灌溉面积达 3 0 0 多万亩的全美灌区，共有管理人员1 4 人；科罗拉多州的大河谷渠 西安理工大学工程硕士学位论文 首采用电气化自动控制，仅1 人管理。管理人员通过调度中心中央控 制室的大型屏幕，灌区各渠道位置，输配水情况以及各闸门的水位流 量，闸门的启闭等均在屏幕上一目了然。控制中心的指令可通过微波 系统传输到各渠系控制建筑物，控制着闸门、水泵等自动启闭，灌区 运转情况以及各渠道通过的流量均显示在屏幕上并存储在计算机中。 许多灌区还采用遥感技术进行用水管理，如将卫星接收站获得的灌溉 后田块卫星图片资料输入计算机，与灌前图片资料相比较，就可发现 哪些田块超灌，违反灌水权限，从而及时现场核查处理。此外，监控 系统还能提供与灌区及控制流域有关的天气、河湖的水位、水质等基 本信息。 日本于八十年代初对新建或改建的灌区，大多从渠首到各分水点 都安装有遥测遥控装置。中央管理室集中监测并发布指令、遥控闸门、 水泵的启闭、进水分水和配水。九十年代以来，随着计算机向微型化、 高性能化发展，微型机的存储和计算能力已达到或超过昔日大型计算 机的功能，使计算机用于灌溉用水管理的硬件成本大大降低。 罗马尼亚大多数灌区在八十年代初便实现了自动化或半自动化管 理，各级渠道普遍采用水力自动闸门进行渠道长距离输水的水力自动 控制。与英国合建的奥尔特一卡尔马齐灌区灌溉面积达6 万公顷f 9 0 万 亩) ，其中的4 6 万公顷( 6 9 万亩) 实现了用水计算机自动化管理。灌区 的三级提水泵站、3 4 个加压泵站引水调节阀门，都由设在二级泵站内 的控制调度中心的计算机通过2 0 0 k m 地下电缆进行远程控制运行。水 力自动控制靠安装在各级渠道上的水力自动闸门完成闸门的启闭及水 位的流量的调节，实现输配水的自动化。 以色列的大小灌区，全部采用自动化控制，灌溉完全按预先编好 的程序自动灌水。与常规灌水方法相比，计算机管理的自动化灌溉系 统具有如下优点：以有效利用水源和能源，省水节能约1 0 一3 0 ；投 入低，产出高，增产幅度约为10 ：精确使用灌溉水，使回归水降至 2 灌区管理情况概述 最少，含水层和河流污染最轻，并缓解了有关排污问题。节省了用于 灌溉的劳动力；提高了化肥、除草剂、杀虫剂的有效利用，减少了用 量，有利于防止环境污染。 当前国外灌溉管理虽然有很多先进的方面，但发展很不平衡。即 自动化和半自动化、计算机辅助管理与人工管理的模式并存，且在灌 区自动化方面仍有很多不足，如各种控制方式在运行时大多是对渠道 水情变化的被动响应，方法不太灵活。这些都应作为我们此项工作的 参考和借鉴。 2 3 灌区管理信息网络化建设的意义 陕西要成为西部大开发的龙头，陕西的水利建设事业也应在西部 大开发中至少成为西北农田水利开发的龙头。我们已经步入2 1 世纪的 信息时代，建国5 0 年的历程，从近乎刀耕火种的信息采集，到如今遥 测、遥感、计算机网络等现代化的通讯手段的应用，也促使水利信息 产业取得了长足的发展，全国及我省的防汛信息网络已成雏形，经济 发达地区水利信息产业也发展得如火如荼。这些都为我省灌区信息化 建设创造了有利条件。 信息是财富，信息资源需要开发，信息开发需要投入，包括技术、 资金、人力和时间。信息产业是“高投入、高风险、高收益”的“= 高”产业。然而灌溉长期以来是以成本甚至低于成本的方式为农业和 农民服务的，即使是在今天市场经济的时代也是如此，但灌溉以其回 报社会的“高收益”则是有目共睹的。目前全国约1 3 3 亿公顷的耕地 面积中，水田、水浇地仅占0 5 1 亿公顷，不足耕地面积的4 0 ，而生 产的粮食却占全国粮食总产量的8 0 左右。我国之所以能以占世界7 的耕地养活占世界2 2 的人口，正是我们拥有约占世界2 2 的灌溉面 积。这里灌溉功不可没，水利起到了关键作用。历史和事实都证明， 我国农业的发展在很大程度上依赖于灌溉的发展，灌溉是农业高产、 西安理工大学工程硕士学位论文 优质、高效的基础条件，灌区是农业发展的最好基地。因此，为适应 网络社会化的发展趋势，建设我省大中型灌区水资源联网调度信息网 络化工程项目，实行多水源统一管理调度，有利于充分利用现有水资 源，提高水的利用效益。对农业节水、优化水资源配置、提高灌区灌 溉管理水平具有重要意义。 2 4 灌区管理信息系统的构成 灌区管理信息系统的构成分为三个层次，分别实现如下的功能： 最上层为省厅网络中一、。它的功能是对中层的各灌区调度中心实施 运行监督、宏观调控，获取卫星云图等气象预报信息及各地的水情雨情 测报信息，为全省灌区管理和决策提供及时准确的信息服务和技术支持， 达班全省水资源的合理配置，提高我省有限水资源的利用率，取得最大 的灌溉效益。省厅网络中心上连水利部与省政府，横连外省市，实施高 效的电子化信息传递，实现数据、图象和声音等多媒体的传输： 中层是各灌区的调度中心。它们设在各灌区的管理局内，其功能是 收集测控站上传的数据，对灌区内的各泵站、干支渠闸门实旋优化调度 亏生声管理，与省水利厅网络由心进行数据传输，获取省厅的7 i 象、雨 情、水情、旱情等水资源资料，获取省厅的技术援助与决策支持，以及 政府部门的法令与政策批示。 下层为测控站。它们可能是各大型泵站的监控系统，也可以是干、 支渠的测控站、斗渠的测检站、降雨及土壤墒情田间气象观测站等。它 们的功能是实现基层的监测与控制任务并将监测昀数据上传到灌区调度 中心；接受灌区调度中心指令，完成开、停泵、渠道闸门控制等：实现 水量的合理分配与计量等。 要实现以上三个层次的功能，灌区管理信息、系统由以下三大部分构 成。它们是灌区管理信息化平台、基础数据库、应用系统。 2 灌区管理情况概述 2 4 1 灌区管理信息化平台 灌区管理信息化平台，为各个应用系统的开发和运行提供统一的硬 件与软件环境：通过公共数据传输网络实现各平台之间的互联互通，资 源共享。 灌区管理信息化平台选取的原则： ( 】) 具有强大的工业标准和厂商支持的主流产品。 ( 2 ) 具有长久使用的可靠历史。 ( 3 ) 具有现阶段的先进性，在未来具有不断升级中具有可扩展可扩 充性。 ( 4 ) 容易获得技术支持，便于操作使用与维护。 ( 5 ) 平台中的硬件应相匹配，性能稳定可靠，价格适中。 ( 6 ) 通信网络的规划设计与建设，不仅要建没独立的水利信息网络， 连应充分利用公共电信网络的优势，避免重复建设，以节省水 利部门的巨大投资。 2 4 2 数据库 基础数据库是供多个应用系统共享的数据库，主要包括灌区水文数 据库、水利空间数据库、水利地理信息资源库、灌区水利工程资料数据 库、灌区机电设备数据库、水利政务数据库等 24 2 1 灌区水文数据库 存储的是经过整编的历年水文观测数据，是各水利专业应用系统的 基础。它是全省水文数据库的一部分。 24 22 灌区水利空间数据库 水利空间数据库所涵盖的内容是以水利要素空间分布特征的数据， 包括工农业布局、交通运输、电力、通信、人口密度、城镇用水现状及 规划、人文景观、旅游资源、环保状况等 西安理工大学工程硕士学位论文 2 4 23 水利地理信息资源库 主要包括地理信息，如地形地貌、山川河流、地表水及地下水资源、 农作物种植；雨情、水情、讥情、旱情的历史资料等。 2 424 灌区水利工程资料库 包括建成或在建的大小水利工程，如堤防、水库、抽水泵站、主干 渠道、节制闸门等水工建筑物的工程数据，工程的效能与效益，工程的 完好状态及工程的隐患等。 2425 灌区机电设备数据库 包括灌区的所有机电排灌设备的技术数据、排灌能力、设备效率、 历年灌溉运行的情况汇总数据、设备运行完好率统计等。 2 4 26 灌区水利政务数据库 包括计资、人事、专业技术人员档案、公安水政、政策法规等。 以上数据库为以下的应用系统打下了基础。 2 4 3 应用系统 应用系统主要包括：水情、雨情、旱情、商情测报系统，泵站计算 机监控系统，渠系数据采集与处理系统，渠系配水优化调度决策系统， 灌区优化调度仿真模拟系统，灌区水利政务管理系统，灌区优化调度决 策支持系统。 2 4 31 水情、雨情、旱情、商情测报系统 灌溉业务数据来自三方面：通过设在各管理站、配水点、试验站、 气象站( 点) 、土壤作物、地下水观测点等灌溉测控仪器测定的业务数据； 通过通信网络接收外部机构( 泾河水文、气象部门、防汛抗旱办等) 的 业务数据：灌区历史资料。对以上数据经二级处理，为灌溉业务实时自 动化示范管理提供基本的决策依据。 数据的查询分为两种方式：基于测站点计算机分布图直接式查询： 按分类菜单列表式查询，前者通过点击计算机地图上测站点的标记快速 2 灌区管理情况概述 查询历史和适时数据，后者便于分类查询各种分片数据。 业务数据采集包括：气象数据、河源水文数据、作物种植布局、土 壤数据、地下水数据、雨情数据、水位流量等测量、闸门开度测量。 2 4 3 2 泵站计算机监控系统 泵站计算机监控系统应是一个真正的分层分布式监控系统。它将系 统的部分功能分散到每个智能化前端( 现地控制单元) 中。每个前端为 一个独立的控制单元，可以独立完成局部监控任务，与工控机( 上位机) 通过总线进行数据交换，并接受工控机的控制指令。本系统不仅实现系 统的功能上的分散，还实现了地理位置的分散。这样不仅有利于现场的 安装，免除了大量信号电缆的铺设，而且更符合于泵站计算机监控的实 际情况，避免了大量电缆之问的信号干扰。使系统更加安全可靠，同时 还有利于系统的检修维护和故障诊断。如下图： 泵站监控系统中的传感器、变送器、控制调节自动设备的选型应 给予高度的重视。 24 33 渠系数据采集与处理系统 西安理工大学工程硕士学位论文 根据数据采集的需要，首先完成对各渠系的控制部分数据采集( 包 括各种水位、闸门、监测监控图形数据等) ，通过相关的输入输出程序 进行处理，接入中央控制服务器中，为优化调度决策服务。 闸门上下游水位可通过设在闸门上下游稳定均匀流段的测流断面 水位传感器直接采集，各渠流量、闸门计划开度可通过明渠流量计算 公式及闸孔出流计算公式等水力学方法进行计算。渠道糙率、闸孔流 量系数等应进行实测选定，闸门实时开度可通过闸位仪测定。闸门启 闭过程中形成的水深移动波传播速度、时间以及水流从原来的恒定状 态过度到新的恒定状态所需时间可按考虑渠道调蓄水量变化的非恒定 渐变流计算，通过水力学模型建立相应的水位、流量、闸门开度数据 采集和处理程序模块。 2 4 3 4 渠系配水优化调度决策系统 优化调度决策系统由灌区灌溉供需水量、供配水方式、配水目标 函数、配水顺序等决定。当水源比较充足，渠首来水量大于灌区需水 量的8 0 以上时，采取用户按需配水，配水计划与需水计划基本一致， 但这种情况较少；大多数情况渠系采用计划配水( 续灌或轮灌) ，当河 源引水相当于需水量的6 0 左右，采用按计划配水( 续灌) ，供水量 相当于需水量的3 0 4 0 时采取轮灌。 在采取计划配水情况下，各管理站应根据农户需水，将各斗渠、 支渠用水申请单( 需水量、用水时i 可) 提前送到管理局调度中心，调 度中心根据省水文局近期水文预报，通过优化决策计算确定灌区各渠 流量分配计划。在优化渠系流量分配计划时将作物水分生产函数研究 成果作为优化配水的基础，以有限水量增产效益最大为目标函数( 也 可以全灌区管理部门经济效益最大为目标函数) ，用系统分析的方法， 以面积( 最大、最小) 、水量、流量等为约束条件，建立数学模型及程 序模块，优化计算出各次灌水、各条渠道应分配的流量及时间。在建 2 灌区管理情况概述 立数学模型中所需要的节水灌溉制度、非充分灌溉制度、水分生产函 数、各级渠道水利用系数、田间水利用系数等基本计算参数需采用专 门的试验研究数据。 随着灌区供水( 河流来水、降雨、地下水) 用作物需水数据采集 和预报业务的扩展，灌区优化决策模型将逐步升级，提高其预测预报 及应变能力。设计内容见下图： 2 4 3 5 灌区优化调度仿真模拟系统 仿真管理在线模拟各远程配水点控制设备运行渠道的实际运行 过程和结果，为中央控制部分提供可靠的运行保证。该系统模块应分 五个菜单：仿真运行界面、仿真曲线图表、仿真报警信息、仿真系统 管理、在线帮助等，具体结构见下图： 1 9 堕窭望三查堂三堡堡圭堂笪丝苎 该软件系统分为八个大模块( 综合灌溉管理、科学试验管理、工 程设备管理、灌区系统管理、公安水政管理、政策法规管理、经营财 务管理，灌区组织管理等) ，结构见下图： 灌区业务优化决策管理 灌 区 系 统 管 理 科 学 试 验 管 理 上 程 设 备 管 理 综 a 口 灌 溉 管 理 公 安 水 政 管 理 政 策 法 规 管 理 经 菩 财 务 管 理 灌区各单位任务管理 灌区各单位盈了分析 灌区购供水管理 各项管理指标统计 2 0 灌 区 组 织 管 理 灌区预估需求分析 灌区各单位奖罚统计 2 灌区管理情况概述 应用系统软件开发与选用应注意与操作系统、数据库结构、其他 应用系统软件之间的互联互接，易实现与多家公司配套软硬件的互联 互接，其中j s p h t m l j 删ja 、r ab e a u 系统软件适合于w i n d o w s 操 作平台，可移植性好，结构清晰，在此平台基础上开发的应用软件更 便于操作、维护、升级，因此是首选的系统软件平台。 2 1 3 灌区管理信息平台建设 3 灌区管理信息平台建设 灌区管理信息平台是为各个应用系统的开发和运行提供统的硬 件、软件环境，实现互联互通、资源共享。它包含信息网络的建设， 信息资源数据库建设与信息化网络安全体系建设。目前，陕西省水利 信息化程度低，基础十分薄弱，急需充分利用并依托于计算机技术、 自动控制技术、通信技术和网络技术等现代信息技术，深入开发和广 泛利用水利信息资源，包括水利信息的采集、传输、处理、存储及利 用，全面而大幅度的提升水利事业活动的效率和效能。 信息化已经成为现代化的标志，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的关键环节。当今世界， 计算机技术、通信技术、网络技术、自动控制技术、人工智能和i t 产 业都以惊人的速度向前发展，为信息化不断地提供着新的技术支持。 信息网络平台是为各个应用系统的开发和运行提供统一的硬件、软件 环境，实现互联互通、资源共享。水利工作要从过去重点是对水资源 的开发、利用和治理，转变为在水资源开发，利用和治理的同时，更 为注重对水资源的优化配置、节约和保护；要从过去重视工程建设， 转变为工程设施与非工程设施并举；要从过去对水量、水质、水能的 分别管理和对水的供、用、排、回收再利用过程的多家管理，转变为 对水资源的统一配置、统一调度、统一管理。水利信息化是实现上述 转变的重要技术基础和前提。 信息网络平台是实现信息化的基础性工程，也是本论文提出的系 统模型的物理网络平台。本系统的提出迎合了信息化发展的趋势，本 系统的建成也将成为陕西省水利信息化工程的一个重要组成部分。 本章将从信息网络平台建设的一般原则，网络建设方案的选择和 网络安全等几个方面来进行说明。 西安理工大学工程硕士学位论文 3 1 网络信息平台建设的一般原则 网络建设方案的关键问题在于要充分联系用户的实际要求，综合 考虑各种因素，提出真正适合于用户的实际建设方案。陕西省水利信 息化网络平台具有地理位置分散、跨市、区县、多层次、用户信息量 大且部分信息保密，安全性要求较高等几个特点。针对陕西省水利信 息化网络平台建设的实际和特点，应遵循以下几个原则： 先进性 先进的技术通常能带来更高的性能和更优的性价比。所以在综合 考虑投资、风险、需求等条件下，应当尽可能采用先进的技术来架构 网络。 开放性 互联网是开放的网络，所以网络的设计必须体现开放性。网络中 不同厂家的设各必须实现互连互通。所以网络中的硬件与网络协议必 须采用与国际标准兼容的开放协议。 前瞻性与适用性 网络建设除应当考虑满足当前的需求外还应当能适应将来的发 展。网络必须建立在可扩展的平台上，网络应当随业务的发展不断扩 大，同时在网络扩展时必须考虑保护以往投资，保证网络平滑过渡。 由于计算机技术与通信技术发展迅速，大多数人认为我们无法看 清l o 年甚至5 年后的发展。所以网络建设在前瞻性的基础上必须考虑 适用性，以免造成不必要的浪费。 可靠性 网络一般需要每年3 6 5 天、每天2 4 小时不问断地提供服务，所以 网络设计必须考虑网络的可靠性。可靠性在网络设计中体现在两方面： 一方面在于网络拓扑的设计，尽量使网络上不存在单点故障；另一方 面，连接网络的路由器设备必须支持插卡、接口、电源等部件的冗余 3 灌区管理信息平台建设 与热插拔能力以及支持例如v r r p 等路由器冗余协议。 安全性 网络系统应当是一个安全的系统。网络的安全性可以体现在两方 面：一方面是网络本身的安全性，网络不能受非授权路由协议、管理 协议的控制；另一方面网络上传输的数据应当是安全的，该方面的安 全考虑通常使用端到端的加密协议或v p n 实现。 根据网络设计的原则，同时为确保网络设备的正常运行和适应未 来技术的发展，在方案设计以及设备的选择过程中一般应当考虑以下 几方面因素： 开放的系统 为了网络系统有良好的开放性，采用如下国际标准协议： 网络协议：t c p i p 、i p ) ( s p x 、i e e e 8 0 2 2 、i e e e 8 0 2 3 、i e e e 8 0 2 1 1 ： 路由协议：o s p f 、i s i s ： 网络管理协议：s n m p 以及r m o n 等。 在使用公司私有协议前必须权衡开放性与高效性间的平衡，一般不 使用非开放的协议。 主流的技术 在选择网络技术时必须在满足需求和先进性的条件下选择采用主 流技术。在满足需求的条件下选用主流技术可以在产品选择、网络扩 展、网络升级方面取得更大的主动。 主流的产品 在网络设各选择中性价比接近时应选