都江堰是全國(guó)最大的灌區(qū)，覆蓋地域廣闊，建筑設(shè)施布點(diǎn)多，閘群、水文站、氣象站眾多，干渠、支渠縱橫，斗渠星羅棋布，且服務(wù)功能多樣，管理對(duì)象繁多，管理業(yè)務(wù)復(fù)雜，要科學(xué)管理和有效調(diào)度如此龐大復(fù)雜的灌區(qū)，充分利用水資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，建設(shè)一套先進(jìn)、可靠的水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)是非常必要的。
一、水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
1.系統(tǒng)信息流
信息流分析是開(kāi)發(fā)水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)的前提，該系統(tǒng)信息流包括信息流過(guò)的四個(gè)重要環(huán)節(jié)即信息采集處理、信息傳輸交換、信息存儲(chǔ)管理和信息應(yīng)用等。
2.系統(tǒng)架構(gòu)
水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。其中四個(gè)環(huán)節(jié)的每一個(gè)單元都是水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)的重要部分。
圖1 水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)
(1)信息采集處理
通過(guò)水文氣象傳感器和數(shù)據(jù)采集器(RTU)，將灌渠或水庫(kù)流域的水、雨情信息采集變換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)到中心站。
?、偎膫鞲衅?br /> 目前，國(guó)內(nèi)外在水文氣象方面使用的傳感器品種繁多，原理也不盡相同。常用的傳感器有雨量計(jì)(翻斗式雨量計(jì)、虹吸式雨量計(jì)、光電式雨量計(jì)等)、水位計(jì)(浮子式水位計(jì)、壓阻式水位計(jì)、氣泡式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、雷達(dá)式水位計(jì)、激光水位計(jì)等)、超聲波流量計(jì)、溫度傳感器(地溫及水溫傳感器、氣溫傳感器)、氣溫/濕度傳感器、蒸發(fā)傳感器、日輻射傳感器、風(fēng)速風(fēng)向計(jì)、氣壓計(jì)等。
?、跀?shù)據(jù)采集器
由于水文遙測(cè)站點(diǎn)大多在野外，供電困難，故水文數(shù)據(jù)采集器區(qū)別于其他SCADA系統(tǒng)的RTU的最顯著之處是靜態(tài)功耗極低，通常小于1mA，典型值在0.1～0.2mA左右。最近五年，國(guó)內(nèi)水文數(shù)據(jù)采集器在微功耗、可靠性等方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，并具備了三種工作模式即自報(bào)式、應(yīng)答式和混合式(在自報(bào)式的基礎(chǔ)上兼有應(yīng)答功能的遙測(cè)站組成的系統(tǒng)，稱(chēng)為混合式系統(tǒng))，完全能夠滿(mǎn)足水文遙測(cè)數(shù)據(jù)采集需求。目前新型數(shù)據(jù)采集器具有以下特點(diǎn)：
1)智能化程度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
2)采用表面封裝工藝生產(chǎn)，集成度高；微功耗，耗電少，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大，防干擾能力強(qiáng)，具備多種物理接口，可直接接人國(guó)內(nèi)外流行的各種傳感器。
3)支持超短波(VHF)信道、公用電話網(wǎng)(PSTN)信道、GSM短消息通信、CDMA通信、國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星INMARSAT-C系統(tǒng)、全線通OMNlTRACS系統(tǒng)、全球星GIDBAISFAR系統(tǒng)、神州天鴻北斗系統(tǒng)、VSAT系統(tǒng)、CDPD、GPRS等多種通信終端設(shè)備。
4)支持多種通信規(guī)約。
5)提供用戶(hù)可編程界面，大量應(yīng)用功能及參數(shù)可現(xiàn)場(chǎng)靈活設(shè)置或遠(yuǎn)程設(shè)置。
(2)信息傳輸交換
信息傳輸交換主要依據(jù)通信規(guī)約及協(xié)議，依靠通信信道、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。水資源監(jiān)控及調(diào)度一方面將分散在整個(gè)流域內(nèi)的各遙測(cè)站點(diǎn)水文數(shù)據(jù)采集到中心站；另一方面，還要與上、下級(jí)水調(diào)系統(tǒng)，以及其他相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。
①水文遙測(cè)信息傳輸
目前水文遙測(cè)信息傳輸可用的信道有：超短波(VIF)信道、公用電話網(wǎng)(PSTN)信道、GSM短消息通信、CDMA通信、國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星INMARSAT-C系統(tǒng)、全線通OMNITRACS系統(tǒng)、全球星GIDBALSTAR系統(tǒng)、神州天鴻北斗系統(tǒng)、VSAT系統(tǒng)、CDPD、GPRS等。通信規(guī)約滿(mǎn)足：1)可靠性(具有錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制)，2)高效性(在保證信息完整的前提下傳輸數(shù)據(jù)量盡可能短)，3)安全性(防止非法用戶(hù)闖入)，4)靈活性(可以在多種信道上傳輸，具有自動(dòng)路由切換功能)。
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迄今為止，中心站信息交換可用的信道有：專(zhuān)線微波、VSAT衛(wèi)星系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)、PSTN、VPN、DDN信道、擴(kuò)頻通信等。在電力行業(yè)，通信協(xié)議遵循《電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信應(yīng)用層協(xié)議》(DL476-92)，適合與EMS、廠內(nèi)監(jiān)控等系統(tǒng)橫向信息交換；在水利或其他行業(yè)通常使用自定義的通信規(guī)約。
(3)信息存儲(chǔ)管理
水文氣象信息類(lèi)型多、歷史長(zhǎng)，并具有大量特征數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，因此它的存儲(chǔ)管理有非常明顯的個(gè)性。在水資源監(jiān)控和調(diào)度中，物理介質(zhì)主要依靠磁盤(pán)、磁帶和光盤(pán)存放，信息訪問(wèn)、管理通常是以文件、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等方式進(jìn)行。
針對(duì)水文氣象及閘控、視頻數(shù)據(jù)的特性，在數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、訪問(wèn)上除已使用常規(guī)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，如基本遵循“第三范式”來(lái)設(shè)計(jì)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)，使用索引、視圖、觸發(fā)器和存儲(chǔ)過(guò)程等來(lái)改善數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)性能外，在存儲(chǔ)上還使用了分表技術(shù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)上采用了中間件技術(shù)(內(nèi)含優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)的連接數(shù)功能)等，極大地提高了系統(tǒng)的訪問(wèn)速度及其可靠性和開(kāi)放性。
(4)信息應(yīng)用
信息應(yīng)用是系統(tǒng)的最高層次，由基礎(chǔ)應(yīng)用(包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等)、基本應(yīng)用(包括閘門(mén)控制、灌渠分水量計(jì)算、水量平衡計(jì)算和統(tǒng)計(jì)等)、高級(jí)應(yīng)用泡括水質(zhì)分析、防洪抗旱調(diào)度和灌渠優(yōu)化調(diào)度等)和數(shù)字化專(zhuān)業(yè)應(yīng)用等組成。
目前學(xué)術(shù)界正在研究在數(shù)字流域的框架下建立空間分布式水文預(yù)報(bào)模型、防洪抗旱調(diào)度模型(包括水庫(kù)流域和灌渠)、洪水災(zāi)害評(píng)估模型。它們較傳統(tǒng)的模型能更多更快地獲取信息，并將它們拓展到流域的三維立體空間上進(jìn)行可視化展示，使模型能真實(shí)地反映自然洪水發(fā)生的客觀規(guī)律，從而對(duì)灌渠和水庫(kù)的入庫(kù)洪水進(jìn)行有效的調(diào)控。
二、都江堰灌區(qū)水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.系統(tǒng)目標(biāo)
為貫徹水利部提出的資源水利、可持續(xù)發(fā)展水利的治水新思路，都江堰要進(jìn)行水利自動(dòng)化、信息化建設(shè)的探索和實(shí)踐，把現(xiàn)代高科技全面引入灌區(qū)建設(shè)和管理，從而全面提升都江堰灌區(qū)水利自動(dòng)化和管理水平。本項(xiàng)目建設(shè)包括水情遙測(cè)子系統(tǒng)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析子系統(tǒng)、閘門(mén)自動(dòng)控制子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息管理子系統(tǒng)等6個(gè)子系統(tǒng)，完成灌渠的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、各種水情和工情監(jiān)視、閘門(mén)自動(dòng)控制、水質(zhì)分析和灌渠調(diào)度等，使都江堰灌區(qū)調(diào)度管理全面走向自動(dòng)化，建設(shè)的系統(tǒng)整體達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。
2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2。水情子系統(tǒng)由VHF和GSM信道構(gòu)成，其余是光纖信道。為預(yù)防通信異常，確保灌渠生產(chǎn)調(diào)度管理正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本設(shè)計(jì)中閘控、水質(zhì)和視頻系統(tǒng)將設(shè)置分中心站，數(shù)據(jù)在分中心站先進(jìn)行存儲(chǔ)再轉(zhuǎn)發(fā)到中心站，構(gòu)成現(xiàn)地、分中心、中心三級(jí)系統(tǒng)。
3.系統(tǒng)組成及功能
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖都江堰水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)由6個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，包括水情遙測(cè)子系統(tǒng)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析子系統(tǒng)、閘門(mén)自動(dòng)控制子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息管理子系統(tǒng)。
(1)水情遙測(cè)子系統(tǒng)
在紫坪埔、渠首六大干渠組建了 10個(gè)水情測(cè)站，實(shí)時(shí)采集岷江來(lái)水量、灌區(qū)干支渠水量、工業(yè)用水點(diǎn)水量、灌區(qū)土壤墑情及雨量。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集(VHF、GSM無(wú)線信道)和中心站組成，各遙測(cè)站與中心站構(gòu)成星狀網(wǎng)絡(luò)，中心站為中心節(jié)點(diǎn)。測(cè)站采取自報(bào)為主、應(yīng)答為輔的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，并且具有固態(tài)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能。中心站具有數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析、查詢(xún)等功能，并能向上級(jí)部門(mén)提供信息服務(wù)。
子系統(tǒng)中的核心設(shè)備ACS300是國(guó)內(nèi)唯一基于數(shù)據(jù)采集平臺(tái)(DCP)概念設(shè)計(jì)的高可靠和高智能化微功耗數(shù)據(jù)采集器的最新產(chǎn)品，也是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)完全滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的水情數(shù)據(jù)采集器，與在水利系統(tǒng)中廣泛使用的ACS系列產(chǎn)品相比，ACS300體積減小50%，靜態(tài)功耗降低50%，工作功耗降低75%，啟動(dòng)時(shí)間減<
