南水北调工程运行管理中的信息化建设

1、南水北调工程运行管理中的信息化建设为了充分发挥调水工程的作用，合理利用水资源，充分发挥调水工程 的运行效率，降低运行成本，适应工程”准市场化”运营的要求，利用先 进的信息采集技术、通讯技术及视频传输技术等，建立一套集信息采集、 通信、监视、会商于一体的现代化管理系统是非常坚要的口5.1系统建设目标及原则建设的总体目标是：建设一个以采集输水沿线调水信息（包括水量、 水拉等水文信息，水质信息及工程运行信息等）为基础以通信系统为平 台，以监控和调度管理为核心的南水北调东线一期山东段工程信息采集与 传输系统口南水北调东统一期山东段工程信息采集与传输系统的建设网遵循以 下原则：统一规划、统一技术标准,实

2、现分层次部门管理；公网L与专网相 结合.充分利用公共资源，避免重复建设；系统具有可扩展性和安全性； 信息共享，5. 2系统的涉及范围系统管理输水干线沿线山亲省范围内的各泵站、重要陶站、输水河道、 渠道、隧洞、湖泊、水库和重要的取（分）水口，同时还有山东省调度中 心、各调度分中心等，系统覆盖范围洋见表5T.表5-1系统管理范围汇总表Table 5T Summary of the scope of management system分中 心泵站闸、抽水 站口门水义测点分心质点 质中水测数 水析及监、库 湖水河道韩主站、万年闸站台儿庄站韩庄闸、潘庄引河博、大沙河阮1枣庄 48 梁济 运河、 柳长 J

3、E河, 穿黄 工程、 小运 河、七 一河， 六五 河、济 平干 渠、济 南至 引黄 济育济宁二级坝站、长沟 站、邓楼站司咳退水 闸7济宁19泰安八里湾站东平湖各 北引水 闸、胶东 引水闸3泰安4聊城邱屯闸、 魏河闸、 穿黄隧 洞、徒骇 河闸穿黄涵洞出口、 运河极、李海务 镇、西旺分干、 马烦河倒虹前、 马颇河倒虹后、 张官屯7聊城5憾州王庄闸白马湖改碱沟、 乐茨、陵县、宁 津、平原、庆云 堤上旧城河、六 五河4德州51大屯水库济南平阴上盆王、长清南大沙河、长 清贾庄6济南3消水、湖库玉湖库东水胶东魏桥、胡楼、刍G 平、麻大湖、淇 州、沾化、博兴、 高背樊家林、济 育输水河24淄情41双王城水库

4、省合 计7112652监测点44中心1048南水北调东线一期工程沿线的个别泵站、闸站不属于南水北调管理范围，但由于这些泵闸站地理位置适中，为了便于通信与计算机网络的连接、 以及二级接入通信网的连接，在不增加投资的前提下，本系统也将他们纳 入监控范围。本系统在省调度中心、各调度分中心，可以对输水干线沿线 各泵站和重要闸站（分水口门）实现远程视频监视，可以实现远程视频监 视的工程范围详见表5-1系统管理范围汇总表。表5-2远程视频监视工程范围汇总表Table 5-2 Remote video survei I lance summary of the scope of project一分中心一泵站

5、闸站、抽水站口门、水库枣韩庄站、万年闸站、韩庄站韩庄闸、潘庄引河间、 大沙河闸济宁二级坝站,长沟站、邓楼站司咳退水闸泰安八里湾站东平湖鲁北引水闸， 胶东引水闸聊城邱屯何、魏河闸、穿 黄隧洞、徒骇河闸穿黄涵涧出口、运河权、李海 务镇、西旺分干、马颊河俺虹 前、马颊河倒虹后、张官屯州王庄闸大屯水库白马湖改城沟、乐陵、陵昼、 宁津、平原、庆云堤上旧城河、 六五河济南.玉清湖水库、东湖水库 平阴上盆王、长清南大沙河、 长清贾庄H魏桥、胡楼、邹平、麻大湖、 滨4、沾化、博兴、高青奥家 林，济青输水河合讦711295. 3系统的功能5. 3.1信息采集系统的功能采用巡测、定点等多种方式对输水河道重要断面、

6、分水口门和梯级泵 站的过（抽）水水量、水位等数据进行实时采集；采用定点自动观测与巡 测相结合的方式，采集河道、湖治、水库的水质信息，实现水质监测；完 成水情、水质信息的处理、存储和传输，将水情、水质信息上送到相应的 调度分中心。为省调度中心、调度分中心以及水利部、输水干线沿程的省 市水务管理部门了解干线沿程的输水情况，他们可以在当天看到“哪里在输水，水到哪里去，水质怎么样？ ”，以及“输了多少水？ ”。5.3.2通信网络的功能组建一个连接省调度中心、调度分中心、各泵站、重要闸站（分水口 门）的，稳定可靠、实用先进的，能够开展各项通信综合业务的通信系统， 为东线山东段工程的水量监控、水质监测、水

7、资源统一调度管理提供可靠 的通信。5. 3. 3视频监视与会商系统的功能实现各泵站、重要水闸（分水口门）的实时数据采集和传输；在省调 度中心、各调度分中心实现对各泵站、重要水闸（分水口门）的运行状态、 输水情况以及重要操作和环境进行视频监视；在省调度中心、各市调度分 中心之间实现远程视频实时会商。5. 4系统建设内容5. 4.1信息采集系统信息采集系统包括水文信息采集子系统、水质信息采集子系统、工情 信息采集子系统（视频信息采集）等。水文信息采集系统主要是指水位和 流量信息采集系统,系统采用巡测、定点等多种方式对输水河道重要断面、 分水口门和梯级泵站的过（抽）水水量、水位等数据进行实时采集；水

8、质 信息采集系统采用定点自动观测与巡测相结合的方式，采集河道、湖泊、 水库的水质信息，实现水质监测；完成水情、水质信息的处理、存储和传 输；工情信息采集系统在本研究中是指视频信息采集系统（见第5章）。 因此，本信息采集系统主要包括水文和水质信息采集系统。5. 4. 1.1水文信息采集系统为了实现南水北调东线由东段工程调度运行管理的自动化，必须建立 与之相适应的水文信息自动采集系统。采集的信息应能满足输水沿线泵站 实时优化调度和监控、行政区划之间的水量计量、重要分水口门水量计量、 区域水资源优化配置等应用的要求。目前南水北调东线山东段工程沿线的河道、重要的湖泊和较大的支流 上布设有水文、水位、流

9、量站点，但这些水文站点是国家水文网的一部份, 并不能满足南水北调工程调度运行的的要求：监测站点覆盖范围不能满足 调水系统的要求。这些工程大都没有测流断面进行水量测量；监测站点观 测要素不能满足调水系统的要求，许多测站没有测流设施设备，只能进行 水位、闸位等要素的观测；监测站点信息采集手段落后，不能反映输水沿 线水情的实时变化；监测站点观测的时间、频次不能适应水资源管理的要 求，大多数现有水文测站只在汛期进行水文观测，在调水期观测的频次极 少。所以必须结合己有的水文站网，建设水文信息采集系统。水文信息采 集系统的主要任务是实时监测输水沿线水面线情况、沿程水量分配情况和 主要支流来水情况。采集的信

10、息包括水位、闸位和流量等。由于调水工程 涉及水文测验断面多，情况复杂，水文测验技术方案必须针对具体的断面 位置、测验要求等情况来选择。依据调水工程的实际需要，参照其与防汛 和水文测量的不同需求，确定本系统对测点的确定原则为：一是对于泵站、 闸门、分水口门的出口断面，进行水位、闸位实现在线观测，并利用水工 建筑物泄流关系曲线计算流量和水量。二是对于支流控制站，已建设缆道 的测站，要配备微机自动测流系统，实现缆道自动化；新建的测站，因断 面较窄，全利用静止横向ADCP测流。水位观测可以选用压力水位计或气 泡水位计实现在线观测。三是移动测流系统要配备机动船载ADCP测流系 统，实现自动测流。四是对沿

11、线附近已经建设的水文站点纳入系统进行管 理。五是对输水沿线与渠道有交叉的重要断面、口门进行水质信息采集。一是水位观测。水位观测的设计技术目标是全面实现在线观测和传 输。为达此设计目标，水位观测站的建设内容共有：一是对己建的水位自 记井进行维修，维修项目因站而异，包括井身、进水管、沉沙池、拦污栅、 栈桥和观测道路等，井配备浮子式自记水位计、水位编码器和新遥测终端 设备。二是对新设测流站点，结合超声波测流设备，配备超声波式自记水 位计，并安装遥测终端设备。对于新设水位站点，电源条件较好的，采用 气泡式水位计，其他处采用压力式水位计。三是对有多处观测断面或水位 断面远离站房的测站，解决观测点至站房之

12、间的短距离传输问题。解决方 案视距离远近而定。一般来说，超过200米者采用无线传输方式，否则用 有线传输方式a .二是流量测验。流量测验设计技术目标为：在本系统新建和改造的测 流断面尽量实现自动化在线测流。测流设备以超声波测流仪为主，在新规 划的取水口门利用水工建筑物测流，流量计算所需要的水位、闸位实现在 线观测。对于不具备在线测流条件的老断面，要配备微机测流系统，实现 缆道测流自动化，流量测验断面的建设包括以下内容：一是建设和维修电 力线路，配备发电设备、电力拖动设备、调速（变速）设备等；二是引进 先进的测流设备及与之配套的全球卫星定位系统（GPS）等高科技产品， 在部分重要测站，配备红外（

13、或激光）测距仪、流向仪。三是每个信息采 集分中心配备巡测车辆和移动流量测验设备。5. 4.1.2水质信息采集系统调水不仅有量的需求，而且必须有质的要求。水质又称水化学，它标 志着水体中各种溶解质的化学成分及其含量。水质监测以调水水体和沿途 湖泊、渠道的排放口为对象进行检测，检查水的质量是否符合三类水以上 的标准，以便为是否调水、控制污染、截污导流、保护水源提供科学依据。目前南水北调输水沿线山东省境内（淮河流域段）水质监测站共12 处。监测工作分别由淮河流域水环境监测中心和山东省水文部门承担，在 山东省各地市都有水质分析中心。东线山东段工程利用大量现有河道湖泊 和建筑物，调水与防洪、航运互相结合

14、，沿线的取水口门多，输水河道还 同时为行洪河道；供水区内当地水资源和新增的调水同时并存，水量调度 复杂；水质受沿线排放的污废水影响，水污染治理利水质保护任务艰巨。我国七大水系普遍受污染，大辽河水系污染严重，海河水系、淮河干 流、黄河干流属重度污染。南水北调东线山东段工程沿线部分河道、湖泊 等水体污染比较严重。工业排污及废弃物引起水的工业废水是我国水源污 染的主要原因之一，近20年来,虽然我国污水的处理率在不断提高，但污 水的年排放量仍在大幅度增加。根据水质监测资料评价，目前调水区长江 三江菅断面（水源地）全年水质良好，除氨氮为III类外，其余所有监测指 标均达到地表水环境质量I类水标准：输水区

15、南四湖到东平湖段，水质多 项超标，为IV类、V类和劣V类；海河流域输水沿线水质全部为劣V类。 因此，东线山东段工程调水水质是调水成功的关键制约因素。为了确保调 水水质达到国家地表水环境质量HI类标准，必须对输水沿线河道、湖泊、 各支流汇入输水河道的水质进行监控，为水质保护方案、发布水质污染警 报提供基础。因此需要在输水沿线布置水质监测站网，建设水质采样化验 和信息传输系统，以提供每旬主要输水河道、湖泊的水质，并对重要水质控制点进行连续实时监测8南四湖、苏鲁省界处的水质对于工程调度尤为重要，需要在这些地方 建立水质自动监测站，实现连续实时监测。水质信息采集系统建设目标是 运用先进的信息采集及处理

16、技术和控制手段，实现对调水线路的水质实时 监控。具体建设任务有下列四项，一是布设水质监测站点：二是新建和改 造水环境监测中心；三是建设自动水质监测站点；四是与南四湖水资源监 控系统的整合。水质信息采集系统设计的技术目标包括：一是省界断面台儿庄泵站入 口实现水质自动在线监测：自动监测的项目包括：水温、pH/ORP、溶解氧、 浊页、深度、氨氮、高锭酸盐指数、总磷、总氮、总有机碳等，观测数据 能自动传输到相应水环境监测中心：二是在各分中心配备先进的水质分析 仪器设备，能进行水温、pH、氨氮、溶解氧、生化需氧量等31个项目的 常规分析。水环境监测中心自动接收所辖自动水质站的信息：能发送数据 到其所服务

17、的调度分中心。5. 4. 2通信网络系统南水北调东线山东段工程是一项跨越3个流域，14个市的大型调水 工程，为保证语音、数据、图象等各种信息的实时、可靠传输，实现调水 的信息化、自动化，必须充分利用输水干统沿线现有的水利通信电路和基 础设施，与电信公用网或其它系统通信网络相结合，经过研究、计算和规 划，因地制宜地建设一个经济实用、稳定可靠的能够开展各项通信综合业 务的通信系统。通信网络系统建设目标是利用目前先进成熟的光纤网络技术和设备， 建设含盖工程的可靠、高效、先进的宽带光纤通信网络，改善现有的通信 条件，保证通信畅通，使调水命令能迅速下达，里要信息（如数据、语音、 图像等信息）能以各种形式

18、及时可靠的传递；为今后增加新的通信手段， 拓展新的业务种类，加大传输带宽，提高通信质量，扩大服务范围留有余 地。通信网络系统设计范围主要包括骨干通信网、交换调度通信网和二级 接入通信网。骨干通信网是连接省调度中心、调度分中心、新建泵站、主 要闸站的通信传输网络。交换调度网络包括省调度中心和调度分中心的交 换和调度系统。二级接入通信网主要是实现骨干通信网以外的需要控制和 调度的重要闸站（分水口门）与骨干通信网的接入通信。通信系统的可研遵循以下原则：一是通信系统必须安全可靠、技术先 进、投资合理，保证各类信息传输畅通无阻、准确无误。二是全线统一采 用数字通信制式，话路统一管理、合理分配。三是通道容

19、量除应满足近别 各系统信息传输要求，还需为今后南水北调东线山东段工程二期及三期工 程的通信业务留有充分的余地。四是尽童满足线路维护人员在野外巡视或 检修时与各闸站或管理部门之间的通信联系，满足防洪、调水等交叉运用 的通信需要。五是坚持公专（公网和专网）结合、互为补充、互为备用的 原则。六是满足工程需要为第一考虑因素，按照工程管理模式、输水建筑 物地理位置、行政区化及管理调度的要求进行通信组网。骨干通信网建设方案目前采用的大容量通信传输方式数字微波通信、 光纤通信与卫星通信一起被称为现代通信传输的三大主要手段。数字通信 系统的基本参数一是有效性，这分为传输速率、功率利用率和频带利用率 三个方面；

20、二是可靠性;其衡量的重要指标是差错率65. 4. 2. 1数字微波通信微波的频段范围在300MHz30GHz之间，其中继通信是一个点到点的 通信系统。微波具有较宽的通信频带，较窄的波束宽度和较好的角分辨率, 并具良好的通信前景。微波通信的特点是具有良好的抗灾性能，对水灾、 风灾以及地震等自然灾害,微波通信一般都不受影响：微波通信带宽较宽, 通信质量和保密性较好。但因微波经空中传送，易受雷达及其它无线电设 施的干扰；站点设置受地形条件和环境条件以及通信站点位置的影响；站 点过密、中继站过多时（受地球本身曲率半径的影响），投资费用会增大, 运行维护费用高。数字微波中继通信线路的设计中很重要的一部分

21、是天线 高度的设计，它直接影响到路径余隙，进而影响到电路的稳定性，而天线 高度太高，又容易雷击。而雷电对微波通信系统的危害极大，尤其是直击 雷对系统的危害，其系统的防雷应遵循整体规则，多层设防的原则，先 防直击雷，再防感应雷，最后设防重点部位。5. 4. 2. 2卫星通信卫星通信是指利用通信卫星或其他用途卫星上的转发器实现信号转 发的一种多址或单址通信系统，卫星在空中起中继站的作用。利用卫星通 信覆盖范围广、通达距离远、传输质量好、组网灵活。也就是说卫星通信 具有通信距离远，通信覆盖面积大，组网灵活；通信容量大；传播稳定可 靠，通信质量高等特点“气卫星通信具有通信范围大、不易受陆地灾害影响、建

22、设速度快、易于 实现广播和多址通信、电路和话务量可灵活调整等优势，但也存在信号到 达有延迟、受天气和环境影响大、维护困难、寿命短且运行费用昂贵等缺 点0卫星通信是在微波通信基础上发展起来的一种新兴通信方式，它直接. 沿用了诸多微波通信既有的技术成果，只是其中继器不在地面而在 36000Km的空中，上下行距离极远，传播损耗极大。目前的卫星通信系统 大多使用UHF和SHF频段，而采用EHF则是本世纪的必然趋势。卫星通信 的信道分配方式一般为：DAMA的分配方式，即对于话音电路实行按需分 配，即对申请呼叫的地球站才分配其使用的信道，呼叫完毕将信道予以回 收；对于数据电路，实行预分配，即由主站事先定义

23、。卫星综合业务网络 (ISBN)是休斯网络公司的卫星通信系统，以数字通信传输方式工作，其 远端站PES为小型卫星数据地球站，该网络属于星型拓扑结构，主站可以 与网络内的各PES小站之间实现双向通信，但PES小站之间不能直接通信 (15o5. 4. 2. 3光纤通信光通信和电通信一样分无线光通信和有线光通信。无线光通信因环境 限制，主要用于深空通信，有线光通信即光纤通信，是以光纤为传输媒质的 通信方式。由于光纤通信系统的发展是建立在光纤器件技术的基础上，近 年来随着两大类光纤器件(光传输器件和光交换器件)的发展而极为迅速。 光纤通信是以光波作为载体，以光导纤维作为传输介质的一种先进通信手 段，是

24、20世纪最有影响的新技术之一。由于光纤通信具有许多突出优点， 已成为现代通信传输方式的主要手段之一。光纤通信的缺点是光缆线路易 受自然灾害和人为破坏，因此必须要有备用通道。5. 4.3视频监视系统为了充分利用上一章规划的速率达2. 5Gb/s的高速宽带光纤通信网， 切实发挥通信网络的潜力和作用，实现三级实时视频会商，节约管理经费, 提高调水管理的时效性和现代化水平，完成对全线调水运行情况、管理情 况、维护情况的实时在线视频监视，本章规划建设视频会商与监视系统， 重点从系统功能和任务、站网布设、系统结构、设计原则、设备配置、中 心MCU及终端设备的主要指标要求以及安全保障等诸多方面进行阐述和 研

25、究。视频监视系统功能一是图像采集。能够全天候实时采集图像信息，并 能实现将任意采集通道的图像信息切换给任意监视终端，并可对切换顺序 和周期进行编程控制。二是图像处理。图像处理着重考虑图像之间的变换, 主要包括对图像进行各种加工，以改善图像的视觉效果，并为自动识别打 基础，或对图像进行压缩编码，以减少对其存贮空间或对传输时间、传输 通路的要求等。能够对视频图像进行数字化编码、图像信息的压缩与解压、 图像的分割与拼接、图像的编辑、图像的组播与点播、图像的嵌入与文字 的叠加等处理，以及图像地址、时间等符号在画面上的叠加。三是图像显 示。可实时显示多个图像窗口，每个图像窗口的大小、层次和位置可任意 调

26、整设定，画面的自动循环显示、事件触发显示，画面的手动点播显示， 画面局部放大与缩小，画面静止定格与画面捕捉。四是图像记录与存储。 对系统中任一路图像能进行录像存储，保存记录，随时能调出，点播回放, 便于及时取证。建立图像历史图库，方便迅捷的检索，完善的管理，满足 系统对图像资源的各种需求。五是自动控制。摄像机镜头的光圈调节由镜 头的光检测电路，根据被摄物体的照度自动控制光圈大小；视频通道切换 控制，视频自动循环切换和事件触发切换由系统程序控制完成，切换周期 通过控制软件进行设置；云台位置可预置。六是远方手动控制。通过控制 键盘/图像工作站可以实现下列远方手动控制：摄像机电源开启/关闭、 云台上

27、下左右位置调整、镜头拉近拉远、焦距的远近、光圈大小、防护罩 雨刮、风扇开启、关闭、录像、放像、停止。七是信息传输功能。能将图 像、数据多媒体信号进行远程传输，传输回路具有较强抗干扰能力，传输 的图像清晰，实时性强。视频监视系统主要任务一是省中心、地市分中心及重要的泵闸站之间 的实时远程异地会商，沿线地区间供水协调：节约办公经费，使用传统会 议方式远比视频会议方式所花费的费高的多。二是全天候实时监视全线调 水运行情况，向运行值班人员提供泵站、重要闸站（分水口门）机电设备现 场运行图景（图像及声音），以取得设备运行的全面信息，如设备的机械位 置、运行响声、烟、光等不能由计算机监控系统提供的信息。三是实时监 视全线调水、取水运行的全过程，为调水、取水规章制度