水利自动化(系统)

水利自动化（系统）水利电力学院张劲松2014年3月第5章水利自动化（系统）5.1概述5.2水利通讯（系统）5.3大坝自动监测（系统）5.4渠道运行控制5.1概述5.1.1定义：水利自动化系统（automaticsystemforwaterresources）

——应用计算机、自动控制、通信、遥感和遥测技术，使水利工程运行管理中相关的一系列技术措施和手段实现自动化管理。它与多种专业、学科紧密相关，包括水利工程学、管理学、系统工程学以及通信技术、遥测遥控技术、计算机应用技术、传感器技术等。水资源相对贫乏，人均水资源占有量约2200立方米(1997)，相当于世界人均水资源量的四分之一，居世界第121位。(到2030年我国人均水资源占有量将从现在的2200立方米降至1700至1800立方米)。客观上要求合理高效地利用有限的水资源：要管好、用好有限的水资源，就要重视水利工程管理，并引进现代化管理科学理论和一切先进技术手段，实现水利工程管理综合自动化。***西藏巴昔卡年降雨量4495毫米，为中国之最，号称“中国雨都”。5.1.2水利工程自动化的特点及研究对象

水利工程管理自动化和其他许多行业和部门的自动化系统有很多相同之处，但也有其独特的地方，例如，自动化装置工作环境恶劣、分布时空广、可变、不可预测因素多，尤其是水流很难驾驭。实现水利工程管理自动化就是要把其他行业或部门一些成熟的自动化装置、技术引进到水利工程管理中来，并结合水利系统中的一些特点，研制出适应水利行业条件的自动化装置、设备或系统。

5.1.3实施水利自动化的内容

按照监控装置或系统来分，大体上包括：水情自动测报系统（区域降水、江河库水位，流量和流速等）；气象自动监测系统（风向、风速、蒸发量、湿度、温度等）；水库调度系统（水位、流量、闸位等）；大坝等工程安全自动监测系统（水位、渗流、变形等）；渠系自动化监控系统（水位、流量、流速、闸位等）；水机电自动控制系统（水位、流量、流速、机电运转速度、电流、电压）；河口、海岸监测系统；次生地质灾害监测系统；水环境监测系统等。

5.1.4现状与发展中国发展水利通信和自动化系统已有40多年历史，建成了一大批水利专用通信系统和各种形式的水利自动化系统，基本上满足了工程管理部门和重点工程的需求。中国水利行业正在建设国家防汛指挥系统，其中包括4个子系统：通信系统、数据采集系统、计算机网络系统和决策支持系统。系统建设的总目标是用5年的时间，建成一个以信息采集系统为基础，通信、计算机网络为手段，以决策支持系统为核心的国家防汛抗旱指挥系统。随着科学技术日益突飞猛进地发展，许多最先进的技术也正逐步应用到水利工程管理自动化中来。例如，数据移动通信技术、遥感技术、3S技术等，正开始应用于防汛抗旱、洪水预警、工程安全监测等方面，相信不久的将来，将逐步赶上其他行业，使水利事业更好地

5.2水利通信（系统）

水利通信（thecommunicationforwaterresources）传输语音、数据、图像等各种信息的水利专用通信系统，用于水利管理、防汛抗旱、水利量测、水资源调度等。由于水利工程多处于偏僻地区，交通不便，供电困难、地形复杂，而且通信业务量集中在雨季，水利通信系统以无线通信为主。建设水利专用无线通信系统必须先进行无线电通信线路设计，合理地选定通信站点位置，确定设备的技术指标，包括天线增益及其架设高度和方位、通信机技术指标、供电及防雷要求等，使所建设的通信系统具有最佳的性能价格比。

中国水利通信的现状与发展

1975年8月（6、7、8日）淮河上游大水（板桥、石漫滩水库失事）给国民经济建设和人民生命财产造成了重大损失，其原因之一是通信中断，信息不明，失去指挥。为了吸取这一严重教训，从1976年开始，中国水利通信进入了迅速发展时期，经过30多年的努力，已经建成了一大批分布在全国大江大河的重点河段、重要大中型水利工程和重点防洪地区的短波、超短波、微波和卫星通信系统。根据全国水利通信建设“十五”计划的要求，从中央到地方，都投入了大量的人力和财力，在充分利用公共电信网的基础上，加快建设、改造和完善水利专用通信网。

例如：国家防汛指挥系统通信分系统

包括卫星通信网、微波通信网、集群移动通信网、蓄滞洪区预警反馈通信网四部分。它的任务是为计算机网络和其他各种通信业务(语音、图像、数据)提供透明通道,完成水情信息的上传及分发、工情信息的上传、灾情信息的上传、国家防办与流域及各省市的异地防汛会商、防汛调度指挥和水利防洪工程单位之间的联络、蓄滞洪区警报信息的传递及反馈等七个方面的任务。

移动通讯技术的发展：1995年，1G，语音通话；1996~1997年，2G（GSM、CDMA），数字式手机增加了接收数据功能；2000年，2.5G，GPRS和EDGE技术，高速无线IP；2000~2010，3G（WCDMA三代技术），2Mbit/s传输速率，实现个人多媒体业务；2010年，4G推出，下载速率100Mbit/s，网速快，灵活方便是移动4G网络的最大优势，区别于普通宽带上网的空间局限和无线上网网速的限制。5.2.1水利通信系统分类与构成1.通信系统的分类：

2.通信系统的组成：

5.2.2有线通信系统通信线路

架空明线；通信电缆；电力传输线（载波）；光缆

。

2.有线通信系统的类型及结构

（1）实线通信系统；（2）明线和电缆线载波系统；（3）电力线载波系统。

5.2.2

无线通信系统无线通信系统根据所采用的波长或频率的不同，又可分为短波（含超短波）、微波、散射、卫星和激光通信等。在水利工程管理中，如防洪、抢险、救灾、遥测、遥控、遥调等多使用短波通信系统。（1）短波通信频率在3MHZ～30MHZ，依靠无线电波从电离层反射传播实现通信。超短波通信习惯上把30MHZ～1000MHZ频段称为超短波频段。短波通信系统的组成：

超短波通信的电波传播机理主要有：视线传播；绕射传播。

（2）微波通信

微波通常指高于1000MHz、低于红外线频率的范围，完全靠视线传播。有：1）地面微波通信；2）卫星通信。微波中继通信可以解决区域之间大容量信息的传输，主要用于长途电话、电视节目、计算机网络数据通信等的传输，亦可用来传输遥控、遥测及遥感信号。微波通信的特点①微波频段占有频带很宽，波长从分米波到毫米波多种频段，频率从300MHz到300000MHz，可以适用于更多的无线电设备。②在微波频段，受工业、天电和宇宙外部干扰的影响很小，使微波通信的传输质量高。③微波受风雨冰雪等恶劣气象条件、昼夜、季节的影响很小，所以微波通信稳定度高。④微波段采用高增益定向天线，所以可用较小的发射功率而获得满意的通信效果。⑤微波是一种波长很短的电波，在自由空间只能像光波一样沿直线传播，绕射能力很弱，在传播过程中遇到不均匀介质时将产生折射和反射现象。因此在进行远距离微波通信时要采用“中继”方式（标准中继站为46km）。这就要设立多个中继站，给维护检修工作带来不便。

微波中继通信系统的组成微波站收发设备及其工作过程（3）卫星通信系统卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。与其他通信手段相比，卫星通信的主要优点是：①通信距离远，且费用和通信距离无关；②工作频段宽，通信容量大，适用于多种业务传输；③通信线路稳定可靠，通信质量高；④以广播方式工作，具有大面积覆盖能力，可以实现多址通信和信道的按需分配屈而通信灵活机动；⑤可以自发自收进行监测。卫星通信线路的组成通信卫星及地球站通信卫星的基本功能是为各个有关的地球站转发无线电信号以实现多地址的中继通信，同时，通信卫星还应具有一些必要的辅助功能，以保证通信任务可靠地进行。一般来说，通信卫星主要由天线分系统、通信分系统、遥测与指令分系统、控制分系统和电源分系统五大部分组成。地球站是卫星通信系统的重要组成部分。它可以按不同的方法来分类。如按安装方式可分为固定站、移动站和可搬运站；按天线主反射面口径的大小分有30m、20m、15m、10m、5m、1m等；按传输信号特征分有模拟站和数字站。按用途分有民用、军用、广播、航空、航海及实验站等；按业务性质分有遥控遥测跟踪站、通信参数测量站和通信业务站。一个标准地球站由天线系统、发射系统、接收系统、通信控制系统、终站系统和电源系统等六部分组成。

5.2.4计算机通信网络（1）计算机通信网络的组成计算机通信网络是计算机技术与通信技术日益发展相结合的产物。凡将地理位置不同、具备独立功能的多台计算机、终端及其附属设备，用通信设备和线路连接起来，且配以相应的网络软件实现通信网资源共享者，称为计算机通信网络。通常，网络中有多台计算机，各计算机除完成本身的业务外，还彼此交换情报。各计算机用户或联合起来共同完成某项业务，或共享其他计算机系统的硬、软件资源，这时除了要求有可靠的通信系统外，还要求制定一个全网一致遵守的“协议”，以及配置支持这些协议的软件。

（2）计算机通信网络的主要功能①在终端与计算机、计算机与计算机之间相互传送数据和信息。②对地理上分散的生产单位或业务部门提供实时集中控制。③实现资源共享（包括硬件、软件及数据资源等）。④提供高度的可靠性及可用性。（3）计算机通信网络的基本组成计算机通信网络是由终端、集中器、计算机、交换中心等通信线路连接而成的，主要由以下几个部分组成。①主机。主机是负担数据处理的计算机系统，可以是单机，也可以是多机系统。②通信处理机。做网络通信处理工作，如差．错控制、代码变换、报文分组或重装、路由选择等，以减轻主机负担，也称前端处理机。③集中器。集中器也是一台计算机，其作用是把若干终端经本地线路（低速线路）集中起来连接到1－2条高速线路上，以提高通信效率和降低通信费用。实质上是终端侧的通信处理机。④调制解调器。⑤终端。大量用户通过终端与计算机及其网络发生关系，构成人一机对话或共享资源。⑥通信线路。有架空明线、电缆、微波线路、纤维光缆和卫星线路等。

5.2.5光纤通信光纤通信通信科学的发展历史悠久。近代通信技术分为电通信和光通信两类。电通信又分为有线通信和无线通信，这是两种相当成熟的通信技术。通信技术发展过程中，围绕着增加信息传输的速率和距离，提高通信系统的有效性、可靠性和经济性方面进行了许多工作，取得了卓越的成就。光通信技术就是当代通信技术发展的最新成就，已成为现代通信的基石。2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及两位美国科学家。高锟获奖，是因为他在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出了突破性成就。高锟被誉为“光纤之父”。早在1966年，高锟就在一篇论文中首次提出用玻璃纤维作为光波导用于通讯的理论。简单地说，就是提出以玻璃制造比头发丝更细的光纤，取代铜导线作为长距离的通讯线路。这个理论引起了世界通信技术的一次革命。随着第一个光纤系统于1981年成功问世，高锟“光纤之父”美誉传遍世界。光纤通信工作在近红外区，其波长是0.8～l.8μm对应的频率为167～375THz。光纤通信技术的发展十分迅速，已经起到了举足轻重的地位，发展前景十分广阔。光波通信的发展至今不过40年，但其进展之快，对通信技术影响之大，始所未料。光纤通信发展经历了5代：第1代：1978年工作于0.8μm的第一代光波系统正式投人商业应用，其比特率在20～100Mb人之间，最大中继间距约10km，最大通信容量（BL）约500Mb／s·km。第2代：1987年1.3μm单模第二代光波系统开始投人商业运营，其比特率高达1.7Gb／s，中继距离约50km。第3代：1990年，工作于2.4Gb／S，1.55μm的第三代光波系统已能提供通信商业业务第4代：20世纪90年代初期，光纤放大器的问世已引起了光纤通信领域的重大变革第5代：基于光纤非线性压缩抵消光纤色散展宽的新概念产生的光孤子，实现光脉冲信号保形传输。1994年和1995年80Gb／s和160Gb／s的高速数据也分别传输500km和200km。光纤通信具有下列优点：（1）传输频带宽，通信容量大。目前使用的光波频率比微波高103～104倍，通信容量约可增加103～104倍。理论上两根光纤可传送上百万个电话和上百套电视节目。目前已试验成可通数万路电话的系统。（2）中继距离远。光纤通信无中继的直通距离可比金属线缆远得多，目前可达100km以上，比同轴电缆大几十倍。（3）抗电磁干扰能力强，无串话。光纤是非金属的光导纤维，即使工作在强电磁场附近或处于核爆炸后强大的电磁干扰的环境中。光纤也不会产生感应电压、电流。这有利于传送动态图像（如可视电话和电视节目）。靠近高压输电线和与电气化铁道并行铺设，通信也不受干扰，适于在工厂内部的自动控制和监视系统应用，也有利于在多雷地区、飞机上以及保密性要求高的军政单位使用。由于光纤信息限制在光纤内传输，不会逸出光纤。所以光缆的光纤之间不会“串话”，即没有纤间串扰，不易被窃听。（4）光纤细，光缆轻。光纤直径一般只有几微米至上百微米数量级，相同容量话路光缆，要比电缆轻90％～95％（光缆的重量仅为电缆的1／10～1／20），直径不到电缆的1／5，故运输和铺设均比铜线电缆方便，并利于在军用战斗机上作信号控制用。（5）资源丰富，节约有色金属和能源。光纤的纤芯和包层的主要原料是二氧化硅，资源丰富且价格便宜，取之不尽。而电缆所需的铜、铝矿产则是有限的，采用光纤后可节省大量的铜材。制造10000km光纤比10000km单管同轴铜线节约能源2.64×1011J折合标准煤为9×105kg。（6）均衡容易。在工作频带内，光纤对每一频率成分的损耗几乎是相等的，一般不需在中继站和接收端采取幅度均衡措施。若需要均衡，一般也容易达到要求。（7）经济效益好。由于其通信容量大，中继距离长，节省有色金属和铺设方便等优点，因此，经济效益十分明显。34Gb/s上光纤通信系统的价格比同轴电缆便宜30％以上。（8）抗腐蚀、不怕潮湿。即使光纤的外保护层有小孔、裂缝而进水或受潮，也不会影响光的传递，但进水和受潮对金属导线意味着接地和短路。光纤系统也不存在发生火花的危险，安全性好。

光纤通信系统的组成

：系统主要包括3大部分，即光发送设备、光接收设备和光传输设备。光发送设备主要有驱动器和光源，其作用是把电端机输人的电信号对光源进行调制，使光源产生出与电信号相对应的光信号进人光纤。光接收设备主要有光检测器和放大器。当光信号通过光纤到达光接收设备时，光检测器把光信号转换为相应的电信号，经放大后进人电端机。在没有中继器的短距离通信系统中，传输设备指的是光缆。在远距离通信系统中，为了补偿光纤的损耗并消除信号失真与噪声的影响，光缆经过一定距离需加装中继器。中继器由光检测器、电信号放大器、判决再生电路、驱动器和光源等组成，其作用是将光信号变成电信号，经过放大和再生，然后再交换成光信号送人下一段光纤中

光纤通信的发展趋势

：光载波有无比巨大的通信容量，预测光通信的容量可达40000Gb/s，如此巨大的天文数字通信容量正在奇迹般地一步一步变为现实。光纤通信未来的发展仍具有巨大的潜力。（1）电时分复用技术（2）光波分复用（WDM）（3）全光通信网络以上技术的实现取决于近些年来光电子器件的迅速发展。由于光电子器件的发展，光纤通信的试验水平不断发展必将带动光纤通信商用系统水平的提高。5.3.6水利工程管理通信系统的主要任务和设计原则1．主要任务（1）在本工程管理范围内传输各种数据和命令。（2）与上级主管部门、气象部门以及兄弟单位之间传输各种资料、信息。（3）防洪、抗旱、排涝等紧急任务通信。（4）日常工程管理的随机信息的通信。（5）一般行政业务通信。2．要求通信系统是水利工程现代化管理系统的关键项目之一。其他一些系统，如水情自动测报系统、防洪抗旱排涝预警调度系统、闸门遥控系统等，均必须以建立一个可靠的通信系统为基础，因此，通信系统应完全符合现代化管理总体功能的需要，具体要求如下：（1）兼有数据和话音传输功能现代通信系统不仅需要传输话音信息，而且在更多的情况下，需要传输大量的数据，有时甚至是图片，如卫星云图、大坝洪水期变形（或位移）摄像图等。（2）系统性能要符合要求通信系统的性能指标包括有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性、可维护性等。其中，从信息传输的角度看，最基本、最重要的是有效性和可靠性。1）模拟通信系统的有效性和可靠性；2）数字通信系统的有效性和可靠性3．系统设计原则和步骤（1）设计原则1）在布局上，通信系统应与行政管理机构相适应。2）通信系统中心与重要的水利工程设施管理单位（如泄洪闸管理站，重要的雨量、水位站）之间应具备主副两个信道。一般水利工程系统在野外，甚至偏僻山区，通信受自然环境条件影响极大，为了保证系统的可靠性，应尽量建立主副两个信道，如有线通信和无线通信。3）通信系统在各节点上尽可能与邮电公网汇接。目前，我国邮电公共通信网已经深入到广大城乡，而且还在不断地完善之中。水利工程管理的通信系统如能与邮电公网汇接，即便费用高一点也是值得的。4）所有设备均应考虑能在恶劣的气候条件下不间断工作，在遭遇到最不利情况下仍然可以达到系统设计的传输最基本信息的要求。5）以尽可能低的成本，采用尽可能先进的技术和设备来组成一个有效的、可靠的通信系统，同时要给系统的适应性、标准性和可维护性以极大的注意。（2）通信系统设计程序步骤通信系统设计程序大体可分为如下四个步骤。1）明确目的和信息量的多少；2）确定系统的质量要求及对运行管理人员的素质要求；3）决定可用性设备；4）通信系统的评定。①系统的质量和可靠性与投人的成本和运费的比较。②需要的管理人员其能力与培训资金和运行费用的比较。③研究设备更新，以确定在最后分析中还需要多少附加的资金、时间和人力，以便在今后系统应用发展中能有一定程度的灵活性和适应性等。当以上因素都被评估为良好时，则“通信系统设计指标”就达到要求，可按计划进行研究、订购和制造新的设备，最后组建通信系统，完成各种不同的通信目的。5.3大坝自动监测（系统）

5.3.1概述

大坝安全自动监测系统（automaticmonitoringsystemfordamsafety）由监测仪器（传感器）、数据采集装置、通信和电源线路、电子计算机系统及相关系统软件和应用软件组成的自动化系统，用以实现大坝安全监测数据的自动采集、自动处理、在线监控、离线分析、信息管理、安全评判和辅助决策，以便采取正确合理的措施，保证大坝安全。它是实现大坝安全管理现代化的重要手段。系统的应用将大大提高大坝安全管理的效率、监测系统的可靠性及监测成果的质量，还起到减员增效的作用。大坝安全自动监测系统的组成大坝安全自动监测系统由大坝安全监测数据自动采集系统和大坝安全信息管理系统组成。

大坝安全监测数据自动采集系统分类有3种类型：即集中式、分布式和混合式。（1）集中式系统。由监测仪器（传感器）、集线箱（转换装置）和检测装置等组成。该系统的可靠性较低，已逐渐为分布式系统所取代。（2）分布式系统。由监测仪器、监测控制装置和中央控制装置组成。系统设备一般采用总线拓扑组成通信网络，也可组成星形或环形拓扑。系统内外的通信方式可根据工程特点和实际要求采用有线、无线、微波或光缆通信。分布式系统数据采集速度快，可靠性高，已成大坝监测自动化的主流。（3）混合式系统。由上述2种系统组合而成，两个子系统的监测数据均输人同一个信息管理系统，以便统一进行数据处理和管理。大坝采集系统结构大坝安全信息管理系统是管理和应用监测数据为大坝安全服务的硬件和软件的组合，由计算机系统或计算机网络系统及相应的操作系统、数据库管理系统、各种有关支撑软件及应用软件等组成，具有大坝安全信息管理、资料分析、在线安全监控和辅助决策等功能，为工程安全运行和技术发展服务。（1）大坝安全信息管理。通过多种控制模块、功能模块和所建数据库，能对大坝安全监测系统信息，包括在线自动监测数据、人工输人监测数据、由监测数据变换的各种监测成果、监测数学模型、安全监控指标、监测报表和图形曲线、大坝工程资料和工程图、人工巡视检查信息等进行管理，可通过检索、排序、合并、变换、汇总、创览等方法提取有关大坝安全信息，供进一步分析处理或运行管理应用。可采用打印、绘图、制表等方式输出这些信息，也可以通过网络通信供有关部门共享。为了便于运行人员操作，保证系统安全，更新维护数据库，系统一般都备有在线帮助、安全保密、备份管理、维护升级等有关模块和功能。大坝安全信息管理系统

（2）资料分析。系统中的监测数据需要及时分析，以了解大坝运行性态，对大坝安全进行评判，提出分析报告，为大坝运行管理和定期检查鉴定提供依据。资料分析又为在线安全监控和辅助决策提供分析成果，以提高大坝安全管理的自动化程度。（3）安全监测数学模型。用于安全监测的数学模型有3种，即统计模型、确定性模型和混合模型。①统计模型。对长期的监测资料，运用数理统计方法建立原因量和效应量之间的数学关系，是一种经验模型。②确定性模型。是以有限元等力学计算方法进行大坝结构分析为基础建立的数学模型。③混合模型。是指水压分量用有限元计算，其他分量仍用统计模式，然后与实测值进行优化拟合建立的数学模型。（4）在线大坝安全监控。反映大坝性态变化规律的数学模型建立后，还需要根据设计资料和运行条件确定大坝安全监控指标，编制程序，用电子计算机实现大坝安全监控。（其原理见图）（5）辅助决策。由于水工建筑物及其地基的复杂性，仅仅根据有限测点和某些监测物理量的数学模型进行安全监测或安全评价是不够的。因此，研究以专家系统为基础建立大坝安全评判和决策支持系统，在异常监测数据或异常大坝性态出现时用以评判大坝安全程度并迅速决策，以便采取有效措施保证大坝安全。大坝安全自动监测发展20世纪60年代以前，大坝监测和安全管理以人工为主。为了减轻观测人员的劳动强度，实现了部分传感器的集中遥测，资料整理和分析通常仍由人工进行。在60年代～70年代，日本、意大利、西班牙、法国、美国、苏联等国实现了大坝监测数据采集的自动化，同时在资料整理分析方面普遍应用了电子计算机，提高了工作效率。有些国家，如美国、意大利、法国等还采取了大坝监测数据的集中管理，利用计算机加快了资料分析和反馈的过程。70年代后期到80年代中期，意大利提出建立安全监测数学模型，利用微型计算机辅助实现大坝安全监测自动化的方法。80年代中期一些国家发展了分布式大坝监测数据采集系统，使大坝监测自动化的可靠性进一步提高。中国于20世纪70年代开展大坝监测数据采集自动化的研究，80年代在一些大坝上实现了部分监测物理量的数据采集自动化。90年代初期，研制成功分布式大坝安全自动监测系统，很快使大坝监测自动化趋于实用，赶上了国际先进水平。三峡大坝、小浪底。5.3.2自动化监测系统基本要求

1．实用性：要适应施工期、蓄水期、运行期及已建工程更新改造的不同需要，便于维护和扩充，每次扩充时不影响已建系统的正常运行，并能针对工程的实际情况兼容各类传感器。能在温度-30～+60℃、湿度95％以上及规定水压条件下正常工作，能防雷和抗电磁干扰．系统中各测值宜变换为标准数字量输出。操作简单，安装、埋设方便，易于维护。2．可靠性：保证系统长期稳定、经久耐用，观测数据具有可靠的精度和准确度，能自检自校及显示故障诊断结果并具有断电保护功能。同时具有独立于自动测量仪器的人工观测接口。3．先进性：自动化系统的原理和性能应具备先进性，根据需要和可能采用各种先进技术手段和元器件，使系统的各项性能指标达到国内外同类系统的先进水平。4．经济性：系统中软硬件要力求价格低廉，经济合理，在同样监测功能下，性能价格比最优，且有良好的售后服务。除能在线及时测量和处理数据外，还应具有离线输人接口。5.3.3自动化监测系统设计方案1．集中式（1）系统结构1）集中式系统是将传感器通过集线箱或直接连接到采集器的一端进行集中观测。在这种系统中，不同类型的传感器要用不同的采集器控制测量，由一条总线连接，形成一个独立的子系统。系统中有几种传感器，就有几个子系统和几条总线。2）所有采集器都集中在主机附近，由主机存储和管理各个采集器数据。采集器通过集线箱实现选点，如直接选点则可靠性较差。（2）系统特点1）当传感器种类单一时，采集器数量与传感器个数没有关系，可减少采集器数量，降低成本。2）因为采集器大都在主机附近，与传感器距离较远。传感器信号在总线上传输时，将带来信号衰减及外界干扰等问题，使系统可靠度降低。3）因众多的传感器接到一条总线上，一旦某种传感器总线或某台设备出现故障，则影响整个系统的观测。4）系统组成不合理，因大坝布设的各类传感器数量并不均匀，造成各采集器负载不同，使系统负载不平衡。2．分布式（1）系统结构1）分布式系统是把数据采集工作分散到靠近较多传感器的采集站(测控单元）来完成，然后将所测数据传送到主机。这种系统要求每个观测现场的测控单元应是多功能智能型仪器，能对各种类型的传感器进行控制测量。2）在这种系统中，采集站（测控单元）一般布置在较集中的测点附近，不仅起开关切换作用，而且将传感器输出的模拟信号转换成抗干扰性能好、便于传送的数字信号。（2）系统特点1）系统中采集站可根据系统规模大小及测点分布位置来选择，可按标准化设计，使各采集站的功能相同，但配置不同（硬件配置可根据传感器种类而定）。2）系统中各采集站软硬件通用，减少了备品备件数量和费用，维护方便、可靠性高、不会因局部故障影响整个系统的工作。同时因各采集站可同时工作，采集速度快、实时性强。3）采集站位于现场的恶劣环境中，防潮条件要求高。4）数据采集工作是在传感器附近完成的，不存在各种电子信号的远传问题。虽然主机与采集站间的通讯线路距离较长，但线路上传输的是数字信号、抗干扰能力强，无需增加特殊处理措施。

3．方案比较（1）数据采集方面1）集中式系统是将传感器连接到靠近主机的采集器一端进行集中观测；而分布式系统则把数据采集工作分散到各采集站来完成，可直接传送到主机，也可到现场用便携式微机或数据储存卡记录再输人主机。2）集中式系统只有一条总线控制测量装置，一旦损坏，系统运行即告中断；分布式系统在各采集站分别进行观测，如发生故障只影响本采集站，而不影响系统其余各站的观测。3）集中式系统观测时各传感器需在采集器前排队，观测速度慢，降低了系统的实时性；分布式系统各采集站可同时工作，观测速度快，且数据采集和处理可同步进行。3．方案比较（2）系统扩展方面1）集中式系统传感器与采集器相距较远，一般传送的是模拟信号。当信号较小时会受到干扰，且有较大衰减；分布式系统采集站传输的是数字信号，便于远距离传送。2）集中式系统对总线电缆要求高（阻抗特性、屏蔽、绝缘电阻），芯数多、数量大、易受干扰；分布式系统采集站与传感器间距离短，与主机间仅一条总线且仅用一般通讯线即可，芯数较少。3）集中式系统组成基本上是一个固定模式，建成后不便于扩展；分布式系统只需在原有系统上延伸数据总线，增加采集站，就可以在不影响原系统工作情况下扩展系统，具有较好的灵活性。3．方案比较（3）适用条件方面1）集中式系统适用于测点数量分布均匀，传感器种类和数量较少，总线距离又较短及仪器布置集中的小型自动化监测系统。2）分布式系统适用于测点分布广，数量不均匀，传感器种类和数量较多，总线距离又较长的大中型自动化监测系统。3）混合式系统为上述两种系统组合而成，必要时可结合工程的实际情况设计选用。5.3.4自动化监测系统组成与功能

1．系统组成（1）系统联接通常采用分布式监测系统．网络拓扑结构为中心的辐射状结构，网络的中心为监测系统总站，各辐射点为监测系统分站。监测分站与传感器及采集站之间采用有线联接，与监测总站及管理中心之间除有线（电线、光纤）外，还可采用无线（卫星、微波、短波、超短波）、电话或网络通讯联接。（2）网络结构1）电缆；2）传感器包括渗压计、渗流量计、垂线仪、倾斜仪、测缝计、多点位移计、锚杆应力计、钢筋计、应变计、温度计等各种仪器。应选择其中对监控工程安全起重要作用且人工观测又不能满足要求的关键测点纳人自动化观测系统。同时所有纳人自动化系统的仪器，都应预先经过现场观测值可靠性鉴定，证明其工作性态正常。3）采集站由测控单元组成并根据仪器分布情况决定其布置，一般设在较集中的仪器测点附近。4）监测分站一般根据建筑物规模及布置情况决定，如大坝、泄水道、电站等可分别设置分站，应避免强电磁干扰。如系统规模较小，也可以不设分站。5）监测总站一个工程设一个总站，即现场安全监控中心。应有足够的设备和工作空间，良好的照明、通风和温控条件。6）管理中心即枢纽管理局或需要远传观测数据的上级领导单位。

2．系统功能（1）传感器感应大坝变形、渗流、应力、温度等各种物理量，将模拟量、数字量、脉冲量、状态量等信号输送到采集站。传感器种类可分为：电阻式、电感式、电容式、振弦式、调频式、压阻式、变压器式、电位器式等。（2）采集站1）根据确定的观测参数、计划和顺序进行实际测量、计算和存储，并有自检、自动诊断功能和人工观测接口。除与主机通讯外，还可定期用便携式计算机读取数据。2）根据确定的记录条件，将观测结果及出错信息与指定监测分站或其他测控单元进行通信。能选配不同的测量模块或板卡，以实现对各种类型传感器的信号采集。3）检测指定的报警条件，一旦报警状态或条件改变则通知指定的监测分站。4）将所有观测结果保存在缓冲区中，直到这些信息被所有指定监测分站明确无误地接收完为止。5）管理电能消耗，在断电、过电流引起重启动或正常关机时，保留所有配置设定的信息。并具有防雷、抗干扰、防尘、防腐，适用于恶劣温湿度环境。6）采集系统的运行方式主要分中央控制式（应答式）及自动控制式(汇报式），必要时也可采用任意控制式。

（3）监测分站1）系统自动启动，数据自动采集：巡测、选测、正常及加速周期等数据采集。2）输人人工读数或记录器读数，将所属测控单元内存储的数据汇集到监测分站中。3）监测数据检查校核，包括软硬件系统自身检查、数据可靠性和准确度检查及数学模型检查。4）数据存储、删除、插人、记录、显示、换算、打印、查询及仪器位置、参数工作状态显示。5）安全监控、预报及报警。6）能与采集站和监测总站进行数据传输、双向通讯。（4）监测总站1）除监测分站功能外，还应具有图像显示、工程数据库及其数据管理功能。2）具有较强的脱机（离线）处理功能，并备有齐全的数据分析处理软件。3）将各监测分站数据和人工监测数据汇集到总站数据库内，再次进行验证，发现异常即反馈到分站进行校核或现场检查。4）建立、标定安全监控数学模型，并进行影响因素分解及综合性的分析、预报和安全评价。5）数据远程传输及双向通讯功能。

3．软件配置（1）配置要求1）建立数据库。建立各种观测资料及有关的工程设计、施工资料数据库，统一存人计算机进行管理，并能方便地提供资料分析调用。2）进行数据的预处理。利用计算机对各种原始监测资料自动进行可靠性检查，把含有粗差的测值定位和剔除，并能进行观测值序列的系统误差检验。3）建立观测值的各种数学模型。包括建立统计性模型、确定性模型和混合性模型进行安全预报和监控，并且随着时间的推移和观测资料的积累而自动对原模型参数进行修正，以适应水工建筑物的变化规律。4）进行有限元结构分析。计算各种工况下的位移、渗流。应力和稳定安全系数，自动拟定安全监控指标，并能对混凝土和基岩弹模、导温和热膨胀系数及岩土渗透系数等特性参数进行反演。5）绘制各种相应的图表及报表。自动绘制各种过程线、相关线、分布图及数学模型分析、分解的成果图等，并进行画面及图像显示供管理人员方便地使用。6）对水工建筑物的各种工况进行综合评价。作为大坝安全运行、鉴定或加固的依据并对安全性作出判断或报警。

（2）运行环境1）计算机；2）操作系统；3）系统外设：打印机、绘图仪、扫描仪；工作站、网络交换机、不间断电源、防雷接地等输人输出设备，还要留有数据通讯、大屏幕动态显示、电视图像监视及联网接口等。（3）结构设计1）采用层次化、模块化的总体结构设计，整个系统一般分为五大模块，包括数据管理库、数据预处理库、信息分析库、监控库和图表库。2）每个功能模块下可分为若干子模块，模块的调用采用中文窗口式菜单，人机交互界面，又有功能键激活操作，以方便使用。

5.3.5报警准则1．设计要求1）应以上述观测数据自动采集系统及数学模型为重点，进行实时监控和报警。随着大坝运行情况的变化，必要时还可在适当位置调整或增减个别仪器观测点，以增大报警系统的可靠性和有效性，保证工程安全。2）在公共安全报警之前要对仪器故障报警和测值超限报警的真实性进行检查鉴别。建议将库水位超过设计最高洪水位和水库泄洪量超过设计最大泄量也作为报警指标之一，有条件时，可将安全监测和水情测报两种报警系统相结合，组成一个统一的报警系统。3）报警器最好具有远距离发送、接收及进行无线传输信号的能力。4）根据需要可同时设计并安装一套能在远离大坝的监测分站或监测总站进行监测的大坝电视图像监视系统，为对大坝和水库的直观检查提供手段。5）报警系统设计要求将错误报警减至最少而保证真实报警能全部发送。2．报警准则1）设计的事故报警系统分高、中、低3级。2）低级报警可在观测人员内部引起注意，中级报警应提醒工程管理人员加强对大坝安全的管理，但大坝还没有破坏的情况，高级报警则预示大坝可能出现事故或失事。3．图像监视（1）系统功能1）电视图像监视系统是为了提高报警的可靠性，更好地了解和检查大坝的工作状态和运行情况，著者建议有条件的工程可建立大坝图像监视系统，作为大坝安全监测重要的辅助手段。2）主要是对大坝、地基、岸坡的关键部位及观测设施建立图像观测点进行实时监控，并将图像传输到监测分站、总站或管理中心，进行图像监视、显示、录制、回放，并对摄像设备进行远控。3）系统应具有抗高温、高湿、强电磁场及室外设备防雷、防雨、防尘功能。4）局域网和广域网的用户，可以通过图像监视服务器访问所有观测点的图像。（2）系统组成；（3）图像传输5.4灌区渠道运行控制

5.4.1渠道运行控制技术的发展现状

渠道运行自动控制是自动控制技术在渠道系统运行中的应用，它融入了明渠水力学、自动控制理论以及供水与用水的管理科学知识，是一个多学科交叉研究领域。渠道自动控制是在遵循渠道水流运动规律的基础上实行的自动控制，一方面控制中必须充分考虑渠道水流的水力特性、水波的传播特性以及渠道运行中的安全、经济等要求，才有可能取得好的运行控制效果；另一方面自动控制系统自身必须具备良好的自控品质和系统设备适应渠道恶劣的野外运行环境，才有可能使渠道自控系统技术得以广泛的应用。由于渠道输水系统分布空间大、水流运动非恒定性、外界干扰不确定性以及控制系统大滞后和非线性，使得渠道运行控制复杂，因此，尽管渠道自动控制的研究历史很长，但后期发展较为缓慢。

在国外，灌溉自动化始于上世纪三十年代，首先由法国Neyrpic公司研制出一系列的用于明渠自动控制的水力自动闸门和其它灌溉渠道自动化装备，提出了水力自动化灌溉的控制方式，并于1937年成功地将上游常水位控制闸门AMIL安装于阿尔及利亚的OuedRhiou地区的灌溉工程中，实现了灌溉渠道水力自动化调节和输水，控制最大流量为10m3/s。到了上世纪40年代末，发展了常下游水位闸门（Avis.Avio闸门）。二战之后，国外进一步发展了利用电气控制的渠系自动化控制设备，充分利用了电气讯号传输速度快的特点，提出了一些新的控制方式，并发展了相应的数学模拟技术。由美国肯务局1952年开发安装在美国ColumbiaBasin工程上的Little-Man自动控制装置获得成功，它的基础是三点控制器，即设定常水位和静区值。三点控制器的工作状态为：水位位于静区内，关闭状态，没有纠正作用；水位高于静区上限以上，开状态，驱动闸门降低水位；水位低于静区下限，开状态，驱动闸门提高水位。在三点控制的基础上加上比例控制，Little-man被改造成Govin控制器。在国内，由于科学技术发展水平的滞后和经济实力等多方面的原因，渠道自动控制理论研究和应用技术水平都落后于发达的国家。上世纪50年代，我国才开始有学者着手研究和引进渠道自动控制技术，不过当时渠道自动控制技术也仅仅表现在水力自动闸门的应用上，而且具有渠道自动控制概念上的水力自动闸门也只是在比较发达的省份的部分水利灌溉工程中才得到运用。从上世纪80年代开始，不少高等院校和科研机构的专家学者进行了渠道自动控制技术的研究工作，也取得了一些重要成果（其中以武汉大学王长德教授为代表的研究队伍和中国水电科学研究院王念慎等）。渠道运行控制技术在实际工程应用并不广泛，上世纪80年代初，水利部在韶山灌区（人民胜利渠）等典型灌区开始实施渠道运行自动控制试点工作，但当时自动化程度较低，主要是显示渠道水位和流量，闸门控制中有人为手动指令动作。目前，国内渠道运行控制，多数是以单个闸门形式来独立实现渠道局部水位或流量的自动化控制，尚没发现对整体灌区渠道系统实施全自动控制的。渠道运行控制理论和技术的研究，虽然取得了较多的科研成果，但在系统控制品质和实际应用技术上仍存在不少遗留问题和困难。如：(1)实际工程中渠道系统控制，由于难以建立精确的数学模型，使得传统PID控制（在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器，亦称PID调节器，是应用最为广泛的一种自动控制器）的实现较为困难。(2)整个渠道系统作为大系统的自动控制，其滞后时间往往是以天计，这在传统的工业过程控制中难得一见，因此大滞后渠道系统作为集中控制将十分困难。(3)渠道非均匀流、控制对象的流固强耦合、非线性以及控制设备的适用性等，使得渠道运行控制的许多实际应用中技术难问题。(4)如何充分利用当今发达的网络信息系统资源，将渠道控制策略与灌区用水供求的高层决策一起考虑，这种人脑控制决策思想的高级智能控制，在实际工程应用中还有很多技术问题，有待于更多的探索。(5)随着科学技术的不断进步，人们所面临的问题越来越多，需要加以控制的对象和过程变得越来越复杂，对控制质量的要求也变得日益严格。在这种情况下，现代控制理论也显得软弱无力，其局限性就日益突出。

5.4.2渠道运行特征与准则

渠道正常运行是计划供水和配水的必要保证。渠道的良好运行，是遵循渠道水力学规律和渠道安全运行原则，在满足渠道及控制建筑物等边界约束条件下运用合理的渠系调控方法来得以实现的。5.4.2.1渠道水流运动规律无论渠道用于供水型还是需水型系统，渠道水流流态大体上可分为恒定流和非恒定流，实际中恒定流是一种理想状态，当上游水库供水稳定，渠系达到稳定运行状态时，可以认为渠道流态是恒定流，在此情况下，各渠段可能出现的水流有均匀流、渐变流和急流。均匀流是一种理想流态，只有在较长的顺直渠道上，无分水口和节制建筑物的情况下才可能出现。急流一般出现在渠道节制闸，分水口和溢流堰等建筑物后，如水跃、跌水等急流，急流往往破坏渠道连续平缓的水面线。在渠道中较多见的还是渐变流。当上游水库供水不稳定或在渠道各节制闸在调控过程中，渠道水流从一种稳定状态变到另一稳定状态时，渠道中水流为非恒定流。严格地讲，渠道水流是非恒定流，而且非恒定流下的流态与渠段边界条件上下游节制建筑物（节制闸）以及附近的分水口有关，即便是同一渠段，在不同运行时刻，其流态也有变化。所以，渠道水流的基本特征要素如水位区和流量是随时间t和沿程s发生变化的，即有：

圣维南提出了著名的明渠非恒定流基本方程：此外，渠道中开启和关闭闸门都会产生水面涨水波和落水波的传播运动，其波速一般都是平均渠道水流速度的10几倍。实际上，波的前缘传播速度是渠道形状的函数，如表达式所示：移动波的速度是一个重要的运行准则，它决定了渠道中一点的流量变化何时影响到另一点。例如，当渠的流量增大时，一般假定增加的流量以渠中水流速度向下游传播，直至到达分水闸时，分水闸处的流量才得以增加。但事实上，下游各点，在移动波峰前缘到达时流量就开始增加，比按照明渠中平均流速预测的时间要快得多。5.4.2.2渠道运行方式

渠道的运行方法取决于渠段水面支枢点的位置（支枢点是渠段内水面波动时，水深保持不变的位置），按其在渠道的相对位置可将渠道的运行方式分为：1.下游定水深；2.上游定水深；3.等容积；4.控制蓄量。

（a）下游定水深；（b）上游定水深；（c）等容积；（d）控制蓄量（1）下游定水深运行方式下游定水深运行方式是保持每一段渠下游端水深相对稳定，如图4-1（a）所示。该方式被广泛采用，其优点是渠道尺寸可按通过最大恒定流量设计，恒定状态的水深从不超过设计流量下的正常水深，棱柱体渠道尺寸和超高可以达到最小，从而减少了渠道建设费用。在以需求为主的输水渠道中，下游定水深运行方式存在缺点，即渠段蓄量必须按与自然趋势相反的方向改变。为了实现蓄量变化，渠段上游端的入流变化必须超量补偿出流变化，入流量的变化要大于出流量的变化，直至达到新的水流恒定状态。如果可以预测需水量的变化，入流就可以超前于出流的变化而提前反应。因此在下游定水深运行的渠道中，需水量的变化比供水量的变化更难控制，以供给为主运行的渠道要比需求为主的运行渠道反应更快、更容易，上游端较大的流量变化可能都不致发生问题，下游段的流量变化必须小且变化缓慢以避免过大的水位波动。通常采用预测，使上游流量变化超前于需要的变化量，以此来改善系统对渠段蓄量变化的反应速度。

（2）上游定水深运行方式水面以渠段上游端为轴运动，使上游保持定水深，上游定水深方法有时也叫“水平渠岸”运行，因为渠岸必须是水平的，以适应零流量水面线，如图4-1（b）所示。修建水平渠岸是这个方法的主要缺点，水平渠岸大大增加了渠道建设费用，特别是对于混凝土衬筑的渠道。除了哪些控制闸之间水位落差很小的渠道和以低于最大过流能力运行的渠道外，大多数渠道都不能采用水平渠岸运行方式，除非每一渠段的下游增加渠岸和衬砌。由于渠中水深至少应处于满流正常水深，所以分水闸可以位于渠段内任一位置。然而，如果分水闸处需要定水头，则应处于渠段上游端。弃水道也应位于同样的地方，以达到最佳的运行状态。当结合下游运行概念时（以需求为主的运行），上游定水深运行方式更为有效，渠段下游端产生的流量变化引起渠道水深按需要的方向变化，最后达到新的恒定状态的水面线。可见水平渠岸运行的主要优点是能很好地适应水量需求变化，具有调节蓄水量的能力。通过小流量时，渠段中的蓄量增加，可增加需求供水；通过大流量时，如果出流量减少，原水面以上可蓄存额外水量供使用。水平渠岸运行不适用于以供水为主的渠道，否则运行低效，增加的水平渠岸建设费用将被白白浪费。

（3）等容积运行方式这种运行方式理论上是指渠段总是保持相对稳定的蓄量，当流量变化时，水面以渠段中心为轴转动，从一种恒定流状态变化到另一种恒定流状态渠段蓄量不变，这种运行方式有时也称“同步运行”,因为同步运行闸门通常是用来保持蓄量的不变。渠段锲型蓄量的变化对称地出现于渠段中间支枢点的两侧,如图4-1（c）所示。对一给定的流量变化,每一锲形的蓄量变化相等,方向相反。当流量减少时,上游锲形蓄量减少,下游锲形蓄量增加,当流量增加时,则相反。等容积运行的主要优点是渠段蓄量没有发生改变，因此能迅速改变整个渠系的水流状态。整个渠系在上游定水深和下游定水深运行方式条件下,水流从一种变恒定流状态到另一种恒定流状态的改变,往往需要较长的时间才能完成,而等容积运行方式避免了这种运行耗时的缺点。等容积运行就增加渠岸工程来说，则介于上游定水深和下游定水深两种运行方式之间,优于上游定水深。但等容积运行可能会增加节制闸的数量，特别是在渠道底坡较大的情况下控制渠段长度受到限制，从而增加了工程投资。（4）控制蓄量运行方式渠系运行可以通过控制一个或多个渠段中的蓄水量来实现,这种运行方式的渠段没有固定的支枢点,如图4-1（d）所示，运行以蓄量为依据,所以流量或水深都可用作观测参数。在几种运行方式中控制蓄量运行方式最为灵活,渠道运行可以比较容易适应正常、非正常和应急工况，因为没有固定水深的限制，运行的灵活性主要受水位波动范围限制。控制蓄量运行方式下的渠系运行能够适应较宽的流量变化范围，在没有用渠道外蓄水或使用弃水道的情况下，流量突然有大的变化时，渠段通过自身一定的调蓄能力也可以满足渠道的正常运行。控制蓄量运行方式特别适合于需要考虑非峰荷时间抽水的渠系运行。这种运行方式的缺点之一是需较大的渠道调蓄能力，即较大的渠堤超高或较大的渠堤断面，另一个缺点是渠段水位变幅较大，对旁侧取水口的流量控制不利，此外，这种运行方式不适合人工控制。

5.4.2.3渠道安全运行原则

渠道安全运行主要体现在以下几个方面：1）渠道安全超高与漫顶一般渠道运行的最大水深Hmax不得超过渠道衬砌高度，为了安全起见，渠道堤顶都预留安全超高，以防在渠道运行过程中出现漫顶，造成严重的侵蚀甚至溃决。2）水面降低速率限制渠道中流量突然增大，只要水位不超高，对渠道一般不会有不利影响，但是过快的水面骤降，对于衬砌破坏来说是相当不利的，过大的反渗压力会导致衬砌破坏。所以渠道运行中，通常要限制节制闸闸门调节变化速度，控制流量的突然变化，以防止产生较大的逆水波。3）渠道的调蓄库容与弃水道一般渠道没什么调蓄能力，渠道引多少流量，渠道就输送多少流量，但对于有些渠道穿过一定数量的池塘和水库，则这样的渠道有一定的调蓄能力，有效的调蓄能力有助于增加渠系运行的灵活性，以平衡输水供求计划之间的差异。当渠道无调蓄能力时，当区间来水增大或用水突然减少时，渠道多余流量应当安全泄走，所以在渠系中合适的地方布置弃水道，并在渠道弃水口设置泄水闸或溢流堰，以保证渠道的安全运行。

5.4.2.4渠道及控制建筑物等边界条件

渠道水流运动受到渠道边界及渠道上一些控制建筑的约束，渠道控制运行是保证水流以一定的水面坡降、流速和水深范围在渠道中运行。为了使渠道取水口获得取水流量的稳定，通常要保证取水口处的渠道水位相对稳定。而天然渠道水位随流量变化而变化，所以在渠道中为了配合取水口的取水，一般需要设置节制闸，对渠道中的水位和流量进行调节控制。节制闸的位置和相邻节制闸的间距与渠道底坡，渠测取水口的位置以及渠道运行控制方式等有关。相邻节制闸之间的渠道，通常叫渠池，渠段长度对渠道运行控制有较大影响。渠段长，底坡大，流量变化会引起较大的水面波动。

5.4.3渠道自动控制及控制系统组成

对渠道实行自动控制，采用的控制方式应满足以下三方面的要求：1）当渠道输水量发生突然变化时，系统从一个稳态到另一个稳态的自动调节时间要短，即系统的过渡过程时间Ts要短；2）渠道自动控制系统对渠道水位和流量的控制要稳定，即要求不能出现严重的超调现象，不至于引起较大的波动；3）对于设定的控制水位或流量，控制系统满足一定的精度控制要求。渠道控制大致可分为：就地控制、（远地）中央控制、综合系统控制三类。5.4.3.1就地控制

就地控制是对需要控制运行的一段渠道的水位或流量实施控制，通常被控对象是该渠段的上游或下游的节制闸，通过调节节制闸闸门开度来调控渠道水位或流量。按照控制信息来源方向不同，就地控制可分为：①上游控制；②下游控制①上游控制是从控制闸门上游获得水位或流量等控制信息。实际工程中常采用的是（闸）上游常水位控制，即控制下游闸门维持上游监测点水位恒定，与前面提到的渠段下游常水位运行是相匹配的。②下游控制是从被控闸门下游获取水位或流量等控制信息。实际工程中常采用的是（闸）下游常水位控制，即控制上游闸门维持下游监测点水位恒定，与前面提到的渠段上游常水位运行是相匹配的。实际工程中属下游运行的下游常水位控制系统的有：NERYPIC系统、Bival系统、EL—FLO系统、CARDD系统等

5.4.3.2（远地）中央控制

随着计算机技术和通信技术的迅速发展，渠系自动化控制也向远程遥测遥控和全部渠系集中调度控制方向发展，使整个渠系或灌区的输水系统的控制集中在控制中心，由中心收集水情信息，并由中心发出控制指令，这样的控制也叫中央控制。优点：中央控制较多地采用动态调节，使所有渠道或渠段介入运行，以满足各自需求，调蓄或泄掉多余的弃水。中央控制系统可以使渠系调控反应时间大大缩短，并可在各控制渠段之间建立相互协调关系，使输水和供水趋于平衡，在保证灌区渠系蓄水或弃水在全局范围内达到最优的情况下保证控制系统运行稳定。

5.4.3.3综合控制

综合控制是中央集中控制和就地控制相结合的一种控制方法。综合控制方法对一般的渠系是适合的，中央控制用于渠系渠首闸门和其它主要分水口的分水闸的控制，而渠系中节制闸和其它小的取水口采用就地控制。综合控制可以减小中央控制规模，节省监控系统投资；当系统故障时，渠系在就地控制下仍能维持运行。

5.4.3.4渠系自动控制的基本组成

比较合理的渠道运行自动控制系统是一个反馈控制系统，如图4－2所示。由三个基本部分组成，即①传感器；②控制器；③执行机构。1）传感器在渠道控制系统中，传感器一般采用水位传感器（步进触点电阻式、压力式、光电式、电测水尺等），通过传感器来检测渠道中控制水位，或通过水位来反映断面控制流量。2）控制器是渠道控制系统的核心部分，通过对传输的信息进行分析、加工，并向执行机构发出操作指令。随着控制理论和技术的进步，控制器也在向智能方向发展。3）执行机构直接执行控制操作命令，对运行过程产生影响的机构，如各种自动阀门或闸门等。5.4.4大型灌区渠系运行控制策略研究

所讨论的大型灌区渠系运行控制，是指包括自渠首到渠末端的所有分支渠道，而不是单一的某个渠段的运行控制，因此，其运行控制策略的制订应与灌区信息化建设结合起来考虑，使得它们在灌区管理中成为一个有机的整体。目前，全国大型灌区信息系统，亦把渠系系统自动化控制纳入其中，使其成为重要的组成部分，如图4－3所示是一个实际的灌区信息化系统规划的总体结构示意图。不难看出，灌区运行管理所需要的所有信息资源和通信及计算机网络等决策支持系统，最终落到实处的是渠系自动调控，使之实现安全实时适量地完成输水任务。根据信息化建设内容以及渠系自动控制的自身特点，可以认为渠道运行控制与灌区来水、用水需求密切相关，需求决定供水，因此灌区渠系系统是需水型系统。5.4.4.1渠首控制系统

灌区渠系能否实时适量地对整个灌区供水，在很大程度上取决于渠首取水量对时间分布的合理性，因此渠首取水闸的自动控制是渠系良好运行控制的先决条件。一般情况下，已建灌区的渠首取水最大流量Qmax是受上游供水水库的来水水位和流量限制，同时也受到下游干渠渠首的通过能力限制，这是一个灌区建成后所固有的特性，不好轻易改变。渠首取水流量Q（Q≤Qmax）是与需水要求和下游渠道运行特性相关的，是时间的变量，即可以表示为Q（t），理论上Q（t）是满足渠道安全运行的灌区灌