南海区水资源调度系统体系

摘要 随着城市化进程的推进，水资源对于保持和促进南海区的经济可持续发展、社会稳定有着至关重要的作用。本文以南海区水资源调度中心系统为实例，对系统的基本框架、主要功能和组成部分作简要介绍，并结合多年来实际工作经验，阐述水资源的优化配置和调度管理。

关键词 城市/镇 水资源 调度系统 调度方案 优化配置 管理模式

1. 前言

南海区地处广东省中南部，西、北江下游，珠江三角洲腹地，区内河网密布，河道纵横交错，西江、北江干流及其西南涌等9条河流，在境内总长180公里；雨量充沛，多年平均降雨量、平均径流总量分别为1622毫米、9.22亿立方米，且西、北两江年过境水量达到2109亿立方米，水资源可谓十分丰富。然而随着城市化进程的加快，经济活动范围加大，人口集中，城区、城镇的用水也在不断的增加，水环境受到严重的污染，产生了大量的工业和生活污水，水多、水少、水脏问题突出。一方面，水资源严重短缺，表现在水量性缺水和水质性缺水；另一方面，水资源矛盾日益突出，主要表现水资源日益短缺与用水需求不断增加之间的矛盾、水环境恶化与用水要求不断提高之间的矛盾。因此，合理地配置水资源，不断改善水环境，提高水资源优化调控能力是南海区水资源可持续利用急需解决的科学问题。

通过应用先进的计算机技术、无线通信技术、传感器技术、空间信息与3S技术、以及智能控制技术构建水资源调度信息系统，实现水资源管理的信息化、网络化、智能化，实现对全区引水灌溉泵站等运行数据进行实时监控，并逐步建立全区各水系水资源调度的科学数据模型，在今后数据不断丰富的基础上，不断摸索出一条具有南海特色的引水调度方案，实现水资源的优化调度和科学决策，达到水资源可持续利用的目标，对保障南海区社会、经济的持续发展具有重大的意义。南海区水资源调度中心系统就是在这样的背景下提出的。

2. 系统背景

南海区总面积1078.8平方公里，下设8个镇街，每个镇街均设相应水利所（区属单位）以及水利排灌养护站（镇属单位）。各镇街水利所及养护站管理辖区内的水调监控点，各镇街情况不同，涉及城镇/乡、镇-镇间跨域等因素。因此影响水资源调度的因素很多，相互作用、相互关联而关系复杂。从系统论的观点来看，南海区水资源调度系统是一个复杂的多目标的随机序贯决策支持系统，其数学模型的建立及优化调度策略至今仍是系统研究中的难点。

水利是一个信息密集型行业，而构建南海区水资源调度系统需要建立庞大的数据库，需要处理海量的数据信息，既包括了大量的历史数据，也包含大量的实时监测数据。南海区不同镇街的水利信息化建设的时间、规模不同，监测数据的采集设备、数据传输方式和数据库管理平台各不相同。从信息论的观点来看，南海区水资源调度系统必须是一个跨不同数据平台的系统，实现数据的有效整合和无缝连接具有极大的难度。

不同于传统意义上功能单一的农业灌溉，南海区水资源调度除了要担负工业用水、生活用水、灌溉用水、生态环保用水外，还兼有防洪、旅游、水产养殖、水土保持等综合功能。从控制论的观点看，南海区水资源调度系统是一个典型的多目标、多任务控制系统，在控制规律的确定、控制方案的优化和控制算法的选取方面，既有大量需要深入研究的理论和方法问题，也有大量工程实现的技术问题。

3. 系统基本功能框架

南海区水资源调度系统总体上包括远程水文遥测站以及水资源调度中心站系统两部分，分别对应了水资源数据的采集与水资源数据应用。系统总体结构图如下：

图表 1系统结构图

3.1. 遥测站系统

遥测站系统主要负责水文数据的采集、处理和并通过GPRS无线通信进行数据传输。

3.1.1. 采集要素

目前南海区水资源调度系统中，遥测站系统采集要素为：内涌水位、外江水位 、机组电流、闸门开度。

3.1.2. 系统主要性能指标

 各类传感器 : MTBP＞40000h；

 数据采集器，通信设备 : MTBF＞50000h；

 系统数据收集的月平均畅通率应达到平均有98%以上的遥测站（重要控制站必须包括在内）能把数据准确送到中心站。重要控制站月平均畅通率宜大于99%；

 数据处理作业的完成率大于95%；

 移动通信系统误码率≤10-5

 应能在特大暴雨、狂风、雷电、停电等恶劣条件下正常工作。

3.1.3. 系统组成及工作流程

系统组成：主要由水位传感器、开度仪、电流变送器等传感器、智能模拟量输入采集器、串口转换器、防雷设备、UPS不间断电源、无线GPRS路由器等组成。

图表 2遥测站结构图

工作流程：系统中遥测站采集要素一旦发生变化，遥测设备即刻进行数据采集、资料经GPRS等通信设备传输至中心站完成资料预处理后进入数据库，然后通过计算机网络向有关部门分发、通报。系统数据采集、传输和预处理全处理全过程框图见下图。

图表 3工作流程图

3.1.4. 遥测站系统功能

3.1.4.1. 基本数据采集功能

遥测站能自动实时采集、存储内涌水位、外江水位、机组电流、闸门开度等数据，具备增量自报、定时自报、应答报送等功能。

增量自报要求在正常情况下，当采集值达到变化自动增量（可设）时，自动将当前值发送到中心站。其中自动增量可以通过现场或远程中心站修改。

定时报要求每日以5分钟为周期间隔（或自定义时间间隔），定时向中心站发送遥测站采集信息。

应答报送要求遥测站根据中心站发出的报送请求，将当前值发送到中心站。

3.1.4.2. 自诊断功能

系统能对所接入的传感器设备、网络设备进行硬件诊断，具备一定的故障分析和故障点定位功能。在自动发出报警信息的同时，把警报信息发回监控中心系统，以便工作人员发现及进行必要的安全处理。

3.1.4.3. 远程参数数据调节功能

中心站值班管理人员利用该功能可以实现在中心站对遥测站的部分参数进行远程设置（例如：通过校正相应遥测的水位高程基准值，可实现水位数据的校正），更加符合值班管理人员的要求和实际工况，避免了维护人员去现场对遥测站参数进行设置，有利于迅速校正数据。

3.1.4.4. 其他可实现功能

（1）接入功能（8）状态报告功能

（2）发送功能（9）检测功能

（3）采集功能（10）调试功能

（4）现场设置功能（11）人工置数功能

（5）远程设置功能（12）固态存贮功能

（6）校时功能（13）主备切换功能

（7）加电控制功能（14）通信记录查询

3.2. 中心站系统

中心站系统是基于J2EE三层体系结构的B/S应用系统。主要是结合遥感(RS)、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、视频图像、统计图、统计表等方式，将接收到的水情数据以易懂易用的形式展现出来。通过实时数据的展现、历史数据查询、统计、分析等，为合理调度、科学决策提供支持。

3.2.1. 中心站系统功能设计

主要功能包括：水资源调度监控预警报警（结合GIS的实时水情展示，14个片区的电子地图水资源调度监控预警报警功能，包括水位、闸门开度、泵站机组电流等实时数据的综合数据实时监测，报警预警历史记录查看功能）、水资源调度配置管理（包括常规调度配置管理、应急调度管理）、历史数据查询（包括历史水位曲线图、调水情况统计表(周报、月报、年报)）、远程控制、视频监控、测站基础数据维护。系统功能结构图如下：

图表 4中心站系统功能结构图

3.2.1.1. 水资源调度监控预警报警

通过结合GIS平台，形象而直观地展现出各个水文测站地理空间位置、以及相应实时水文数据（如内外江水位、闸门开度、机组运行状态数据等）。

结合调度规则库，实现了动画式的调度路径演示、以及预警提示、报警功能等。

提供实时数据表形式的综合数据实时监测功能，结合了颜色区分的报警功能。

3.2.1.2. 水资源调度配置管理

主要包括常规调度配置管理、应急调度管理等功能。

常规调度配置管理主要实现常规水资源调度方案的维护管理、调度规则的设置与维护、及调度信息等功能。其中，因数学模型还没建立，目前的水资源调度方案的形成过程大致为：基于各地方长期的水利工作经验、水资源供求关系和水权理论进行任务规划，最终形成调度方案。而调度规则的设置与维护功能则是对调度方案所提及的指标进行量化计算、从而形成计算机能够认识的调度规则库，为系统的预警、报警等功能提供指标支持。

相对于常规调度配置管理，应急调度管理则为特殊需要或突况的应该调水情况处理提供了支持。

3.2.1.3. 历史数据查询

主要包括有历史水位曲线图、调水情况统计表等功能。

其中，历史水位曲线图显示各测站的水位过程线，形象的展现了相应时段内的水位变化过程、趋势、高点、低点等信息。

图表 5历史水位曲线图

调水情况统计表则提供了分周报、月报、年报等统计形式，对南海区调水情况进行汇总统计，获得相应时段内的开机/开闸数量、时长、引水量、排水量、水质情况等资料，并提供导出报表数据到Excel的功能。为调度方案的实施与监督等提供有效数据支持，并为未来建立数学模型实现智能优化调度提供基础支撑。

图表 6调水情况统计表

3.2.1.4. 远程控制

实现了对部分重点测站设备的远程控制功能。包括闸门、水泵等工程设施进行控制操作。这是未来智能自动化控制计划的一部分。

3.2.1.5. 视频监控

采用嵌入式web视频监控技术，并结合GIS平台，实现在web上可进行测站周围实况的在线监视，可以根据网络带宽情况，选用Mpeg、Mpeg2、Mpeg4等视频编码格式。

图表 7视频监控

3.2.1.6. 测站基础数据维护

实现水文测站基础数据的维护功能。包括：站名、地理位置、管理机构、相关提示水位、警示水位、视频监控连接地址等等。

4. 水资源调度体系的管理模式

南海区水资源调度系统体系里，无论从软件组织结构上，还是从实际水务工作组织管理上，都体现了一种思想---分层管理。整个水资源调度体系结构分为决策层、管理层、执行层 等三个功能层面。其中，决策层属于整个体系的最上层，负责对特定的任务目标进行规划、对相关资料属性进行会商，最终形成水资源调度任务，并将该任务传递给水资源调度管理层；而水资源调度管理层收到任务后，负责进行协调处理，生成可执行的具体的操作指令，并将相应操作指令传递给执行层；执行层收到操作指令后，按要求执行，完成整个指令下达过程；最后，由执行层起将具体操作指令的执行结果逐级向上反馈，相关功能层对结果进行分析、学习、改进，从而起到优化调度的作用。

图表 8分层管理模式

如上图所示，南海区水资源调度系统体系中，水资源调度任务由水务局领导会商形成（对应的会商软件系统正在计划实施中），产生调度任务后，送至水资源调度中心监控室（管理层）；水资源调度中心监控室与各个镇街水资源调度分中心协调分解任务，化为具体的操作指令，然后各镇街将具体的操作指令发往辖区下各个监测站；监测站人员执行指令操作，完成水资源调度的控制。

结语

水资源调度系统是水利信息化的重要组成部分，通过应用先进的技术来实现水资源管理的信息化、网络化、智能化，结合适当的管理模式，通过对水资源的优化调度和科学决策，达到水资源可持续利用的目标，是一项具有重要政治意义和显著社会经济效益的战略举措。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看