自動化系統在閘壩運行管理中的應用
——以二熱節制閘為例

樸立君，胡加玲，張 楠，馬新浩

（北京市城市河湖管理處，北京 100043）

北京市城市河湖建有各類閘壩107 座，這些建筑物在防洪搶險、排澇抗旱、水資源調配等方面發揮了重要作用[1]。在調配水資源的過程中，閘壩是十分關鍵的組成部分。隨著水利行業自動化和信息化的發展，對閘壩進行自動化改造變得尤為重要。在具備條件的情況下，盡可能實現自動化，將閘壩的運行狀況、水文水情監測數據等基礎信息準確、及時地反饋至上級水利管理調度部門，可以保證相關調度及決策的科學性。

閘壩自動化系統主要對重要水工建筑物及河道進行自動監測[2]，保證閘壩更加安全、可靠、經濟的運行，以期實現“無人值守”或“少人值守”的目標。

1 自動化系統建設概述

1.1 建設目標

基于基礎網絡，通過建設集閘門自動控制、水情監測、視頻監控等功能于一體的閘壩自動化監控系統，實現閘壩運行管理自動化。通過PLC 對閘門開度、閘上、下水位和降雨量等水情數據，以及閘壩運行參數進行實時監測，出現異常能及時給出警示；開發遠程控制軟件終端，實現遠程調節閘門開度；視頻監控系統將閘門及河道的圖像傳輸至監視器，為監測數據、控制過程等提供實時畫面驗證支撐，確保運行安全。

1.2 建設原則

（1）實用性、可靠性和安全性原則。應根據閘站日常業務和調度運行管理的實際需要建設自動化系統。合理選用系統架構、安全策略等，保證系統具備較高的安全可靠性。

（2）先進性原則。應采用先進、成熟、有發展前途的技術和服務器系統、存儲設備、網絡產品、數據庫系統軟件等，著眼于目前系統需求，同時也面向未來發展。

（3）模塊化和開放性原則。在設計系統的整體方案時，對于系統整體的結構以及軟、硬件平臺等部分以及確定所用設備的具體類型及相應的開發過程等，均應遵循“標準和開放”原則。在對應用系統進行開發時，應選用標準化和模塊化的模式，完成軟件開發后能夠以其為基礎設立起相應的應用平臺，并保證平臺具備較高的靈活性，后續能夠結合需求進行擴展。系統除了具備開放性較強的結構外，還能夠提供多樣的接口形式。此外，其內部應預留出一定的可擴充空間。

（4）可擴展性原則。在構建系統時應充分考慮后續的使用需求，因此應有較高的可擴展性，能夠在業務需求增加及信息技術提升的情況下實現平滑升級。所開發的各個應用系統均應滿足功能方面的各項需求，且運用過程應盡可能便捷高效，跟實際情況保持一致。

（5）可維護性及易用性原則。系統應用實施要以易管理、易維護為基本原則。系統要易學易用、維護簡便，同時應對管理與維護的可視化、層次化及實時控制等進行充分考慮。

1.3 系統結構

閘壩自動化監控系統總體結構劃分為數據、控制兩大系統，其中數據系統包括數據采集、傳輸網絡、數據存儲和應用系統4層；控制系統包括應用系統、傳輸網絡、閘門運行3層。系統整體結構，如圖1所示。

圖1 系統總體結構

數據采集層主要包括閘門狀態、水情數據、監控視頻等信息的自動采集，其中閘門狀態包括閘門開度、荷重、電壓、電流等，水情數據包括水位、流量、降雨量等，監控視頻包括對閘門、水尺、河道等水工設施的監控畫面。

傳輸網絡層是信息傳輸的媒介與依托，擔負著數據傳輸的任務，主要包括自建光纜、政務網、專線、5G（含4G）等技術，為整個自動化監控系統的運轉和使用提供基礎網絡支撐。

數據存儲層的主要作用是將數據采集層產生的數據通過一定的方式進行保存和管理，為各個應用系統提供高效率的數據調用服務。

應用系統層是自動化監控系統的最頂層，承載著數據綜合展示、數據查詢、控制操作等人機交互功能，主要包括數據平臺、監控平臺、軟件終端等。

閘門運行是閘門控制的指令執行機構，包括控制操作臺、閘門啟閉機等設施，具有現地控制和遠程控制2 種模式，現地控制時接受現地控制操作臺指令進行閘門運行控制，遠程控制時接受遠端控制系統指令進行閘門運行控制。

2 二熱節制閘自動化系統應用現狀

2.1 系統概況

2.1.1 監測系統

二熱節制閘水文站位于永定河引水渠玉淵潭—西便門段末端。二熱節制閘建于20世紀70年代，工作閘門為舌瓣平板鋼閘門，共3 孔，由3 臺固定卷揚式啟閉機操作，并有1 扇浮箱疊梁檢修閘門。系統通過PLC 自動采集閘門荷載、閘門開度、閘門工作狀態等數據，并傳至管理房監控工作站[3]。閘門控制采用現地控制、計算機集中控制與遠方控制相結合的控制方式[4]。閘門前后設有碼盤式水位計監測水位，在下游西便門處設有電子水尺監測水位，在閘站的開闊地帶設有翻斗式雨量計監測雨量，在閘站下游設有流量計監測流量，將這些數據傳至監控工作站。

2.1.2 控制系統

閘門控制采用3 級控制模式，即現地控制、遠程控制、異地控制。

（1）現地控制。在放置啟閉機的樓層為每孔閘門配置1 個現地控制柜，控制柜內設有PLC、繼電器等相關的元器件，并預留遠程控制接口，箱體表面設有閘門啟閉控制按鈕和指示燈。在現地控制柜箱面板上設有“現地/零位/遠程”轉換開關，當轉換開關置于“現地”位置時，通過控制柜按鈕控制閘門；當轉換開關置于“零位”位置時，不能對閘門進行操作（即檢修狀態）；當轉換開關置于“遠程”位置時，PLC 依據遠程下發命令，控制閘門的起、停。

（2）遠程控制。系統采用PLC 控制技術，實現機電設備的自動化監控及相關數據采集。在監控工作站上通過組態軟件實現與PLC 的通信連接，最終實現對閘門運行的遠程控制。

（3）異地控制。通過基礎網絡，實現異地計算機對閘門的運行控制。本次僅在硬、軟件上預留功能接口。

2.1.3 視頻監控系統

視頻監控系統主要通過數字攝像機、監視器等設備對二熱節制閘運行狀況進行監視[5]，二熱節制閘共設置6 臺數字攝像機。啟閉機檢修層室內放1臺攝像機，監視3臺啟閉機的動作情況。3處水尺各放1臺攝像機監視水位尺，在水尺處加裝補光燈，便于提高夜間觀看效果。閘門上游放1 臺攝像機，監視閘門升降工況。大門入口處放置1 臺攝像機，監視進出人員。

監控站用2 臺52 寸液晶監視器建成電視墻，以實時監測設備運行情況及環境，監控圖像存儲至NVR數據服務器。

2.1.4 傳輸網絡

為保證監測數據和控制信號的穩定、安全傳輸，二熱節制閘監控室與閘室以及沿河圖像監視點、數據采集點之間敷設了符合行業標準和使用需求的光纜線路，連接數據監測、閘門控制各個層級。通過網絡，二熱節制閘全部監測數據實時回傳存儲服務器，監控室可對閘門進行遠程控制，實現閘門自動化運行管理。

2.2 數據分析

2.2.1 水位比測

基本水尺水位采用3段制觀測，每天在8、16、20時觀測水位。為獲取準確的水位數據做進一步檢驗，對二熱節制閘汛期和非汛期上游水位數據資料進行分析。本次比測分析，選取二熱節制閘水文站2022 年2—9 月共8 個月人工基本水尺水位觀測數據與自動監測數據共242 組進行對比分析。數據觀測以一星期為單位，自動監測與人工觀測水位過程線如圖2—3所示。由圖2—3可以看出，二熱節制閘自動與人工同步觀測得出的水位數據存在一定差異，但是整體偏離情況并不顯著。

圖2 二熱節制閘2—5月水位比測過程線

圖3 二熱節制閘6—9月水位比測過程線

2.2.2 自動監測水位數據不確定度

（1）計算公式。參照《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）[6]，所得結果需達到置信水平95%，綜合不確定度為3 cm。若通過自動裝置對水位進行監測，在估算相應的不確定性度時運用公式為：

式中：X″y為自動監測設備的系統不確定度；X'y為自動監測設備的隨機不確定度；XZ為綜合不確定度；Pyi為第i次自動監測水位（m）；Pi為第i次人工觀測水位（m）；N為校測次數。

（2）結果分析。通過上述公式計算，將二熱節制閘自動監測與人工觀測水位不確定度計算結果進行整理，結果詳見表1。2022 年2—9 月，自動化監測系統監測得到的數據通過上式計算，結果均能達到《水位觀測標準》（GB/T50138-2010）中設定的標準，說明自動化監測系統監測的水文數據精度滿足規范要求，同時自動化監測設施具有一定的可靠性[7]。

表1 二熱節制閘自動監測與人工觀測水位不確定度計算結果

3 自動化系統在運行管理中存在的不足

3.1 智慧化水平不高

當前，二熱節制閘自動化系統智慧化水平不高。目前，自動化系統只實現了閘壩的部分數據采集和遠程控制功能，尚未對閘壩其他方面的自動化進行開發。采集的閘壩數據缺少智能分析、自動調度等現代智慧技術的應用，未能充分實現閘壩智能化運行管理方式[8]。同時，視頻監控系統主要依托硬盤錄像機，缺乏監控平臺，尚未應用智能監測、聯動警示等技術。大量的研究表明，自動化系統只是智慧化的其中一部分，要實現智慧化還需要預報系統、電調監控系統、可視化展示系統等多方面支撐[9]。因此，閘壩的智慧化建設還有待進一步加強。

3.2 缺乏統一的建設標準

目前已建成的閘壩自動化系統，由于在建設時沒有設立統一的標準，在實際建設過程中，年代、設備、技術以及系統集成廠商設計思路等均存在差別。在設備類型方面，相關資料顯示運用PLC 便來自Schneider等不同品牌，閘位儀的型號也多達5種，這導致系統兼容性和拓展性差，后續進行升級改造、管理及維護工作時會面臨諸多難題[10]。此外，硬盤錄像機的類型也十分多樣，而視頻編碼方式、接口相應軟件之間無法實現兼容，因此無法實現對設備的整合，整體運用效率較低。不同水閘所開發的自控軟件也存在同樣問題，操作的界面及方式存在顯著差異，具備功能各異。因此，閘壩自動化系統建設發展受到不利影響，并對運行管理工作造成困擾。

3.3 運行管理水平不高

閘壩自動化系統具有一定的復雜性，包含了多種設備儀器、多項技術，從而實現了更加數字化的運行管理。閘壩自動化系統打破了傳統的運行模式，通過現代化技術提高閘壩人員的工作效率，但也存在亟待解決的問題。在以往的閘壩運行管理過程中，技術人員專業素質不高，存在著傳統觀念，難以快速高效地掌握新型的操作技術。同時，由于自動化系統的原理較為復雜，加之缺乏專業對口人才，導致自動化系統并沒有得到有效應用。自建設閘壩自動化系統以來，由于缺乏系統的培訓學習，技術人員只是按照操作規程簡單應用，并未能通過實際情況靈活操作，進而造成了當前的運行管理模式存在部分問題[11]。

4 提升自動化運行管理的建議

4.1 加強智慧化建設

閘壩中的自動化技術隨著時代進程正在飛速發展，在選擇自動化技術時，需要采用“因地制宜”原則，選擇符合當地閘壩條件的新技術。自動化系統的建設是閘壩智慧化的一部分，閘壩的智慧化還需要增加智能數據分析、智慧化調水等方面功能。在加強閘壩智慧化建設的同時，也要保證河湖生態及社會的健康與安全，最終實現以智能化決策、調度、分析三者相互配合，以此來推動水利工程智慧化發展[12]。

4.2 建立自動化系統建設標準

統一的建設標準能提高自動化系統建設的質量、效益、管理水平，因此應建立相關系統的設計標準和施工標準。各個閘壩的自動化系統主要功能是基本相同的，通過總結現有各自的優缺點和實際使用效果，結合閘壩的實際使用需求，統籌規劃自動化系統建設工作，建立統一標準規范，提高系統兼容性和拓展性，在設計上逐步建立標準同時建立科學嚴謹的施工標準提高工程質量，為系統建設質量提供保障。

4.3 提高運行管理水平

閘壩自動化、智能化的同時，要求相關工作人員要轉變傳統觀念，學習以新技術、新理念進行運行的管理模式。相關管理單位應積極聘請專家進行授課培訓，并進行自動化設備原理講解，從而使工作人員提高理論水平。技術人員通過學習自動化系統理論知識，結合日常工作實踐操作，進一步提升自身專業素養，提高閘壩自動化運維水平[13]。同時，需要引入專業人才作為管理人員，為高質量運行管理自動化系統提供有力保障，全面提升閘壩安全運行的精細化、規范化管理水平[14]。

5 結語

對于閘壩管理體系而言，閘壩實現自動化能夠給閘壩正常運營及調度提供高效技術支撐，保證閘壩可以更好地發揮效用，為所覆蓋區域提供優良服務，進而保證整個區域內的水環境處于安全狀態。隨著經濟社會發展，閘壩自動化系統的使用覆蓋更加廣泛與全面，但依舊存在不足，需要進一步引進新技術與新方法[15]。本研究對二熱節制閘的自動化系統建設與應用進行了初步分析與研究，但尚存在不足，未對閘壩智慧化進行深入探討，如何讓閘壩智慧化建設趨于完善還有待進一步探索。