1. 行業背景
1.1．現狀
某灌區位于灤河以南，沙河以東，北靠京山鐵路，南臨渤海。包括唐海縣東西灌區，灤南縣群眾灌區，樂亭縣灤樂灌區，豐南縣南部及軍墾農場。灌區管理處則承擔著整個灌區的供水任務，供水任務非常艱巨，但意義重大。其管轄的輸水總干渠總長110km，沿渠分布著113座閘門及105臺水泵，年平均引水量7億m³,其經濟和社會效益十分顯著。
由于自動化水平的滯后，灌區的科學化調度困難重重，配水和用水之間的矛盾經常發生，并時常造成人力、財力的浪費，貽誤灌溉良機。為提高區域有限灌溉水資源的抗早能力和取得最大的灌溉效益，分析區域間水源關系，在各灌溉區域內部，建立多水源聯合優化調度模型，實行多水源聯合優化調配，以提高灌溉保證率和灌溉效率。因此從節水節能及現代化管理要求出發，必須建立灌區自動化調度系統。
1.2．需求分析
在這種背景下，灌區的信息化建設更是至關重要，灌區信息化就是充分利用現代信息技術，深入開發和廣泛利用灌區管理的信息資源，包括信息的采集、傳輸、存儲和處理等，大大提高信息采集和加工的準確性以及傳輸的時效性，做出及時、準確的反饋和預測，為灌區管理部門提供科學的決策依據和提高管理效率、降低管理成本，提高灌區管理的效率和水平，以促進灌區實現科學管理和高效管理。
2. 灌區數字化綜合管理系統方案設計
2.1．方案設計簡介
灌區信息化系統由兩級網絡組成，其中調度中心站、泵站遙控站通過開通專用光纖信道組成水利專網，傳輸遙控數據、視頻流等測控信息；各遙測站與中心站通過超短波組成無線通訊網絡，傳輸實施水情工情數據等信息。移動狀態用戶可以利用GSM網進行手機查詢和定制。在此基礎上，按照灌區管理實際需要，選擇配置成熟的應用軟件，形成以信息采集系統、灌區綜合數據庫及信息處理系統、灌區調度管理決策支持系統、灌區自動化監控系統、灌區辦公自動化系統、財務管理及水費計收系統、水務公開系統等為主的灌區管理應用系統。
2.2灌區數字化綜合管理系統系統建設目標
立足現有工程設施，緊密結合泵站灌區特點，有效利用計算機自動控制技術、網絡技術、遙測傳感技術、通信技術、多媒體技術等現代信息技術，在做好信息化規劃的基礎上,因地制宜、分步實施，充分吸收和借鑒各種成功的灌區信息化建設模式，形成一套科學合理、運作高效的管理調度決策支持系統，進一步優化整合系統資源，拓展完善供水服務體系，從而保障灌溉供水的安全性、可靠性和經濟性，全面提高灌區的管理水平和經濟效益。
2.3系統網拓撲圖
灌區數字化綜合管理系統從根據功能分為數據采集現場監測站、灌區信息化調度中心和各泵站3個層次（如圖示）。
1）各遙測站
對沿線引水閘、節制閘、上下游水位、閘門開啟高度，設備運行狀態以及其他監測站點的水位、雨量等參數進行適時監測、自動傳輸、處理備份。
2）配水站
各配水站直接控制各級泵站的開停機和各級節制閘、進水閘、分水閘的啟閉高度。同時監控系統監測各級渠道的流量，并反饋給調度中心，形成閉環控制系統。
3）智能化調度中心
按給定的運行條件（如灌溉制度、給定流量、開度、時間等指令），根據采集的信息數據進行決策，優化選擇并運行灌區既定的水量調度方案，發送閘門自動調控指令和泵站得取水指令，并進行自動記錄打印，實現調度決策智能化。同時對防汛、水量、水費等特殊因素，由信息管理人員通過計算機網絡運行特殊的調度方案。
3. 遙測站
遙測站通過各種傳感器等檢測設備負責水情、工情、雨情、墑情、地理數據、用戶數據、和對沿線引水閘、節制閘、上下游水位、閘門開啟高度，設備運行狀態等參數，通過無線網絡GPRS將現場采集的數據傳回控制中心的實時數據庫實現整個灌區的數據共享。
由于整個灌區地域廣，建設有線網絡比較困難很多數據需要通過無線網絡進行傳輸，而大多數軟件采用的是虛擬串口的連接方式非并發處理，效率低下不穩定，力控軟件采用獨立的CommBridge組件，數據為并發處理、完全透明的解決方案，從而消除了一般軟件將GPRS網絡綁定虛擬串口的查詢訪問方式造成數據傳輸不穩定的隱患。
4. 配水站
各配水站直接控制各級泵站的開停機和各級節制閘、進水閘、分水閘的啟閉高度。同時監控系統監測各級渠道的流量，并反饋給調度中心，形成閉環控制系統。
泵站、變電站、節制閘現場測控網是由各泵站、變電站、水管站現場工作站及與之連接的各個現地監控單元組成，以現場總線方式連接，站控系統軟件采用北京三維力控科技有限公司的力控FCPower電力電氣監控軟件實現。
力控電力電氣監控組態軟件FCPower結合了通用組態軟件和電力專業技術，是使用先進的計算機軟件編程技術開發的專業電力系統自動化的組態軟件，適用于變電站綜合自動化、電廠電氣監控（ECS）、企業供配電自動化、水電站綜合自動化及樓宇配電自動化等后臺監控系統。
4.1主要功能簡介
根據泵站設備工作操控流程設計為監控界面系統(主控界面、配電系統界面 、單機組界面、綜合參量界面)，操控流程（配電系統、機組系統、綜合監控），日志系統、報警系統、保護系統、數據存貯系統、數據網絡發布系統，邏輯參量修正系統、控制輸出系統，查詢系統，安全維護系統，報表系統。
4.1.1 監控界面系統
監控界面系統為人機交互的主界面環境，它以WINDOWS窗口為主體劃分為系統菜單欄、工具欄、主監控顯示區、系統狀態欄。
4.1.2 系統菜單欄
系統菜單欄包括：系統設置、界面切換、參量設置、日志管理、報表、設備操控、數據管理、網絡管理、
系統菜單欄包涵全系統的功能管理，如圖所示。
4.1.3 主監控顯示區
主監控顯示區以泵站電氣線路連接圖為背景標示各參量數據，點擊各動態組件可查看動態細節圖. 示意圖如下：
4.1.4 系統狀態欄
顯示系統當前的工作狀態，如時間、發送速率，模塊信息、采樣等，操控員。
4.1.5 窗口環境
用戶接口應支持同時在屏幕上進行重疊或平鋪的多窗口顯示。這些窗口可由用戶選擇，并能夠移動和縮放，以滿足用戶不斷變化的需要。
每個窗口在其外邊都有一個邊界或窗口框，并提供下列元素：
☆ 標題區域，用以識別窗口內的顯示內容；
☆ 最大化按鈕，用以將窗口增大至覆蓋整個顯示屏；
☆ 最小化按鈕，用以將窗口減小至一個圖標；
☆ 再生尺寸功能，用以改變窗口的初始大小；
☆ 窗口菜單按鈕，用以顯示該窗口支持的一系列的控制操作；
每個操作臺上的一個窗口應作為活動窗口，允許用戶通過它與系統進行交互操作，而其它所有窗口仍應繼續顯示并刷新，通過點擊另一個窗口邊界內的任意區域，可激活該窗口，窗口的邊界應改變顏色，以表明該窗口為活動窗口，活動窗口應顯示在其它重疊窗口的頂部。
窗口接口至少包括以下特性：
☆ 菜單欄，位于顯示窗口的頂端，緊靠標題欄的下部，它包含進入下拉菜單的按鈕；
☆ 下拉菜單，用于起動功能、進入顯示、處理屏幕信息；
☆ 工具欄，位于菜單欄下部，包含一些經常使用功能的便捷鍵；
☆ 彈出菜單，包含一組從可控顯示元件（如：斷路器、水泵、進水閘門）進入的控制按鈕；
☆ 控制按鈕，按鈕上帶有文字或圖形標簽，以指示選擇該按鈕時所執行的何種操作；
☆ 水平或垂直滾動條；
計算機系統通過各種類型的 TFT 顯示畫面來支持用戶對系統功能進行交互操作，這些畫面不僅應包括全局顯示， 還包括圖形、表格 以及棒圖顯示。
FCPower提供了三種報表工具：FCPower內置報表組件、專業電力報表、基于Excel的報表工具，可方便用戶制作任意復雜的報表系統。
組態軟件操控流程分為系統流程，初始化流程、配送電流程、故障保護機制，相關參量測控流程，查詢流程，數據存貯與發布流程。
組態軟件軟件系統在主構架驅動下分層次、按模塊，完全根據系統消息狀態來自動進行有關流程處理。
所有控制操作都應通過選擇系統圖表或圖形顯示上的目標或從相 關的彈出菜單 （對話框）上選擇有關控制命令來執行。
通過軟功能鍵或通過調度員特殊功能鍵盤，都可實現計算機系統 的任意或所有操作，如報警確認、生成報表、發出控制命令、插入意見、提供標簽、送出信息、要求趨勢顯示、交互執行應用程序功能以 及重新配置計算機系統等。
人機接口可在屏幕上提供不同的顏色、符號和指示（如閃動的顏 色），以表示正常和非正常情況。所采用的顏色、符號以及指示信號至少應能區別輸水線路上不同的元件和設備。表示系統各元件的顏色、符號、指示信號均能夠自動設定。用戶既能夠對一個獨立的調度員記錄進行諸如進入、存儲、恢復、 修改、刪除等操作，也同樣能夠對計算機系統所附的自由格式的記錄進行相同的操作。
不論是通過鍵盤還是鼠標執行的多步驟操作，都有時間限制。 如果系統或用戶在預先規定的時間內沒有對下一個邏輯步驟作出反應，該過程應被復位，并且應對這種超時情況產生一個報警。如果調 度員沒有緊跟下一步驟，工作站的屏幕顯示器應出現一個指導信息，這時，如果用戶開始執行另一個不相關的指令，前一個已完成部分步驟的操作將被自動取消。
各現場工作站是各泵站、變電站、節制閘現場監測控制的主體，各自相互獨立，主要承擔對所轄范圍內所有機電設備、工程設施運行狀況的監測、控制，實時將各設備、設施運行參量上傳至監控調度中心工作站，無條件執行灌區監控調度中心的各項工作指令,緊急情況下，各現場工作站也可脫開監控調度中心完成對所轄范圍設備、設施監測控制，并可支持辦公自動化系統、水務公開系統、財務管理及水費計收管理系統等應用系統的功能實現。各泵站、變電站、節制閘工作站之間可通過通信以太網與管理局局域網及其它站閘完成語音數據通信、信息交換和查詢。各現地控制單元主要完成對本單元測控對象各類運行參數的實時檢測和上傳，執行各現場工作站下達的各項工作指令，在緊急情況下現場工作人員也可對測控對象實施手動控制操作，且手動操作具有優先級。
5. 智能化調度中心
智能調度中心是整個灌區信息化的核心，在智能化調度中心安裝有力控實時數據庫軟件pSpace，在環保中心力控實時數據庫pSpace負責匯集來自各現場監測站的實時數據，為客戶端提供實時、可靠、安全的數據，并且給中心的關系數據庫提供有效的數據。過程數據平臺選擇實時歷史數據庫pSpace，其優點是灌區管理中心和各分中心平臺統一，采集接口豐富，可以適應不同數據源的采集；實時性高；可以存儲大批量的過程歷史數據；結合關系數據庫可完成管理類數據庫的構建。而單獨采用關系數據庫，對多種數據源（ＡＣＣＥＳＳ、ＯＰＣ、ＧＰＲＳ）的采集難以實現，基本不具備采集功能，對整體系統的兼容性和擴展性有影響，并且實時性較差，灌區管理中心和各分中心做不到無縫連接。
pSpace數據庫運行于灌區管理處，用于建立水位、閘位等數據庫，雨情數據庫、水質數據庫、工情數據庫。負責整個灌區數據采集、存儲、檢索和大部分的管理數據平臺建設，負責建設此設計概要下提出的五個子數據庫中的工程資料數據庫、監測監控數據庫、分析評價數據庫、方案建議數據庫。方法庫的部分功能應用則結合SQL 2000實現，為SQL 2000提供原始數據和部分方法模塊。
智能調度中心的客戶端軟件采用力控eForceCon SD，控eForceCon SD監控組態軟件構成的控制系統可以構成先進的、分布式冗余、容錯架構，該產品采用分布式組件設計，適應網絡的多人協作與并行開發，保證了軟件的可“伸縮性”非常強，適應了“e”時代的要求，結合. NET平臺技術，集成了web service技術，輕松構建小區實時信息門戶，開發過程采用了先進軟件工程方法，使產品品質得到充分保證，該產品的設計避免了目前市場上各類軟件不是操作過于復雜或者就是功能過于簡單的弊病。
強大的分布式報警、事件處理，支持報警、事件網絡數據斷線存儲，恢復功能并增加聲音、郵件和短信報警通知方式，全新的多線程IO調度程序，使通訊效率更高、速度更快。
支持腳本在線調試，支持變量智能搜索功能，變量構件模板保證快速生成網絡工程，支持多語言切換，保證多語言版本穩定內核，海外擴展更方便，可以充當力控小區實時歷史數據庫pSpace 5.0的客戶端，與pSpace系統無縫集成，可以和地理信息系統（GIS）、ERP系統等諸多第三方軟件系統進行無縫連接與集成，支持PDA掌上終端和IE瀏覽器來訪問力控的WEB服務器。
5.1調度中心各功能模塊簡介
5.1.1灌區自動化監控
灌區自動化監控系統由灌區監控調度中心工作站、各泵站、水管站現場工作站及其現場測控單元組成。該系統依托灌區信息采集系統和綜合數據庫的信息支持，以各類圖表、圖形實時顯示各系統流程圖、實時狀態圖、接線圖以及關鍵設施、設備的的運行參數，從而實現對全灌區系統的全面監控；可準確執行灌區調度決策支持系統下達的各項工作指令，根據灌區調度需要，完成對各泵站機組、各支斗口閘門、各變電站開關的遠動程序化操作控制，實現對泵站出水流量、閘門開度、水位高程的閉環調節調整，保證各類設施設備高效運行，基本實現各泵站、變電站、閘站“無人值班、少人值守”，從而大幅提高灌區運行效率，降低工人勞動強度；可及時了解掌握各設施設備的安全動態，自動判斷設施設備的不正常工作狀態，準確進行故障及事故的緊急處置，減少事故的范圍及損失，提高灌區運行的可靠性和經濟性。
5.1.2水務公開
由綜合數據庫服務器、信息傳輸系統、各泵站、水管站現場工作站及分布于灌區各典型收益村鎮、各用水大戶等處的電腦顯示系統、電腦觸摸屏查詢系統等組成。該系統運用計算機語音仿真技術和網絡通信技術，可使灌區所有水管職工和用水戶及社會各界人士隨時對自己及他人各類灌溉用水參數、水量及水費繳納情況進行電話查詢和電腦觸摸屏查詢，并能查詢灌區管理機構、灌溉管理知識、水價優惠政策等相關信息，使灌區供用水情況及灌區管理情況完全置于廣大用水戶的公開監督之下，從而使灌溉管理透明化、公開化，徹底杜絕以水謀私等各類不正之風，更好服務于灌區用水戶及區域經濟發展。
5.1.3灌區調度管理決策支持
系統能根據信息采集系統所收集、檢測的各類農作物需水情況、土壤墑情信息、水源水文資料、灌區區域氣象信息、灌區內土地資源分布及農作物種植結構、用水統計資料等生成階段性或灌季的生產供用水計劃，合理確定灌區的開機時間、提引水量、不同區域的灌溉制度及各級渠系的配水調度方案，避免單純依靠經驗進行調配水可能造成的調度失誤及由此造成的水量浪費，提高灌區運行的經濟性；還可以根據已出現的各類越限、事故報警，自動生成緊急事件的處置預案，供調度及管理人員參考，從而保證全系統各類設施設備的安全、經濟、高效運行。
5.1.4 與GIS系統的無縫集成
北京三維力控科技有限公司開發的eForceCon監控軟件具有豐富的組件接口，軟件可通過GIS組件實現與GIS系統的無縫集成。GIS組件支持Mapinfo與ArcGIS的地圖文件格式，支持組件方式集成GIS-GPS的功能，利用腳本和VBA調用可充分互動。利用力控eForceCon監控軟件與GIS系統的無縫集成能夠把灌區灌溉業務和水利防汛抗旱業務中的各種信息與反映空間位置的圖形信息有機地結臺在一起，根據用戶的需要對這些數據進行處理和分析，并提供決策支持。
5.1.5與視頻系統的無縫集成
系統采用先進的數字處理技術，使得圖像質量更高，更易于保存，通過網絡設備可以將圖像進行遠程傳輸，實現圖像的遠程監視、遠程控制等功能。
系統軟件可以提供強大的圖像處理功能，調節圖像的亮度和對比度等，即使是在很低的照明度的情況下，也能得到高質量的被監控對像的圖像，并且可以將圖像保存了通用格式，在專業圖像處理軟件中進行進一步的處理。
結合當前先進的IT技術，基于SOA架構、結合. NET平臺技術的力控eForceCon監控組態軟件支持B/S和C/S混合模式，實現了與視頻監控、多媒體無縫集成，實現了數據和視頻的有機結合。
6. 總結
采用國內先進監控組態軟件力控eForceCon SD、實時數據庫產品力控pSpace激勵數據平臺，利用自動控制、網絡通信、計算機以及GIS 等信息技術構建大型灌區信息化系統，建設能夠掌握灌區雨情、工情、水情、墑情、災情的信息基礎平臺和重點信息化應用系統，科學地制定水資源優化調度方案，為防汛抗旱、節水灌溉、水力發電、農業生產、環境保護等方面的正確決策提供科學依據，充分發揮已建工程設施的效能，實現資源共享和有效利用，促進灌區經濟社會協調發展，建立節水型農業、節水型工業和構建社會主義和諧社會，以實現灌區社會經濟的可持續發展。