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符新峰：男，工程師，從事水利水電工程電氣設計工作。
摘 要：將計算機及網絡技術應用到秦淮河水系控制水工建筑物的自動化運行，不僅可以提高運行效率，降低運行成本，而且智能化的管理可以最大限度地保證該地區水環境質量。本文主要介紹秦淮河水系計算機集中監控系統的建設規模和目標、系統方案及系統組成等。
關鍵詞：秦淮河水系；遠程集中監控系統；PLC；網絡；水質監測
Abstract: To use computer and networking technology on the automation operations of Qinhuai River water system hydraulic control building, not only can improve operational efficiency, reduce operating costs, and the intelligent management can ensure to the maximum in the area of water quality of the environment. The scale, object, scheme and component etc. of Remote Centeralized Monitoring & Control System for Nanjing Qinhuai River Water System are introduced.
Key words: Qinhuai River water; Remote Centeralized Monitoring & Control System, Programmable Logic Controller, Network; Water quality monitoring
中圖分類號：TM
0 引言
秦淮河是長江下游南岸的一條歷史名河，有溧水河、句容河兩源。其干流長度34km，流域面積2631km2，流經兩市九縣區。秦淮河南京市區段分為兩支：一支由東水關閘入城，習慣上稱為內秦淮河，在鐵窗欞、西水關處匯入秦淮河；另一支由七橋甕進入南京主城區，經武定門節制閘至三汊河口入長江，習慣上稱為外秦淮河。目前在秦淮河上，為了防洪和調節、控制秦淮河水位和流量，共修建了六個控制水工建筑物，分別為：三汊河口閘、秦淮新河水利樞紐、蓮花閘、武定門閘、南河閘和天生橋套閘。
為滿足運行管理和保持秦淮河水系內河道的合理水位及良好水質的需要，并根據國際上管理城市水利的管理模式，吸取其先進管理經驗，在秦淮河水系設置了遠方集中監控系統。遠方集中監控作為秦淮河水系的全局監控平臺，可以提高秦淮河水系的運行管理水平，并對整個水系的水資源進行統一調度、統一管理。
1 建設規模和目標
現代化管理系統的建設是秦淮河綜合整治工程中的一項重要組成部分，系統建設的目標是通過廣泛應用現代計算機技術、網絡技術、通訊技術、視頻監視及傳輸技術，建立起秦淮河水系的遠方監測、監視及自動控制系統，為秦淮河綜合治理工程的管理現代化及水環境自動化調度及控制提供一個堅實的平臺。遠程集中監控系統的建成，實現了集控中心即三汊河口閘控制中心對秦淮河水系各水工建筑物的數據采集，并將歷史數據在集控中心數據服務器存儲。在控制中心實時監測各控制建筑物現場的工作情況，各控制建筑物現地控制單元設計時留有遠方控制接口，在必要時，可以實現全部遠方控制。近期遠程集控系統，秦淮新河水利樞紐、武定門閘、南河閘進行遠方監視，其余三個水工建筑物進行遠方監控。將來考慮全部實現遠方監控。本遠程集中監控系統留有通信接口，可與省市防汛中心通信。
各控制水工建筑物位置規模和參數見表1。
計算機遠程集中監控系統實現了以下主要目標功能：
1.1 數據采集
集控系統可以采集秦淮河水系6個水工建筑物的各種測量和狀態參數，主要包括：
（1）各控制水工建筑物二側的水位。
（2）各控制水工建筑物有關設備如節制閘、套閘的開關狀態，開啟的開度，運行和故障狀況等。
（3）各控制水工建筑物水泵的正轉、反轉、停機、運行及故障狀況等。
（4）各控制水工建筑物所有維持閘門或水泵等設備正常運轉的輔助系統的運行參數，故障情況等。
（5）其他設備，如各控制建筑物中高低壓開關柜或電動機的電壓、電流等參數。
所有數據采集后存儲到監控中心的計算機中，并建立完整的實時及歷史數據庫。
1.2 遠方監視和報警
（1）以動畫和表格的形式，在集控室的監視器中顯示整個秦淮河水系的水位、水質和節制閘、套閘、貫流泵等的工作狀態。
表1 各控制水工建筑物的規模和主要參數表
（2）在整個秦淮河水系的圖上，顯示各個控制建筑物的位置、河道補水點等，并以不同的顏色和文字表現各自的狀態，如綠色表示河道水質良好，黃色表示輕度污染，黑色表示重度污染等。對于整個閘門擋水設備也可用紅色表示工作，綠色表示關停，黃色表示故障等等。
（3）在水位、設備處于警戒狀態時，集控系統應能燈光及語音報警，并能呼叫到主要值班人員的手機或電話。
（4）可從集控中心調看現場的視頻圖像等信息。
1.3水質在線監測
實時監測秦淮河水質，在秦淮河沿線三汊河口（N1）、武定門(N2)、天生橋(N3)布置水質監測點，這些水質監測點可將測量數據經過附近控制水工建筑物的計算機監控網絡系統實時上傳到信息中心。（各控制水工建筑物及水質監測點具體分布見圖1）
圖1 秦淮河水系河口控制水工建筑物及水質實時監測站布置圖
各水質在線監測點監測的主要參數包括：
常規五參數：T（溫度）、PH（PH值）、DO（溶解氧）、EC（電導率）、TB（濁度）；TOC（總有機碳）；NH3-N（氨氮）。
在水質超標或不滿足設計要求時進行自動報警，及時提醒工作人員采取必要的防范處理措施。
1.4 遠方控制及智能水系調度
秦淮河水系對各受控分站的閘門控制建筑物除能利用現地控制設備進行現地控制外，集中控制系統提供全面的遠方控制功能。
（1）遠方開啟和關閉各控制水工建筑物的擋水設備，如節制閘、套閘、涵閘等。
（2）遠方開啟和關閉各控制水工建筑物的輔助設備，如電源，閥門等。
（3）遠方調節各控制水工建筑物的各類可控設備，如節制閘套閘開度等。
秦淮新河水利樞紐、武定門閘和南河閘監測分站目前只考慮遠方監視，將來根據需要實現遠方控制。
在遠方集中監控系統平臺上預期可以實現智能調水。即根據秦淮河水系河道水位、水質要達到的目標，利用計算機采集的各河道水質，水位的實時數據，對于各控制水工建筑物可控設備的控制方案進行優化組合，得出一個最佳方案，這個方案可以在實踐中逐步探索，也可以建立數學模型經過復雜的算法獲得。近期監控系統可以根據預存的調度程序提供各控制建筑物的操作建議，供值班人員使用。在情況許可時，可以直接進行遠方的程序控制。
2 系統方案
集控系統中，系統方案主要體現在組網的形式上，網絡連接方式具有極重要的地位，它是遠控的全部功能得以實現的基礎。而網絡技術的高速發展和日趨成熟，為我們提供很大的組網空間。
目前網絡連接方式有以下幾種，①敷設專用網絡；②租用電信網絡；③無線電通信；④微波通信；⑤衛星通信等。這幾種組網方式各有優缺點，但由于秦淮河流域6個控制水工建筑物，分布在約方圓50km的范圍內，整體來講覆蓋區域較廣，地理位置相對分散，信息流量不是特別大，如采用鋪設有線或無線專用網絡的方式將會增加系統的初期投資費用和建成后的運行維護費用，另外還要穿越主城區，存在著信道鋪設困難和利用率不高的弊端；采用無線電通信需要申請無線電頻段，帶寬也受限制；微波通信和衛星通信適用于遠距離傳輸；雖然租用電信網絡接入，月租較貴，但初期投資比較低，不用自己對網絡進行維護，而且目前現有公共數據網絡已經非常發達，種類繁多，覆蓋的區域廣，故障率低，所以，我們采用現有公共數據網作為信息中心和各個控制水工建筑物之間通信的平臺，系統通過在公共網絡中建立專用的數據通信網絡（VPN技術）實現可靠連接。目前，電信服務提供商提供的主要廣域網連接方式有：禎中繼（FRAME RELAY）、數字數據網（DDN）、非對稱數字用戶線（xDSL）、窄帶綜合業務數字網（ISDN）、SDH數字電路（SDH）、碼分多址無線業務（CDMA）、通用分組無線業務（GPRS）等。
2.1 DDN有線數字數據網絡
DDN網是利用數字信道傳輸數據信號的數據傳輸網，由數字傳輸電路和相應的數字交叉連接復用設備組成。
DDN網是同步網，向用戶提供永久性和半永久性的數字數據傳輸通道，沿途不進行復雜的軟件處理，因此整個網絡傳輸都是透明的，既保證了用戶數據傳輸的安全性，又使得傳輸延時較短，避免了分組網中傳輸時延大且不固定的缺點。DDN網采用時分復用的技術，因此提供的基本專用電路是規定速率的點到點專用電路。用戶可根據需要選擇64K~2048K不等的速率。
DDN業務主要應用于客戶的局域網互聯，瀏覽互聯網業務。客戶通過局域網互聯專線傳輸數據、語言、圖像等業務，實現各公司、部門間的資源交換和共享。專線上網的用戶擁有固定的IP地址，客戶可以根據需要建立自己的MAIL SERVER、WEBSERVER等服務器。
2.2 SDH數字電路
SDH(Synchronous Digital Hierarchy)是一種新的數字傳輸體制。它被稱為電信傳輸體制的一次革命。
SDH數字電路是一種基于時分復用的同步數字技術。對于上層的各種網絡，SDH相當于一個透明的物理通道，在這個透明的通道上，用戶可以開展各種業務，如電話、數據、數字視頻等。
SDH技術與PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）技術相比，有如下明顯優點：
1、網絡管理能力大大加強。
2、提出了自愈網的新概念。用SDH設備組成的帶有自愈保護能力的環網形式，可以在傳輸媒體主信號被切斷時，自動通過自愈網恢復正常通信。
3、統一的比特率，統一的接口標準，為不同廠家設備間的互聯提供了可能。
4、采用字節復接技術，使網絡中上下支路信號變得十分簡單。
由于SDH具有上述顯著優點，它成為實現信息高速公路的基礎技術之一。
根據本遠程集控系統的功能要求和江蘇省、南京市水利系統與當地電信局現有的業務關系，經過多方比較，本集控系統網絡主通道最終選定采用2M帶寬SDH數字電路。其組網運行費用較DDN要便宜，而帶寬完全滿足要求。
由于在建設本集中監控系統以前，秦淮新河水利樞紐、武定門閘、南河閘已接入DDN電信網分別與省防汛辦、市防汛辦建立了網絡連接，故可利用現有的DDN網絡接入三汊河集控中心，不需再另外建設網絡。三汊河口閘、蓮花閘、天生橋套閘通過SDH接入IP城域網。
2.3 CDMA碼分多址無線網絡
CDMA是碼分多址的英文縮寫(Code Division Multiple Access)，它是在數字技術的分支—擴頻通信技術上發展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術。
CDMA具有許多獨特的優點，其中一部分是擴頻通信系統所固有的，另一部分則是由軟切換和功率控制等技術所帶來的。CDMA移動通信網是由擴頻、多址接入、蜂窩組網和頻率復用等幾種技術結合而成，含有頻域、時域和碼域三維信號處理的一種協作，因此它具有抗干擾性好，抗多徑衰落，保密安全性高，同頻率可在多個小區內重復使用，容量和質量之間可做權衡取舍等屬性。這些屬性使CDMA比其它系統有非常重要的優勢。
CDMA多址技術完全適合現代移動通信網所要求的大容量、高質量、綜合業務、軟切換等，比較適合用于無線網絡的組建。
CDMA的平均速度約80K左右，最高可達150K左右，較GPRS快一倍，這與接入服務器負載和使用人數有關。在晚上或早上，速度快，白天人多，會慢一些。CDMA穩定性方面，相當于線路相當好的電話線，就是說比一般電話線更穩定。從實際使用的情況來看，一般幾個小時都不會掉線。值得一提的是，CDMA的撥號速度比電話MODEM快很多，相當于ISDN，只要信號足夠，基本上無需等待。另外，同其它聯網方式比起來，CDMA無線聯網的費用較低。
SDH/DDN網絡帶寬較寬，抗干擾能力很強，但費用較高，CDMA帶寬較窄，容易受外界氣候、電磁波等干擾，但費用較低。另外考慮到SDH/DDN網絡故障情況下保證網絡的暢通，及有線、無線通信采用兩種不同的物理介質，本遠程集控系統選用CDMA為備份鏈路的方案，即正常情況下使用SDH/DDN，若SDH/DDN出現意外不通時，網絡設備可以立即自動啟動按需撥號激活CDMA備份鏈路，保證網絡暢通。由于CDMA費用較低，在實際運行當中可以靈活切換，保證經濟運行。
3 系統組成
秦淮河遠程集中監控系統由四個部分組成，它們是現地控制單元、水質監測單元、網絡單元、集控單元，而且要求上述四部分均是以計算機技術為基礎的，可聯網的設備組成（見圖2）。
圖2 集中監控系統結構圖
3.1 現地控制單元
集控系統的現地控制單元即秦淮河六個控制水工建筑物的單元控制系統。各水工控制建筑物的單個的控制系統配置如下：
三汊河口閘：監控系統包括2臺監控主機、1臺服務器、4套工業交換機、5套PLC控制柜，1套視頻監視系統包括1臺視頻監控主機、13點攝像頭，1套廣播系統等。節制閘內外河已配有超聲波水位計共計4只。監控系統直接通過工業交換機與遠程集中監控系統通信。
秦淮新河水利樞紐：監控系統包括監控主機、PLC、交換機等，視頻監視系統共有12只攝像機。現場上下游已配有水位計。本系統配置一臺通信計算機通過DDN/CDMA與遠程集中監控系統通信。
蓮花閘：監控系統包括監控計算機一臺，PLC控制柜一面，視頻主機一臺，2只攝像機。監控計算機直接通過SDH/CDMA與遠程集中監控系統通信。
武定門閘：控制系統目前為手動控制，將來改造成計算機控制系統實現遠方控制。本系統目前只對其進行遠方監視，配置一臺視頻主機，6只攝像機。視頻主機通過DDN/CDMA與遠程集中監控系統通信。
南河閘：控制系統目前為手動控制，將來改造成計算機控制系統實現遠方控制。本系統目前只對其進行遠方監視，配置一臺視頻主機，2只攝像機。視頻主機通過DDN/CDMA與遠程集中監控系統通信。
天生橋套閘：天生橋套閘距三汊河口閘集控中心約50km，為12m套閘，現已有計算機監控系統，視頻監視系統，廣播系統，可在計算機上進行套閘開啟/關閉等操作。監控計算機通過SDH/CDMA與遠程集中監控系統通信。
3.2 水質監測單元
水質在線自動監測系統是一個把多個指標的自動監測儀器組合起來，從采樣、分析到記錄、數據統計及遠距離數據傳輸組成的系統。水質自動監測系統由采樣單元、預處理單元、過程邏輯控制單元、分析單元和數據采集及傳輸單元構成。輔助系統有壓縮空氣單元、冷卻水及純水單元、配電系統及UPS 單元、清洗單元等幾個子單元組成。以上各單元相互牽制，其協調功能由控制系統完成，分析單元要完成分析任務，需要其他各單元相互配合共同來進行。其構成見圖3。
圖3水質自動化監測系統構成示意圖
3.3 網絡結構及網絡設備
本集控系統主要通過租用電信局網絡作為信息主要傳出通道。各水工控制建筑物的網絡配置如下。
三汊河口閘：三汊河口閘集中監控主機通過工業交換機、防火墻、路由器等設備，經DDN/CDMA上到電信、聯通廣域網，通過電信、聯通廣域網與其余5閘聯網。
秦淮新河水利樞紐：通過DDN/CDMA與集控中心通信。
蓮花閘：通過SDH/CDMA與集控中心通信。
武定門閘：通過DDN/CDMA與集控中心通信。
南河閘：通過DDN/CDMA與集控中心通信。
天生橋套閘：通過SDH/CDMA與集控中心通信。
3.4 集控中心
集控中心設在三汊河口閘管理樓內，集中控制室內主要配置如下：
配置一臺集控主機，一臺視頻監控主機，一臺通信計算機，通過集控專用交換機接入三汊河口閘計算機監控系統。視頻監控主機可同時顯示六個分站的視頻畫面。通信計算機負責從各分閘提取數據、下達控制指令及和上級省防汛中心通信。
配置一臺集控數據庫服務器，用于存儲秦淮河水系六閘實時及歷史數據。
配置二臺100英寸背投大屏幕顯示裝置，用于顯示整個秦淮河流域的視頻及控制圖像。
配置網絡設備一套，包括工業交換機一臺、路由器兩臺、防火墻設備一臺及網絡附件一套。防火墻設備，用于防止接入公共網后，外界非法用戶對系統的侵襲。路由器設備，用于接入DDN網絡和聯通CDMA網絡。另配置一臺光端機主要用于與水質監測點通信。
3.5 系統軟件
本系統軟件主要包括操作系統軟件、數據庫軟件、編程軟件和控制應用軟件等。集中監控軟件是一個綜合性軟件，以一個基于Web頁面的網站形式開發，允許經廣域網被客戶訪問。該軟件下設各功能入口：如閘門控制，圖像監視，文檔管理及共享，行政管理等，該軟件還應有諸如信息地圖檢索、關鍵詞檢索工具，權限管理工具等，可使本系統不同的客戶根據自己的要求和權限享受不同的服務，只要鼠標鍵及其功能入口，即可進入各自想要查看的內容。軟件還考慮了以后升級的問題，將實現整個流域內的水資源自動調度，實現調水自動化。
在安全方面考慮到通過公網有可能遭到黑客的攻擊，設置了硬件防火墻，保證了系統的安全性。
4 結語
在城市水利建設中，各水利建設地理位置比較分散，按照傳統模式管理起來比較繁瑣，而且效率很低。由于城市的通信網絡基礎比較好，集中監控將是未來幾年的城市水利建設一個主要發展方向。
南京秦淮河集中監控系統采用最新的計算機監控技術、網絡通信技術、視頻傳輸技術、等，將分散在一個較大區域內的各個現地子系統連接起來，形成一個有機的整體，大大提高了秦淮河水系運行和管理的科學性、快速性、可靠性和準確性。秦淮河集中監控系統的實施將成為城市水利集中監控的一個成功案例。
參考文獻
［1］李華.廣州市城區防洪排澇計算機監控系統的設計與實現.現代計算機，1998（03）：22-24.
［2］儲鐘圻.現代通信技術.北京：機械工業出版社，1997.
作者信息：
符新峰：男，工程師，從事水利水電工程電氣設計工作。
富慶范：男，高級工程師，上海勘測設計研究院設計部副部長，從事水利水電工程電氣設計和管理工作。
黃支明：男，高級工程師，專業總工，從事水利水電工程電氣設計。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號