自动化技术在水利工程中的应用

自动化技术在水利工程中的应用
随着计算机、通讯技术、电子技术不断的发展，水利工程施工建设及其运行管理逐渐的走向了高效准确地自动化采集、传输、分析、处理等数字化的管理。

下面就结合作者实际工作经验，简要的分析疏浚驳船载运状态监控系统在水利工程中的应用，以供借鉴。

标签：水利工程；疏浚驳船载运；监控系统
1、疏浚驳船载运状态监控系统的分析
疏浚驳船载运状态监控系统的整体规划思路可以归结为：整合疏浚区地理信息、驳船吃水变化信息和驳船GPS位置信息，借助卫星定位技术、GIS技术、三维声纳成像技术、图像识别技术、通信技术、计算机技术等先进技术手段，通过载运状态智能监测模型，实时监控疏浚驳船从河道疏浚区至淤泥倾倒区的整个航行过程中的载运状态情况，从而实现监管部门对疏浚驳船载运状态监测和管理智能化。

2、系统总体的设计
2 .1 疏浚船船体监控分系统主要包括GPS终端、一体化遥控终端、供电系统、信号传输系统及其附属设备等。

其中根据疏浚船的种类及工作方式，系统针对主要在内河工作的小型疏浚船项目拟在船体通过安装GPS终端，实时掌握疏浚船的运行路线，疏浚船运行路线偏移预定航线时系统自动报警，提醒监管人员。

针对船体具备安装泵机组和底阀的大中型船体，系统拟同时安装GPS终端和一体化遥控终端，通过GPS获取的疏浚船定位信息并通过一体化遥控终端控制泵机组或液压装置，疏浚船只能在到达指定区域才能启动泵机组或底阀，防止疏浚船在运输途中偷排事件的发生。

2.2 沿岸监测断面监控系统主要包括声呐三维成像系统、图像识别监控设备、供电设备、图像存储设备、信号传输设备及其附属设备等。

2.3 监控中心系统主要包括应用服务器、存储设备、通讯设备、应用软件等。

疏浚驳船载运状态监控系统的总体框架结构如图1所示：
2.4信息流
系统信息流为监管部门在监测断面预先确定监测区域经纬度数据，并利用疏浚船船载GPS读取其位置信息，待疏浚船GPS达到监测区域时，启动声纳成像扫描系统和视频抓拍系统。

系统利用GPS定位终端确定并上传疏浚船的位置和船体基本状态信息；通过三维成像扫描船体水下成像，判断疏浚船是否存在通过底阀或其他动力设备偷排现场；通过视频监测设备判断两个监测断面疏浚船吃水
深度是否存在异常变化。

平台通過集成运用疏浚船GPS信息、声纳三维成像数据、船体吃水深度变化数据，进行疏浚船的识别和状态判断，若存在异常状态向有关部门提供实时报警功能。

3 、船载测控终端设备详细设计
3.1 系统组成
GPRS船载卫星定位系统由船载单元、GPRS无线网络和监控中心3部分组成。

GPRS船载系统包括嵌入式系统、GPS卫星接收模块和GPRS无线通信模块。

GPRS无线链路是基于移动公司的GPRS移动通信公众网，包括MSC基站控制器、SGSN业务支撑节点和GGSN网关支撑节点。

系统结构如图3所示。

3.2 系统的硬件结构
整个系统硬件主要是由船载移动单元、通信网络、监控中心所组成，船载移动单元经过GPS接收模块接收船舶的定位信息，经过移动用户板进行处理，经过GPRS模块、监控中心通信，监控中心接收到的定位信息，将船舶位置显示于电子地图中，经过GPRS网络实行船舶的调度。

4 、基于图像识别的船舶吃水深度监测系统详细设计
4.1 建设内容
项目拟依托现有两个水文站点建立2套船舶吃水深度专用视频探测设备，用以监测途径监测站点的污泥运输船过程中是否存在偷排漏排现场。

4.2 系统结构
一个完整的视频监视系统由三大部分组成，主要有前端子系统、传输子系统和中心子系统。

前端子系统主要完成前端图像信号的获取；传输子系统主要完成前端图像的传送和控制通信；中心站子系统主要完成图像信号的切换控制、输出显示以及图像的存储。

4.3 系统功能
4.3.1视频监视功能。

要求各视频前端图像信息能准确、清晰、实时地传送到监控中心，同时对多路视频进行监控。

摄像机采用品牌摄像机，确保在强光或夜间环境下，系统能可靠、稳定运行并能提供较好的图像质量。

4.3.2远程操控功能。

监控中心可对摄像机镜头进行光圈、焦距、景深距离的控制操作，对云台可做全方位控制。

4.3.3硬盘录像功能。

可随时将现场情况录像，并可进行智能回放及检索。

4.3.4网络支持功能。

在网络适应性及要求方面可支持网关、NAT（网络地址转换）、代理、防火墙、路由器等。

4.3.5系统扩充功能。

系统扩充性能好，只需要增加视频监视设备就可以扩大监视范围，而不会影响原有系统的性能和质量。

4.3.6系统管理功能。

具有完善的系统管理功能，包括安全管理、用户管理、服务器管理等。

4.3.7船体吃水深度识别、计算功能。

能根据船体特定标记，计算船体相对吃水深度。

4.4 三维实时成像声纳系统设计
4.4.1系统组成
声呐成像系统主要由声纳头、云台、接线盒及数据传输电缆等部分组成。

其中声纳头通过以太网链路和USB传输线与PC连接，从而实现计算机与声呐和云台之间的通信，系统示意如图4-9所示。

声呐头包含发射器、接收器及手法转换器，同时控制波束形成的电路。

此外，系统自带实时监测控制软件，可控制云台转动及进行声呐的参数的配置。

4.4.2系统功能及性能
系统可提供可靠、精确的水下图像显示。

系统包括水下声纳和可选的倾角马达（建议选配），通过以太网连接到基于Windows的电脑。

可选的倾角马达使用户可以在+10°至-90°的垂直扫描范围内以5°的增量进行调整。

系统内置倾角驱动电子，加强垂直扫描功能；配置以太网接口（10/100Mbps），可编程；安装设置简易方便，能够满足1.25m-300m范围；可集成视频获取和显示，用户可编程IP 地址。

系统主要技术参数如下：
频率：260kHz或可选的675kHz；
换能器波束宽度：接受120°（水平）*20°（垂直）；发射120°（水平）*20°（垂直）；
有效水平波束宽度：1.5°；
波束：120，240，480；
范围分辨率：范围的0.2%；
最小探测范围：0.5m；
最大工作深度：300m；
接口：标准10/100Mbps以太网接口（10BASE-T）
最大电缆长度：标准10m，通过以太网扩展器可扩展至约9000m；
电源：22-32VDC；
重量（260kHz）：空气中4.8kg（含倾角马达），2kg（不含倾角马达）。

4.5 中心站系统设计
4.5.1系统组成
中心站系统主要配置数据/应用服务器、GPRS接收装置、视频服务器、监控工作站及网络设备等。

由于中心站系统设置在水文总站，因而部分设备可以利用现有的技术装备。

4.5.2系统功能
本系统基于Arcgis Server平台开发，采用B/S架构，根据业务需求，分为电子地图、监控信息采集与处理、实时信息监视预警、基础信息查询、疏浚船舶信息查询、监控设备远程控制、疏浚船舶偷排报警、疏浚船舶偷排识别取证、统计分析、设置与配置、用户管理与日志记录等功能模块。

具体功能如下：
（1）电子地图
电子地图是本系统交互设计的基础，系统的大部分交互功能将在监控区域地图基础上进行设计和呈现。

该模块将实现标准电子地图的浏览，提供通用地图工具如测距、测面积、坐标显示、标注、图形输出等，并可选择叠加丰富的动态图层，如船舶专题图层、港區线划图层和其他参考要素。

（2）监控信息采集与处理
实时采集各类监控信息，如船舶的GPS信息、岸站监控点的视频与图像信息、岸站监控点的声纳扫描信息、船舶的任务信息等，实现各类信息的接收、处理、纠错、分类、存储等功能，并根据现场需求下发远程监控指令，确保系统整体工作。

（3）实时信息监视预警
通过电子地图实现各类实时信息的监视与预警功能，可实时显示站点分布情况、实时航迹信息、实时图像与视频信息、实时声纳扫描信息等。

同时根据监控
设备的监控信息，对疏浚船舶航迹异常、航速异常、未到卸泥地停泊、图像识别吃水深度异常、声纳扫描结果异常等行为进行声、光报警，并形成日志记录。

（4）基础信息查询
实现各类基础信息，如站点信息、路线信息、设备信息、运行状态信息等内容的各类简单与组合查询功能。

（5）疏浚船舶信息查询
实现对疏浚船舶的基础信息、运泥设备参数信息、运泥任务信息、运泥路线信息的综合查询，在任务状态下可实现船舶的实时航行状态监测。

（6）监控设备远程控制
该模块可以远程控制监控设备的状态信息，远程操作监控设备。

（7）疏浚船舶偷排识别取证
根据报警信息，对偷排船只进行跟踪、视频拍摄记录其偷排行为。

（8）统计分析
实现各类信息的综合统计与分析功能。

如单位时间内船舶的任务统计、船舶违法情况统计、船舶运行效率分析等专项统计分析功能。

（9）设置与配置
（10）用户管理与日志记录
结束语：
综上所述，水利工程的自动化主要是集自动测报、通信、自动监控、数据库、系统集成等高新技术在一体现代化信息的采集系统作为基础、通信、计算机网络系统作为保障，信息管理和决策支持系统是核心地一项结构复杂、规模庞大、建设较长地信息系统工程。

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[4] 刘新刚.浅析雪野水库数字智能化管理系统的研究与开发[J].中国水能及电气化，2007（5）.
[5]黄祚继，黄忠赤，马浩.水利工程自动化现状与适应技术分析研究. 水利建设与管理，2012（10）.
作者简介：魏广（1982-），男，江苏盐城人，主要从事水利信息自动化、水资源管理工作.。