侯召成，翟宜峰
（南水北调中线干线工程建设管理局，北京　100038）

摘　要：在南水北调中线干线工程及调度运行管理基本情况的基础上，重点研究了南水北调中线干线自动化调度系统总体框架设计思路、系统总体需求，分析了工程调度管理特点及业务流程，阐述了由应用系统、应用支撑平台、基础设施、组织管理、技术保障等 5 部分组成的系统总体框架。
关键词：南水北调；自动化；调度系统；框架设计
中图分类号：TV211　　　　　文献标识码：B　　　　　　文章编号：1674-9405(2010)01-0040-06

0　 引言
　　南水北调中线工程是一项以供水为主，兼顾防洪、发电和改善生态环境的多目标跨流域水资源开发利用工程，是解决京津华北地区缺水问题的重大战略基础设施，对于促进该地区经济社会发展和生态环境改善具有十分重要的战略意义。整个工程分两期建设，一期规划多年平均调水约 95 亿 m3，供水目标以沿线城市生活、工业用水为主，兼顾生态和农业用水。中线一期工程包括 3 部分：水源工程、输水工程（中线干线工程）和汉江中下游治理工程 [1]。
　　南水北调中线干线工程是南水北调中线工程的主体输水工程，贯通江、淮、黄、海 4 大流域，跨越河南、河北、天津、北京 4 省市，线路总长约1 432 km，共布置各类建筑物 1 800 余座 [2]。干渠沿线有 90 余分水口门，各口门的需水量不断变化，在实际运行中，需根据需水量和丹江口水库当前的可调水量，合理进行水量分配，然后通过运行控制，将水按时按质按量安全送达用户手中。只有充分掌握实时调度运行管理信息，利用不断更新的预报信息、前期调度的反馈信息和专家知识，才有可能及时做出科学合理的调度决策。调度运行管理时不仅要考虑水资源本身的自然属性，还要考虑调水与人类社会的关系，包括对社会、经济、环境、生态的影响 [3～5]。
　　由以上分析可知，中线干线工程调度运行管理系统是一个规模庞大、涉及面广、影响因素多的复杂系统，不仅涉及社会、经济、技术及生态环境等因素，还取决于决策者的偏好和认知水平。随着计算机技术的发展，决策支持系统（DSS）在半结构化或非结构化决策中得到了广泛应用，已经被认为是一种行之有效的辅助决策工具。因此，在科学技术突飞猛进的今天，如何利用现代信息技术，研究为中线干线工程调度运行管理服务的决策支持系统，提高中线干线工程调度运行管理水平，具有重要的理论价值和重大的经济价值。

1　 系统总体框架设计思路

　　在需求分析的基础上，紧紧围绕着中线干线水量调度运行管理特点，分析研究系统建设的关键问题，以调水业务为核心，以全线闭环自动控制为重点，统筹考虑工程运行管理、综合办公要求，开发建设能够应对各种调水突发事件和调度决策的会商系统，满足中线干线水量调度以及相关业务的用户需求，进行数据采集、传输、存贮系统建设，做到采集数据全面、传输及时、数据畅通、信息共享，为调度决策提供功能强大的支持环境。本着实用先进、科学合理、经济可行的原则，充分考虑系统建设的开放性、可靠性、可维护性，进行系统总体框架设计。

2　 系统需求分析
2.1　总体需求

　　南水北调中线干线工程供水目标主要是干渠沿线城市的生活和工业用水，同时兼顾农业和生态用水。围绕着实现供水目标，系统总体需求归纳为：全线水量统一调度，全线输水闭环自动控制，保障全程调水安全、保障工程运行安全，快速响应突发事件、进行调度会商决策。

2.2　工程调度管理特点

　　中线干线工程调度管理具有以下主要特点 [6～9]：
　　（1）全线闭环自动控制。1 432 km 的渠道通过60 座节制闸，采用节制闸闸前常水位的控制方式进行运行控制，全线近 300 座控制建筑物需要同步联动控制，才能保持水位基本恒定实现自流输水。因此输水控制方式要求中线干线工程具有高度自动化的全线闭环自动控制。

　　（2）供水方案复杂。供水水源动态不确定、受水用户多、需水不确定、工程运营准市场管理的供水合约制，以及主客水混合配置问题，致使供水分配方案非常复杂。需要根据受水区用水申请计划，综合考虑受水区当地的地表水、地下水与中线干渠调水的联合运用及丰枯互补的作用，制定年、月、旬、日调水计划。

　　（3）水质安全隐患多。沿途 1 800 多座建筑物为水质带来安全隐患，尤其是 737 座跨渠公路桥上可能发生的交通事故更给安全输水带来潜在威胁。

　　（4）渠道安全隐患多。中线干线工程沿途经过煤矿采空区、膨胀土区、饱和砂土渠段等特殊地段是工程安全的重大隐患，冰期输水使得工程安全问题尤为突出，需要全面收集工程运行信息，准确分析判断、及时预警，以保障工程的安全运行。

　　（5）洪水隐患多。中线干线输水渠沿途流经伏牛山、太行山区，是我国洪水多发地区，左岸还存在着泥石流、滑坡的可能，这些都是工程防洪安全的潜在隐患。

　　（6）特殊情况多。一旦发生水质污染事件如何快速响应；一旦发生安全问题如何快速制定相应方案；一旦发生洪水灾害如何把损失减小到最小程度等等这些突发事件的应对响应，需要有功能完善、指挥有效的综合会商环境和强有力的决策支持。

　　（7）管理复杂。南水北调中线干线工程覆盖范围大，所以整个运行管理具有管理机构地域分布广、层次多、管理内容复杂的特点，必须要有先进的管理平台和手段，使上传下达的管理信息及时、准确，保障整个工程管理的高效有序。

2.3　业务流程分析
　　南水北调中线干线工程调度运行管理业务流程如图 1 所示。主要涉及自动化调度监控、决策综合支持、水质监测、安全检测及运行维护、工程管理、综合办公等环节。
　　制定年内水量分配方案之前，首先收集水源区的可调水量，各受水区根据各自的年内水文预报提交的用水申请，总公司根据水资源供求形势和前期供水方案执行情况，统筹考虑各方利益并经与沿线 4 省市和水源公司会商决策，制定年内供水计划，其中年计划以月为水量分配的时间步长，以水文年（每年 10 月初到次年 9 月底）为调度年，月计划以旬为步长，以每个日历月为调度月，旬计划以日为步长。年内供水计划经讨论通过后形成实时调度的执行基准方案。每经过 1 旬、1 月和 1 年后制定下一时段的方案，逐时段滚动。
　　根据旬方案的逐日分水计划、各受水区的最新需水变化、昨日供水情况、工程运行情况和其他突发供水形势变化，制定当日的各闸（泵）站调度运行指令，由总调中心下发监控站执行，通过闸站监控系统执行闸门开度等指令及记录水位流量过程等信息，实时闭环控制系统运行，当实际调度参数与目标参数不一致时，由闸站监控系统反馈水调业务处理系统，水调业务处理系统重新调用模型发布新的实时或应急调度指令，实现自动调整各节制闸、泵站、分水口或退水口的闸门开度及水位流量。
　　在调度过程中，及时收集闸站运行、工程运行、工程安全、水质污染以及各级管理机构接到的辖区特殊需水等要求，根据应急调度预案或会商制定各部门联动设置全社会联动的应急响应方案，迅速采取应急响应措施，保证工程安全、供水安全，控制险情蔓延，及早恢复工程正常运行。
　　按照国家要求，南水北调工程采用准市场运作机制，计划合同、工程档案、财务资产、综合办公信息化管理是整个调水过程的保障环节，以提高工作效率，实现工程管理信息公开。

3　 系统总体框架
3.1　系统建设目标
　　以南水北调中线干线工程调水业务为核心，以全线闭环自动控制为重点，运用先进的水利、通信、计算机网络、自动控制等技术，建设服务于自动化调度监控、水质监测、工程安全监测及运行维护、工程管理等业务的信息化作业平台和调度会商决策支撑环境，实现调水过程自动化和运行管理信息化，保障全线供水安全。

3.2　总体框架设计
　　通过需求分析，根据系统建设目标，借鉴目前国际国内同类系统开发经验，搭建系统总体框架，尽可能地避免未来的重复建设，为系统开发建设和运行维护打下坚实的基础。系统逻辑构成包括：应用系统、应用支撑平台、基础设施、组织管理、技术保障等 5 部分，系统总体框架如图 2 所示。

3.2.1　应用系统
　　应用系统是用户直接使用的与业务有关的各子系统集合，主要的业务应用包括：自动化调度监控、水质监测、工程安全监测及运行维护、工程管理、综合办公、决策综合支持系统等 6 部分。

　　（1）自动化调度与监控包括：闸站自动监控、水调业务处理、闸站视频监视及闸站安防监控等部分。① 闸站自动监控：主要建设任务是按照节制闸下游常水位渠道运行控制方式进行全线闭环自动控制，实现输水工程的自动化调度，同时，考虑在特殊需要的情况下，现地闸站可以由人工控制，进行闸站操作。② 水调业务处理：进行水量调度日常业务处理、年内水量分配方案编制、实时水量调度、应急水量调度、水量计量和水费计算、调度评价等功能的建设。③ 闸站视频监视及闸站安防监控：为了有效地实现输水工程沿线闸站控制，及时了解工程控制情况，建设现地闸站视频监视系统，同时，建设闸站安防监控系统，实现闸站现地无人值守情况下对设施的有效管理。
　　（2）水质监测系统包括：水质信息采集、水质监测数据管理、水质站网管理、水质分析评价、水质监测资料整汇编、水质预测预报、水质信息查询、水质会商支持、水质信息发布等 9 部分。
　　（3）工程安全监测及运行维护包括：工程安全监测、工程防洪信息管理、工程运行维护管理等。
　　（4）工程管理包括：计划合同信息、财务资产信息、工程档案等管理系统。
　　（5）综合办公包括：通用办公系统、人力资源信息管理系统、中线互联网站。
　　（6）决策综合支持包括：决策会商支持、综合信息服务、应急响应、异地视频会议、三维仿真等
系统。

3.2.2　应用支撑平台
　　应用支撑平台是连接基础设施和应用系统的桥梁，是以应用服务器、中间件技术为核心的基础软件技术支撑平台，其作用是实现资源的有效共享和应用系统的互连互通，为应用系统的功能实现提供技术支持、多种服务及运行环境，是实现应用系统之间、应用系统与其他平台之间进行信息交换、传输、共享的核心。应用支撑平台主要包括：应用组件、公共服务、应用交互、基础支撑等 4 个部分。

3.2.3　基础设施
　　基础设施主要是完成各类信息从数据采集到传输、加工处理、存贮和展示等全过程的软硬件设备及软硬件设备运行所需要的实体环境的有机组合，是自动化调度系统建设的基础。包括数据采集、通信系统、计算机网络系统、数据存贮与管理系统，以及系统运行实体环境。
　　（1）数据采集：根据应用系统的需求和业务流程，本系统所涉及到的数据主要分为闸（泵）站水调、工程安全监测、水质监测、工程防洪、冰期相关等数据。因数据采集与各应用系统之间联系比较密切，不同的应用系统需要不同的采集手段提供相关数据，因此，数据采集不作为一个独立的系统存在，而是纳入相应的应用系统中。

　　所采集的数据信息主要通过计算机网络系统或通信传输系统传送到应用系统或数据存贮与管理系统。
　　（2）计算机网络系统：由功能独立的控制专网、业务内网和外网这 3 个网络组成。① 控制专网主要承载水量调度中闸站监控信息；② 业务内网主要承载水量调度系统、工程安全监测与管理系统、水质监测系统、防洪系统信息管理系统、综合决策会商系统、信息服务系统以及综合办公系统等应用系统信息； ③ 业务外网主要承载南水北调中线干线工程的互联网服务信息。
　　（3）通信系统：主要由程控交换系统、通信传输系统、时钟同步及通信综合网管系统、通信电源系统、通信管道、通信光电缆等部分组成。① 程控交换系统主要完成各通信站点之间语音通信的任务，并实现工程各级管理机构之间，以及各级管理部门对现地闸站之间的语音调度任务；② 通信传输系统主要实现总公司、各分公司、各管理处和各现地闸站的通信站点之间语音、数据、图像等各类通信业务的传递；③ 时钟同步系统及综合网管系统是通信系统的支撑，时钟同步系统为程控交换系统和通信传输系统提供同步时钟信号，保证通信网内各通信设备之间时钟同步，以提高通信传输质量。通信综合网管系统对通信网内各类通信设备及其配
套设备进行实时监测和管理，使运行维护人员能准确掌握通信网内各设备运行状态，提高管理维护能力；④ 通信光缆、电缆是通信传输系统的传输媒介，包括通信光缆、通信电缆和光缆线路自动监测系统；⑤ 通信管道是通信光缆、通信电缆长期运行的安全保障；⑥ 通信电源系统为各通信设备和主要数据设备提供安全可靠的电源保障。
　　（4）数据存贮与管理系统：主要作用是满足海量数据的存贮管理要求；通过数据的异地容灾备份，保证数据的安全性；整合系统资源，避免或减少重复建设，降低数据管理成本；整合数据资源，保证数据的完整性和一致性。数据存贮与管理系统主要由数据库系统及数据存贮平台 2 部分组成。
　　（5）实体环境：为保证整个系统正常运行，展现系统运行状况，满足业务人员的工作需要，进行系统运行实体环境建设。系统运行实体环境是支撑全程业务运行，满足调度、网络、数据、通信、备调等中心及各自分中心和相关机房等对环境需求的集成体，包括系统硬件运行、业务人员的工作、综合决策会商及各级管理机构、现地站的相关机房等环境。

3.2.4　组织管理
　　组织管理是一个在组织架构和组织功能中施加管控力的过程。有效的组织管控是自动化调度系统高效运行的根本保障，也是企业战略决策能够在各级管理机构得到贯彻执行，实现企业战略目标根本保证。
　　南水北调中线干线工程采用总公司、分公司、管理处 3 级机构进行管理，组织架构具有集权程度高的特点，组织管控要将效率作为关注的焦点，需要有严格管理控制制度，保证总部的决策在各级管理机构得到贯彻执行，因此必须利用先进的计算机技术、通信网络技术和数据库技术对生产控制系统和经营管理信息系统进行有效集成，以实现管控一体化。

3.2.5　技术保障
　　在项目建设前要做好工程设计、技术标准、操作规程制定等工作，在项目建设期要保障所需经费投入。同时还应对工程建设的管理从制度上和组织上给予落实，建立严密的工程建设组织管理体系、工程运行维护管理体系和人才培训与引进机制。要按照基本建设管理的有关规定，实施计划进度管理和过程控制。要建立和采用完善的标准体系，在系统设计开发和运行维护的各个阶段，严格按照有关标准进行，保证工程建设和运行的规范化和标准化。

4　 结语
　　在本文所研究确立的系统总体框架的基础上，已经完成了系统初步设计编制及批复工作，目前正在开展实施工作，计划 2014 年系统投入使用。南水北调中线干线自动化调度系统总体框架设计方案既切实指导了系统初步设计及后续建设管理工作，也为类似调水工程信息系统建设提供了借鉴经验。

参考文献

[1] 南水北调中线一期工程项目建议书（修订本）[M]. 武汉：长江勘测规划设计研究院，2004.
[2] 南水北调中线一期工程可行性研究总报告[M]. 武汉：长江勘测规划设计研究院，2005.
[3] 邵东国. 跨流域调水工程规划调度决策理论与应用[M].武汉：武汉大学出版社，2001.
[4] 沈佩君，邵东国，郭元裕. 国内外跨流域调水工程建设的现状与前景[J]. 武汉水利电力大学学报，

１995，(10)：463～469.
[5] 王银堂，胡四一，周全林，等. 南水北调中线工程水量优化调度研究[J]. 水科学进展， 2001，(3)：72～80.
[6] 邵东国. 多目标水资源系统自优化模拟实时调度模型研究[J]. 系统工程，1998，(9)：19～24.
[7] 侯召成. 南水北调中线干线工程自动化调度与运行管理决策系统关键技术问题研究[R]. 北京：中国水利水电科学研究院博士后出站报告，2006.
[8] 吴泽宇，周斌. 南水北调中线渠道控制计算模型[J]. 人民长江，2000，(5)：10～11.
[9] 周斌，吴泽宇. 调水工程渠道运行控制方案设计[J]. 人民长江，1999，(4)：7～9.