水利监控系统的制作方法

本实用新型涉及水利领域，具体涉及水利监控系统。

背景技术：

随着经济社会的发展，水资源供需矛盾日益突出，许多地区修建了长距离大型明渠输水工程。这些渠道通常由多级节制闸分隔成相串连的多个渠段，为使多个渠段的水量合理有序调控，各渠段利用闸门的启闭来调节水位和流量。

现有多渠段水渠中，闸门自动控制方法分为上游控制方法和下游控制方法两类。前者为传统控制方法，通过人工或传感器监测闸前水位变化，调整闸门开度。由于水位监测点靠近闸前，时间滞后很小，因而控制规则简单，作用快。但是上游控制方法的水量调控会显著影响到下游，若上游水量不足，则下游水量相应不足，反之若上游水量较多，则下游水量过剩。下游控制方法是后发展的一类渠道控制方法，它以实现按需供水为目标。其控制所需的信息来自下游的传感器，控制作用向上游方向传递。不过受水流滞后影响，其水位调控速度较慢。现有多渠段水渠均采用单一控制方法，即要么采用上游控制方法，要么采用下游控制方法。显然，上游控制方法在水位调控方面有优势，但其水量调控的特点决定了长距离大型输水明渠不能完全由其控制。而下游控制方法在水量调控方面有优势，适用于长距离输水明渠，但其水位调控较慢，当上一渠段水量激增时，便会发生溢洪的危险。

同时，现有水渠的监控系统只局限于对闸门的控制，而对于每个渠段内的水文(如水位、流量或降雨等)信息和水质(浊度、酸碱度、溶解氧等)信息并未进行监测，故无法获得每个渠段的水环境质量状况，因而也就无法预测水环境质量状况对多渠段中的闸门和水质的影响。特别是遇到闸门发生故障无法正常启闭或者无法满足现场水流控制要求的情况下，无法采取有效的应急措施。

由上可知，有必要提供一种能够实现对水渠各渠段闸门及水环境质量状况进行控制与监测的水利监控系统。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的在于提供了一种能够实现对水渠各渠段闸门及水环境质量状况进行控制与监测的水利监控系统。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种多渠段水利系统，包括将水渠分隔成多个渠段的多个渠段闸门、设置于每个渠段的数据采集站、至少一个第一旁路闸门、至少一个第二旁路闸门和设置于远程集中控制中心的终端上位机，其中，所述旁路渠段连接所述多个渠段闸门中的第一渠段闸门之前的渠段和所述第一渠段闸门之后的渠段；

每个渠段的数据采集站包括采集控制器、分布于该渠段内的水位计、雨量计、用于水质监测的传感器、以及设置于该渠段上游最近闸门处的闸前水位传感器、闸门开度传感器和闸后水位传感器；所述采集控制器将从所述水位计、雨量计、用于水质监测的传感器、闸前水位传感器、闸门开度传感器和闸后水位传感器实时或定时采集的水文监控信息存储在所述数据采集站中，同时在每条水文监控信息的存储数据中添加该数据采集站的网络地址和标识号；所述数据采集站将采集到的水文监控信息分别向所述终端上位机和该渠段上游最近闸门的闸门控制机构发送；

所述多个闸门中的每个闸门的闸门控制机构包括：控制闸门启闭程度的启闭机和现场控制器；所述现场控制器接收数据采集站发送的水文监控信息中的闸前水位信息，通过将接收到的闸前水位信息与设定的闸前水位阈值进行比较，计算出闸门实际操作开度值并发送给所述启闭机，所述启闭机根据接收到的所述闸门实际操作开度值控制所述闸门启闭；

所述终端上位机与所述每个数据采集站进行通信；所述上位机接收所述数据采集站发送的所述第一渠段闸门之前的渠段的水文监控信息中的降雨量信息，通过将接收到的降雨量信息与设定的降雨量阈值进行比较，并且在降雨量信息指示的降雨量超过降雨量阈值时控制第一渠段闸门对应的现场控制器全开所述第一渠段闸门，并分别控制所述第一旁路闸门和所述第二旁路闸门的现场控制器和启闭机打开所述第一旁路闸门和所述第二旁路闸门。

由上述技术方案可知，本实用新型中的水利监控系统设置了两种工作模式，即正常模式和应急模式。在工作模式时，水利监控系统利用每个渠段上游最近闸门处的闸前水位信息、闸门开度信息和闸后水位信息分别计算出每个渠段对应闸门的闸门开度，从而能够克服长距离水渠的时间滞后问题，且能够提高水位调控速度；在应急模式，多渠段水利系统采用上游控制方法对一个或多个闸门进行控制，从而实现在某一渠段出现突发状况时能够做出应急处理，同时布置于每个渠段的多种传感器实现对每个渠段中水环境质量状况的监控。另外，在降雨量超出安全值时能够及时通过旁路进行泄洪。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1示出了本实用新型实施例中水利监控系统的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例中终端上位机的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本实用新型进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本实用新型的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本实用新型的这些方面。

本申请使用的“模块”、“系统”等术语旨在包括与计算机相关的实体，例如但不限于硬件、固件、软硬件组合、软件或者执行中的软件。例如，模块可以是，但并不仅限于：处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行程序、执行的线程、程序和/或计算机。举例来说，计算设备上运行的应用程序和此计算设备都可以是模块。一个或多个模块可以位于执行中的一个进程和/或线程内，一个模块也可以位于一台计算机上和/或分布于两台或更多台计算机之间。

图1示出了本实用新型中水利监控系统的一种实施例的结构示意图。如图1所示，水利监控系统包括水渠101、将水渠101分隔成多个渠段的若干闸门102、控制若干闸门的若干闸门控制机构103、设置于每个渠段的数据采集站104和设置于远程集中控制中心的终端上位机105。水利监控系统还包括至少一个第一旁路闸门107和至少一个第二旁路闸门110其中，所述旁路渠段111连接所述第一渠段闸门之前的渠段和所述第一渠段闸门之后的渠段。

每个渠段的数据采集站104包括采集控制器和布置于该渠段没的各类传感器。其中，所述各个传感器包括水位计、水质监测传感器、以及设置于该渠段上游最近闸门处的闸前水位传感器、闸门开度传感器和闸后水位传感器。

采集控制器将从水位计、用于水质监测的传感器、闸前水位传感器、闸门开度传感器和闸后水位传感器实时或定时采集的水文监控信息存储在数据采集站中，同时在每条水文监控信息的存储数据中添加该数据采集站的网络地址和标识号。

所述终端上位机与所述每个数据采集站进行通信；所述上位机接收所述数据采集站发送的所述第一渠段闸门之前的渠段的水文监控信息中的降雨量信息，通过将接收到的降雨量信息与设定的降雨量阈值进行比较，并且在降雨量信息指示的降雨量超过降雨量阈值时控制第一渠段闸门对应的现场控制器全开所述第一渠段闸门，并分别控制所述第一旁路闸门和所述第二旁路闸门的现场控制器和启闭机打开所述第一旁路闸门和所述第二旁路闸门。

所述第二旁路闸门与所述第一渠段闸门之间设置有蓄水池，所述终端上位机控制所述第一渠段闸门和所述第二旁路闸门的开度，使得所述第一渠段闸门之后的渠段的水位与第一渠段闸门之前的渠段中的水位保持不变。

所述上位机根据各个数据采集站发送的相应渠段内的水文监控信息中的降雨量信息，通过将接收到的各个渠段的降雨量信息与设定的降雨量阈值进行比较，并且确定最靠近下游的降雨量信息指示的降雨量超过降雨量阈值的第二渠段，优先关闭所述第二渠段的渠段闸门，并打开所述第二渠段对应的第一旁路闸门和第二旁路闸门。

本实施例优先打开了最下游的降雨量超出安全值的渠段的水闸，并将该渠段内的水通过旁路进行泄洪，保证该渠段的安全。进一步地，可以依次对上游的渠段进行处理，以保证全部渠段的安全。

进一步地，每个渠段的数据采集站还包括：

三维地形数据形成单元，用于采集所处渠段内的三维地形元数据并将采集到的三维地形元数据进行处理，形成该渠段的三维地形数据。同时在三维地形数据存储时在每条三维地形数据的存储名称中添加该数据采集站的网络地址和标识号。

数据采集站将采集到的水文监控信息和三维地形数据发送给终端上位机，以及将水文监控信息发送至该渠段上游最近闸门的闸门控制机构。其中，数据采集站利用GPRS或3G技术将水文监控信息和三维地形数据发送至终端上位机；数据采集站和闸门控制机构之间的数据传输可采用以太网网络。

每个闸门的闸门控制机构包括：控制闸门启闭程度的启闭机和现场控制器。现场控制器接收该闸门下游最近渠段数据采集站发送的水文监控信息中的闸前水位信息，通过将接收到的闸前水位信息与设定的闸前水位阈值进行比较，计算出闸门实际操作开度值并发送给启闭机，启闭机根据接收到的所述闸门实际操作开度值控制闸门启闭。

本实用新型实施例中的闸门优选采用电动闸门，现场控制器包括电流检测电路，电流检测电路对启闭机的运行电流进行检测，向现场控制器提供电流信号，现场控制器控制电动闸门的运行。具体地，现场控制器对电流检测电路提供的电流信号进行处理，通过检测并判断负载电流变化率的大小和持续时间，决定是否启动保护功能。本实用新型所采用的电动闸门维护量低，运行可靠性高。另外，在某一渠段出现水质状况时能够及时对水进行净化处理。

本实用新型中，每个闸门控制机构中的现场控制器采用传统的上游控制方法，通过获得的闸门的闸前水位信息来调整闸门的闸门开度。

终端上位机105与每个数据采集站104通过MODIBUS总线进行通信。图2示出了本实用新型中终端上位机的一种实施例的结构示意图。如图2 所示，终端上位机包括数据收发模块201、数据处理模块202、控制模式切换模块203和操作控制台204。其中，

数据收发模块，用于接收每个数据采集站104发送的水文监控信息并根据每个数据采集站的网络地址和标识号进行分类存储，以及通过数据采集站的网络地址和标识号向该数据采集站发送信息；

数据处理模块，包括阈值比较单元221、数值计算单元222和远程指令发送单元223。所述阈值比较单元用于将数据收发模块接收的水文监控信息与对应的水文监控信息阈值进行比较；所述数值计算单元根据阈值比较单元的比较结果以及每个渠段的上游最近闸门处的闸前水位信息、闸后水位信息及闸门开度信息计算出每个渠段上游最近闸门的实际操作开度值；所述远程指令发送单元将每个渠段上游最近闸门的实际操作开度值发送至相应渠段闸门控制机构中的启闭机。

在本实用新型优选的各个实施例中，所述阈值比较单元用于将数据收发模块接收的水文监控信息与对应的水文监控信息阈值进行比较具体为：

所述阈值比较单元针对每个渠段监控位置处的水位、每个渠段的降雨量、水质参数、闸前水位、闸门开度和闸后水位分别设置对应的阈值，并将接收到的每个渠段监控位置处的水位值、每个渠段的降雨量值、水质参数值、闸前水位值、闸门开度值和闸后水位值分别与设定的阈值进行比较，并得出比较结果。

控制模式切换模块，在正常模式和应急模式之间切换，在所述正常模式下，终端上位机控制若干闸门控制机构中的启闭机。控制模式切换模块在接收到外来应急指令的情况下，切换到应急模式，由一个或多个现场控制器控制对应的启闭机启闭。如：某闸门由于故障不能正常启闭或需要维修时，终端上位机可采用应急指令通知下游闸门关闭以限制水流下泄，或者可控制上游闸门关闭以截断水流，然也可同时关闭上下游闸门；也或者当某个渠段水量激增时，采用应急指令通知下游闸门全开以使水流快速下泄，避免发生溢洪。

操作控制台，包括显示模块。显示模块调用数据收发模块的水文监控信息和三维地形数据并进行显示。

优选地，在本实用新型的各个实施例中，本实用新型实施例中的显示模块包括二维显示平台或者三维显示平台，或者可进行相互切换的二维显示平台和三维显示平台。作为具体优选实施例，

二维显示平台提供：

基本水文信息查询单元，用于查询不同渠段中监测位置的水位情况；

降雨量信息查询单元；提供不同渠段中对于雨量相关数据的查询；

水质查询单元，提供不同渠段中对于水质相关数据的查询。

所述三维展示平台提供：

基本水文信息的显示单元，提供三维场景下在不同渠段中漫游的相关功能；

水淹分析单元，用于展示三维场景下河流的演进方式和水位情况；

降雨量信息查询单元，提供对于雨量相关数据的查询功能和一段时间内降雨量的直方图；

水文图层控制单元，提供给用户控制水文图层显示的功能；

基本量测单元，提供与水利相关的基本量测功能。

优选地，在本实用新型的各个实施例中，操作控制台还包括液晶显示屏、按键、电源板、控制主板、IC卡接口，控制主板分别与接线端子、内置Modem电连接。操作控制台的液晶显示屏通过二维展示平台或三维展示平台快速、准确地显示出每个渠段的当前的水位、瞬间流量、累计流量、水质及三维地形数据信息等，并能以表格或图形的方式实时地显示。操作控制台还可把数据实时地传给控制中心，并接收控制中心的控制命令，较好地满足水渠多测点、地理范围分布广的测控特点，使水利部门方便有效地对水渠实施科学、合理的管理

在本实用新型的各个实施例中，作为进一步地的优选方案，本实施例中的操作控制台还可向数据处理模块发送数据请求，数据处理模块根据网络地址找到相应的采集站，将命令下发到该采集站，所述采集站响应后将数据通过无线通讯或数据传输网络将采集到的数据经操作控制台中的监控显示平台进行二维或三维展示。

在本实用新型的各个实施例中，作为进一步的优选方案，水利监控系统还包括：

报警器，与数据处理模块中的阈值比较单元进行通信，用于根据阈值比较模块的比较结果超出限定值后发出警报。作为优选实施方案，

报警器分布于每个渠段岸边的预设报警点处。其中，报警器包括标杆，标杆顶部设置有报警灯和设置于报警灯侧表面的报警扬声器，报警灯表面设置有光伏板；光伏板连接有设置于标杆侧部的水位显示器，水位显示器通过报警控制器连接有报警灯，报警控制器与数据处理模块中的阈值比较单元进行通信。

由以上技术方案可知，本实用新型水利监控系统设置了两种工作模式，即正常模式和应急模式。在工作模式时，多渠段水利系统利用每个渠段上游最近闸门处的闸前水位信息、闸门开度信息和闸后水位信息分别计算出每个渠段对应闸门的闸门开度，从而能够克服长距离水渠的时间滞后问题，并提高水位调控速度；在应急模式，多渠段水利系统采用上游控制方法对一个或多个闸门进行控制，从而实现在某一渠段出现突发状况时能够做出应急处理，同时布置于每个渠段的多种传感器实现对每个渠段中水环境质量状况的监控。

根据本实用新型的另一方面，还提供了多渠段水利监控系统的控制方法。该控制方法包括：

在每个渠段内分别布置水位计、雨量计、用于水质监测的传感器、以及在该渠段上游最近闸门处布置闸前水位传感器、闸门开度传感器和闸后水位传感器；

所述采集控制器将从所述水位计、雨量计、用于水质监测的传感器、闸前水位传感器、闸门开度传感器和闸后水位传感器实时或定时采集的水文监控信息存储在所述数据采集站中，同时在每条水文监控信息的存储数据中添加该数据采集站的网络地址和标识号；

所述数据采集站将采集到的水文监控信息分别向所述终端上位机和该渠段上游最近闸门的闸门控制机构发送；

所述现场控制器接收数据采集站发送的水文监控信息中的闸前水位信息，通过将接收到的闸前水位信息与设定的闸前水位阈值进行比较，计算出闸门实际操作开度值并发送给所述启闭机，所述启闭机根据接收到的所述闸门实际操作开度值控制所述闸门启闭；

所述终端上位机的数据收发模块接收每个数据采集站发送的水文监控信息并根据每个数据采集站的网络地址和标识号进行分类存储，以及通过数据采集站的网络地址和标识号向该数据采集站发送信息；

所述数据处理模块包括阈值比较单元、数值计算单元和远程指令发送单元；所述阈值比较单元将所述数据收发模块接收的水文监控信息与对应的水文监控信息阈值进行比较；所述数值计算单元根据所述阈值比较单元的比较结果以及每个渠段的上游最近闸门处的闸前水位信息、闸后水位信息及闸门开度信息计算出每个渠段上游最近闸门的实际操作开度值；所述远程指令发送单元将每个渠段上游最近闸门的实际操作开度值发送至相应渠段闸门控制机构中的启闭机；

所述控制模式切换模块使所述多渠段水利系统在正常模式和应急模式之间切换，在所述正常模式下，所述终端上位机控制所述闸门控制机构中的启闭机；在所述控制模式切换模块接收到外来应急指令的情况下，切换到所述应急模式，由一个或多个现场控制器控制对应的启闭机启闭；

所述操作控制台的显示模块调用所述数据收发模块的水文监控信息并进行显示。

在本实用新型的各个实施例中，作为进一步优选方案，在数据收发模块接收的水文监控信息与所述阈值比较单元中对应的水文监控信息阈值的比较结果超出限定范围时，通过报警器进行报警。例如，根据阈值比较单元的比较结果中的水质信息超过超出水质的限定值后发出警报。

具体地，数值计算单元根据阈值比较单元的比较结果以及每个渠段的上游最近闸门处的闸前水位信息、闸后水位信息及闸门开度信息计算出每个渠段上游最近闸门的实际操作开度值包括如下步骤：

监测下游闸门参数的步骤：用于按照时间步长通过下游闸门的闸前水位传感器、闸后水位传感器和闸门开度传感器监测下游闸门的闸前水位、闸后水位和闸门开度；

计算偏差和偏差变化率并判断的步骤：计算闸前水位与控制目标值间的偏差，以及偏差的变化率，如果偏差值及偏差变化率未超出允许值则回到“监测下游闸门参数的步骤”，如果偏差值及偏差变化率超出允许值则进入下一步骤；

计算反馈校正值的步骤：用于根据偏差和偏差变化率分别计算闸前水位的上游控制反馈校正值和下游控制反馈校正值；

计算前馈解耦流量的步骤：用于根据上游控制反馈校正值和下游控制反馈校正值计算前馈解耦流量；

计算闸门的流量调整目标值的步骤：用于根据前馈解耦流量计算闸门的流量调整目标值；

计算闸门的实际操作开度的步骤：用于根据流量调整目标值计算闸门的实际操作开度；

闸门执行的步骤：用于闸门的启闭机执行开度调整动作，并回到“监测下游闸门参数的步骤”。

上述步骤由于同时采取了上下游的数据采集、闸门和水流控制，克服了长距离水渠大时间滞后、耦合作用的影响，综合发挥了上游控制和下游控制方法分别在水位调控和水量调控方面的优势。

在一个优选实施例中，对于本实用新型水利监控系统，对于每个渠段的闸门的控制方法还包括：

①在闸门启闭机室外，用闸门无线手操器设定想要控制的闸门编号；

②检查想要控制的闸门与闸门无线手操器之间的信号强度，以确定两者是否通讯；如正常，闸门无线手操器显示想要控制的闸门参数；

③用闸门无线手操器在目视距离内控制闸门的运行，实时监视闸门运行参数，将闸门升降到期望状态，同时，当闸门运行异常时，用闸门无线手操器立即停止闸门运行，防止设备损坏。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用于限制本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。