简谈计算机技术在水利水电系统中的应用

当代电子信息技术日新月异,已成为世界各国增强国力、谋求发展的重要支柱。水电系统从60年代起开始使用计算机,80年代有了较大的进展。现在正孕育着一个新的飞跃。现就计算机在水电系统生产、设计、管理中的主要应用情况综述如下。

1水电厂自动监控

1.1大、中型水电站

国际上自美国的大古力(Grandcoulee)、巴西的伊泰普(Itaipu)等水电站实现计算机监控以来,计算机在水电站中的应用有了进一步发展和提高,朝着集成、开放和标准化方向发展。近年来,多媒体技术的应用亦日益受到重视,已在语音报警、仿真培训等方面开展了许多工作。

我国大、中型水电站,从80年代开始逐步建立计算机监控系统,用于数据收集、越限报警、事件记录、调整有功无功、机组起动和优化运行等工作。至今已有40多座大、中型水电站建立了计算机监控系统,取得了良好的社会、经济效益。

在建的大、中型水电站几乎都配置了计算机监控系统。这些系统已走出了封闭、集中模式,向开放、分布网络方式发展,且通过计算机网络将水情测报、大坝安全监测及电厂MIS联结在一起,向更高层次的应用发展。

1.2小水电站

小水电站是我国电力工业的一支重要力量,由于条件所限,电子信息技术的应用水平还较低,但与前10年相比,也有了较大发展。当前,已开发出微电脑调速器、微电脑过速保护、微电脑自动调节器等设备,并装备了部分电站。据不完全统计,有近百座水电站在局部控制和保护方面使用了微电脑开发的产品,如浙江省盘溪梯级水电站实现了四遥(遥测、遥讯、遥控、遥调),黄岗山水电站达到了无人值班定时巡视。

电子技术在电站中的应用,不仅增加了发电量(约3%)、提高了供电质量,而且保障了电站的安全运行,其社会、经济效益十分显著。

2大坝安全监测

从整个世界范围来看,由于大坝的自然环境恶劣、运行条件复杂等原因,大坝安全监测自动化较之工业控制自动化起步晚,进展缓慢。而近10年来,随着传感器等敏感元件技术、自动化技术、通讯与计算机技术的飞速发展,大坝安全监测自动化犹如异军突起,向实时监控、远程自动化网络迅速发展。据统计,仅在北美地区,就有上百座水坝实现了实时监控与远程自动化联网。

当前,美国、加拿大、意大利、法国在大坝安全监测技术应用方面处于领先地位。其特点是:(1)所建系统多;(2)应用层次高;(3)规模大。例如,美国垦务局所辖的242座水坝,1990年已有1/5建立了安全监测系统,其数据每分钟至每小时经由卫星通讯采集一次,送入丹佛总部的工程数据库中,并由数据中心的专家分析系统自动完成数据分析与安全评价,功能十分强大。

我国大坝安全监测应用计算机技术,起步于70年代,90年代发展较快。1987年引入法国大坝安全监测系统(包括传感器、计算机及Condova软件),并相继开发出微型机水位测量数据处理系统、CAMS-1型大坝自动监测系统、DSIMS大坝安全信息管理系统,实现了部分监测项目的数据自动采集、传输、整编、过程线的绘制及观测的相关分析,取得了很大成绩,但与国外相比仍有较大距离。如:(1)功能单一,未形成综合性的系统;(2)未形成地区性或更大范围的广域网络系统;(3)与国内其他方面的应用,如防洪、发电等相比未形成一个有机整体,难以发挥更大的效益。

3调水和灌溉

3.1调水

80年代以来,我国为了解决缺水地区的用水问题,进行了一系列的大型引水工程建设。如引黄济青、引滦入津、引大入秦和册田、景太川等引水工程。举国瞩目的南水北调工程也已起步。据统计,多数调水工程已建立了计算机监控系统,实现了自动调水和优化调水,收到了较好的社会效益和经济效益。

国内调水计算机系统的基本功能为:(1)水源水量预测;(2)供水需求分析计算;(3)泵站机组运行监控;(4)闸门控制;(5)费用核算。

3.2灌溉

七五期间,电子信息技术在农业灌溉中的应用如雨后春笋,发展十分迅速,至目前为止,已有50多个大中型灌区使用了计算机,控制灌溉面积已超过5000多万hm2,在灌区管理与优化配水方面取得了明显的社会、经济效益。应用范围概括起来有以下3种类型:

3.2.1科研计算与数据处理。在该方面开展了灌溉渠系运行仿真、井灌区动态用水管理模拟、地下水等值线计算、全国作物需水量等值线计算与绘图制表等工作。

3.2.2灌区信息管理。有不少灌区结合本地的特点建立了小型灌区信息管理系统,基本功能大致为水源预报、配水计划管理、水费管理和灌区信息管理等。如位山灌区配水系统洛惠灌区信息管理系统石津灌区用水管理系统等。

3.2.3信息采集、监测与自动化管理系统。该方面的工作由信息采集、处理、闸门控制及优化调度等几个环节组成。到目前为止,每个环节都取得了较大进展。如:内蒙古的土壤水、盐信息自动采集系统、山东的水位遥测系统、江苏南关灌区的微机信息网络系统(半自动化)、湖北孝感的多水源灌溉管理系统等。

我国是一个水资源相对匮乏的国家,农业用水约占全国用水量的80%以上。因此,采用电子信息技术对加强灌区管理、优化配水、节约用水有着重要的战略意义。

4计算机辅助设计(CAD)

近年来,CAD技术发展非常迅速,有几个方面要特别引起我们的注意。

4.1视觉技术

该方面比较突出的是计算机动画,在建筑上可用来研究进、出一座建筑物的视觉效应以及由于光线条件的改变、表面装饰材料的改变和建筑尺寸的改变等等而产生的效应,并研究建筑物与周围景观的相互影响。

4.2智能CAD

常规CAD系统基于几何模型,在支持复杂的设计时常遇到一些困难,大量数据的输入也较麻烦。因此近年出现了基于人工智能的CAD系统,简称智能CAD,功能得到增强,并有专家系统和人机对话两方面的功能。

4.3集成智能CAD

一个工程设计的全过程往往是很复杂的,需要把许多CAD或智能CAD系统集合起来方能解决问题,为此产生了集成智能CAD。它将各子系统有机地结合起来,减少彼此的数据传送,并利用人工智能技术,提高计算和绘图能力,使设计师能够方便地控制设计的全过程。

我国的CAD技术于70年代引入,现在已有了较大发展。设计领域中各部属设计院基本上都装备了CAD系统,出图率一般为30%,运用计算机进行分析计算可达90%以上,计算机做多种方案设计已达50%以上,设计出错率已从手工设计的5%降低到1%,提高功效6～8倍;由于多方案优化,节省工程投资至少2%～5%,个别可达10%以上。

自1983年,国务院提出把计算机辅助水利电力勘测设计系统纳入国家重点开发项目之后,水电系统各部属设计院及部分省院相继配置了CAD系统。目前已在重力坝、拱坝、厂房和场地规划设计等方面完成了近30个CAD项目的开发,取得了很大的成绩。但也存在一些问题,有待进一步完善、发展。如:(1)应用覆盖面还不够大;(2)当前所建系统多为单项开发、单机作业,与其他相关的业务未形成一个有机系统,整体效益难以发挥;(3)已有的CAD软件,基本是针对初步设计阶段中便于用CAD技术实现的环节开发的,而对于技术设计阶段的图纸生产以及相应各专业之间的配合、协调尚未真正触及。

5计算机信息系统

5.1管理信息系统

管理信息系统从50年代的电子数据处理(EDP)、事务处理系统(TPS),60年代的管理信息系统(MIS)、办公自动化系统(OAS),到70年代的决策支持系统(DSS),已跨越了三个阶段,现在已进入第四代:智能管理系统(IMS)。

IMS是计算机管理信息系统向智能化、集成化方向发展的产物。在MIS、OAS、DSS的基础上,借助人工智能的概念、方法和技术,扩展系统的功能,适应用户多层次、多方面、多阶段的需求,是一具有全方位管理功能的集成化系统。

目前,我国基本处于MIS和OAS阶段。据统计,全国有30000个系统在运行。

管理信息系统在水电系统起步较晚,但发展十分迅速。几乎各个业务部门都建立了规模不等的MIS或OAS,并且逐渐跳出封闭、孤立的应用境地,向企业级、部门级、行业级发展。水、电两部的一些职能部门,如财务、人事、物资、统计等都建立了部门级的专业信息系统,在大型水电厂中建立了企业级管理信息系统,并收到了很好的社会、经济效益。此外,水利、电力两部门正着手建设行业级系统,如:全国首脑机关辅助办公决策系统国家防汛指挥系统等。

5.2数据库

数据库技术是计算机技术的重要组成部分,也是信息系统的重要支柱之一,发展十分迅速。层状、网状数据库已被关系数据库取代。关系型数据库的商业产品已有几十种。其中,Oracle、Sybase、Informix、Ingres四大数据库处于领先地位。发达国家的数据库业非常发达,据统计已有近5000个涉及经济、商业、科技、统计、金融、社会等诸方面的数据库通过多种途径提供公共服务。

我国建库工作始于80年代初,现在已有800多个数据库。但真正有一定规模并提供社会服务的,最多只有10多个。

数据库技术在水电系统的应用发展还是很快的。建库软件已从小型的数据库管理系统,如dBASE、Foxbase等向大型数据库管理系统迈进,Oracle、Sybase已在许多部门安装使用。遗憾的是,目前除个别公用数据库(如全国分布式水文数据库等)正在建设中外,其他的数据库还只是作为某个专用信息系统的一部分,封闭在建库单位的计算机之中,不能提供广泛的社会服务。

5.3计算机网络

计算机网络分为局域网络和广域网络两种类型。其拓扑结构有星型、环型、树型、分布式和总线式5种。在发达国家中,计算机应用多数达到了网络化,并且将不同业务、不同地点的局域网联结成更大的网络广域网。

Internet是国际上著名的广域网之一。它是美国国防部下属的一个机构于1969年建立的。最初只有4台计算机,规模很小。现在已延伸到美、欧、亚、大四大洲的137个国家和地区,联结了100万台计算机和2000多万用户,而且用户数量还以每月10%的速度增长着。

近年来,计算机网络技术的应用,在我国发展也十分迅速。一些大、中型企业、事业单位已建立了计算机网络系统,将分散、孤立的计算机系统联结成一个整体,从而实现资源共享。据统计,国内已建成100多个专用信息网。

为了充分利用信息资源,发展生产力,缓解能源、交通、环境等制约国民经济发展的瓶颈效应,促进四化建设;也为适应人民日益增长的文化娱乐、教育科技和卫生保健等方面的需求,国家于1993年3月提出金桥工程。金桥网一期工程将覆盖全国400多个城市,与各部门、地方专用网以及邮电部建立的分组交换网、数字数据网、公众电话网互联互通。

水利水电系统肩负着全国防汛救灾和电力、水资源的生产、开发利用的任务,其信息交流量是十分巨大的。目前,两部除大力促进局域网络的建设外,正在利用本系统和国家的通信条件,组建自己的全国性专用网络。

6问题与建议

计算机在水利水电系统中的应用,虽然已取得了较大的成绩,但整体看来水平还不很高,还有不少问题亟需研究解决。

6.1计算机应用机构的调整改革

现存的一些计算机应用机构,如计算中心、计算站等,多是80年代中、末期组建的,已远不适应当前的发展形势,有两大问题亟待解决:其一,有些单位仍采用集中应用模式,即:将一个单位的计算机设备和专业人才高度集中在一个机构内部,统一解决本单位用机和软件的开发工作。这种模式,过去曾起过较大作用,但到大批微型计算机涌入国内后,便逐渐被冷落了,出现了大量设备和人员闲置的现象。其二,是运行机制问题。这些机构多属所在单位的二级或三级技术服务性部门,经济上不独立,没有人、才、物的所有权,缺乏竞争意识,难以适应市场经济条件下的竞争机制。

6.2切实加强三统一工作

三统一,即统一规划、统一标准、统一领导。目前水利水电系统的计算机应用,正处于由单项向综合、由局部向整体开发应用的发展阶段,此间不能山头林立、各自为政,必须坚持三统一原则,使系统逐渐成为一个整体,实现资源共享。

6.3加强对信息源的研究、开发

信息是一切信息系统的基础。这是一个极为简单的道理,但在实际中却又往往被人们忽视。

对此,不妨回顾一下我国第一次(1986年至1989年间)政务信息系统建设浪潮。当时,从中央部门到地方单位,投入了大量人力、物力,但收获甚微,多数单位并未如愿以尝。原因很多,但对构成系统的最基本要素信息的特点及处理的难度缺乏足够的认识和相应对策,不能不说是一个根本的原因。1992年以来,随着经济的发展,全国又掀起了第二次政务信息系统建设浪潮,水利水电部门也相继拉开了系统建设的序幕。在新的高潮中,务必高度重视对信息源的研究和开发工作,切不可只把人力、物力投入到网络建设和设备的购置方面。否则,将难免重蹈第一次浪潮的覆辙。

6.4规范系统的维护管理工作

应当看到,信息系统一方面会给人们带来进步和财富,另一方面也会带来灾难和损失。这是由信息系统的先天不足脆弱性引起的。故必须加强系统的维护管理,以防发生不测。

6.5重视技术人才,加强人员培训

再好的计算机系统没有大批的应用人才和开发、维护人员也难以发挥作用。然而,据了解,计算机技术人才,尤其是青年一代,很不稳定,流失很大。为此,希望有关主管部门制定相应的对策,以利稳定队伍。

信息技术是一个高速发展的新兴学科,新技术、新产品年年涌现,信息系统的设计、开发和运行管理人员必须不断更新知识。因此,加强培训(包括在职人员的培训)十分急迫、重要。