南水北調中線安全監測自動化系統設計及應用

管世珍

(南水北調中線干線工程建設管理局河南分局，河南 鄭州 450000)

南水北調中線干線工程是一項跨流域、長距離的特大型調水工程，全長1432km，總干渠輸水形式以明渠為主，局部布置管涵。渠道運行采用節制閘常水位控制方式，沿線沒有調節水庫，總干渠渠道及建筑物安全至關重要，為安全監測是全面掌握中線干線渠道及建筑物運行狀況，及時發現工程安全隱患的最有效方法。

實現中線工程運行安全的定性和定量分析。定性分析是對研究對象進行歸納與演繹、分析與綜合以及抽象與概括，定量分析是從數量和變化趨勢兩方面對數據進行評價[1]。

安全監測是通過先進的儀器和技術，獲得巡視檢查無法得到的數據和信息，特別是工程內部、基礎等隱蔽部位的信息，并為實現中線工程安全的定量分析和利用現代計算機技術實現工程安全監控提供條件和基礎。在總干渠和各重要建筑物特殊斷面安裝各類安全監測儀器，就是為了監測渠道和建筑物在運行過程中的狀況和安全性，通過監測儀器把采集到的數據進行遠程傳輸、轉換和處理，獲得工程安全所需各類信息，然后通過系統自動評估渠道建筑物的安全狀態。工程沿線埋設了各類安全監測儀器設施，共布設內觀儀器48415支，其中接入自動化系統33642支，外觀測點共布設42659個。

將監測數據導入安全監測自動化系統，實現渠道及建筑安全監測信息化和渠道安全快速分析，檢驗工程的設計與施工是否滿足既定要求，把最前沿的技術運用的安全監測中來，引入大數據平臺和深度學習技術系統。實現人工向智能化發展，大幅度降低安全監測工作成本，實現資源共享，提高工作效率，便于開展遠程咨詢和專家會商，為工程安全運行管理提供技術保障[2]。自動化系統實時接收現地監測站的數據信息，并對信息進行分析處理和儲存，可獲取歷史或實時信息，為各級管理部門提供工程安全相關的決策支持，對工程實施全過程的安全保障。

1 系統構成

安全監測自動化系統采用分布式數據采集系統。系統運行管理分為三級，系統由1個監測總中心，5個監測分中心，48個監測管理處，數百個現地站構成。系統中各種設備均連接在通信主干網上(自動化調度業務內網)，其中無線通信設備通過Internet、無線數據采集PC連接到通信主干網，構成數據采集、分析、預警、發布的安全監測自動化系統。

現地站數據自動采集系統為全分布式智能節點控制開放型的光纖網絡結構，系統由現場數據采集單元(MCU)(見圖1)、機柜、網絡通信系統(包括光端機和無線通信設備等)、電源系統、串口服務器、防雷接地系統及數據自動采集系統軟件等組成部分?，F場數據采集單元(MCU)可按設定頻次自動進行巡查監測、選擇性監測、數據存儲、數據傳輸等，采集后自動向管理處報送數據。即使管理處的上位機出現運行故障，各現場數據采集單元也可以單獨工作，通過通信網絡將采集數據傳輸到管理處指定存儲設備，傳輸系統可以通過便攜式計算機讀取現場數據采集單元的監測數據[3]。

圖1 MCU布置圖

數據自動采集系統主要包括四部分：數據采集與控制子系統、網絡通信子系統、供電子系統和防雷接地子系統。數據采集與控制子系統主要由MCU現場數據采集單元和現場的監測儀器等組成；網絡通信子系統分為有線通信和無線通信兩種，有線通信主要由三層交換機、光端機和通信光纖等組成，無線通信主要由無線通信發射設備DTU、無線通信接收設備和無線網絡通信專網USIM卡等組成；供電子系統供電有220V交流市電供電和太陽能供電兩種，市電供電主要由帶逆變設備的穩壓電源和蓄電池組等組成，太陽能供電主要由太陽能板、太陽能充電控制器和蓄電池組等組成；防雷接地子系統主要由電源避雷器和系統接地等組成(見圖2)。

圖2 系統組成結構圖

2 功能及性能分析

2.1 系統功能

2.1.1 管理處功能

采集各現地站的原始數據，將數據存入管理處數據庫的同時存入總中心的原始數據庫中。首先對采集的數據進行整編，將整編后的數據存入總中心的數據整編數據庫。其次，對整編的數據進行初步分析，發布各類異常信息及預警，將初步分析成果存入總公司成果數據庫。第三，接收總公司、分中心的數據分析成果，錄入各種人工采集的數據信息和巡視檢查信息，并上傳到總中心原始數據庫[4]。

2.1.2 分中心功能

分中心讀取現地管理處分析結果后發布的各類信息，并對異常信息進行核對和分析，對工程運行的異常數據進行綜合分析和評價，發布分析結果。

2.1.3 總中心功能

總中心讀取分中心、現地管理處的信息分析結論，對其分析成果進一步分析、核對，對工程運行中的異常信息進行綜合分析和評價，對工程結構異常的情況重新進行綜合分析與評價，以判斷工程的安全運行狀況，發布分析結果，對于存在異常情況的信息可以觸發報警，提醒和督促各管理機構查詢分析結果和采取應對措施(見圖3)。

圖3 安全監測系統數據流程示意圖

2.2 系統性能

安全監測自動化系統采用全網絡結構，傳輸距離不受限制，能接入中線工程所有類型的傳感器，采用定時、單檢、巡檢、選測或設測點群的測量方式。在環境溫度-55～85℃、相對濕度不大于95%的工作環境中具備高抗干擾能力，每周測量一次，年數據采集缺失率應小于2%，可實現有線、無線、電話、光纖、局域以太網等多種通信介質傳輸[5]。

3 系統網絡及通信

南水北調中線安全監測自動化系統中各種設備均連接在通信主干網即自動化調度系統網絡的業務內網上。根據現地站條件數據傳輸采用兩種方式：一種是有線通信，即通過自動化調度系統網絡的業務內網傳輸；一種是通過移動網絡無線通信，即通過移動公司的通用分組無線業務連接到Internet實現數據傳輸。供電分為220V交流供電和太陽能供電兩種方式，在兩種模式都停電時MCU則依靠內部自帶的蓄電池維持工作，確保7天內正常工作[6]。

3.1 有線通信

為確保與南水北調中線干線工程主干通信網的順暢連接，實現自動化監測系統的遠程控制，以及后續系統的擴展，需加裝光端機。在監測站采用H9MO-LME型光端機(4路以太網接口)，在閘站接入點采用H9MO-LMFIT型匯聚型光端機，現地站采用光端機光纖通信(見圖4)。

圖4 有線通信現地監測站

3.2 無線通信

無線網絡通信用于MCU與采集計算機之間的通信，對距主干光纜的接入口較遠的測站，使用無線網絡通信。無線網絡均采用GPRS(即移動公司的無線分組業務)通信方式。管理處設有一個用于無線網絡數據采集的工作站，該站要連接到互聯公共網絡(Internet)，要有一個固定IP(或域名)。在現地觀測站MCU通過RS-485口與MD-609G相連，MD-609G上電后通過GPRS無線網絡與Internet相連，通過固定IP地址(或域名)與數據采集工作站聯系，建立連接進行雙向數據通信(見圖5)。

圖5 無線通信示意圖

4 安全監測自動化系統軟件及信息管理

南水北調中線干線的安全監測系統的軟件包括系統軟件、應用軟件和支持軟件。

4.1 系統軟件

系統軟件包括計算機操作系統、語言編譯器、文件管理、系統恢復與切換、系統診斷等軟件，但主要是指操作系統軟件。操作系統軟件是整個安全監測自動化系統的軟件平臺，南水北調安全監測應用系統服務器和應用支撐平臺操作系統采用的是AIX系列；采集系統和客戶端操作平臺使用的是Windows系列。

4.2 應用軟件

應用軟件是指在特定操作系統的環境下，為滿足用戶的特定應用需要及完成某些特定功能而開發的專用程序。南水北調監測自動化系統的應用軟件按照功能劃分，采用模塊化編制，每個模塊分別執行不同的功能，并且模塊之間有一定的聯系和依賴關系，這些模塊按照用戶的需要整合起來共同完成特定系統的監控任務。南水北調安全監測自動化系統應用系統應用軟件模塊主要包括業務模塊、功能模塊、內外部接口以及數據庫。

4.2.1 業務模塊

南水北調中線干線工程安全監測自動化系統服務于南水北調中線干線總公司、分公司、管理處三級用戶，為各級用戶提供管轄范圍內安全監測數據采集、實時狀態查詢、報警管理、安全監測狀態分析、監測數據管理、綜合信息查詢以及基礎信息管理等業務。

4.2.2 功能模塊

南水北調中線干線安全監測自動化系統具備監測數據采集、監測系統管理、監測數據管理、監測數據分析、綜合查詢和輸出、報警和系統維護管理等功能[7]。

4.2.3 內外部接口軟件

內部接口包括導入導出接口、打印接口、數據訪問接口、圖形處理接口、文件處理接口、異常處理接口。外部接口包括與應用支撐平臺集成接口、與數據存儲與管理系統集成接口、與工程運行維護管理系統接口、與水量調度業務處理系統接口、與決策會商支持系統接口、與閘站監控系統接口和與工程防洪系統接口。安全監測自動化系統的集成與獨立，不需專設人員操作，利用中線一體化平臺實現統一調度，提升工程管理效益[8]。

4.2.4 數據庫軟件

數據庫軟件主要是用于實現數據的管理功能，包括實時及歷史數據庫的加載，處理其他程序對數據庫的存取要求，并按照功能規定完成對數據的運算或其他處理任務等。南水北調中線干線安全監測自動化系統數據庫主要存儲靜態特征數據、系統類數據、歷史數據、實時數據、整編數據、模型數據、文檔和報表數據、知識庫數據、分析評價類數據、圖形分析模板數據和報警數據[9]。

4.3 系統信息管理

安全監測信息管理是對被監測建筑物的基礎信息及有關初始信息的管理，包含技術標準、建筑物基本信息、工情水情信息、監測信息、分析和評價信息及工程巡查信息管理等[10]。自動化系統中安全監測信息管理為安全監測應用系統功能的一部分。

5 結 語

安全監測自動化系統在南水北調中線工程安全運行和智慧中線運行管理中發揮著非常重要的作用，可及時掌握工程運行狀況，報告可靠的運行數據，創建可知可控的系統環境，以可靠、高效、持續及系統硬件設備、軟件系統的安全穩定運行，來保證實現工程自動監控和管理。

該系統采用合理、科學的設計思想，充分利用先進的計算機自動化技術，實現多層次實時監測自動化監控，通過異常數據分析，能夠提前采取措施消除工程安全隱患。作為智慧中線建設的重要部分，為工程的統一調度、分級管理奠定了基礎。建立的安全監測自動化系統，監測覆蓋面廣，監測數據精準，為南水北調中線干線工程安全運行和安全評估提供了依據，也可為國內外重大水利工程的安全監測提供技術支撐。