水電站大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)虛擬化集成

高修強(qiáng)，馮　濤，張　晨（.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，3；.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，6005）

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水電站大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)虛擬化集成

高修強(qiáng)1，馮濤1，張晨2
（1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，610051）

摘要：水電站大壩安全管理統(tǒng)一平臺(tái)需要集成多個(gè)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，筆者提出的集成方案中，自動(dòng)化廠家在采集模塊外層增加采集服務(wù)，以此供第三方調(diào)用，在流域公司或多電站管理公司的大壩安全管理系統(tǒng)中完成了對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的虛擬化集成。實(shí)踐表明，此方案可降低系統(tǒng)間的耦合度，前期實(shí)現(xiàn)方便，后期維護(hù)成本低，是大壩安全一體化管理中各方容易接受的一種集成方案。

關(guān)鍵詞：大壩安全；監(jiān)測(cè)；自動(dòng)化；采集；系統(tǒng)集成

水電站在土建施工基本結(jié)束時(shí)開始大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施，大型水電站在實(shí)施自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)通常會(huì)分段招標(biāo)，因此可能會(huì)有多個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)廠家中標(biāo)。已投入運(yùn)行的水電站實(shí)施監(jiān)測(cè)自動(dòng)化改造項(xiàng)目時(shí)也有可能同時(shí)存在多個(gè)自動(dòng)化廠家的系統(tǒng)。對(duì)流域公司或多電站管理公司而言，由于管理多座大壩，不可避免地存在多個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行的情況。

信息化推動(dòng)著管理的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)大壩安全一體化管理已是目前的發(fā)展趨勢(shì)，一體化管理要求將自動(dòng)化系統(tǒng)納入統(tǒng)一管理平臺(tái)，需要解決將多個(gè)廠家的自動(dòng)化系統(tǒng)納入一體化統(tǒng)一管理平臺(tái)的問題。

鑒于此，筆者提出監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)虛擬化集成的設(shè)想，以滿足大壩安全一體化管理的要求。

1　現(xiàn)狀和必要性

目前國內(nèi)應(yīng)用于水電站大壩監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化采集系統(tǒng)產(chǎn)品較多，如南京南瑞DAMS-IV型分布式工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)、南京達(dá)捷DG-2000型智能分布式大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)、北京木聯(lián)能LN1018-Ⅱ型開放型分布式工程安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和北京基康BGK-Logger數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。不同廠家的自動(dòng)化采集系統(tǒng)，其硬件采集協(xié)議及采集軟件（包括采集數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和類型）各不相同，但同為監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，它們都具備基本的采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，包括數(shù)據(jù)采集、采集設(shè)置、設(shè)備檢查、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，功能的相同是系統(tǒng)集成的有利條件。

監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成的最初形式主要是數(shù)據(jù)集成，流域公司或集團(tuán)公司建設(shè)統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，將下轄水電站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總到一起，各水電站仍保留自己的數(shù)據(jù)和采集系統(tǒng)。針對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化廠家的設(shè)備，管理系統(tǒng)并不實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備的檢查和采集功能，或僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)廠家的自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行設(shè)備檢查和數(shù)據(jù)采集功能。各水電站的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和入庫仍由原自動(dòng)化采集系統(tǒng)完成，管理系統(tǒng)將自動(dòng)化數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。這種集成只是對(duì)數(shù)據(jù)的集成，并未包含對(duì)采集功能的集成。

數(shù)據(jù)集成后，可在管理系統(tǒng)中查詢和分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但不能解決管理系統(tǒng)與各采集系統(tǒng)之間的交互問題，特別是二次采集、應(yīng)急采集或臨時(shí)采集數(shù)據(jù)需要分別在各個(gè)采集系統(tǒng)中完成，存在很多局限性，導(dǎo)致很多工作沒有可操作性。比如地震應(yīng)急，當(dāng)管理系統(tǒng)感知到一定強(qiáng)度的地震時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)某區(qū)域的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)的數(shù)據(jù)采集操作。

在經(jīng)歷了數(shù)據(jù)集成這一過程的同時(shí)，企業(yè)的信息化管理思想也逐步成熟，管理者提出了“通過整體規(guī)劃、系統(tǒng)整合、數(shù)據(jù)集中、技術(shù)統(tǒng)一、集成運(yùn)行、集中運(yùn)維，將單個(gè)系統(tǒng)整合為統(tǒng)一的系統(tǒng)，構(gòu)筑企業(yè)級(jí)業(yè)務(wù)平臺(tái)”這一新的要求，對(duì)業(yè)務(wù)流程中相關(guān)的系統(tǒng)進(jìn)行集成就顯得更為迫切。

2　方案

安全監(jiān)測(cè)是大壩安全管理中的一項(xiàng)重要工作，其日常工作不僅是完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的定時(shí)采集，還包括對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的檢查與維護(hù)、對(duì)某些測(cè)點(diǎn)的二次采集、應(yīng)急自動(dòng)采集、臨時(shí)采集、設(shè)備的巡檢等，系統(tǒng)的集成就需要在統(tǒng)一的業(yè)務(wù)平臺(tái)上完成這些日常工作。

自動(dòng)化相關(guān)規(guī)范中曾要求自動(dòng)化廠家遵守統(tǒng)一的底層通信規(guī)約，允許第三方軟件通過通信規(guī)約與不同的自動(dòng)化采集裝置進(jìn)行通信，最終實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一采集平臺(tái)。事實(shí)上，由于直接引用廠家的底層通信規(guī)約，管理系統(tǒng)和采集對(duì)象之間勢(shì)必存在著內(nèi)容耦合，這是一種最高程度的耦合，而對(duì)象之間的耦合越高，維護(hù)成本越高。耦合是影響軟件復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)質(zhì)量的一個(gè)重要因素，在設(shè)計(jì)上應(yīng)采用以下原則：如果模塊間必須存在耦合，就盡量使用數(shù)據(jù)耦合，少用控制耦合，限制公共耦合的范圍，盡量避免使用內(nèi)容耦合。根據(jù)此原則將多個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)統(tǒng)一劃分到自動(dòng)化采集層，然后設(shè)計(jì)“數(shù)據(jù)獲取”、“數(shù)據(jù)采集”、“采集設(shè)置”、“設(shè)備檢查”等功能模塊作為集成層，集成層采用數(shù)據(jù)耦合的方式與自動(dòng)化采集層交互，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)虛擬化集成，其具體結(jié)構(gòu)參見圖1。

自動(dòng)化采集系統(tǒng)在采集模塊外層增加采集服務(wù)，通過數(shù)據(jù)耦合的方式為第三方提供參數(shù)調(diào)用和數(shù)據(jù)交互，以此實(shí)現(xiàn)采集功能的開放。以這種方式在流域大壩安全管理信息系統(tǒng)中完成了對(duì)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的集成，系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行兩年，其間廠家還對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行過升級(jí)，但基本上不需要額外的維護(hù)成本。

由于各系統(tǒng)開發(fā)所使用的平臺(tái)存在較大差異，根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)化系統(tǒng)的采集服務(wù)建議采用基于傳輸控制協(xié)議（TCP）的Socket通訊接口來實(shí)現(xiàn)。通訊中的命令和數(shù)據(jù)包格式采用XML標(biāo)準(zhǔn)，它采用字符串形式編寫，是一種簡(jiǎn)單、與平臺(tái)無關(guān)、并被廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)，便于其他系統(tǒng)開發(fā)和使用，同時(shí)由于XML能表達(dá)任何類型的數(shù)據(jù)，以便在將來進(jìn)行擴(kuò)展。采集過程中傳遞的信息可能包含漢字（比如測(cè)點(diǎn)名稱、故障原因等）編碼，建議統(tǒng)一采用針對(duì)Unicode的可變長(zhǎng)度字符編碼UTF-8。

圖1　自動(dòng)化系統(tǒng)虛擬化集成方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System structure of the virtualized integration scheme of automatic systems

目前，自動(dòng)化廠家提供的采集服務(wù)主要有以下功能：（1）采集裝置定時(shí)測(cè)值；（2）測(cè)點(diǎn)選測(cè)；（3）設(shè)置采集裝置時(shí)鐘；（4）查詢采集裝置時(shí)鐘；（5）設(shè)置采集裝置定時(shí)測(cè)量周期；（6）查詢采集裝置定時(shí)測(cè)量周期；（7）測(cè)點(diǎn)單檢；（8）采集裝置自檢；（9）獲取系統(tǒng)配置信息。

在集成層中，采集指令的格式有一套完整的定義，指令按照規(guī)定的格式存儲(chǔ)，集成層收到采集指令后，執(zhí)行驗(yàn)證和解析，然后根據(jù)解析出的信息判斷測(cè)點(diǎn)或設(shè)備屬于哪個(gè)廠家的自動(dòng)化系統(tǒng)，然后分別調(diào)用相應(yīng)的采集服務(wù)完成采集，并獲取采集結(jié)果數(shù)據(jù)。集成層收到采集結(jié)果數(shù)據(jù)后，存儲(chǔ)到管理系統(tǒng)。完成采集后，如果是實(shí)時(shí)采集，則將采集結(jié)果展示給用戶，再由用戶決定是否保存。

在管理系統(tǒng)中，用戶不需要關(guān)心各水電站具體應(yīng)用哪個(gè)廠家的自動(dòng)化采集系統(tǒng)，也不需要關(guān)心自動(dòng)化系統(tǒng)的具體布置情況，只要明確采集的自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)（集），當(dāng)用戶發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令時(shí)，管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)具體的測(cè)點(diǎn)調(diào)用相關(guān)采集服務(wù)，完成采集任務(wù)并將采集的過程和結(jié)果返回給用戶。對(duì)用戶而言，多電站、多大壩的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)可視為一個(gè)系統(tǒng)，從而完成了對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的虛擬化集成。

通過對(duì)系統(tǒng)的集成，從技術(shù)上將所有相關(guān)用戶與自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)的距離變得最小，用戶可隨時(shí)隨地通過WEB、移動(dòng)客戶端APP發(fā)出采集指令，極大地方便了用戶對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的訪問。通過這種集成，可以擺脫自動(dòng)化系統(tǒng)的局限，通過互聯(lián)網(wǎng)和跨平臺(tái)技術(shù)將采集功能應(yīng)用在更多層面。對(duì)于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，不僅可以在各廠家的自動(dòng)化系統(tǒng)中完成，也可以在流域公司的管理系統(tǒng)應(yīng)用終端（包括PC、手機(jī)、平板等）中完成。通過在國家大壩安全主管單位架設(shè)采集應(yīng)用服務(wù)，還能夠方便地實(shí)現(xiàn)在主管單位相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用終端中采集電廠的大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)，幫助相關(guān)主管單位和部門更實(shí)時(shí)地對(duì)大壩安全進(jìn)行在線監(jiān)控。上述應(yīng)用方式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3　實(shí)例

某流域公司目前有4個(gè)水電站建設(shè)了監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，且有2個(gè)水電站有2個(gè)以上不同廠家的自動(dòng)化系統(tǒng)，共涉及3個(gè)廠家的系統(tǒng)。建設(shè)公司統(tǒng)一的大壩安全管理平臺(tái)時(shí)，要求廠家提供采集服務(wù)。在統(tǒng)一管理平臺(tái)中將所有的采集服務(wù)封裝在一起，供用戶層調(diào)用。

系統(tǒng)針對(duì)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)向用戶提供以下主要功能：

圖2　自動(dòng)化系統(tǒng)虛擬化集成應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Application network structure of the virtualized integration of automatic systems

（1）自動(dòng)化系統(tǒng)管理人員可以設(shè)置和查詢采集裝置時(shí)鐘、設(shè)定定時(shí)測(cè)量周期，可以同步計(jì)算機(jī)時(shí)鐘以及獲取自動(dòng)化系統(tǒng)的其他配置信息等。

（2）檢查人員在定時(shí)采集任務(wù)完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查時(shí)，根據(jù)需要可對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行二次采集、對(duì)測(cè)點(diǎn)或采集裝置進(jìn)行設(shè)備檢查。通過對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，初步判斷模塊或通道的異常情況，進(jìn)一步采取相應(yīng)措施。

（3）監(jiān)測(cè)工作人員可將不同自動(dòng)化系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)根據(jù)需要組成測(cè)點(diǎn)集，定時(shí)或臨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和設(shè)備檢查；如對(duì)關(guān)注的不同電站的自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一臨時(shí)采集，終端應(yīng)用界面如圖3所示。

圖3　管理系統(tǒng)多電站多測(cè)點(diǎn)統(tǒng)一采集實(shí)例界面Fig.3 User interface of unified data collection from multi-hydropower plants and multi-points of management system

（4）非監(jiān)測(cè)工作人員可對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的臨時(shí)采集。如在管理系統(tǒng)的移動(dòng)客戶端上可以對(duì)某自動(dòng)化系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，界面如圖4所示。

圖4　管理系統(tǒng)移動(dòng)客戶端單點(diǎn)采集實(shí)例界面Fig.4 User interface of single-point data collection in manage?ment system for mobile terminal

（5）在某些情況下（地震達(dá)到一定級(jí)別，水位達(dá)到一定高程，綜合評(píng)判某個(gè)區(qū)域發(fā)生了異常情況等）自動(dòng)觸發(fā)對(duì)某些測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（6）相關(guān)主管單位人員可遠(yuǎn)程對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的臨時(shí)采集。如國家大壩安全主管單位可以對(duì)監(jiān)管的流域公司大壩進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集。

（7）除自動(dòng)化系統(tǒng)維護(hù)人員進(jìn)行故障排除需在現(xiàn)場(chǎng)外，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)相關(guān)工作都可以異地完成。

4　前景

一個(gè)專業(yè)的業(yè)務(wù)平臺(tái)應(yīng)該將該專業(yè)的所有業(yè)務(wù)流程整合在一起，只有僅保持?jǐn)?shù)據(jù)共享等簡(jiǎn)單關(guān)系的系統(tǒng)才可以允許不納入業(yè)務(wù)平臺(tái)，因此監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的集成成為統(tǒng)一平臺(tái)的必要條件。

自動(dòng)化系統(tǒng)涉及到的硬件設(shè)備類型多樣，實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的技術(shù)手段各不相同，提供控制的廠家又有多家，系統(tǒng)集成就成為建設(shè)統(tǒng)一平臺(tái)的關(guān)鍵點(diǎn)。監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成的實(shí)例還較少，實(shí)踐中也只是對(duì)常規(guī)的自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集成，特殊的自動(dòng)化項(xiàng)目（如激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、測(cè)量全站儀等）還沒有完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成，因此，在技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、管理上尚需對(duì)系統(tǒng)集成做進(jìn)一步的研究和開發(fā)。

激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的控制和動(dòng)作較多，采集時(shí)往往一條準(zhǔn)直線上的所有測(cè)點(diǎn)作為一個(gè)單位一起完成采集，且采集過程中伴隨著測(cè)點(diǎn)波帶板的機(jī)械動(dòng)作，集成時(shí)需要第三方和廠家一起確定實(shí)施方案。

測(cè)量全站儀常用的均是進(jìn)口儀器，國外廠家很少直接向用戶開放采集服務(wù)，且采集服務(wù)完全由廠家定制，很難按用戶的需要提供采集服務(wù)，目前較難實(shí)現(xiàn)。

還有一些特殊的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備同樣存在著各種阻礙系統(tǒng)集成的因素，這就要在建設(shè)統(tǒng)一平臺(tái)時(shí)進(jìn)行權(quán)衡和取舍，但系統(tǒng)集成的終極目標(biāo)總會(huì)實(shí)現(xiàn)。

5　結(jié)語

建設(shè)流域公司級(jí)或多電站公司級(jí)的統(tǒng)一大壩安全管理業(yè)務(wù)平臺(tái)已逐步成為趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的集成是平臺(tái)建設(shè)的重要內(nèi)容之一。通過自動(dòng)化廠家提供采集服務(wù)，按照數(shù)據(jù)耦合的方式進(jìn)行集成，降低了系統(tǒng)間的耦合度，前期實(shí)現(xiàn)方便，后期維護(hù)成本低，是一個(gè)容易讓各方接受的方案。系統(tǒng)集成后，對(duì)用戶而言，整個(gè)公司多座大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)可視為一個(gè)系統(tǒng)，從而完成了多個(gè)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的虛擬化集成。

作者郵箱：gao_xq2@ecidi.com

Title:Virtualization integration of automatic monitoring systems for hydropower dams//by GAO Xiuqiang，F(xiàn)ENG Tao and ZHANG Chen//PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited

Abstract:Multiple automatic monitoring systems need to be integrated in the united platform of dam safety management for hydropower plant.In the integration scheme advanced in this article，except the collection module on the outer layer，the manufacturer adds collection service to make it available to the third party.For the dam safety management system of company which is in charge of river basin hydro?power development or management of multi-hydropower plants，visual integration of multiple automatic monitoring systems is completed.It is proved that the degree of coupling is reduced.And the integration scheme，easy to be realized in earlier stage and low maintenance cost required in the later stage，is the one that can be accepted by all parties during the integration management for dam safety.

Key words:dam safety；monitoring；automation；collection；system integration

中圖分類號(hào)：TP315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1092（2016）01-0027-05

收稿日期：2016-01-06

作者簡(jiǎn)介：高修強(qiáng)（1984-），男，江蘇徐州人，工程師，主要從事工程安全監(jiān)測(cè)信息化工作。