南水北調(diào)配套工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□李毅男 郭志剛 杜一飛

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

南水北調(diào)配套工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□李毅男 郭志剛 杜一飛

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

文章介紹了河南省南水北調(diào)配套工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的基本情況，對(duì)該系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)從管理職能和功能使用兩個(gè)角度進(jìn)行層次劃分，闡述了安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)、供電、應(yīng)用軟件系統(tǒng)等幾個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)施方案進(jìn)行了詳細(xì)說明，最后肯定了該系統(tǒng)的先進(jìn)性和實(shí)用性。

南水北調(diào)；安全監(jiān)測(cè)；自動(dòng)化；設(shè)計(jì)

1 引言

河南省南水北調(diào)配套工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“自動(dòng)化系統(tǒng)”）是“河南省南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程自動(dòng)化調(diào)度與運(yùn)行管理決策支持系統(tǒng)”一個(gè)重要的子系統(tǒng)，其工作主要內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)供水管線沿線各建筑物的位移、滲流、結(jié)構(gòu)及環(huán)境量等數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)采集、自動(dòng)傳輸、自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)化管理，有關(guān)人員通過網(wǎng)絡(luò)即可及時(shí)了解大壩的安全信息，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理與現(xiàn)場(chǎng)檢查相結(jié)合的現(xiàn)代化工程運(yùn)行管理模式，同時(shí)為水量調(diào)度系統(tǒng)、綜合會(huì)商系統(tǒng)和工程管理系統(tǒng)提供告警異常、評(píng)價(jià)信息。

2 自動(dòng)化系統(tǒng)概述

該自動(dòng)化系統(tǒng)工程線路長(zhǎng)、跨區(qū)域協(xié)調(diào)難度大，工作內(nèi)容主要包括：1個(gè)省級(jí)管理局安全監(jiān)測(cè)中心安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)及運(yùn)行環(huán)境、8個(gè)市級(jí)管理處安全監(jiān)測(cè)站應(yīng)用系統(tǒng)及運(yùn)行環(huán)境、各現(xiàn)地監(jiān)測(cè)站信息采集系統(tǒng)的設(shè)備采購(gòu)及安裝調(diào)試，其中8個(gè)管理處分別是：南陽(yáng)管理處、平頂山管理處、許昌管理處、鄭州管理處、焦作管理處、新鄉(xiāng)管理處、鶴壁管理處和安陽(yáng)管理處。

自動(dòng)化系統(tǒng)的前端是安全監(jiān)測(cè)儀器，這些儀器被安裝在沿線各管理處下轄的泵站及閥門井，安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有：滲壓監(jiān)測(cè)、土壓力監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、降雨量監(jiān)測(cè)等。監(jiān)測(cè)站信息采集系統(tǒng)主要包括，自動(dòng)采集單元（MCU）、交換機(jī)、無(wú)線通訊模塊、供電設(shè)施、機(jī)柜、接地裝置、應(yīng)用系統(tǒng)等。該自動(dòng)化系統(tǒng)最終預(yù)計(jì)接入各類傳感器900余支，配置自動(dòng)采集單元（MCU）70余臺(tái)。因此，結(jié)合中線配套工程的特點(diǎn)，建立一套穩(wěn)定、可靠的自動(dòng)化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)整體規(guī)劃、全面考慮，更需要合理運(yùn)用先進(jìn)的信息化技術(shù)，確保系統(tǒng)的及時(shí)、準(zhǔn)確。

3 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)的管理結(jié)構(gòu)

從管理機(jī)構(gòu)設(shè)置上，自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分成三個(gè)層次，即省管理局安全監(jiān)測(cè)中心、各市管理處工作站和現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

省管理局安全監(jiān)測(cè)中心收集各管理處上報(bào)的所轄范圍內(nèi)建筑物運(yùn)行安全狀況信息和結(jié)構(gòu)異常信息，并對(duì)結(jié)構(gòu)異常信息進(jìn)行綜合分析、核查和會(huì)商，提出處理意見和制定安全應(yīng)急預(yù)案，并對(duì)數(shù)據(jù)分析和建筑物的評(píng)判信息進(jìn)行發(fā)布。

市管理處工作站主要是通過數(shù)據(jù)測(cè)量控制單元（MCU）把接入本單元的各類傳感器數(shù)據(jù)按照規(guī)定的時(shí)間間隔采集上來(lái)，將人工觀測(cè)數(shù)據(jù)、巡視檢查等信息輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)，并按照規(guī)定的要求通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送至管理局安全監(jiān)測(cè)中心。

現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)測(cè)量控制單元（MCU）、各類傳感器、供電設(shè)施、底層通訊設(shè)施等。自動(dòng)化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 自動(dòng)化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

從系統(tǒng)的功能劃分,結(jié)構(gòu)可分成三個(gè)層次，應(yīng)用層、通信層和采集層。第一層：應(yīng)用層：應(yīng)用層也叫數(shù)據(jù)的管理與分析評(píng)價(jià)層，主要包括管理局的安全監(jiān)測(cè)中心、各工程管理處監(jiān)測(cè)站所建立的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入、處理、管理、分析以及綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)。第二層：通信層：系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信層包括本地局域網(wǎng)通信、廣域網(wǎng)通信兩部分。應(yīng)用層通信采用全交換式以太網(wǎng)作為骨干網(wǎng)絡(luò)，通過高檔次交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)與各子系統(tǒng)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，具體的連接情況見計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專題。第三層：采集層：現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集層由MCU、傳感器以及通信設(shè)備等組成，獨(dú)立完成本地安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和管理功能。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

4.1 數(shù)據(jù)采集

測(cè)量控制單元（MCU）是該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)物理量的測(cè)量、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等功能。MCU由機(jī)箱、智能采集模塊、接口模塊、人工比測(cè)模塊和電源模塊組成。智能采集模塊是MCU的核心，主要由CPU、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通信電路、測(cè)量電路等組成，它控制MCU的接口切換、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和通信等；由于MCU一般工作環(huán)境惡劣，機(jī)箱均需采用全密封防水機(jī)箱；電源模塊由電源、變送器、充電器及電源端子等組成；接口模塊由切換電路和防雷電路組成，每支傳感器接入MCU時(shí)均與避雷器相接；人工比測(cè)模塊提供人工比測(cè)切換接口。

4.2 通信網(wǎng)絡(luò)

該自動(dòng)化系統(tǒng)采用全分布式智能節(jié)點(diǎn)控制開放型的全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通信網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)與無(wú)線傳輸相結(jié)合的方式。安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)泵站監(jiān)測(cè)站的所有MCU采用RJ45網(wǎng)絡(luò)通信連接到本系統(tǒng)的交換機(jī)，再經(jīng)由網(wǎng)線連接到泵站網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上），這樣RJ45網(wǎng)絡(luò)通信接口與三層交換機(jī)相連，進(jìn)而與配置在安全監(jiān)測(cè)中心、工程管理處的上級(jí)計(jì)算機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接。每個(gè)RJ45網(wǎng)絡(luò)通信接口均有自己唯一的MAC地址，這樣通過三層交換機(jī)使得網(wǎng)絡(luò)上的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠訪問所有的MCU。

無(wú)線傳輸方面，由于部分閥門井監(jiān)測(cè)站距離主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，對(duì)此部分監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用無(wú)線傳輸方式，即在每個(gè)閥門井房監(jiān)測(cè)站都設(shè)置一套無(wú)線發(fā)送裝置，由無(wú)線數(shù)據(jù)接收裝置通過外網(wǎng)采集無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)可采用3G/4G等網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)詳見圖2。

圖2 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4.3 供電

4.3.1 市電供電

泵站監(jiān)測(cè)站和就近引設(shè)供電的監(jiān)測(cè)站均采用市電供電，市電引入測(cè)站后首先接入電源防雷器（防浪涌保護(hù)裝置），并且在電源防雷器的下端配置一套穩(wěn)壓電源，在穩(wěn)壓電源的旁路配置1組免維護(hù)蓄電池組作為備用電源，蓄電池組容量按150Ah/12V配置，以在停電時(shí)為MCU、通信設(shè)備供電。市電供電的電源系統(tǒng)詳見圖3。

圖3 市電供電電源系統(tǒng)圖

4.3.2 太陽(yáng)能供電

無(wú)法引設(shè)市電的監(jiān)測(cè)站全部采用太陽(yáng)能供電方式。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)按50 W單晶硅、蓄電池組容量按150 Ah/12 V考慮，蓄電池輸出電壓全部采用DC12 V，轉(zhuǎn)換效率不低于17.50%，抗風(fēng)強(qiáng)度不低于7級(jí)抗風(fēng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，工作溫度：-40～90℃，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖4。

圖4 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)圖

4.4 應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件應(yīng)能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、工程性態(tài)的離線分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、報(bào)表制作、圖文資料瀏覽、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、監(jiān)控模型管理及安全評(píng)估等功能。將離線分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的結(jié)果以直觀的圖形或窗口形式供有關(guān)管理人員掌握和了解水工建筑物的各項(xiàng)指標(biāo)，如變形情況、滲流情況、警界值、分析擬合值等等。同時(shí)能將在線監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)資料的離線分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、報(bào)表制作、圖文資料瀏覽、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、測(cè)點(diǎn)信息管理、監(jiān)控模型管理及安全評(píng)估的結(jié)果和各項(xiàng)參數(shù)、指標(biāo)以表格的形式供工程技術(shù)人員掌握和了解，如變形情況、警界值、分析擬合值、數(shù)據(jù)模型的形式、各影響因子的顯著性、離散度、可靠性、溫度、開合度、位移量、變幅、歷史最大值、歷史最小值等等。

5 結(jié)語(yǔ)

河南省南水北調(diào)配套工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)作為“河南省南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程自動(dòng)化調(diào)度與運(yùn)行管理決策支持系統(tǒng)”重要的子系統(tǒng)，承擔(dān)著確保整個(gè)供水配套工程安全運(yùn)行和安全管理的重要角色，只有運(yùn)用先進(jìn)的水利和信息化技術(shù)，全面、及時(shí)地采集工程數(shù)據(jù)，快速進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，安全可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，才能最終實(shí)現(xiàn)工程安全管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化。

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V698.1

A

1673-8853（2017）11-0084-03

李毅男（1985-），男，工程師，主要從事大壩安全監(jiān)測(cè)工作。

2017-8-25

編輯：劉長(zhǎng)垠