智能水電廠安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

殷召生，鄭 煒，尤萬方

[1.南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211100；2.華電福新能源股份有限公司古田溪水力發(fā)電廠，福建省古田縣 352200]

0 引言

隨著水電廠“無人值班”（少人值守）以及水電廠集中監(jiān)控等運(yùn)行模式迅速普及，智能水電廠安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的重要性已經(jīng)日趨顯現(xiàn)，它為水電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要保障，已成為水電廠安全運(yùn)行和生產(chǎn)必需的技術(shù)手段，目前大部分水電廠已安裝了工業(yè)電視、門禁、消防系統(tǒng)以對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行提供安全保障，但是各個(gè)子系統(tǒng)是采用不同品牌設(shè)備，未形成的統(tǒng)一功能標(biāo)準(zhǔn)和接口標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)源分散，各個(gè)子系統(tǒng)報(bào)警信息的存儲(chǔ)、處理等缺少統(tǒng)一管理，特別是在發(fā)生安全事件時(shí)，各個(gè)子系統(tǒng)在處理報(bào)警信息時(shí)無法有效銜接互動(dòng)，管理人員面對(duì)不同系統(tǒng)的海量警報(bào)無法迅速做出正確決策，導(dǎo)致水電廠安防系統(tǒng)的作用無法充分地發(fā)揮，影響了安全防護(hù)的效果。

針對(duì)這些問題，安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)采用統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的綜合一體化的思路，首先將計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等全部按照統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，將各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息集成，形成具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，并通過一體化管控平臺(tái)進(jìn)行集中展示、聯(lián)合控制，最大程度地發(fā)揮安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的功能效果，協(xié)助管理人員提高緊急狀態(tài)下安全決策的能力。

1 主要功能設(shè)計(jì)

智能水電廠安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)是通過對(duì)水電廠各個(gè)安防系統(tǒng)功能的整合、優(yōu)化及管理，與電廠各個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行子系統(tǒng)協(xié)同工作，運(yùn)用智能分析、智能告警、聯(lián)動(dòng)控制等技術(shù)手段，共同保障智能水電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)主要功能如下：

（1）各種類型數(shù)據(jù)信息收集與建模。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)水電廠多方位、全天候的狀態(tài)監(jiān)視，需要高度集成水電廠內(nèi)所有子系統(tǒng)，如工業(yè)電視、消防系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等，通過對(duì)這些不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)類型進(jìn)行統(tǒng)一建模、提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，為水電站的安全運(yùn)行提供完整的數(shù)據(jù)信息。

（2）所有數(shù)據(jù)共享、集中管理、統(tǒng)一處理。

（3）自動(dòng)巡檢。

水電廠自動(dòng)巡檢包括實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控功能、定時(shí)自動(dòng)巡檢、自動(dòng)巡檢記錄等內(nèi)容，用設(shè)備代替人工對(duì)水電站的場(chǎng)地和設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)巡檢。通過固定式、移動(dòng)式視頻監(jiān)控設(shè)備，根據(jù)預(yù)先配置的巡檢策略、巡檢路線，動(dòng)態(tài)獲得電廠關(guān)鍵設(shè)備的高清視頻、圖像，并對(duì)異?，F(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、報(bào)警或觸發(fā)聯(lián)動(dòng)控制。

（4）智能聯(lián)動(dòng)。

水電廠安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)可以和電廠內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)方式進(jìn)行信息交互，通過各種類型的數(shù)據(jù)采集，安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)可以對(duì)影響水電廠運(yùn)行的因素進(jìn)行全方位、多手段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)以“智能聯(lián)動(dòng)”為核心，采用數(shù)據(jù)綜合分析方法，可以自動(dòng)判斷出各種類型的異常情況，并可實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，消除異常情況造成的不良影響，保障水電廠的安全運(yùn)行。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能水電廠安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)位于一體化管控平臺(tái)的安全Ⅲ區(qū)，各個(gè)子系統(tǒng)分別位于電力系統(tǒng)生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)，為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)安全大區(qū)的數(shù)據(jù)貫通大區(qū)之間需要部署正反向隔離裝置[1]，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了與視頻監(jiān)控、智能門禁、火災(zāi)報(bào)警及消防等子系統(tǒng)的對(duì)接；對(duì)這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，采用優(yōu)化的管理、檢測(cè)、預(yù)警以及聯(lián)動(dòng)控制等一系列的技術(shù)手段，從而保證水電廠的安全運(yùn)行；完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要由一體化平臺(tái)應(yīng)用主機(jī)以及數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器、傳輸設(shè)備以及各類子系統(tǒng)等組成，各個(gè)子系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行；也可以接受安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的控制，這樣各種各樣的子系統(tǒng)就可以相互配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電廠內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)督和聯(lián)動(dòng)控制。

整個(gè)系統(tǒng)以應(yīng)用主機(jī)為核心，完成對(duì)各類子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制。在維持現(xiàn)有各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的前提下，應(yīng)用主機(jī)可以直接與某些子系統(tǒng)通信，也可以采集一體化管控平臺(tái)的共享數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)視頻及其他各種生產(chǎn)信息的采集和聯(lián)動(dòng)控制。

總部位于德國(guó)亞琛的FEV集團(tuán)是一家國(guó)際化動(dòng)力系統(tǒng)及整車開發(fā)的國(guó)際服務(wù)供應(yīng)商。針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)及整車，F(xiàn)EV可以提供從概念設(shè)計(jì)到最終批量生產(chǎn)的全部咨詢、開發(fā)、測(cè)試等服務(wù)。除了傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的開發(fā)、整車集成、標(biāo)定以及汽油機(jī)柴油機(jī)本地化等業(yè)務(wù)，F(xiàn)EV將把重點(diǎn)放在混合動(dòng)力、電驅(qū)動(dòng)以及可替代能源領(lǐng)域。同時(shí)，F(xiàn)EV的專家團(tuán)隊(duì)也專注在電子控制系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)以及自動(dòng)駕駛等先進(jìn)技術(shù)。

3 關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 智能聯(lián)動(dòng)

智能聯(lián)動(dòng)功能是安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，包括工業(yè)電視系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、告警系統(tǒng)等之間的聯(lián)動(dòng)，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)由安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)軟件以及各類需要聯(lián)動(dòng)的子系統(tǒng)間通過聯(lián)動(dòng)信息的交互解析實(shí)現(xiàn)。其聯(lián)動(dòng)過程主要是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，各類信息根據(jù)業(yè)務(wù)需求的規(guī)劃將聯(lián)動(dòng)方案制定成標(biāo)準(zhǔn)流程，再由軟件平臺(tái)下達(dá)，各聯(lián)動(dòng)子系統(tǒng)在接收到相應(yīng)的指令后解析并執(zhí)行，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)需合理規(guī)劃聯(lián)動(dòng)模式、聯(lián)動(dòng)策略，建立符合用戶日常操作習(xí)慣及符合電力安全生產(chǎn)規(guī)范的一套流程，并通過相互間的消息通信機(jī)制來完成整個(gè)聯(lián)動(dòng)過程。

具體聯(lián)動(dòng)策略包含：①消防系統(tǒng)與門禁系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)策略；②工業(yè)電視與門禁系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)策略；③工業(yè)電視與五防系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)策略；④機(jī)組開停機(jī)與工業(yè)電視的聯(lián)動(dòng)策略；⑤大壩閘門啟閉與工業(yè)電視的聯(lián)動(dòng)策略。

圖1 安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of security linkage system

舉例說明，實(shí)現(xiàn)開停機(jī)操作是水電廠的基本要求。在開停機(jī)操作過程中，各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)可通過實(shí)時(shí)的聯(lián)動(dòng)視頻圖像來核實(shí)，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)與攝像頭的聯(lián)動(dòng)，一般需要：

a. 在安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中建立攝像機(jī)編號(hào)，運(yùn)維人員可將此編號(hào)的攝像頭預(yù)置固定方位、觀察角度和焦距調(diào)整至最佳。

b. 建立攝像機(jī)編號(hào)與各個(gè)子設(shè)備狀態(tài)變化事件的映射關(guān)系。當(dāng)某個(gè)設(shè)備的狀態(tài)變化時(shí)，此時(shí)攝像球機(jī)將轉(zhuǎn)到相應(yīng)的特定預(yù)置，值班人員可觀察設(shè)備的狀態(tài)，由運(yùn)行操作人員校驗(yàn)執(zhí)行結(jié)果。

3.2 智能巡檢

智能巡檢主要采用智能分析、巡檢規(guī)劃、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等技術(shù)對(duì)電廠環(huán)境及部分設(shè)備的溫度、濕度、表計(jì)、開關(guān)狀態(tài)、甚至設(shè)備的外觀狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)視，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。智能巡檢可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的所有監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行圖像自動(dòng)巡檢，同時(shí)結(jié)合智能分析應(yīng)用，在巡檢過程中可以自動(dòng)分析識(shí)別主要監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)、儀器儀表讀數(shù)，并把結(jié)果自動(dòng)反饋給軟件平臺(tái)，平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)及智能分析，判斷儀器設(shè)備的安全程度，超過閾值則自動(dòng)報(bào)警或觸發(fā)聯(lián)動(dòng)控制，從而達(dá)到智能巡檢的目的。

3.3 智能告警

在規(guī)模較大的流域水電廠中，接入安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量和類型很多，各項(xiàng)實(shí)時(shí)參數(shù)內(nèi)容繁雜，運(yùn)行人員需要高度集中精力才能實(shí)時(shí)掌控電廠異常情況。盡管這樣，報(bào)警信息仍無法避免疏忽遺漏，只有安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)軟件平臺(tái)具有設(shè)備異常智能警報(bào)機(jī)制才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，通知維護(hù)人員迅速采取有效措施以防止安全事故的發(fā)生，報(bào)警模塊應(yīng)能對(duì)告警信息綜合判斷和分析，排除信號(hào)誤報(bào)，給出初步分析結(jié)果以及處理意見，并能夠與音視頻、短信、聲光等告警方式有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)告警的智能化。

3.4 智能視頻分析

系統(tǒng)可采用具有智能分析功能的攝像機(jī)，內(nèi)置嵌入式視頻分析軟件，可以在視頻圖像中設(shè)定周界，檢測(cè)周界入侵，針對(duì)進(jìn)入設(shè)定禁入?yún)^(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，可支持人員車輛自定跟蹤，周界設(shè)置，支持單向越界和雙向越界，支持監(jiān)控范圍內(nèi)多條絆線設(shè)置，能夠區(qū)分不同絆線，支持多目標(biāo)同時(shí)越界檢測(cè)，能夠區(qū)分并識(shí)別所有目標(biāo)，區(qū)分目標(biāo)越界方向；檢測(cè)出上述信號(hào)后，安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)可按照用戶設(shè)置的規(guī)則觸發(fā)報(bào)警或聯(lián)動(dòng)控制。

3.5 門禁管理

統(tǒng)一管理水電廠的門禁系統(tǒng)，對(duì)水電廠門禁控制單元進(jìn)行監(jiān)視及控制、查看進(jìn)出數(shù)據(jù)或事件；在安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)平面圖上監(jiān)視和控制門禁系統(tǒng)所有受控門狀態(tài)；對(duì)受控門進(jìn)行控制時(shí)，可以自動(dòng)彈出視頻畫面；當(dāng)有異常報(bào)警時(shí)可以自動(dòng)打開指定的受控門禁。

4 軟件開發(fā)

系統(tǒng)采用SqlLite + JAVA Swing開發(fā)技術(shù)，服務(wù)器端使用J2EE架構(gòu)，采用Spring＋Mybatis＋Struts2構(gòu)架模式，客戶端結(jié)合B/S瀏覽器展示方式，方便不同用戶不受地域限制的進(jìn)行安防信息的查看、操控，軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)采用CAD電子地圖的方式將安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的前端設(shè)備直觀的進(jìn)行展示，通過構(gòu)建Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)豐富的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)每一個(gè)前端設(shè)備的信息采集、控制，同時(shí)建立了符合電廠實(shí)際需要的聯(lián)動(dòng)匹配策略，有效地支持了各個(gè)安防子系統(tǒng)在緊急狀態(tài)下的聯(lián)合動(dòng)作。

（1）采用B/S架構(gòu)。

本系統(tǒng)采用了主流的B/S架構(gòu)來構(gòu)建。采用了B/S結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)用戶無需安裝客戶端軟件，只要通過瀏覽器就能使用系統(tǒng)。B/S架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)置方便，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行人員很容易熟練掌握。需要進(jìn)行系統(tǒng)配置更新時(shí)只需要更新服務(wù)器即可，無需去更新每個(gè)客戶端，大大提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

（2）AJAX技術(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息無刷新顯示，系統(tǒng)采用了AJAX技術(shù)。通過AJAX技術(shù)，智能安防管理系統(tǒng)在瀏覽器與Web服務(wù)器之間進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸（HTTP請(qǐng)求），這樣就可使網(wǎng)頁(yè)從服務(wù)器請(qǐng)求少量的信息來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)局部刷新，從而避免為了顯示報(bào)警信息而要重刷整個(gè)頁(yè)面的問題。

（3）服務(wù)器推送（PUSH）技術(shù)。

圖2 安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖Fig.2 Software architecture diagram of security linkage system

服務(wù)器推送（PUSH）技術(shù)是一種建立在客戶服務(wù)器上的機(jī)制，就是由服務(wù)器主動(dòng)將信息發(fā)往客戶端的技術(shù)。同傳統(tǒng)的拉（PULL）技術(shù)相比，最主要的區(qū)別在于推送（PUSH）技術(shù)是由服務(wù)器主動(dòng)向客戶機(jī)發(fā)送信息，而拉（PULL）技術(shù)則是由客戶機(jī)主動(dòng)請(qǐng)求信息。PUSH技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于信息的主動(dòng)性和及時(shí)性。使用了PUSH技術(shù)后智能安防管理系統(tǒng)能及時(shí)地對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行處理并及時(shí)地將報(bào)警信息推送到所有的瀏覽器網(wǎng)頁(yè)上，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警信息實(shí)時(shí)展示。同時(shí)PUSH技術(shù)能有效地減少客戶端瀏覽器與服務(wù)器的交互，從而減輕服務(wù)器的壓力。

該應(yīng)用組件由數(shù)據(jù)總線層、服務(wù)層和應(yīng)用層組成，可運(yùn)行在智能一體化管控平臺(tái)之上。數(shù)據(jù)總線層為系統(tǒng)內(nèi)外數(shù)據(jù)提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，為系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)模塊提供透明的數(shù)據(jù)訪問及消息傳送接口。服務(wù)層為用戶維護(hù)統(tǒng)一的管理和配置服務(wù)；模型服務(wù)、圖形服務(wù)等服務(wù)模塊構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層，它為系統(tǒng)提供基本的應(yīng)用功能[2]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合現(xiàn)階段智能水電廠技術(shù)現(xiàn)狀，高度整合水電廠各個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)水電廠安防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了各類信息的集中采集、分析和展示，而且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間的智能聯(lián)動(dòng)，消除了水電廠各個(gè)子系統(tǒng)“信息孤島”的局面，提高了水電廠的智能化管理水平，該系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣，對(duì)提高水電廠運(yùn)行的安全性、可靠性，提高運(yùn)行和管理的智能化，有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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[2] 高磊，李永紅，鄭健兵.智能水電廠一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2012，36（1）：11-14.GAO Lei，LI Yonghong，ZHENG Jianbing . Design of global data platform for smart hydropower plants[J]. Hydropower Automation and Dam Monitoring，2012，36（1）：11-14.