物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大型水電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

韓 笑王愷侖牛廣利黃躍文

(1.長江科學(xué)院 工程安全與災(zāi)害防治研究所,武漢 430010； 2.長江科學(xué)院 水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心,武漢 430010； 3.長江科學(xué)院 國家大壩安全工程技術(shù)研究中心,武漢 430010)

1 研究背景

大型水電站的安全監(jiān)測儀器數(shù)量較多，人工觀測工作量非常大。為適應(yīng)水電站管理的需要，運(yùn)行期建設(shè)監(jiān)測自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸、資料整理分析以及決策是必要的。采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)的采集裝置受限于組網(wǎng)技術(shù)特點，在大型水電站安全監(jiān)測中只能形成小規(guī)模的局部自動化系統(tǒng)。依托物聯(lián)網(wǎng)(M2M)概念及技術(shù)發(fā)展的新型數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)突破了傳統(tǒng)組網(wǎng)模式中采集單元的數(shù)量限制，智能數(shù)據(jù)采集裝置、智能傳感器等各自具有獨立IP地址，使得建設(shè)大型全面安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)成為可能。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。其英文名稱為“Internet of Things(IoT)”,即物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。M2M是物聯(lián)網(wǎng)四大支撐技術(shù)之一,M2M是“Machine-to-Machine”的縮寫，用來表示機(jī)器對機(jī)器之間的連接與通信[1]。M2M技術(shù)覆蓋和擴(kuò)展了工業(yè)信息化中傳統(tǒng)的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)。M2M系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)一樣，行使設(shè)備數(shù)據(jù)收集和遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)測工作，區(qū)別在于M2M系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)采用很多標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件(如XML，WebServices/SOA等)，而傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)基本上還基于陳舊的C/S架構(gòu)[2]。

M2M系統(tǒng)的基本特征是其基本結(jié)構(gòu)由以下3個部分組成：①數(shù)據(jù)和節(jié)點(Data End Point,DEP)；②通信網(wǎng)絡(luò)；③數(shù)據(jù)融合點(Data Integration Point, DIP)。一個數(shù)據(jù)端點可以是智能數(shù)據(jù)采集裝置、智能儀器、或者一個連接到程序更高層次子系統(tǒng)的端點。M2M應(yīng)用的通信網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)終點和數(shù)據(jù)融合點之間的連接部分。就物理部分來說，這種網(wǎng)絡(luò)的建立可以使用局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)及無線網(wǎng)絡(luò)等，數(shù)據(jù)融合點一般而言是一個大型軟件平臺負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和分析及管理[1]。

3 溪洛渡水電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)規(guī)模及結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)規(guī)模和特點

(1)測點數(shù)量多、范圍廣，監(jiān)測項目全。接入溪洛渡安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的測點范圍涵蓋了大壩、水墊塘、兩岸高邊坡、兩岸地下廠房等樞紐區(qū)主要建筑物；監(jiān)測項目包括內(nèi)觀變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度等，大壩強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)、垂線系統(tǒng)、引張線系統(tǒng)和靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)等也接入安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。溪洛渡水電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)部署了80個監(jiān)測站，共378臺自動化數(shù)據(jù)采集單元，是國內(nèi)大規(guī)模使用智能大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集終端和軟件平臺的標(biāo)志性工程。

(2)監(jiān)測儀器種類多，監(jiān)測數(shù)據(jù)量大。監(jiān)測儀器包含了振弦式、差阻式、CCD式、磁致伸縮式等類型的傳感器，溪洛渡水電站樞紐區(qū)安全監(jiān)測體系共布置各種監(jiān)測儀器約5 110個(套、組、支、臺、座)，按測點計數(shù)約為9 553個，接入監(jiān)測自動化系統(tǒng)的測點總數(shù)約為6 830個，自動化測點數(shù)占整個樞紐區(qū)安全監(jiān)測體系測點數(shù)的71.5%。資料整理及分析工作量大。

(3)運(yùn)行環(huán)境較惡劣。大壩廊道內(nèi)濕度大，地下廠房內(nèi)電氣設(shè)備多、電磁干擾大，邊坡易受大壩泄洪帶來的霧化影響。

(4)與國內(nèi)已建成的大中型水電工程監(jiān)測系統(tǒng)[3]相比較，溪洛渡安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)主要先進(jìn)性體現(xiàn)在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開發(fā)框架進(jìn)行開發(fā)、采用B/S工作模式，從而實現(xiàn)了通用化平臺設(shè)計、多終端系統(tǒng)應(yīng)用、智能電子化巡檢、專業(yè)資料分析等功能。同時該系統(tǒng)支持自動化采集單元的并發(fā)采集并發(fā)傳輸，能極大地提高采集速度及觀測效率。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)采用M2M技術(shù)構(gòu)建溪洛渡安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，大量使用基于物聯(lián)網(wǎng)理念及技術(shù)生產(chǎn)的智能采集裝置[4]。如CK-MCU自動化數(shù)據(jù)采集單元采用嵌入式平臺進(jìn)行設(shè)計，依托物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合水庫大壩安全監(jiān)測具體需求設(shè)計生產(chǎn)。除傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元的功能外，具有原生以太網(wǎng)接口，內(nèi)置藍(lán)牙通信模塊，可擴(kuò)展接入3G，4G，ZIGBEE，NB-IOT，GPRS，WIFI，數(shù)傳電臺等通信模塊。支持在線升級，遠(yuǎn)程更新固件，可根據(jù)用戶需求定制化修改功能，遠(yuǎn)程部署程序。CK-MCU是繼分布式采集模塊和通道復(fù)用式模塊后的第3代安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集裝置。在邊坡等偏遠(yuǎn)位置采用整合射頻無線技術(shù)CK-LAT低功耗采集單元，同時對于傳統(tǒng)的總線式數(shù)傳儀器配置了CK-485分布式數(shù)據(jù)采集儀。溪洛渡安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的所有前端采集單元及儀器全部基于M2M技術(shù)的DEP化，成為大規(guī)模組網(wǎng)的基礎(chǔ)條件。

(2)安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)依托M2M技術(shù)，采用分布式、多級連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)型式。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分監(jiān)測站(視為DEP)、監(jiān)測管理站(視為DEP)、監(jiān)測中心站(視為DIP)多級布置、監(jiān)測站與監(jiān)測管理站之間、監(jiān)測管理站與監(jiān)測中心站之間均采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通訊，個別偏遠(yuǎn)的監(jiān)測站(DEP)采用無線通訊的方式實現(xiàn)與監(jiān)測管理站的通訊(見圖1)。

圖1 溪洛渡水電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Network of safety monitoring automation system for Xiluodu Hydropower Station

與國內(nèi)已建成的大部分安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng)C/S架構(gòu))不同，采用M2M技術(shù)的溪洛渡水電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)各層級之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)全部為星形拓?fù)?，主要通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)通訊，數(shù)據(jù)單元以各自的IP地址為識別標(biāo)識。而傳統(tǒng)系統(tǒng)采用總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配合RS485通訊協(xié)議組網(wǎng)，數(shù)據(jù)單元以485地址碼為識別標(biāo)識[5]。溪洛渡水電站安全自動化系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)系統(tǒng)中專用的RS485采集控制計算機(jī)，采用物聯(lián)網(wǎng)概念的DEP與DIP數(shù)據(jù)交換方式，因此系統(tǒng)在節(jié)點數(shù)量、通訊距離、通訊速度、穩(wěn)定性方面有很大優(yōu)勢。RS485與TCP/IP技術(shù)指標(biāo)對比見表1。

表1 RS485與TCP/IP技術(shù)指標(biāo)對比Table 1 RS485 and TCP/IP technical indicators

3.3 安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)

圖2 溪洛渡水電站安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Framework of the information management for safety monitoring system of Xiluodu Hydropower Station

溪洛渡水電站安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)大量采用基于M2M技術(shù)特點的新一代軟件開發(fā)與信息化集成技術(shù)，充分保障系統(tǒng)的先進(jìn)性。同時采用各類開發(fā)平臺與框架的穩(wěn)定性版本，保證溪洛渡水電站安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)具有很好的先進(jìn)性、穩(wěn)定性、兼容性、擴(kuò)展性，并具備很強(qiáng)的二次開發(fā)優(yōu)勢，便于后期擴(kuò)展功能，從而達(dá)到最大程度地滿足建設(shè)方各類需求的目的。溪洛渡水電站安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)除實現(xiàn)監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)采集、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和資料分析等功能外，還完成對水墊塘已實施的半自動化系統(tǒng)、水文氣象在線監(jiān)測系統(tǒng)、大壩強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)和GNSS監(jiān)測系統(tǒng)的DEP融合，形成統(tǒng)一的溪洛渡水電站工程安全監(jiān)測管理與分析平臺，符合溪洛渡水電站安全監(jiān)測實際工作需求。

溪洛渡水電站安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)軟件依托溪洛渡水電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)硬件，著力提高系統(tǒng)的自動化程度，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集、傳輸、通訊、存儲和數(shù)據(jù)處理。建立一套快捷、高效、方便的大壩安全監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，降低了現(xiàn)場工作人員工作強(qiáng)度，達(dá)到無人值班、少人值守的目的。

該系統(tǒng)除自動化數(shù)據(jù)采集外，還具有便攜式記錄存儲器輸入接口、人工觀測數(shù)據(jù)的鍵入和遠(yuǎn)程控制自動化數(shù)據(jù)采集，完善對外信息傳輸接口功能。該系統(tǒng)采用基于M2M技術(shù)的B/S模式開發(fā)，具有良好的人機(jī)對話環(huán)境、良好的視圖設(shè)計和繪圖功能，支持圖形、表格、文字等各類信息的綜合顯示、輸出，支持分析人員交互式完成綜合分析推理。系統(tǒng)功能完善、操作簡便。

圖3 溪洛渡水電站安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)Fig.3 Main interface of the safety monitoring information management system for Xiluodu Hydropower Station

4 系統(tǒng)建設(shè)成果及后期功能擴(kuò)展

4.1 系統(tǒng)建設(shè)成果

溪洛渡水電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)自2018年3月起開始建設(shè)，截至2018年底，已完成了41個監(jiān)測站、178臺數(shù)據(jù)采集單元的安裝調(diào)試，接入3 700余測點(大壩所有已安裝的內(nèi)觀測點均已接入)；安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)軟件同步上線并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和報送功能(見圖3)。系統(tǒng)建設(shè)期間，進(jìn)行了多次自動化系統(tǒng)與人工觀測的對比測試，比測結(jié)果顯示，自動化系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與人工觀測的數(shù)據(jù)吻合性較好，典型結(jié)果見圖4。星形拓?fù)渑浜蟃CP/IP協(xié)議的組網(wǎng)形式達(dá)到了預(yù)期的效果，3 700多個測點完成一次實時觀測的時間在150～300 s之間。系統(tǒng)采用的并發(fā)采集并發(fā)傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ?，相比國?nèi)現(xiàn)有大型安全監(jiān)測系統(tǒng)[3]的并發(fā)采集隊列傳輸工作模式，能極大地提高系統(tǒng)觀測效率。

圖4 比測數(shù)據(jù)過程線對比Fig.4 Comparison of measurement data processes

4.2 系統(tǒng)后期功能擴(kuò)展

溪洛渡水電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)及建設(shè)，能快速進(jìn)行功能擴(kuò)展，如實現(xiàn)智能巡視檢查，以及擴(kuò)大系統(tǒng)規(guī)模，實現(xiàn)梯級電站大壩群監(jiān)測自動化系統(tǒng)[6]。

(1)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的電子標(biāo)簽技術(shù)，該系統(tǒng)可以通過手機(jī)采集巡檢過程中的圖像、視頻、音頻信息，記錄巡檢軌跡，形成規(guī)范化的巡視檢查制度，并且能夠根據(jù)巡檢規(guī)程自動推送巡檢任務(wù)，提醒巡檢人員及時完成巡視檢查工作；另外，還能夠?qū)ρ矙z工作進(jìn)行考核。巡視檢查作為安全監(jiān)測工作中的重要組成部分，通過電子化智能巡檢顯著提升工程安全管理及應(yīng)急決策水平。

(2)基于通用化系統(tǒng)平臺的溪洛渡水電站安全監(jiān)測管理系統(tǒng)，未來能夠很好地接入三峽建設(shè)管理公司正在實施的大壩安全監(jiān)測分析系統(tǒng)，快捷地實現(xiàn)溪洛渡水電站與成都綜合安全監(jiān)測中心之間有序的數(shù)據(jù)交換與系統(tǒng)集成，實現(xiàn)梯級電站智能化安全監(jiān)測、智能化調(diào)度。

5 結(jié) 語

基于M2M物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)的溪洛渡水電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)已初步建成，在對數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行充分的論證后，可分批進(jìn)入試運(yùn)行期，并按規(guī)范要求進(jìn)行考核。未來溪洛渡外觀自動化逐步實施并投入運(yùn)行后，整個溪洛渡水電站可實現(xiàn)大壩運(yùn)行性態(tài)的實時綜合分析，為運(yùn)行管理單位及上級主管部門提供安全運(yùn)行管理方面的重要決策支持，對提高水電站運(yùn)行維護(hù)水平起到重要的作用。