壩群綜合安全監(jiān)測與評估預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

周錫瑯，蔡 杰，向 南，吳 駿

[南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 210003]

0 引言

目前國內(nèi)外的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)雖然具有了一定的水平，但這些系統(tǒng)還是存在一定的局限性。老式系統(tǒng)的軟件層次結(jié)構(gòu)都還滯留在傳統(tǒng)二層C/S模式，沒有采用面向服務(wù)這個新的軟件架構(gòu)，而且這些系統(tǒng)只能管理單個大壩，對多個大壩的集成管理顯得無能為力，有些集成方案是將多座大壩的數(shù)據(jù)簡單匯總到一個數(shù)據(jù)庫中，并用老式的單個壩管理系統(tǒng)來進(jìn)行集成地管理，這種集成方式需要形成各個壩的信息到集成中心庫的映射關(guān)系，其內(nèi)部邏輯復(fù)雜，維護(hù)成本極高。

隨著大壩及工程安全監(jiān)測自動化程度越來越高，對于相應(yīng)軟件應(yīng)用系統(tǒng)的需求也越來越復(fù)雜，基于多個電站的統(tǒng)一安全管理也是目前提高大壩安全監(jiān)測效率的迫切要求，為了實(shí)現(xiàn)多個電站安全監(jiān)測的統(tǒng)一管理，以及大壩及工程安全監(jiān)測可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)，需要有滿足現(xiàn)今需求的軟件自動化控制系統(tǒng)，以解決目前系統(tǒng)存在的缺陷[1]。

壩群綜合安全監(jiān)測與評估預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，為各水電站大壩與工程安全監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)提供了一個采集、處理、保存、分析的統(tǒng)一平臺，系統(tǒng)靈活的部署方式可以實(shí)現(xiàn)分布式多座大壩的服務(wù)集成，硬件設(shè)備通過該平臺接入計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，是安全監(jiān)測實(shí)際運(yùn)行的平臺，該平臺的性能很大程度上決定了安全監(jiān)測運(yùn)行的狀況與效率，是流域大壩與工程安全監(jiān)測中重要的平臺之一。

1 系統(tǒng)設(shè)計

壩群綜合安全監(jiān)測與評估預(yù)警系統(tǒng)采用了SOA結(jié)構(gòu)，解決了在的大范圍內(nèi)對壩群安全監(jiān)控的集中管理，該系統(tǒng)將壩群系統(tǒng)打造成高度自動化、升級維護(hù)方便、可伸縮、可擴(kuò)展、界面簡潔美觀、功能齊全的強(qiáng)大系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Overall structure of the system

每個大壩子系統(tǒng)內(nèi)部由采集計算機(jī)、傳感器、測量裝置組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是分布式，系統(tǒng)中可以包括多個采集計算機(jī)，每個采集計算機(jī)可以連接多個測量模塊，每個測量模塊可以連接多個傳感器，由于采用分布式的結(jié)構(gòu)，某個節(jié)點(diǎn)的故障不會造成整個系統(tǒng)的崩潰。雖然系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，但由于采用了面向服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行分層的處理，已成功化解了系統(tǒng)的復(fù)雜性[2]。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)鋱DFigure 2 System Topology

2 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

如圖3所示，壩群綜合安全監(jiān)測與評估預(yù)警系統(tǒng)由采集、報表、圖形、評估與預(yù)警、測點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)管理和任務(wù)管理7個部分組成。

圖3 軟件設(shè)計框圖Figure 3 Software design block diagram

2.1 采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集是完全分布式的，一個管理中心要面對多座大壩子系統(tǒng)，一個大壩子系統(tǒng)中可能包括多個采集計算機(jī)，每個采集計算機(jī)可以連接多個測量模塊，每個測量模塊可以連接多個傳感器，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 采集系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 4 Topology of acquisition system

要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場少人值守就需要能在管理中心操控各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)采用分層面向服務(wù)的方法，邏輯上將管理中心和子系統(tǒng)分在一層上，子系統(tǒng)中的采集計算和采集測量裝置分為另外一層；管理中心根據(jù)服務(wù)注冊信息在各子系統(tǒng)找到執(zhí)行遠(yuǎn)程控制的代理計算機(jī)并向它的采集服務(wù)接口發(fā)出控制命令，該代理計算機(jī)再在子系統(tǒng)中根據(jù)拓?fù)湫畔⒄业街付ǖ哪繕?biāo)采集計算機(jī)并向它的采集服務(wù)接口發(fā)出控制，至于采集計算機(jī)到采集測量裝置的通信路由則由具體的采集計算機(jī)負(fù)責(zé)；通過分層處理的方式，化解了通信結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可靠地解決了分布式采集通信。

2.2 通信編解碼設(shè)計

系統(tǒng)需要在管理中心實(shí)現(xiàn)對第三方系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，在實(shí)現(xiàn)此需求的過程中各個廠家系統(tǒng)采用的硬件設(shè)備和模塊采集通信協(xié)議各不相同，想直接進(jìn)行操控是很難的，需要設(shè)計一個統(tǒng)一的遠(yuǎn)程采集控制協(xié)議，各采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)對所有系統(tǒng)的遠(yuǎn)程采集與控制。

壩群系統(tǒng)中采用了XML來描述這些信息，不僅對測點(diǎn)設(shè)計代號、測量裝置名稱可以輕松描述外，對于難以同一的標(biāo)量信息，各廠家可以將各自的釋義用文字信息返回，這樣就輕松規(guī)避了廠家間的信息差異。

例如：模塊自檢的返回信息的XML數(shù)據(jù)如圖5所示。

雖然XML編解碼因其冗余度較高會影響速度，但這種通信方式非常適用于大壩子系統(tǒng)之間的信息通信，由于簡化了通信編解碼的難度，使得該技術(shù)更利于推廣。

圖5 命令格式Figure 5 Command format

2.3 支持多協(xié)議

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供與硬件系統(tǒng)的通信和控制功能，支持在同一工程混合使用不同協(xié)議的測量模塊。

2.4 使用采集向?qū)肀O(jiān)測

系統(tǒng)提供采集命令向?qū)硪龑?dǎo)用戶配置要發(fā)送的命令，所有的采集命令都可以采用向?qū)?，使用上更加簡便。通過采集向?qū)?zhí)行配置好的采集命令，并將結(jié)果展示出來。

2.5 快捷采集窗口監(jiān)測

系統(tǒng)提供快捷采集界面，可以直接選擇模塊或者測點(diǎn)，選擇工具條上的控制命令，執(zhí)行后根據(jù)命令類型將結(jié)果顯示在不同的界面上。

在資源窗口中，系統(tǒng)在測點(diǎn)和模塊的鼠標(biāo)上下文菜單中加入了常用采集命令，可方便對模塊和測點(diǎn)的采集控制。

2.6 報表系統(tǒng)設(shè)計

提供報表和表格設(shè)計工具制作生成各類常規(guī)報表、表格及報告，包括日報、周報、月報、季報、年報及各類統(tǒng)計表等，也可按自定義格式定制報表和表格，在生成的報表和表格中提供轉(zhuǎn)換為Excel文檔、打印輸出等功能接口。

系統(tǒng)中用戶可以自由的定制需要的大壩信息報表。

2.7 圖形系統(tǒng)設(shè)計

2.7.1 布置圖定制

能夠?qū)⒍喾N類型的圖形文件（如bmp、jpg、emf、wmf等）作為布置圖背景，在布置圖上能夠放置測點(diǎn)、DAU，模塊作為操作的熱點(diǎn)對象，實(shí)時觀察最新采集到的數(shù)據(jù)，利用快捷功能菜單，可以獲取相測點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)、過程線和屬性，可以對圖中的測點(diǎn)和模塊進(jìn)行采集控制。

2.7.2 過程線圖定制

可以定制單個過程線的顯示，可以實(shí)現(xiàn)多個過程線同時顯示；過程線可以直方圖、曲線、折線圖；滑動桿拖動操作，無級放大；在過程線上設(shè)置數(shù)據(jù)評估；數(shù)據(jù)顯示有篩選功能；過程線能粗差分析；具有收藏功能。

2.7.3 分布圖定制

可以定制和輸出各種類型分布圖（如張線分布圖，揚(yáng)壓力分布圖，靜力水準(zhǔn)分布圖，浸潤線、錨索測力計圈圖等各種分布圖）。

根據(jù)查詢數(shù)據(jù)時間，分布圖可動態(tài)演示數(shù)據(jù)變化的過程。

2.7.4 相關(guān)圖定制

利用相關(guān)圖的定制功能，可以直觀地比較出測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性，同時可顯示相關(guān)系數(shù)，及相關(guān)性擬和曲線。

2.8 安全評估系統(tǒng)設(shè)計

安全評估模塊功能如圖6所示。

圖6 安全評估模塊的總體功能Figure 6 Functional structure of safety assessment

2.8.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)異常并告警：

異常測值的判別方法是采用若干檢驗(yàn)準(zhǔn)則對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，判定數(shù)據(jù)是否越限。通?？墒褂玫臋z驗(yàn)準(zhǔn)則有：

其中，ymax和ymin分別為歷史最大測值和最小測值（粗差等錯誤測值除外）。ε中為監(jiān)測量的觀測中誤差。

當(dāng)監(jiān)測成果大于上限或小于下限時，則該準(zhǔn)則檢驗(yàn)結(jié)果為測值異常。

（2）監(jiān)控指標(biāo)準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則的上、下限為已經(jīng)存在的監(jiān)測量的監(jiān)控指標(biāo)，監(jiān)控指標(biāo)應(yīng)選用設(shè)計控制值，沒有設(shè)計控制值時，可根據(jù)工程基本情況，結(jié)合多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行擬定，并需通過專家論證。

（3）監(jiān)控模型準(zhǔn)則。對監(jiān)測量進(jìn)行相關(guān)分析，建立監(jiān)控的物理模型。每次檢驗(yàn)時，先根據(jù)模型公式和因子實(shí)測數(shù)據(jù)計算對應(yīng)的模型值，再以該模型值為標(biāo)準(zhǔn)，考慮模型方程的剩余標(biāo)準(zhǔn)差，生成數(shù)據(jù)檢驗(yàn)上、下限：y+Kσ、y-Kσ。

其中，y為模型值，K是一個可調(diào)系數(shù)，通常取2～3，σ為模型的剩余標(biāo)準(zhǔn)差。

（4）變化速率準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則用來檢驗(yàn)監(jiān)測量是否存在趨勢性變化。

根據(jù)《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄六第四節(jié)，該模塊主要功能為：對需要進(jìn)行變化速率準(zhǔn)則評判的測值序列，對其每一個測值，在保證歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)系列可靠的基礎(chǔ)上，首先統(tǒng)計觀測系列的最大日升降速率，通過本次日升降速率和最大日升降速率的比較，完成測值性質(zhì)的識別—正常、異常。

2.8.2 監(jiān)測斷面、監(jiān)測部位異常并告警

監(jiān)測斷面、部位綜合評判結(jié)論來自項(xiàng)目中監(jiān)測量的異常百分率。在統(tǒng)計監(jiān)測量異常百分率過程中，要考慮到關(guān)鍵監(jiān)測項(xiàng)目中各監(jiān)測量之間有可能存在主次之分，它們在判定監(jiān)測項(xiàng)目有無異常的過程中所起的作用可能是不同的。通過準(zhǔn)則權(quán)重計算數(shù)據(jù)異常率，如超過預(yù)設(shè)的限制標(biāo)準(zhǔn)，則該斷面或部位發(fā)生異常，并給以告警[3]。

2.8.3 工程安全綜合分析評估

根據(jù)不同項(xiàng)目分配權(quán)重值。設(shè)置工程安全評判的兩個評價參數(shù)B1、B2，這兩個參數(shù)用于對工程安全狀態(tài)進(jìn)行分級評價，最后設(shè)置相同測次最大時間間隔，每個時間間隔中將只產(chǎn)生一個工程評價結(jié)果。

3 工程應(yīng)用

某壩群綜合安全監(jiān)測與評估預(yù)警系統(tǒng)是一個由多個水電站工程安全監(jiān)測系統(tǒng)作為支點(diǎn)組成的綜合性信息系統(tǒng)，主要包括工程安全監(jiān)測、實(shí)時監(jiān)控、安全運(yùn)行評估、決策支持、水電站大壩安全信息報送等各種應(yīng)用的綜合系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基礎(chǔ)是分布在各地的各水電站工程安全監(jiān)測系統(tǒng)，它們是系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的主要來源。為了實(shí)施全面的管理，并在此基礎(chǔ)上做全局性的高級分析決策，將各水電站的監(jiān)測信息有機(jī)地集成，形成綜合性管理中心。

系統(tǒng)選取船閘、左岸邊坡、右岸邊坡3個重點(diǎn)部位，采用基于原型觀測成果設(shè)計，實(shí)現(xiàn)自動檢索和判別異常測值，異常率統(tǒng)計，綜合評估與報警等功能。

表1 評判項(xiàng)目Table 1 Judgement ltems

開發(fā)過程中，首先是針對各地的各水電站工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸采用分布式結(jié)構(gòu)，在此架構(gòu)基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)采集，數(shù)據(jù)傳輸、粗差處理、成果計算、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)整編、圖表輸出、系統(tǒng)維護(hù)等基本功能，保證各水電站單個系統(tǒng)的應(yīng)用功能。在各水電站安全監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行后，利用各系統(tǒng)的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供遠(yuǎn)程采集、數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，設(shè)計統(tǒng)一的平臺集成各系統(tǒng)數(shù)據(jù)與采集功能，以各水電站為節(jié)點(diǎn)分站，公司總部為管理中心，進(jìn)行安全遠(yuǎn)程集控集成，設(shè)計多工程安全監(jiān)控管理綜合系統(tǒng)，以同一的平臺共同管理流域中個水電站的設(shè)備與監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)功能，同時進(jìn)行綜合應(yīng)用設(shè)計與開發(fā)，如流域?qū)Ш健⒕C合過程線、綜合報表等設(shè)計開發(fā)。在遠(yuǎn)程分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行資料分析功能設(shè)計與開發(fā)，為安全運(yùn)行提供決策輔助，主要包括監(jiān)測量的粗差檢驗(yàn)與處理，監(jiān)測量的初步分析（特征值統(tǒng)計分析、過程線和時間變化規(guī)律分析、相關(guān)圖和相關(guān)分析、分布圖和空間變化規(guī)律分析等），監(jiān)測量的定量分析和物理模型的建立（分析因子、回歸方法、建模方法、分布模型、模型的建立和檢驗(yàn)、監(jiān)測數(shù)據(jù)精度分析、模型的圖表分析、模型檢驗(yàn)準(zhǔn)則等）等。

4 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

（1）實(shí)現(xiàn)了總線插拔式的大區(qū)域工程群系統(tǒng)的集成。壩群安全管理系統(tǒng)軟件則可以將不同的地理位置上的多個不同工程系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)接口輕松集成在一起，當(dāng)需要增加某個子工程系統(tǒng)時，無需任何額外編程，只要將該系統(tǒng)的接口注冊到軟件服務(wù)總線即可。如此總線插拔式的集成方式方便了大區(qū)域監(jiān)控中心集成，突破了此類傳統(tǒng)軟件只能應(yīng)用于一個工程地點(diǎn)的局限。

（2）對不同廠家現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。為了實(shí)現(xiàn)在區(qū)域監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對不同廠家現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，研發(fā)人員專門設(shè)計了的“通用遠(yuǎn)程采集控制協(xié)議”（其中數(shù)據(jù)編解碼采用了XML技術(shù)），并在工程應(yīng)用中成功地實(shí)現(xiàn)了對第三方廠家系統(tǒng)的遠(yuǎn)程采集和控制，該控制技術(shù)開放性強(qiáng)，為在壩群區(qū)域監(jiān)控中心成功集成不同廠家的系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。

（3）系統(tǒng)具備了自動化任務(wù)機(jī)制。用戶可根據(jù)自己的需要為工程安全監(jiān)測定制各類自動化任務(wù)，任務(wù)可手動、定時、事件觸發(fā)方式運(yùn)行，從而確保了系統(tǒng)的高度智能化和自動化。

（4）系統(tǒng)可完全組態(tài)。可組態(tài)方面有通信、輸入輸出、系統(tǒng)定義、自動化任務(wù)及觸發(fā)條件，用戶通過組態(tài)功能可創(chuàng)造他們所需要的各種功能。

5 結(jié)束語

壩群綜合安全監(jiān)測與評估預(yù)警系統(tǒng)目前已經(jīng)成功地應(yīng)用于多個壩群管理中心，技術(shù)上已經(jīng)完全成熟，由于在業(yè)界創(chuàng)造性地使用了面向服務(wù)的架構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡潔和集成便捷的優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)處于非常領(lǐng)先的地位。系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的“通用遠(yuǎn)程采集控制協(xié)議”成功地實(shí)現(xiàn)了對第三方采集系統(tǒng)集成，因?yàn)橐粋€流域中的采集系統(tǒng)不可能是一家提供商，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對流域內(nèi)壩群系統(tǒng)的集成。系統(tǒng)所有的功能都是可以定制的，軟件做到了與工程無關(guān)，只要在不同的工程中做不同的定制就可以適應(yīng)不同工程的需求，降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著[4]。該系統(tǒng)的成功投運(yùn)為發(fā)電集團(tuán)公司、流域水電開發(fā)公司等實(shí)施水電站壩群綜合安全監(jiān)測管理與評估預(yù)警具有借鑒作用。