管世珍

(南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河南分局，河南 鄭州 450000)

南水北調(diào)中線干線工程是一項(xiàng)跨流域、長距離的特大型調(diào)水工程，全長1432km，總干渠輸水形式以明渠為主，局部布置管涵。渠道運(yùn)行采用節(jié)制閘常水位控制方式，沿線沒有調(diào)節(jié)水庫，總干渠渠道及建筑物安全至關(guān)重要，為安全監(jiān)測是全面掌握中線干線渠道及建筑物運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程安全隱患的最有效方法。

實(shí)現(xiàn)中線工程運(yùn)行安全的定性和定量分析。定性分析是對研究對象進(jìn)行歸納與演繹、分析與綜合以及抽象與概括，定量分析是從數(shù)量和變化趨勢兩方面對數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)[1]。

安全監(jiān)測是通過先進(jìn)的儀器和技術(shù)，獲得巡視檢查無法得到的數(shù)據(jù)和信息，特別是工程內(nèi)部、基礎(chǔ)等隱蔽部位的信息，并為實(shí)現(xiàn)中線工程安全的定量分析和利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程安全監(jiān)控提供條件和基礎(chǔ)。在總干渠和各重要建筑物特殊斷面安裝各類安全監(jiān)測儀器，就是為了監(jiān)測渠道和建筑物在運(yùn)行過程中的狀況和安全性，通過監(jiān)測儀器把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸、轉(zhuǎn)換和處理，獲得工程安全所需各類信息，然后通過系統(tǒng)自動評估渠道建筑物的安全狀態(tài)。工程沿線埋設(shè)了各類安全監(jiān)測儀器設(shè)施，共布設(shè)內(nèi)觀儀器48415支，其中接入自動化系統(tǒng)33642支，外觀測點(diǎn)共布設(shè)42659個(gè)。

將監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)渠道及建筑安全監(jiān)測信息化和渠道安全快速分析，檢驗(yàn)工程的設(shè)計(jì)與施工是否滿足既定要求，把最前沿的技術(shù)運(yùn)用的安全監(jiān)測中來，引入大數(shù)據(jù)平臺和深度學(xué)習(xí)技術(shù)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)人工向智能化發(fā)展，大幅度降低安全監(jiān)測工作成本，實(shí)現(xiàn)資源共享，提高工作效率，便于開展遠(yuǎn)程咨詢和專家會商，為工程安全運(yùn)行管理提供技術(shù)保障[2]。自動化系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收現(xiàn)地監(jiān)測站的數(shù)據(jù)信息，并對信息進(jìn)行分析處理和儲存，可獲取歷史或?qū)崟r(shí)信息，為各級管理部門提供工程安全相關(guān)的決策支持，對工程實(shí)施全過程的安全保障。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行管理分為三級，系統(tǒng)由1個(gè)監(jiān)測總中心，5個(gè)監(jiān)測分中心，48個(gè)監(jiān)測管理處，數(shù)百個(gè)現(xiàn)地站構(gòu)成。系統(tǒng)中各種設(shè)備均連接在通信主干網(wǎng)上(自動化調(diào)度業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng))，其中無線通信設(shè)備通過Internet、無線數(shù)據(jù)采集PC連接到通信主干網(wǎng)，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)警、發(fā)布的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。

現(xiàn)地站數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)為全分布式智能節(jié)點(diǎn)控制開放型的光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元(MCU)(見圖1)、機(jī)柜、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)(包括光端機(jī)和無線通信設(shè)備等)、電源系統(tǒng)、串口服務(wù)器、防雷接地系統(tǒng)及數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)軟件等組成部分?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元(MCU)可按設(shè)定頻次自動進(jìn)行巡查監(jiān)測、選擇性監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，采集后自動向管理處?bào)送數(shù)據(jù)。即使管理處的上位機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行故障，各現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元也可以單獨(dú)工作，通過通信網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾硖幹付ù鎯υO(shè)備，傳輸系統(tǒng)可以通過便攜式計(jì)算機(jī)讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元的監(jiān)測數(shù)據(jù)[3]。

圖1 MCU布置圖

數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)主要包括四部分：數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)和防雷接地子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)主要由MCU現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元和現(xiàn)場的監(jiān)測儀器等組成；網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)分為有線通信和無線通信兩種，有線通信主要由三層交換機(jī)、光端機(jī)和通信光纖等組成，無線通信主要由無線通信發(fā)射設(shè)備DTU、無線通信接收設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)通信專網(wǎng)USIM卡等組成；供電子系統(tǒng)供電有220V交流市電供電和太陽能供電兩種，市電供電主要由帶逆變設(shè)備的穩(wěn)壓電源和蓄電池組等組成，太陽能供電主要由太陽能板、太陽能充電控制器和蓄電池組等組成；防雷接地子系統(tǒng)主要由電源避雷器和系統(tǒng)接地等組成(見圖2)。

圖2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 功能及性能分析

2.1 系統(tǒng)功能

2.1.1 管理處功能

采集各現(xiàn)地站的原始數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入管理處數(shù)據(jù)庫的同時(shí)存入總中心的原始數(shù)據(jù)庫中。首先對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整編，將整編后的數(shù)據(jù)存入總中心的數(shù)據(jù)整編數(shù)據(jù)庫。其次，對整編的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，發(fā)布各類異常信息及預(yù)警，將初步分析成果存入總公司成果數(shù)據(jù)庫。第三，接收總公司、分中心的數(shù)據(jù)分析成果，錄入各種人工采集的數(shù)據(jù)信息和巡視檢查信息，并上傳到總中心原始數(shù)據(jù)庫[4]。

2.1.2 分中心功能

分中心讀取現(xiàn)地管理處分析結(jié)果后發(fā)布的各類信息，并對異常信息進(jìn)行核對和分析，對工程運(yùn)行的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和評價(jià)，發(fā)布分析結(jié)果。

2.1.3 總中心功能

總中心讀取分中心、現(xiàn)地管理處的信息分析結(jié)論，對其分析成果進(jìn)一步分析、核對，對工程運(yùn)行中的異常信息進(jìn)行綜合分析和評價(jià)，對工程結(jié)構(gòu)異常的情況重新進(jìn)行綜合分析與評價(jià)，以判斷工程的安全運(yùn)行狀況，發(fā)布分析結(jié)果，對于存在異常情況的信息可以觸發(fā)報(bào)警，提醒和督促各管理機(jī)構(gòu)查詢分析結(jié)果和采取應(yīng)對措施(見圖3)。

圖3 安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程示意圖

2.2 系統(tǒng)性能

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傳輸距離不受限制，能接入中線工程所有類型的傳感器，采用定時(shí)、單檢、巡檢、選測或設(shè)測點(diǎn)群的測量方式。在環(huán)境溫度-55～85℃、相對濕度不大于95%的工作環(huán)境中具備高抗干擾能力，每周測量一次，年數(shù)據(jù)采集缺失率應(yīng)小于2%，可實(shí)現(xiàn)有線、無線、電話、光纖、局域以太網(wǎng)等多種通信介質(zhì)傳輸[5]。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及通信

南水北調(diào)中線安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中各種設(shè)備均連接在通信主干網(wǎng)即自動化調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)上。根據(jù)現(xiàn)地站條件數(shù)據(jù)傳輸采用兩種方式：一種是有線通信，即通過自動化調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)傳輸；一種是通過移動網(wǎng)絡(luò)無線通信，即通過移動公司的通用分組無線業(yè)務(wù)連接到Internet實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。供電分為220V交流供電和太陽能供電兩種方式，在兩種模式都停電時(shí)MCU則依靠內(nèi)部自帶的蓄電池維持工作，確保7天內(nèi)正常工作[6]。

3.1 有線通信

為確保與南水北調(diào)中線干線工程主干通信網(wǎng)的順暢連接，實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，以及后續(xù)系統(tǒng)的擴(kuò)展，需加裝光端機(jī)。在監(jiān)測站采用H9MO-LME型光端機(jī)(4路以太網(wǎng)接口)，在閘站接入點(diǎn)采用H9MO-LMFIT型匯聚型光端機(jī)，現(xiàn)地站采用光端機(jī)光纖通信(見圖4)。

圖4 有線通信現(xiàn)地監(jiān)測站

3.2 無線通信

無線網(wǎng)絡(luò)通信用于MCU與采集計(jì)算機(jī)之間的通信，對距主干光纜的接入口較遠(yuǎn)的測站，使用無線網(wǎng)絡(luò)通信。無線網(wǎng)絡(luò)均采用GPRS(即移動公司的無線分組業(yè)務(wù))通信方式。管理處設(shè)有一個(gè)用于無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的工作站，該站要連接到互聯(lián)公共網(wǎng)絡(luò)(Internet)，要有一個(gè)固定IP(或域名)。在現(xiàn)地觀測站MCU通過RS-485口與MD-609G相連，MD-609G上電后通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與Internet相連，通過固定IP地址(或域名)與數(shù)據(jù)采集工作站聯(lián)系，建立連接進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信(見圖5)。

圖5 無線通信示意圖

4 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)軟件及信息管理

南水北調(diào)中線干線的安全監(jiān)測系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和支持軟件。

4.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、語言編譯器、文件管理、系統(tǒng)恢復(fù)與切換、系統(tǒng)診斷等軟件，但主要是指操作系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)軟件是整個(gè)安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的軟件平臺，南水北調(diào)安全監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器和應(yīng)用支撐平臺操作系統(tǒng)采用的是AIX系列；采集系統(tǒng)和客戶端操作平臺使用的是Windows系列。

4.2 應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是指在特定操作系統(tǒng)的環(huán)境下，為滿足用戶的特定應(yīng)用需要及完成某些特定功能而開發(fā)的專用程序。南水北調(diào)監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用軟件按照功能劃分，采用模塊化編制，每個(gè)模塊分別執(zhí)行不同的功能，并且模塊之間有一定的聯(lián)系和依賴關(guān)系，這些模塊按照用戶的需要整合起來共同完成特定系統(tǒng)的監(jiān)控任務(wù)。南水北調(diào)安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用軟件模塊主要包括業(yè)務(wù)模塊、功能模塊、內(nèi)外部接口以及數(shù)據(jù)庫。

4.2.1 業(yè)務(wù)模塊

南水北調(diào)中線干線工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)服務(wù)于南水北調(diào)中線干線總公司、分公司、管理處三級用戶，為各級用戶提供管轄范圍內(nèi)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)狀態(tài)查詢、報(bào)警管理、安全監(jiān)測狀態(tài)分析、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、綜合信息查詢以及基礎(chǔ)信息管理等業(yè)務(wù)。

4.2.2 功能模塊

南水北調(diào)中線干線安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)具備監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測系統(tǒng)管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、綜合查詢和輸出、報(bào)警和系統(tǒng)維護(hù)管理等功能[7]。

4.2.3 內(nèi)外部接口軟件

內(nèi)部接口包括導(dǎo)入導(dǎo)出接口、打印接口、數(shù)據(jù)訪問接口、圖形處理接口、文件處理接口、異常處理接口。外部接口包括與應(yīng)用支撐平臺集成接口、與數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)集成接口、與工程運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)接口、與水量調(diào)度業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)接口、與決策會商支持系統(tǒng)接口、與閘站監(jiān)控系統(tǒng)接口和與工程防洪系統(tǒng)接口。安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的集成與獨(dú)立，不需專設(shè)人員操作，利用中線一體化平臺實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度，提升工程管理效益[8]。

4.2.4 數(shù)據(jù)庫軟件

數(shù)據(jù)庫軟件主要是用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理功能，包括實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)庫的加載，處理其他程序?qū)?shù)據(jù)庫的存取要求，并按照功能規(guī)定完成對數(shù)據(jù)的運(yùn)算或其他處理任務(wù)等。南水北調(diào)中線干線安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要存儲靜態(tài)特征數(shù)據(jù)、系統(tǒng)類數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、整編數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、文檔和報(bào)表數(shù)據(jù)、知識庫數(shù)據(jù)、分析評價(jià)類數(shù)據(jù)、圖形分析模板數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)[9]。

4.3 系統(tǒng)信息管理

安全監(jiān)測信息管理是對被監(jiān)測建筑物的基礎(chǔ)信息及有關(guān)初始信息的管理，包含技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、建筑物基本信息、工情水情信息、監(jiān)測信息、分析和評價(jià)信息及工程巡查信息管理等[10]。自動化系統(tǒng)中安全監(jiān)測信息管理為安全監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)功能的一部分。

5 結(jié) 語

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)在南水北調(diào)中線工程安全運(yùn)行和智慧中線運(yùn)行管理中發(fā)揮著非常重要的作用，可及時(shí)掌握工程運(yùn)行狀況，報(bào)告可靠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，創(chuàng)建可知可控的系統(tǒng)環(huán)境，以可靠、高效、持續(xù)及系統(tǒng)硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，來保證實(shí)現(xiàn)工程自動監(jiān)控和管理。

該系統(tǒng)采用合理、科學(xué)的設(shè)計(jì)思想，充分利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)自動化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多層次實(shí)時(shí)監(jiān)測自動化監(jiān)控，通過異常數(shù)據(jù)分析，能夠提前采取措施消除工程安全隱患。作為智慧中線建設(shè)的重要部分，為工程的統(tǒng)一調(diào)度、分級管理奠定了基礎(chǔ)。建立的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，監(jiān)測覆蓋面廣，監(jiān)測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，為南水北調(diào)中線干線工程安全運(yùn)行和安全評估提供了依據(jù)，也可為國內(nèi)外重大水利工程的安全監(jiān)測提供技術(shù)支撐。