南水北調配套工程安全監測自動化系統設計

□李毅男 郭志剛 杜一飛

（黃河勘測規劃設計有限公司）

南水北調配套工程安全監測自動化系統設計

□李毅男 郭志剛 杜一飛

（黃河勘測規劃設計有限公司）

文章介紹了河南省南水北調配套工程安全監測自動化系統的基本情況，對該系統的框架結構從管理職能和功能使用兩個角度進行層次劃分，闡述了安全監測自動化系統的設計思路，重點對數據采集、通信網絡、供電、應用軟件系統等幾個子系統的實施方案進行了詳細說明，最后肯定了該系統的先進性和實用性。

南水北調；安全監測；自動化；設計

1 引言

河南省南水北調配套工程安全監測自動化系統（以下簡稱“自動化系統”）是“河南省南水北調受水區供水配套工程自動化調度與運行管理決策支持系統”一個重要的子系統，其工作主要內容是實現供水管線沿線各建筑物的位移、滲流、結構及環境量等數據信息的自動采集、自動傳輸、自動存儲、自動化管理，有關人員通過網絡即可及時了解大壩的安全信息，真正實現遠程管理與現場檢查相結合的現代化工程運行管理模式，同時為水量調度系統、綜合會商系統和工程管理系統提供告警異常、評價信息。

2 自動化系統概述

該自動化系統工程線路長、跨區域協調難度大，工作內容主要包括：1個省級管理局安全監測中心安全監測應用系統及運行環境、8個市級管理處安全監測站應用系統及運行環境、各現地監測站信息采集系統的設備采購及安裝調試，其中8個管理處分別是：南陽管理處、平頂山管理處、許昌管理處、鄭州管理處、焦作管理處、新鄉管理處、鶴壁管理處和安陽管理處。

自動化系統的前端是安全監測儀器，這些儀器被安裝在沿線各管理處下轄的泵站及閥門井，安全監測項目主要有：滲壓監測、土壓力監測、位移監測、應力應變監測、水位監測、溫度監測、降雨量監測等。監測站信息采集系統主要包括，自動采集單元（MCU）、交換機、無線通訊模塊、供電設施、機柜、接地裝置、應用系統等。該自動化系統最終預計接入各類傳感器900余支，配置自動采集單元（MCU）70余臺。因此，結合中線配套工程的特點，建立一套穩定、可靠的自動化系統，設計時不僅需要嚴格依據相關規范標準整體規劃、全面考慮，更需要合理運用先進的信息化技術，確保系統的及時、準確。

3 系統框架結構

3.1 系統的管理結構

從管理機構設置上，自動化系統的結構可分成三個層次，即省管理局安全監測中心、各市管理處工作站和現地數據采集系統。

省管理局安全監測中心收集各管理處上報的所轄范圍內建筑物運行安全狀況信息和結構異常信息，并對結構異常信息進行綜合分析、核查和會商，提出處理意見和制定安全應急預案，并對數據分析和建筑物的評判信息進行發布。

市管理處工作站主要是通過數據測量控制單元（MCU）把接入本單元的各類傳感器數據按照規定的時間間隔采集上來，將人工觀測數據、巡視檢查等信息輸入到計算機內，并按照規定的要求通過計算機網絡傳送至管理局安全監測中心。

現地數據采集系統主要包含數據測量控制單元（MCU）、各類傳感器、供電設施、底層通訊設施等。自動化系統的總體結構詳見圖1。

圖1 自動化系統總體結構圖

3.2 系統的功能結構

從系統的功能劃分,結構可分成三個層次，應用層、通信層和采集層。第一層：應用層：應用層也叫數據的管理與分析評價層，主要包括管理局的安全監測中心、各工程管理處監測站所建立的安全監測數據輸入、處理、管理、分析以及綜合評價系統。第二層：通信層：系統的網絡通信層包括本地局域網通信、廣域網通信兩部分。應用層通信采用全交換式以太網作為骨干網絡，通過高檔次交換機，實現與各子系統交換機的網絡連接，具體的連接情況見計算機網絡專題。第三層：采集層：現地數據采集層由MCU、傳感器以及通信設備等組成，獨立完成本地安全監測點的數據采集和管理功能。

4 系統設計思路

4.1 數據采集

測量控制單元（MCU）是該數據采集系統中的重要節點，實現物理量的測量、A/D轉換、數據存儲、數據通信等功能。MCU由機箱、智能采集模塊、接口模塊、人工比測模塊和電源模塊組成。智能采集模塊是MCU的核心，主要由CPU、時鐘電路、存儲器、數據通信電路、測量電路等組成，它控制MCU的接口切換、數據采集、存儲和通信等；由于MCU一般工作環境惡劣，機箱均需采用全密封防水機箱；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時均與避雷器相接；人工比測模塊提供人工比測切換接口。

4.2 通信網絡

該自動化系統采用全分布式智能節點控制開放型的全網絡結構。通信網絡采用以太網與無線傳輸相結合的方式。安全監測自動化系統泵站監測站的所有MCU采用RJ45網絡通信連接到本系統的交換機，再經由網線連接到泵站網絡節點（網絡交換機上），這樣RJ45網絡通信接口與三層交換機相連，進而與配置在安全監測中心、工程管理處的上級計算機安全監測系統連接。每個RJ45網絡通信接口均有自己唯一的MAC地址，這樣通過三層交換機使得網絡上的任意一個節點都能夠訪問所有的MCU。

無線傳輸方面，由于部分閥門井監測站距離主干網的網絡節點較遠，對此部分監測站的監測數據采用無線傳輸方式，即在每個閥門井房監測站都設置一套無線發送裝置，由無線數據接收裝置通過外網采集無線傳輸數據，無線傳輸網絡可采用3G/4G等網絡。系統總體網絡結構詳見圖2。

圖2 系統總體網絡結構圖

4.3 供電

4.3.1 市電供電

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

圖3 市電供電電源系統圖

4.3.2 太陽能供電

無法引設市電的監測站全部采用太陽能供電方式。太陽能供電系統按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，轉換效率不低于17.50%，抗風強度不低于7級抗風強度標準，工作溫度：-40～90℃，太陽能供電系統結構詳見圖4。

圖4 太陽能供電系統圖

4.4 應用軟件

應用軟件應能實現在線監測、工程性態的離線分析、預測預報、報表制作、圖文資料瀏覽、監測數據管理、監控模型管理及安全評估等功能。將離線分析、預測預報的結果以直觀的圖形或窗口形式供有關管理人員掌握和了解水工建筑物的各項指標，如變形情況、滲流情況、警界值、分析擬合值等等。同時能將在線監測、監測資料的離線分析、預測預報、報表制作、圖文資料瀏覽、監測數據管理、測點信息管理、監控模型管理及安全評估的結果和各項參數、指標以表格的形式供工程技術人員掌握和了解，如變形情況、警界值、分析擬合值、數據模型的形式、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 結語

河南省南水北調配套工程安全監測自動化系統作為“河南省南水北調受水區供水配套工程自動化調度與運行管理決策支持系統”重要的子系統，承擔著確保整個供水配套工程安全運行和安全管理的重要角色，只有運用先進的水利和信息化技術，全面、及時地采集工程數據，快速進行數據傳輸，安全可靠地進行數據存儲管理，才能最終實現工程安全管理系統的標準化、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測工作。

2017-8-25

編輯：劉長垠