管世珍

(南水北调中线干线工程建设管理局河南分局，河南 郑州 450000)

南水北调中线干线工程是一项跨流域、长距离的特大型调水工程，全长1432km，总干渠输水形式以明渠为主，局部布置管涵。渠道运行采用节制闸常水位控制方式，沿线没有调节水库，总干渠渠道及建筑物安全至关重要，为安全监测是全面掌握中线干线渠道及建筑物运行状况，及时发现工程安全隐患的最有效方法。

实现中线工程运行安全的定性和定量分析。定性分析是对研究对象进行归纳与演绎、分析与综合以及抽象与概括，定量分析是从数量和变化趋势两方面对数据进行评价[1]。

安全监测是通过先进的仪器和技术，获得巡视检查无法得到的数据和信息，特别是工程内部、基础等隐蔽部位的信息，并为实现中线工程安全的定量分析和利用现代计算机技术实现工程安全监控提供条件和基础。在总干渠和各重要建筑物特殊断面安装各类安全监测仪器，就是为了监测渠道和建筑物在运行过程中的状况和安全性，通过监测仪器把采集到的数据进行远程传输、转换和处理，获得工程安全所需各类信息，然后通过系统自动评估渠道建筑物的安全状态。工程沿线埋设了各类安全监测仪器设施，共布设内观仪器48415支，其中接入自动化系统33642支，外观测点共布设42659个。

将监测数据导入安全监测自动化系统，实现渠道及建筑安全监测信息化和渠道安全快速分析，检验工程的设计与施工是否满足既定要求，把最前沿的技术运用的安全监测中来，引入大数据平台和深度学习技术系统。实现人工向智能化发展，大幅度降低安全监测工作成本，实现资源共享，提高工作效率，便于开展远程咨询和专家会商，为工程安全运行管理提供技术保障[2]。自动化系统实时接收现地监测站的数据信息，并对信息进行分析处理和储存，可获取历史或实时信息，为各级管理部门提供工程安全相关的决策支持，对工程实施全过程的安全保障。

1 系统构成

安全监测自动化系统采用分布式数据采集系统。系统运行管理分为三级，系统由1个监测总中心，5个监测分中心，48个监测管理处，数百个现地站构成。系统中各种设备均连接在通信主干网上(自动化调度业务内网)，其中无线通信设备通过Internet、无线数据采集PC连接到通信主干网，构成数据采集、分析、预警、发布的安全监测自动化系统。

现地站数据自动采集系统为全分布式智能节点控制开放型的光纤网络结构，系统由现场数据采集单元(MCU)(见图1)、机柜、网络通信系统(包括光端机和无线通信设备等)、电源系统、串口服务器、防雷接地系统及数据自动采集系统软件等组成部分。现场数据采集单元(MCU)可按设定频次自动进行巡查监测、选择性监测、数据存储、数据传输等，采集后自动向管理处报送数据。即使管理处的上位机出现运行故障，各现场数据采集单元也可以单独工作，通过通信网络将采集数据传输到管理处指定存储设备，传输系统可以通过便携式计算机读取现场数据采集单元的监测数据[3]。

图1 MCU布置图

数据自动采集系统主要包括四部分：数据采集与控制子系统、网络通信子系统、供电子系统和防雷接地子系统。数据采集与控制子系统主要由MCU现场数据采集单元和现场的监测仪器等组成；网络通信子系统分为有线通信和无线通信两种，有线通信主要由三层交换机、光端机和通信光纤等组成，无线通信主要由无线通信发射设备DTU、无线通信接收设备和无线网络通信专网USIM卡等组成；供电子系统供电有220V交流市电供电和太阳能供电两种，市电供电主要由带逆变设备的稳压电源和蓄电池组等组成，太阳能供电主要由太阳能板、太阳能充电控制器和蓄电池组等组成；防雷接地子系统主要由电源避雷器和系统接地等组成(见图2)。

图2 系统组成结构图

2 功能及性能分析

2.1 系统功能

2.1.1 管理处功能

采集各现地站的原始数据，将数据存入管理处数据库的同时存入总中心的原始数据库中。首先对采集的数据进行整编，将整编后的数据存入总中心的数据整编数据库。其次，对整编的数据进行初步分析，发布各类异常信息及预警，将初步分析成果存入总公司成果数据库。第三，接收总公司、分中心的数据分析成果，录入各种人工采集的数据信息和巡视检查信息，并上传到总中心原始数据库[4]。

2.1.2 分中心功能

分中心读取现地管理处分析结果后发布的各类信息，并对异常信息进行核对和分析，对工程运行的异常数据进行综合分析和评价，发布分析结果。

2.1.3 总中心功能

总中心读取分中心、现地管理处的信息分析结论，对其分析成果进一步分析、核对，对工程运行中的异常信息进行综合分析和评价，对工程结构异常的情况重新进行综合分析与评价，以判断工程的安全运行状况，发布分析结果，对于存在异常情况的信息可以触发报警，提醒和督促各管理机构查询分析结果和采取应对措施(见图3)。

图3 安全监测系统数据流程示意图

2.2 系统性能

安全监测自动化系统采用全网络结构，传输距离不受限制，能接入中线工程所有类型的传感器，采用定时、单检、巡检、选测或设测点群的测量方式。在环境温度-55～85℃、相对湿度不大于95%的工作环境中具备高抗干扰能力，每周测量一次，年数据采集缺失率应小于2%，可实现有线、无线、电话、光纤、局域以太网等多种通信介质传输[5]。

3 系统网络及通信

南水北调中线安全监测自动化系统中各种设备均连接在通信主干网即自动化调度系统网络的业务内网上。根据现地站条件数据传输采用两种方式：一种是有线通信，即通过自动化调度系统网络的业务内网传输；一种是通过移动网络无线通信，即通过移动公司的通用分组无线业务连接到Internet实现数据传输。供电分为220V交流供电和太阳能供电两种方式，在两种模式都停电时MCU则依靠内部自带的蓄电池维持工作，确保7天内正常工作[6]。

3.1 有线通信

为确保与南水北调中线干线工程主干通信网的顺畅连接，实现自动化监测系统的远程控制，以及后续系统的扩展，需加装光端机。在监测站采用H9MO-LME型光端机(4路以太网接口)，在闸站接入点采用H9MO-LMFIT型汇聚型光端机，现地站采用光端机光纤通信(见图4)。

图4 有线通信现地监测站

3.2 无线通信

无线网络通信用于MCU与采集计算机之间的通信，对距主干光缆的接入口较远的测站，使用无线网络通信。无线网络均采用GPRS(即移动公司的无线分组业务)通信方式。管理处设有一个用于无线网络数据采集的工作站，该站要连接到互联公共网络(Internet)，要有一个固定IP(或域名)。在现地观测站MCU通过RS-485口与MD-609G相连，MD-609G上电后通过GPRS无线网络与Internet相连，通过固定IP地址(或域名)与数据采集工作站联系，建立连接进行双向数据通信(见图5)。

图5 无线通信示意图

4 安全监测自动化系统软件及信息管理

南水北调中线干线的安全监测系统的软件包括系统软件、应用软件和支持软件。

4.1 系统软件

系统软件包括计算机操作系统、语言编译器、文件管理、系统恢复与切换、系统诊断等软件，但主要是指操作系统软件。操作系统软件是整个安全监测自动化系统的软件平台，南水北调安全监测应用系统服务器和应用支撑平台操作系统采用的是AIX系列；采集系统和客户端操作平台使用的是Windows系列。

4.2 应用软件

应用软件是指在特定操作系统的环境下，为满足用户的特定应用需要及完成某些特定功能而开发的专用程序。南水北调监测自动化系统的应用软件按照功能划分，采用模块化编制，每个模块分别执行不同的功能，并且模块之间有一定的联系和依赖关系，这些模块按照用户的需要整合起来共同完成特定系统的监控任务。南水北调安全监测自动化系统应用系统应用软件模块主要包括业务模块、功能模块、内外部接口以及数据库。

4.2.1 业务模块

南水北调中线干线工程安全监测自动化系统服务于南水北调中线干线总公司、分公司、管理处三级用户，为各级用户提供管辖范围内安全监测数据采集、实时状态查询、报警管理、安全监测状态分析、监测数据管理、综合信息查询以及基础信息管理等业务。

4.2.2 功能模块

南水北调中线干线安全监测自动化系统具备监测数据采集、监测系统管理、监测数据管理、监测数据分析、综合查询和输出、报警和系统维护管理等功能[7]。

4.2.3 内外部接口软件

内部接口包括导入导出接口、打印接口、数据访问接口、图形处理接口、文件处理接口、异常处理接口。外部接口包括与应用支撑平台集成接口、与数据存储与管理系统集成接口、与工程运行维护管理系统接口、与水量调度业务处理系统接口、与决策会商支持系统接口、与闸站监控系统接口和与工程防洪系统接口。安全监测自动化系统的集成与独立，不需专设人员操作，利用中线一体化平台实现统一调度，提升工程管理效益[8]。

4.2.4 数据库软件

数据库软件主要是用于实现数据的管理功能，包括实时及历史数据库的加载，处理其他程序对数据库的存取要求，并按照功能规定完成对数据的运算或其他处理任务等。南水北调中线干线安全监测自动化系统数据库主要存储静态特征数据、系统类数据、历史数据、实时数据、整编数据、模型数据、文档和报表数据、知识库数据、分析评价类数据、图形分析模板数据和报警数据[9]。

4.3 系统信息管理

安全监测信息管理是对被监测建筑物的基础信息及有关初始信息的管理，包含技术标准、建筑物基本信息、工情水情信息、监测信息、分析和评价信息及工程巡查信息管理等[10]。自动化系统中安全监测信息管理为安全监测应用系统功能的一部分。

5 结 语

安全监测自动化系统在南水北调中线工程安全运行和智慧中线运行管理中发挥着非常重要的作用，可及时掌握工程运行状况，报告可靠的运行数据，创建可知可控的系统环境，以可靠、高效、持续及系统硬件设备、软件系统的安全稳定运行，来保证实现工程自动监控和管理。

该系统采用合理、科学的设计思想，充分利用先进的计算机自动化技术，实现多层次实时监测自动化监控，通过异常数据分析，能够提前采取措施消除工程安全隐患。作为智慧中线建设的重要部分，为工程的统一调度、分级管理奠定了基础。建立的安全监测自动化系统，监测覆盖面广，监测数据精准，为南水北调中线干线工程安全运行和安全评估提供了依据，也可为国内外重大水利工程的安全监测提供技术支撑。