南水北调配套工程安全监测自动化系统设计

□李毅男 郭志刚 杜一飞

（黄河勘测规划设计有限公司）

南水北调配套工程安全监测自动化系统设计

□李毅男 郭志刚 杜一飞

（黄河勘测规划设计有限公司）

文章介绍了河南省南水北调配套工程安全监测自动化系统的基本情况，对该系统的框架结构从管理职能和功能使用两个角度进行层次划分，阐述了安全监测自动化系统的设计思路，重点对数据采集、通信网络、供电、应用软件系统等几个子系统的实施方案进行了详细说明，最后肯定了该系统的先进性和实用性。

南水北调；安全监测；自动化；设计

1 引言

河南省南水北调配套工程安全监测自动化系统（以下简称“自动化系统”）是“河南省南水北调受水区供水配套工程自动化调度与运行管理决策支持系统”一个重要的子系统，其工作主要内容是实现供水管线沿线各建筑物的位移、渗流、结构及环境量等数据信息的自动采集、自动传输、自动存储、自动化管理，有关人员通过网络即可及时了解大坝的安全信息，真正实现远程管理与现场检查相结合的现代化工程运行管理模式，同时为水量调度系统、综合会商系统和工程管理系统提供告警异常、评价信息。

2 自动化系统概述

该自动化系统工程线路长、跨区域协调难度大，工作内容主要包括：1个省级管理局安全监测中心安全监测应用系统及运行环境、8个市级管理处安全监测站应用系统及运行环境、各现地监测站信息采集系统的设备采购及安装调试，其中8个管理处分别是：南阳管理处、平顶山管理处、许昌管理处、郑州管理处、焦作管理处、新乡管理处、鹤壁管理处和安阳管理处。

自动化系统的前端是安全监测仪器，这些仪器被安装在沿线各管理处下辖的泵站及阀门井，安全监测项目主要有：渗压监测、土压力监测、位移监测、应力应变监测、水位监测、温度监测、降雨量监测等。监测站信息采集系统主要包括，自动采集单元（MCU）、交换机、无线通讯模块、供电设施、机柜、接地装置、应用系统等。该自动化系统最终预计接入各类传感器900余支，配置自动采集单元（MCU）70余台。因此，结合中线配套工程的特点，建立一套稳定、可靠的自动化系统，设计时不仅需要严格依据相关规范标准整体规划、全面考虑，更需要合理运用先进的信息化技术，确保系统的及时、准确。

3 系统框架结构

3.1 系统的管理结构

从管理机构设置上，自动化系统的结构可分成三个层次，即省管理局安全监测中心、各市管理处工作站和现地数据采集系统。

省管理局安全监测中心收集各管理处上报的所辖范围内建筑物运行安全状况信息和结构异常信息，并对结构异常信息进行综合分析、核查和会商，提出处理意见和制定安全应急预案，并对数据分析和建筑物的评判信息进行发布。

市管理处工作站主要是通过数据测量控制单元（MCU）把接入本单元的各类传感器数据按照规定的时间间隔采集上来，将人工观测数据、巡视检查等信息输入到计算机内，并按照规定的要求通过计算机网络传送至管理局安全监测中心。

现地数据采集系统主要包含数据测量控制单元（MCU）、各类传感器、供电设施、底层通讯设施等。自动化系统的总体结构详见图1。

图1 自动化系统总体结构图

3.2 系统的功能结构

从系统的功能划分,结构可分成三个层次，应用层、通信层和采集层。第一层：应用层：应用层也叫数据的管理与分析评价层，主要包括管理局的安全监测中心、各工程管理处监测站所建立的安全监测数据输入、处理、管理、分析以及综合评价系统。第二层：通信层：系统的网络通信层包括本地局域网通信、广域网通信两部分。应用层通信采用全交换式以太网作为骨干网络，通过高档次交换机，实现与各子系统交换机的网络连接，具体的连接情况见计算机网络专题。第三层：采集层：现地数据采集层由MCU、传感器以及通信设备等组成，独立完成本地安全监测点的数据采集和管理功能。

4 系统设计思路

4.1 数据采集

测量控制单元（MCU）是该数据采集系统中的重要节点，实现物理量的测量、A/D转换、数据存储、数据通信等功能。MCU由机箱、智能采集模块、接口模块、人工比测模块和电源模块组成。智能采集模块是MCU的核心，主要由CPU、时钟电路、存储器、数据通信电路、测量电路等组成，它控制MCU的接口切换、数据采集、存储和通信等；由于MCU一般工作环境恶劣，机箱均需采用全密封防水机箱；电源模块由电源、变送器、充电器及电源端子等组成；接口模块由切换电路和防雷电路组成，每支传感器接入MCU时均与避雷器相接；人工比测模块提供人工比测切换接口。

4.2 通信网络

该自动化系统采用全分布式智能节点控制开放型的全网络结构。通信网络采用以太网与无线传输相结合的方式。安全监测自动化系统泵站监测站的所有MCU采用RJ45网络通信连接到本系统的交换机，再经由网线连接到泵站网络节点（网络交换机上），这样RJ45网络通信接口与三层交换机相连，进而与配置在安全监测中心、工程管理处的上级计算机安全监测系统连接。每个RJ45网络通信接口均有自己唯一的MAC地址，这样通过三层交换机使得网络上的任意一个节点都能够访问所有的MCU。

无线传输方面，由于部分阀门井监测站距离主干网的网络节点较远，对此部分监测站的监测数据采用无线传输方式，即在每个阀门井房监测站都设置一套无线发送装置，由无线数据接收装置通过外网采集无线传输数据，无线传输网络可采用3G/4G等网络。系统总体网络结构详见图2。

图2 系统总体网络结构图

4.3 供电

4.3.1 市电供电

泵站监测站和就近引设供电的监测站均采用市电供电，市电引入测站后首先接入电源防雷器（防浪涌保护装置），并且在电源防雷器的下端配置一套稳压电源，在稳压电源的旁路配置1组免维护蓄电池组作为备用电源，蓄电池组容量按150Ah/12V配置，以在停电时为MCU、通信设备供电。市电供电的电源系统详见图3。

图3 市电供电电源系统图

4.3.2 太阳能供电

无法引设市电的监测站全部采用太阳能供电方式。太阳能供电系统按50 W单晶硅、蓄电池组容量按150 Ah/12 V考虑，蓄电池输出电压全部采用DC12 V，转换效率不低于17.50%，抗风强度不低于7级抗风强度标准，工作温度：-40～90℃，太阳能供电系统结构详见图4。

图4 太阳能供电系统图

4.4 应用软件

应用软件应能实现在线监测、工程性态的离线分析、预测预报、报表制作、图文资料浏览、监测数据管理、监控模型管理及安全评估等功能。将离线分析、预测预报的结果以直观的图形或窗口形式供有关管理人员掌握和了解水工建筑物的各项指标，如变形情况、渗流情况、警界值、分析拟合值等等。同时能将在线监测、监测资料的离线分析、预测预报、报表制作、图文资料浏览、监测数据管理、测点信息管理、监控模型管理及安全评估的结果和各项参数、指标以表格的形式供工程技术人员掌握和了解，如变形情况、警界值、分析拟合值、数据模型的形式、各影响因子的显著性、离散度、可靠性、温度、开合度、位移量、变幅、历史最大值、历史最小值等等。

5 结语

河南省南水北调配套工程安全监测自动化系统作为“河南省南水北调受水区供水配套工程自动化调度与运行管理决策支持系统”重要的子系统，承担着确保整个供水配套工程安全运行和安全管理的重要角色，只有运用先进的水利和信息化技术，全面、及时地采集工程数据，快速进行数据传输，安全可靠地进行数据存储管理，才能最终实现工程安全管理系统的标准化、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，工程师，主要从事大坝安全监测工作。

2017-8-25

编辑：刘长垠