南水北調配套工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設計

1、南水北調配套工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設計摘要：基于南水北調中線工程安全監(jiān)測規(guī)范和用戶實際需求，對數(shù)據(jù)庫、業(yè)務 功能和服務組件等內容進行設計，滿足管理者對安全監(jiān)測業(yè)務的需求。南水北調 工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了調水過程自動化和運行管理信息化，保障 了全線調水安全，同時也發(fā)現(xiàn)和改進了一些問題，并提出了對工程未來運行維護 發(fā)展的思考。系統(tǒng)的構建將有效提升南水北調中線工程安全監(jiān)測業(yè)務的信息化、 智能化管理水平，保障工程安全運行和跨流域水資源高效利用。關鍵詞：南水北調；安全監(jiān)測；自動化；設計引言南水北調配套工程安全監(jiān)測的自動化系統(tǒng)以調水業(yè)務為核心，以自動控制為 重點，運用先進技術，建設服務于閘站監(jiān)

2、控、調水業(yè)務處理、水質監(jiān)測、工程安 全監(jiān)測、工程運行管理等業(yè)務的信息化作業(yè)平臺和調度會商決策系統(tǒng)，實現(xiàn)調水 過程自動化和運行管理信息化，實現(xiàn)科學調度、高效管理、保障全線調水安全。1南水北調配套工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)概述該自動化系統(tǒng)工程線路長、跨區(qū)域協(xié)調難度大，工作內容主要包括：1個省 級管理局安全監(jiān)測中心安全監(jiān)測應用系統(tǒng)及運行環(huán)境、8個市級管理處安全監(jiān)測 站應用系統(tǒng)及運行環(huán)境、各現(xiàn)地監(jiān)測站信息采集系統(tǒng)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(xiāng)管理處、鶴壁管理處和安陽管理處。自動化系統(tǒng)的前端是安全 監(jiān)測儀器，這些儀器被安裝在

3、沿線各管理處下轄的泵站及閥門井，安全監(jiān)測項目 主要有：滲壓監(jiān)測、土壓力監(jiān)測、位移監(jiān)測、應力應變監(jiān)測、水位監(jiān)測、溫度監(jiān) 測、降雨量監(jiān)測等。監(jiān)測站信息采集系統(tǒng)主要包括，自動采集單元、交換機、無 線通訊模塊、供電設施、機柜、接地裝置、應用系統(tǒng)等。該自動化系統(tǒng)最終預計 接入各類傳感器900余支，配置自動采集單元70余臺。因此，結合中線配套工 程的特點，建立一套穩(wěn)定、可靠的自動化系統(tǒng)，設計時不僅需要嚴格依據(jù)相關規(guī) 范標準整體規(guī)劃、全面考慮，更需要合理運用先進的信息化技術，確保系統(tǒng)的及 時、準確。2南水北調配套工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)框架結構2.1組件層各類組件為系統(tǒng)提供軟件開發(fā)資源，向下連接數(shù)據(jù)層資源，向

4、上通過通信層 支撐應用界面。在數(shù)據(jù)訪問方面，由于系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)讀寫服務，首先采用 Redis等存儲技術設置緩存層，提高系統(tǒng)整體性能。通過異步消息隊列，降低各 類業(yè)務請求的并發(fā)量、加速系統(tǒng)響應。在業(yè)務邏輯方面，設計業(yè)務服務集群，實 現(xiàn)原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的物理量整編計算、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控預警、報表報告等業(yè)務功能。2.2數(shù)據(jù)層實現(xiàn)系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的分類、邏輯性關聯(lián)、編碼、存儲等功能。為了提高數(shù) 據(jù)查詢效率和實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)層主要包括基礎數(shù)據(jù)庫、安全監(jiān)測業(yè)務數(shù)據(jù)庫、 非結構化文件類數(shù)據(jù)庫和日志數(shù)據(jù)庫等。2.3實現(xiàn)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集針對南水北調中線工程安全監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點多、數(shù)據(jù)量大以及全天候監(jiān)測等 特點，在

5、系統(tǒng)開發(fā)架構的設計方面，需要考慮大數(shù)據(jù)量引發(fā)的系統(tǒng)消息阻塞問題。 因此基于系統(tǒng)的總體建設目的和應用目標，設置緩存并在整體架構層級中增加通 信層，使軟件前后端徹底分離并實現(xiàn)負載均衡。南水北調中線工程安裝了大量不 同類型的安全監(jiān)測儀器設備，包括溫度計、水位計、滲壓計、位移計、土壓力計、 應力應變計等。其中，絕大部分內觀監(jiān)測儀器接入布設于現(xiàn)場的測量控制單元實 現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化采集與傳輸；少部分內觀監(jiān)測儀器和外部變形觀測數(shù)據(jù)，由人工進 行數(shù)據(jù)采集。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)采集后以統(tǒng)一的格式存儲到對應的數(shù)據(jù)庫中。2.4展現(xiàn)層實現(xiàn)請求接受，以及數(shù)據(jù)的返回，提供交互式的界面。目前除了基于各類瀏 覽器的Web應用界面，隨著移

6、動互聯(lián)技術的發(fā)展和大屏終端展示需求，展現(xiàn)層還 包含移動APP和大屏終端界面。3南水北調配套工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設計思路3.1組件層設計在組件層中，重點設計包括數(shù)據(jù)訪問層與業(yè)務服務組件的設計。在數(shù)據(jù)訪問 層方面，為提高程序性能，在數(shù)據(jù)庫基礎上增加redis緩存層實現(xiàn)數(shù)據(jù)層的持久 化，增加各類數(shù)據(jù)接口，把原需要對數(shù)據(jù)表進行的操作，簡化為對類和方法函數(shù) 的調用，降低業(yè)務服務組件和數(shù)據(jù)庫之間的耦合度，提高系統(tǒng)的擴展性和可維護 性。數(shù)據(jù)同步方向為數(shù)據(jù)庫到redis單向同步，有效保證數(shù)據(jù)的安全性。在業(yè)務 服務組件方面，包括安全監(jiān)測業(yè)務功能類組件，例如數(shù)據(jù)導入、在線監(jiān)控、整編 計算、粗差判別、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)

7、據(jù)分析、報表報告、全文檢索等，還包括公共服 務類組件，如統(tǒng)一用戶管理、統(tǒng)一日志管理、算法倉庫、GIS地圖服務等。對所 設計的各類組件進行有效管理和充分利用，可提高系統(tǒng)的開發(fā)效率和維護速度， 也便于對系統(tǒng)功能進行調整和擴展。3.2數(shù)據(jù)采集設計測量控制單元是該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要節(jié)點，實現(xiàn)物理量的測量、A/D轉 換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等功能。MCU由機箱、智能采集模塊、接口模塊和電源 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(shù) 據(jù)通信電路、測量電路等組成，它控制MCU的接口切換、數(shù)據(jù)采集、存儲和通 信等；由于MCU 一般工作環(huán)境惡劣，機箱均需采用全密封防水機箱；電源模

8、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。3.3設計原則安全監(jiān)測自動化應用系統(tǒng)是支撐南水北調中線工程安全運行的重要信息系統(tǒng)， 其安全性、可靠性需要放在首位進行考慮.數(shù)據(jù)同步方向為數(shù)據(jù)庫到緩存單向同步， 確保系統(tǒng)安全可靠。對于日益增長的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和不斷更新的現(xiàn)場監(jiān)測儀器， 軟件在設計時還需充分考慮功能便于擴展和易于維護等性能。目前，以人工智能 為代表的新技術正不斷投產應用，給行業(yè)用戶帶來了諸多便利。軟件設計過程中 可考慮應用人工智能、大數(shù)據(jù)技術等實現(xiàn)粗差、監(jiān)測異常的判斷和預警，為用戶

9、 提供易用性便利。3.4安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析專項設計安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的粗差判別、監(jiān)測異常報警功能是工程安全分析、應急處理的 基礎，是南水北調中線工程安全監(jiān)測自動化應用系統(tǒng)的關鍵組成部分。本系統(tǒng)擬 將已有的正確粗差判別和報警結果作為樣本，基于深度學習等人工智能技術開展 訓練，實現(xiàn)智能化粗差判別和報警，可以提高粗差判別、報警的準確率，也可降 低系統(tǒng)的運算負載。結束語南水北調中線工程安全監(jiān)測自動化應用系統(tǒng)通過信息化的方式有力保障了工 程運行安全，具有重要的工程意義和應用價值。隨著國內調水工程全面建設運行 以及計算機網絡技術的進一步發(fā)展，基于B/S結構的調水工程安全監(jiān)測自動化應 用系統(tǒng)將會得到進一步的發(fā)展和應用。南水北調配套工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設 計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(shù)據(jù)，快速進行數(shù)據(jù)傳輸，安全可 靠地進行數(shù)據(jù)存儲管理，才能最終實現(xiàn)工程安全管理系統(tǒng)的標準化、集成化和智 能