新疆和田地區小型水庫大壩自動化安全監測系統建設

趙衛東，呂明明

(1.新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.山脈科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

1 引言

隨著科技水平的不斷發展，自動化監測已經逐漸成為可能[1-2]。通過各項自動化監測系統的建設，可大幅度降低人工工作強度，提高工作效率，具有十分重要的意義[3-4]。新疆和田地區水資源時空分布不均勻，為改善這一現象，修建了大量的小型水庫，水庫安全對當地經濟、社會影響極大。但大量的大壩安全監測需要耗費大量的人力、物力，實施難度較高，因此，建設自動化安全監測系統是十分必要的。

2 系統概況

工程監測自動化系統采用分布式監測自動采集系統，分布式監測數據自動采集系統由自動化監測儀器、數據自動采集單元和監測主機組成。其中數據自動采集單元布設在現場，各類自動化監測儀器通過專用電纜就近接入采集單元，再由采集單元按照采集程序進行數據采集、A/D轉換、存儲并通過數據通信網絡發送至監控中心的主機做深入分析和處理。

水庫自動化系統架構按四層考慮：①感知層；②采集層；③傳輸層；④應用層。其中，感知層主要包括：由滲流、應變、位移類等差阻式、振弦式、電位器式、標準信號式監測儀器和環境量采集傳感器；采集層主要包括：電測儀器自動采集單元、人工采集讀數儀等；傳輸層主要包括：光端機、三層交換機、通訊電纜、通訊光纜等；應用層主要指監控中心的監控主機、服務器等。系統框架見圖1。

圖1 系統架構圖

3 系統建設

3.1 現場測站分布與配置

(1)配置原則

現場測站在配置數據自動采集單元時，應注意差阻式、振弦式、電位器式等各類型儀器的數量，并應根據各類儀器的接入數量合理配置采集模塊數量。配置原則如下：

1)在進行MCU測站布置時，應綜合考慮儀器電纜、通訊設備等情況，并以數據采集單元(MCU)盡量集中布置的原則，優化測站的位置。

2)原觀測系統中已損壞且不能補埋的儀器可不接入自動化系統中。

3)每座現場測站內配置一臺光端機，采用總線結構將多個自動采集單元接入，自動采集單元之間的連接采用屏蔽雙絞線。

4)每個自動采集單元均應考慮蓄電池供電，蓄電池數量一般情況下，2臺及以下自動采集單元可配一組蓄電池。

5)監測系統一般設專門的接地系統，測站柜內自動采集單元(MCU)的接地系統應與其所在建筑物的電氣接地系統可靠連接。

6)環境量監測是監測資料分析的基礎，對于本工程來說，主要是氣溫和降雨量。因此，在大壩合適位置建立集成氣象站1座，并將監測數據接入自動化系統。

(2)測站分布及配置

現場測站的分布位置及自動化配置信息根據和田31座小水庫的設計報告進行優化布設。

系統整體分為兩個層次。

1)一般監測站

現場傳感器通過信號電纜將模擬信號傳送至現場采集單元模塊，采集單元模塊安裝在數據采集機箱內，整體構成數據采集前端單元。1個或多個數據采集前端單元構成一個一般監測測站。

2)監測管理站

各個子系統的監測管理站通過局域網相連，構成自動化系統的主網絡。為便于各個子系統的管理及整個自動化系統的操作及數據處理，在環境較好、適合工作的地方設立監測管理站，用于整個系統的管理、操作、數據處理。監測中心站內一般布設有數據服務器、工作站(計算機)、電源系統、防雷系統、接口等設備，滿足對系統內及對外通訊。

(3)自動化設備清單

根據以上配置原則，每個小水庫測站自動化采集設備主要包括：自動采集單元(MCU)，每個MCU至少具備8個數據采集通道，采集點位較多時可在MCU中增加傳感器接入數據通道擴展板、1套交換機、1套穩壓電源、1套電源防雷設備、1套系統接地、1套尾纖及保護盒等，自動采集單元(MCU)根據現場實際情況采取掛壁安裝或者機柜內安裝，適當利用已有的建筑物，或者自建觀測房。

3.2 監測管理站配置

監測管理站設在壩后工程管理房內，根據數據采集、工程安全信息管理等功能需求，結合網絡條件，主要配置的硬件設備包括：服務器、工作站、打印機、UPS、光端機、網絡交換機等。另配置一臺移動工作站，該計算機作為系統安裝調試時臨時網絡監控站。

監測管理站配置的軟件有：系統操作軟件、數據采集處理軟件、安全監測信息管理系統等。

監測管理站配置必要的系統操作軟件如Windows Server2012以上版本，必要的Office組件以及常用的數據庫以及工具軟件；

監測管理站配置數據采集軟件進行系統的編程、通訊網絡管理、數據采集、數據處理以及數據輸出等。

監測管理站配置工程安全監測信息管理分析系統對工程資料檔案輸入、對監測數據檢驗分析、用多種數據模型對水工建筑物安全進行在線監控分析、安全評估以及各種需要的信息存儲輸出等。

3.3 通訊網絡設計

(1)設計原則

由于各監測站分布較分散，且大壩變形監測網及數據采集站覆蓋的范圍較大，而以電信號為基礎的以太網不能滿足系統信號傳輸的需要，在通信網絡方案的選擇上，考慮光纖通信方式或者無線通信方式。

本方案通信網絡采用485總線結構，即每個現地測站并行獨立接入光纖主干網絡，光纖主干網絡連接至監測管理站，實現光信號與電信號的解調。設計原則如下：

1)為保證長距離傳輸時信號的衰減，現場測站在接入主干網絡前，所有網絡數據信號全部轉換為光信號；

2)自動化采集站內部MCU與MCU之間采用485總線進行通信。

3)主干網絡光纜芯數按實際芯數并留有20%冗余，以備其他系統設備或后期自動化系統擴容時使用。

4)RS-485通訊總線不得走強電洞或是強電線管。如因環境所限，要平行走線，則要遠離50 cm以上。

(2)網絡結構型式

現場測站之間網絡采用光纖485通信方式，各測站內部MCU之間采用屏蔽雙絞線485通信方式。光纖采用單模光纜。

各系統之間通訊方式如下：

1)MCU與傳感器之間，采用各類型傳感器的專用信號電纜，滿足有效傳輸本工程各類監測傳感器的信號。

2)MCU與MCU之間，通過MCU的485接口采用屏蔽雙絞線RS-485方式進行級聯，直至連接最后一臺MCU配置的光端機，然后由光纜連接至監控中心的光端機。測量單元上的通訊口進行級聯，測量單元通485總線必須采用標準的屏蔽雙絞線，這樣可有效防止和屏蔽干擾。總線長度不超過1200 m(建議在1000 m以內)。

3)監測管理站和現場測站之間，采用總線結構+光纖RS-485方式或者無線方式進行通信。其中有線測站采取總線方式，現場測站光纖熔接入主干光纖網絡，直至監測管理站，之后通過監測管理站的光端機接入網絡交換機，實現光信號與電信號的解調，從而接入現有自動化系統的數據管理體系；無線測站則通過無線電臺，采取并行方式單獨連接監測管理站。

通訊網絡拓撲圖見圖2、圖3。

圖2 通訊網絡拓撲圖

圖3 監測站點通訊網絡拓撲圖

3.4 電源供電方式

(1)一般測站

就近引設供電方式，每座監測站根據MCU數量配置免維護蓄電池組做為備用電源，蓄電池組容量按150 Ah/12 V配置，停電時為MCU、通信設備供電。所有設備接入廠用供電系統，應通過穩壓電源。

(2)獨立測站

對于獨立測站來說，采用太陽能供電系統和蓄電池組合的浮充供電系統為無線通信設備、數據采集單元(MCU)等設備供電。太陽能供電系統按60 W、蓄電池組容量按120 Ah/12 V考慮，輸出電壓12 V，蓄電池應采用鉛酸膠體蓄電池，應滿足通訊和采集設備的需要。

圖4 系統工作方式

太陽能供電系統由太陽能陣、匯流盒、太陽能控制器等組成，太陽能陣采用單晶硅。大部分太陽能陣放置在觀測房上，太陽能陣應能與其結構物可靠連接，并能在7級(含)以下的大風環境內正常工作。

(3)監測管理站

監測中心站不設獨立的電源系統，直接接入整個建筑物的供電系統。

3.5 系統工作方式

(1)中央控制方式

由監測中心站采集機或主站管理計算機，命令所有數據采集單元同時巡測或指定單臺、單點進行選測，測量完畢將數據列表顯示，并根據需要存入采集數據庫。

(2)自動控制方式

由各臺測控單元自動按設定時間進行巡測、存儲，并將所測數據送至監測中心站的采集機備份保存。

(3)遠程控制方式

由經過允許協議的遠程計算機，通過網絡對現場中心站進行全過程操作或對現場測控單元進行連接控制、檢測和管理。

3.6 系統冗余要求及運行方式

在監測中心設置1臺數據庫服務器、2臺工作站，可實現系統的冗余要求。

利用數據庫服務器本身多硬盤結構，在系統內設置硬盤RAID備份，達到多機鏡像備份，滿足系統平均維修時間≤24 h的相關要求。

系統運行為24 h實時在線方式，可在線隨時進行測量。

4 結論

結合新疆和田地區小型水庫大壩安全監測系統建設工程，介紹自動化安全監測系統的概況及主要功能，并從現場測站配置、監測管理站配置、通訊網設計、供電設計、系統工作及安全運行等多個方面分析和田地區大壩自動化安全監測系統建設過程。和田地區通過建設該系統，大大降低了小型水庫大壩安全監測的工作難度，豐富了監測數據成果，從而為大壩安全監測及預報預警提供了可靠的數據，取得了豐碩的成果。