高修強，馮　濤，張　晨（.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州，3；.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，6005）

?

水電站大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)虛擬化集成

高修強1，馮濤1，張晨2
（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，610051）

摘要：水電站大壩安全管理統(tǒng)一平臺需要集成多個監(jiān)測自動化系統(tǒng)，筆者提出的集成方案中，自動化廠家在采集模塊外層增加采集服務，以此供第三方調(diào)用，在流域公司或多電站管理公司的大壩安全管理系統(tǒng)中完成了對多個監(jiān)測自動化系統(tǒng)的虛擬化集成。實踐表明，此方案可降低系統(tǒng)間的耦合度，前期實現(xiàn)方便，后期維護成本低，是大壩安全一體化管理中各方容易接受的一種集成方案。

關鍵詞：大壩安全；監(jiān)測；自動化；采集；系統(tǒng)集成

水電站在土建施工基本結束時開始大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)項目實施，大型水電站在實施自動化系統(tǒng)時通常會分段招標，因此可能會有多個自動化系統(tǒng)廠家中標。已投入運行的水電站實施監(jiān)測自動化改造項目時也有可能同時存在多個自動化廠家的系統(tǒng)。對流域公司或多電站管理公司而言，由于管理多座大壩，不可避免地存在多個自動化系統(tǒng)同時運行的情況。

信息化推動著管理的創(chuàng)新，實現(xiàn)大壩安全一體化管理已是目前的發(fā)展趨勢，一體化管理要求將自動化系統(tǒng)納入統(tǒng)一管理平臺，需要解決將多個廠家的自動化系統(tǒng)納入一體化統(tǒng)一管理平臺的問題。

鑒于此，筆者提出監(jiān)測自動化系統(tǒng)虛擬化集成的設想，以滿足大壩安全一體化管理的要求。

1　現(xiàn)狀和必要性

目前國內(nèi)應用于水電站大壩監(jiān)測的自動化采集系統(tǒng)產(chǎn)品較多，如南京南瑞DAMS-IV型分布式工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)、南京達捷DG-2000型智能分布式大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)、北京木聯(lián)能LN1018-Ⅱ型開放型分布式工程安全監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)和北京基康BGK-Logger數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。不同廠家的自動化采集系統(tǒng)，其硬件采集協(xié)議及采集軟件（包括采集數(shù)據(jù)庫結構和類型）各不相同，但同為監(jiān)測自動化系統(tǒng)，它們都具備基本的采集與數(shù)據(jù)存儲功能，包括數(shù)據(jù)采集、采集設置、設備檢查、數(shù)據(jù)存儲等，功能的相同是系統(tǒng)集成的有利條件。

監(jiān)測自動化系統(tǒng)集成的最初形式主要是數(shù)據(jù)集成，流域公司或集團公司建設統(tǒng)一的監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，將下轄水電站的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總到一起，各水電站仍保留自己的數(shù)據(jù)和采集系統(tǒng)。針對多個監(jiān)測自動化廠家的設備，管理系統(tǒng)并不實現(xiàn)對所有設備的檢查和采集功能，或僅實現(xiàn)了對單個廠家的自動化設備進行設備檢查和數(shù)據(jù)采集功能。各水電站的自動化數(shù)據(jù)采集和入庫仍由原自動化采集系統(tǒng)完成，管理系統(tǒng)將自動化數(shù)據(jù)進行匯總。這種集成只是對數(shù)據(jù)的集成，并未包含對采集功能的集成。

數(shù)據(jù)集成后，可在管理系統(tǒng)中查詢和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，但不能解決管理系統(tǒng)與各采集系統(tǒng)之間的交互問題，特別是二次采集、應急采集或臨時采集數(shù)據(jù)需要分別在各個采集系統(tǒng)中完成，存在很多局限性，導致很多工作沒有可操作性。比如地震應急，當管理系統(tǒng)感知到一定強度的地震時，無法實現(xiàn)對某區(qū)域的測點進行及時的數(shù)據(jù)采集操作。

在經(jīng)歷了數(shù)據(jù)集成這一過程的同時，企業(yè)的信息化管理思想也逐步成熟，管理者提出了“通過整體規(guī)劃、系統(tǒng)整合、數(shù)據(jù)集中、技術統(tǒng)一、集成運行、集中運維，將單個系統(tǒng)整合為統(tǒng)一的系統(tǒng)，構筑企業(yè)級業(yè)務平臺”這一新的要求，對業(yè)務流程中相關的系統(tǒng)進行集成就顯得更為迫切。

2　方案

安全監(jiān)測是大壩安全管理中的一項重要工作，其日常工作不僅是完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的定時采集，還包括對監(jiān)測設備的檢查與維護、對某些測點的二次采集、應急自動采集、臨時采集、設備的巡檢等，系統(tǒng)的集成就需要在統(tǒng)一的業(yè)務平臺上完成這些日常工作。

自動化相關規(guī)范中曾要求自動化廠家遵守統(tǒng)一的底層通信規(guī)約，允許第三方軟件通過通信規(guī)約與不同的自動化采集裝置進行通信，最終實現(xiàn)統(tǒng)一采集平臺。事實上，由于直接引用廠家的底層通信規(guī)約，管理系統(tǒng)和采集對象之間勢必存在著內(nèi)容耦合，這是一種最高程度的耦合，而對象之間的耦合越高，維護成本越高。耦合是影響軟件復雜程度和設計質量的一個重要因素，在設計上應采用以下原則：如果模塊間必須存在耦合，就盡量使用數(shù)據(jù)耦合，少用控制耦合，限制公共耦合的范圍，盡量避免使用內(nèi)容耦合。根據(jù)此原則將多個自動化系統(tǒng)統(tǒng)一劃分到自動化采集層，然后設計“數(shù)據(jù)獲取”、“數(shù)據(jù)采集”、“采集設置”、“設備檢查”等功能模塊作為集成層，集成層采用數(shù)據(jù)耦合的方式與自動化采集層交互，以此實現(xiàn)自動化系統(tǒng)虛擬化集成，其具體結構參見圖1。

自動化采集系統(tǒng)在采集模塊外層增加采集服務，通過數(shù)據(jù)耦合的方式為第三方提供參數(shù)調(diào)用和數(shù)據(jù)交互，以此實現(xiàn)采集功能的開放。以這種方式在流域大壩安全管理信息系統(tǒng)中完成了對監(jiān)測自動化系統(tǒng)的集成，系統(tǒng)已穩(wěn)定運行兩年，其間廠家還對自動化系統(tǒng)進行過升級，但基本上不需要額外的維護成本。

由于各系統(tǒng)開發(fā)所使用的平臺存在較大差異，根據(jù)對監(jiān)測自動化系統(tǒng)集成實踐的經(jīng)驗，自動化系統(tǒng)的采集服務建議采用基于傳輸控制協(xié)議（TCP）的Socket通訊接口來實現(xiàn)。通訊中的命令和數(shù)據(jù)包格式采用XML標準，它采用字符串形式編寫，是一種簡單、與平臺無關、并被廣泛采用的標準，便于其他系統(tǒng)開發(fā)和使用，同時由于XML能表達任何類型的數(shù)據(jù)，以便在將來進行擴展。采集過程中傳遞的信息可能包含漢字（比如測點名稱、故障原因等）編碼，建議統(tǒng)一采用針對Unicode的可變長度字符編碼UTF-8。

圖1　自動化系統(tǒng)虛擬化集成方案系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 System structure of the virtualized integration scheme of automatic systems

目前，自動化廠家提供的采集服務主要有以下功能：（1）采集裝置定時測值；（2）測點選測；（3）設置采集裝置時鐘；（4）查詢采集裝置時鐘；（5）設置采集裝置定時測量周期；（6）查詢采集裝置定時測量周期；（7）測點單檢；（8）采集裝置自檢；（9）獲取系統(tǒng)配置信息。

在集成層中，采集指令的格式有一套完整的定義，指令按照規(guī)定的格式存儲，集成層收到采集指令后，執(zhí)行驗證和解析，然后根據(jù)解析出的信息判斷測點或設備屬于哪個廠家的自動化系統(tǒng)，然后分別調(diào)用相應的采集服務完成采集，并獲取采集結果數(shù)據(jù)。集成層收到采集結果數(shù)據(jù)后，存儲到管理系統(tǒng)。完成采集后，如果是實時采集，則將采集結果展示給用戶，再由用戶決定是否保存。

在管理系統(tǒng)中，用戶不需要關心各水電站具體應用哪個廠家的自動化采集系統(tǒng)，也不需要關心自動化系統(tǒng)的具體布置情況，只要明確采集的自動化測點（集），當用戶發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令時，管理系統(tǒng)會根據(jù)具體的測點調(diào)用相關采集服務，完成采集任務并將采集的過程和結果返回給用戶。對用戶而言，多電站、多大壩的監(jiān)測自動化系統(tǒng)可視為一個系統(tǒng)，從而完成了對多個監(jiān)測自動化系統(tǒng)的虛擬化集成。

通過對系統(tǒng)的集成，從技術上將所有相關用戶與自動化測點的距離變得最小，用戶可隨時隨地通過WEB、移動客戶端APP發(fā)出采集指令，極大地方便了用戶對自動化監(jiān)測系統(tǒng)的訪問。通過這種集成，可以擺脫自動化系統(tǒng)的局限，通過互聯(lián)網(wǎng)和跨平臺技術將采集功能應用在更多層面。對于自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集，不僅可以在各廠家的自動化系統(tǒng)中完成，也可以在流域公司的管理系統(tǒng)應用終端（包括PC、手機、平板等）中完成。通過在國家大壩安全主管單位架設采集應用服務，還能夠方便地實現(xiàn)在主管單位相關系統(tǒng)的應用終端中采集電廠的大壩監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)，幫助相關主管單位和部門更實時地對大壩安全進行在線監(jiān)控。上述應用方式的網(wǎng)絡結構示意圖如圖2所示。

3　實例

某流域公司目前有4個水電站建設了監(jiān)測自動化系統(tǒng)，且有2個水電站有2個以上不同廠家的自動化系統(tǒng)，共涉及3個廠家的系統(tǒng)。建設公司統(tǒng)一的大壩安全管理平臺時，要求廠家提供采集服務。在統(tǒng)一管理平臺中將所有的采集服務封裝在一起，供用戶層調(diào)用。

系統(tǒng)針對監(jiān)測自動化系統(tǒng)向用戶提供以下主要功能：

圖2　自動化系統(tǒng)虛擬化集成應用網(wǎng)絡結構示意圖Fig.2 Application network structure of the virtualized integration of automatic systems

（1）自動化系統(tǒng)管理人員可以設置和查詢采集裝置時鐘、設定定時測量周期，可以同步計算機時鐘以及獲取自動化系統(tǒng)的其他配置信息等。

（2）檢查人員在定時采集任務完成后進行數(shù)據(jù)檢查時，根據(jù)需要可對測點進行二次采集、對測點或采集裝置進行設備檢查。通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，初步判斷模塊或通道的異常情況，進一步采取相應措施。

（3）監(jiān)測工作人員可將不同自動化系統(tǒng)的測點根據(jù)需要組成測點集，定時或臨時進行數(shù)據(jù)采集和設備檢查；如對關注的不同電站的自動化系統(tǒng)測點進行統(tǒng)一臨時采集，終端應用界面如圖3所示。

圖3　管理系統(tǒng)多電站多測點統(tǒng)一采集實例界面Fig.3 User interface of unified data collection from multi-hydropower plants and multi-points of management system

（4）非監(jiān)測工作人員可對單點進行數(shù)據(jù)的臨時采集。如在管理系統(tǒng)的移動客戶端上可以對某自動化系統(tǒng)的測點進行實時采集，界面如圖4所示。

圖4　管理系統(tǒng)移動客戶端單點采集實例界面Fig.4 User interface of single-point data collection in manage?ment system for mobile terminal

（5）在某些情況下（地震達到一定級別，水位達到一定高程，綜合評判某個區(qū)域發(fā)生了異常情況等）自動觸發(fā)對某些測點進行數(shù)據(jù)采集。

（6）相關主管單位人員可遠程對單點進行數(shù)據(jù)的臨時采集。如國家大壩安全主管單位可以對監(jiān)管的流域公司大壩進行自動化測點實時采集。

（7）除自動化系統(tǒng)維護人員進行故障排除需在現(xiàn)場外，自動化監(jiān)測相關工作都可以異地完成。

4　前景

一個專業(yè)的業(yè)務平臺應該將該專業(yè)的所有業(yè)務流程整合在一起，只有僅保持數(shù)據(jù)共享等簡單關系的系統(tǒng)才可以允許不納入業(yè)務平臺，因此監(jiān)測自動化系統(tǒng)的集成成為統(tǒng)一平臺的必要條件。

自動化系統(tǒng)涉及到的硬件設備類型多樣，實現(xiàn)控制設備的技術手段各不相同，提供控制的廠家又有多家，系統(tǒng)集成就成為建設統(tǒng)一平臺的關鍵點。監(jiān)測自動化系統(tǒng)集成的實例還較少，實踐中也只是對常規(guī)的自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了集成，特殊的自動化項目（如激光準直系統(tǒng)、測量全站儀等）還沒有完全實現(xiàn)系統(tǒng)的集成，因此，在技術、標準、管理上尚需對系統(tǒng)集成做進一步的研究和開發(fā)。

激光準直系統(tǒng)的控制和動作較多，采集時往往一條準直線上的所有測點作為一個單位一起完成采集，且采集過程中伴隨著測點波帶板的機械動作，集成時需要第三方和廠家一起確定實施方案。

測量全站儀常用的均是進口儀器，國外廠家很少直接向用戶開放采集服務，且采集服務完全由廠家定制，很難按用戶的需要提供采集服務，目前較難實現(xiàn)。

還有一些特殊的自動化監(jiān)測設備同樣存在著各種阻礙系統(tǒng)集成的因素，這就要在建設統(tǒng)一平臺時進行權衡和取舍，但系統(tǒng)集成的終極目標總會實現(xiàn)。

5　結語

建設流域公司級或多電站公司級的統(tǒng)一大壩安全管理業(yè)務平臺已逐步成為趨勢，監(jiān)測自動化系統(tǒng)的集成是平臺建設的重要內(nèi)容之一。通過自動化廠家提供采集服務，按照數(shù)據(jù)耦合的方式進行集成，降低了系統(tǒng)間的耦合度，前期實現(xiàn)方便，后期維護成本低，是一個容易讓各方接受的方案。系統(tǒng)集成后，對用戶而言，整個公司多座大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)可視為一個系統(tǒng)，從而完成了多個監(jiān)測自動化系統(tǒng)的虛擬化集成。

作者郵箱：gao_xq2@ecidi.com

Title:Virtualization integration of automatic monitoring systems for hydropower dams//by GAO Xiuqiang，F(xiàn)ENG Tao and ZHANG Chen//PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited

Abstract:Multiple automatic monitoring systems need to be integrated in the united platform of dam safety management for hydropower plant.In the integration scheme advanced in this article，except the collection module on the outer layer，the manufacturer adds collection service to make it available to the third party.For the dam safety management system of company which is in charge of river basin hydro?power development or management of multi-hydropower plants，visual integration of multiple automatic monitoring systems is completed.It is proved that the degree of coupling is reduced.And the integration scheme，easy to be realized in earlier stage and low maintenance cost required in the later stage，is the one that can be accepted by all parties during the integration management for dam safety.

Key words:dam safety；monitoring；automation；collection；system integration

中圖分類號：TP315

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1092（2016）01-0027-05

收稿日期：2016-01-06

作者簡介：高修強（1984-），男，江蘇徐州人，工程師，主要從事工程安全監(jiān)測信息化工作。