周錫瑯，蔡 杰，向 南，吳 駿

[南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）有限公司，江蘇省南京市 210003]

0 引言

目前國內(nèi)外的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)雖然具有了一定的水平，但這些系統(tǒng)還是存在一定的局限性。老式系統(tǒng)的軟件層次結(jié)構(gòu)都還滯留在傳統(tǒng)二層C/S模式，沒有采用面向服務這個新的軟件架構(gòu)，而且這些系統(tǒng)只能管理單個大壩，對多個大壩的集成管理顯得無能為力，有些集成方案是將多座大壩的數(shù)據(jù)簡單匯總到一個數(shù)據(jù)庫中，并用老式的單個壩管理系統(tǒng)來進行集成地管理，這種集成方式需要形成各個壩的信息到集成中心庫的映射關(guān)系，其內(nèi)部邏輯復雜，維護成本極高。

隨著大壩及工程安全監(jiān)測自動化程度越來越高，對于相應軟件應用系統(tǒng)的需求也越來越復雜，基于多個電站的統(tǒng)一安全管理也是目前提高大壩安全監(jiān)測效率的迫切要求，為了實現(xiàn)多個電站安全監(jiān)測的統(tǒng)一管理，以及大壩及工程安全監(jiān)測可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的目標，需要有滿足現(xiàn)今需求的軟件自動化控制系統(tǒng)，以解決目前系統(tǒng)存在的缺陷[1]。

壩群綜合安全監(jiān)測與評估預警系統(tǒng)的建設，為各水電站大壩與工程安全監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)提供了一個采集、處理、保存、分析的統(tǒng)一平臺，系統(tǒng)靈活的部署方式可以實現(xiàn)分布式多座大壩的服務集成，硬件設備通過該平臺接入計算機系統(tǒng)進行控制，同時系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行分析與處理，是安全監(jiān)測實際運行的平臺，該平臺的性能很大程度上決定了安全監(jiān)測運行的狀況與效率，是流域大壩與工程安全監(jiān)測中重要的平臺之一。

1 系統(tǒng)設計

壩群綜合安全監(jiān)測與評估預警系統(tǒng)采用了SOA結(jié)構(gòu)，解決了在的大范圍內(nèi)對壩群安全監(jiān)控的集中管理，該系統(tǒng)將壩群系統(tǒng)打造成高度自動化、升級維護方便、可伸縮、可擴展、界面簡潔美觀、功能齊全的強大系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Overall structure of the system

每個大壩子系統(tǒng)內(nèi)部由采集計算機、傳感器、測量裝置組成，其拓撲結(jié)構(gòu)也是分布式，系統(tǒng)中可以包括多個采集計算機，每個采集計算機可以連接多個測量模塊，每個測量模塊可以連接多個傳感器，由于采用分布式的結(jié)構(gòu)，某個節(jié)點的故障不會造成整個系統(tǒng)的崩潰。雖然系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)很復雜，但由于采用了面向服務架構(gòu)進行分層的處理，已成功化解了系統(tǒng)的復雜性[2]。系統(tǒng)拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)拓撲圖Figure 2 System Topology

2 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

如圖3所示，壩群綜合安全監(jiān)測與評估預警系統(tǒng)由采集、報表、圖形、評估與預警、測點管理、數(shù)據(jù)管理和任務管理7個部分組成。

圖3 軟件設計框圖Figure 3 Software design block diagram

2.1 采集系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)采集是完全分布式的，一個管理中心要面對多座大壩子系統(tǒng)，一個大壩子系統(tǒng)中可能包括多個采集計算機，每個采集計算機可以連接多個測量模塊，每個測量模塊可以連接多個傳感器，系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 采集系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Figure 4 Topology of acquisition system

要實現(xiàn)現(xiàn)場少人值守就需要能在管理中心操控各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)采用分層面向服務的方法，邏輯上將管理中心和子系統(tǒng)分在一層上，子系統(tǒng)中的采集計算和采集測量裝置分為另外一層；管理中心根據(jù)服務注冊信息在各子系統(tǒng)找到執(zhí)行遠程控制的代理計算機并向它的采集服務接口發(fā)出控制命令，該代理計算機再在子系統(tǒng)中根據(jù)拓撲信息找到指定的目標采集計算機并向它的采集服務接口發(fā)出控制，至于采集計算機到采集測量裝置的通信路由則由具體的采集計算機負責；通過分層處理的方式，化解了通信結(jié)構(gòu)的復雜性，可靠地解決了分布式采集通信。

2.2 通信編解碼設計

系統(tǒng)需要在管理中心實現(xiàn)對第三方系統(tǒng)的遠程控制，在實現(xiàn)此需求的過程中各個廠家系統(tǒng)采用的硬件設備和模塊采集通信協(xié)議各不相同，想直接進行操控是很難的，需要設計一個統(tǒng)一的遠程采集控制協(xié)議，各采集系統(tǒng)實現(xiàn)該協(xié)議，從而實現(xiàn)對所有系統(tǒng)的遠程采集與控制。

壩群系統(tǒng)中采用了XML來描述這些信息，不僅對測點設計代號、測量裝置名稱可以輕松描述外，對于難以同一的標量信息，各廠家可以將各自的釋義用文字信息返回，這樣就輕松規(guī)避了廠家間的信息差異。

例如：模塊自檢的返回信息的XML數(shù)據(jù)如圖5所示。

雖然XML編解碼因其冗余度較高會影響速度，但這種通信方式非常適用于大壩子系統(tǒng)之間的信息通信，由于簡化了通信編解碼的難度，使得該技術(shù)更利于推廣。

圖5 命令格式Figure 5 Command format

2.3 支持多協(xié)議

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供與硬件系統(tǒng)的通信和控制功能，支持在同一工程混合使用不同協(xié)議的測量模塊。

2.4 使用采集向?qū)肀O(jiān)測

系統(tǒng)提供采集命令向?qū)硪龑в脩襞渲靡l(fā)送的命令，所有的采集命令都可以采用向?qū)?，使用上更加簡便。通過采集向?qū)?zhí)行配置好的采集命令，并將結(jié)果展示出來。

2.5 快捷采集窗口監(jiān)測

系統(tǒng)提供快捷采集界面，可以直接選擇模塊或者測點，選擇工具條上的控制命令，執(zhí)行后根據(jù)命令類型將結(jié)果顯示在不同的界面上。

在資源窗口中，系統(tǒng)在測點和模塊的鼠標上下文菜單中加入了常用采集命令，可方便對模塊和測點的采集控制。

2.6 報表系統(tǒng)設計

提供報表和表格設計工具制作生成各類常規(guī)報表、表格及報告，包括日報、周報、月報、季報、年報及各類統(tǒng)計表等，也可按自定義格式定制報表和表格，在生成的報表和表格中提供轉(zhuǎn)換為Excel文檔、打印輸出等功能接口。

系統(tǒng)中用戶可以自由的定制需要的大壩信息報表。

2.7 圖形系統(tǒng)設計

2.7.1 布置圖定制

能夠?qū)⒍喾N類型的圖形文件（如bmp、jpg、emf、wmf等）作為布置圖背景，在布置圖上能夠放置測點、DAU，模塊作為操作的熱點對象，實時觀察最新采集到的數(shù)據(jù)，利用快捷功能菜單，可以獲取相測點的歷史數(shù)據(jù)、過程線和屬性，可以對圖中的測點和模塊進行采集控制。

2.7.2 過程線圖定制

可以定制單個過程線的顯示，可以實現(xiàn)多個過程線同時顯示；過程線可以直方圖、曲線、折線圖；滑動桿拖動操作，無級放大；在過程線上設置數(shù)據(jù)評估；數(shù)據(jù)顯示有篩選功能；過程線能粗差分析；具有收藏功能。

2.7.3 分布圖定制

可以定制和輸出各種類型分布圖（如張線分布圖，揚壓力分布圖，靜力水準分布圖，浸潤線、錨索測力計圈圖等各種分布圖）。

根據(jù)查詢數(shù)據(jù)時間，分布圖可動態(tài)演示數(shù)據(jù)變化的過程。

2.7.4 相關(guān)圖定制

利用相關(guān)圖的定制功能，可以直觀地比較出測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性，同時可顯示相關(guān)系數(shù)，及相關(guān)性擬和曲線。

2.8 安全評估系統(tǒng)設計

安全評估模塊功能如圖6所示。

圖6 安全評估模塊的總體功能Figure 6 Functional structure of safety assessment

2.8.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)異常并告警：

異常測值的判別方法是采用若干檢驗準則對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行檢驗，判定數(shù)據(jù)是否越限。通?？墒褂玫臋z驗準則有：

其中，ymax和ymin分別為歷史最大測值和最小測值（粗差等錯誤測值除外）。ε中為監(jiān)測量的觀測中誤差。

當監(jiān)測成果大于上限或小于下限時，則該準則檢驗結(jié)果為測值異常。

（2）監(jiān)控指標準則。該準則的上、下限為已經(jīng)存在的監(jiān)測量的監(jiān)控指標，監(jiān)控指標應選用設計控制值，沒有設計控制值時，可根據(jù)工程基本情況，結(jié)合多年運行經(jīng)驗進行擬定，并需通過專家論證。

（3）監(jiān)控模型準則。對監(jiān)測量進行相關(guān)分析，建立監(jiān)控的物理模型。每次檢驗時，先根據(jù)模型公式和因子實測數(shù)據(jù)計算對應的模型值，再以該模型值為標準，考慮模型方程的剩余標準差，生成數(shù)據(jù)檢驗上、下限：y+Kσ、y-Kσ。

其中，y為模型值，K是一個可調(diào)系數(shù)，通常取2～3，σ為模型的剩余標準差。

（4）變化速率準則。該準則用來檢驗監(jiān)測量是否存在趨勢性變化。

根據(jù)《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄六第四節(jié)，該模塊主要功能為：對需要進行變化速率準則評判的測值序列，對其每一個測值，在保證歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)系列可靠的基礎上，首先統(tǒng)計觀測系列的最大日升降速率，通過本次日升降速率和最大日升降速率的比較，完成測值性質(zhì)的識別—正常、異常。

2.8.2 監(jiān)測斷面、監(jiān)測部位異常并告警

監(jiān)測斷面、部位綜合評判結(jié)論來自項目中監(jiān)測量的異常百分率。在統(tǒng)計監(jiān)測量異常百分率過程中，要考慮到關(guān)鍵監(jiān)測項目中各監(jiān)測量之間有可能存在主次之分，它們在判定監(jiān)測項目有無異常的過程中所起的作用可能是不同的。通過準則權(quán)重計算數(shù)據(jù)異常率，如超過預設的限制標準，則該斷面或部位發(fā)生異常，并給以告警[3]。

2.8.3 工程安全綜合分析評估

根據(jù)不同項目分配權(quán)重值。設置工程安全評判的兩個評價參數(shù)B1、B2，這兩個參數(shù)用于對工程安全狀態(tài)進行分級評價，最后設置相同測次最大時間間隔，每個時間間隔中將只產(chǎn)生一個工程評價結(jié)果。

3 工程應用

某壩群綜合安全監(jiān)測與評估預警系統(tǒng)是一個由多個水電站工程安全監(jiān)測系統(tǒng)作為支點組成的綜合性信息系統(tǒng)，主要包括工程安全監(jiān)測、實時監(jiān)控、安全運行評估、決策支持、水電站大壩安全信息報送等各種應用的綜合系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基礎是分布在各地的各水電站工程安全監(jiān)測系統(tǒng)，它們是系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的主要來源。為了實施全面的管理，并在此基礎上做全局性的高級分析決策，將各水電站的監(jiān)測信息有機地集成，形成綜合性管理中心。

系統(tǒng)選取船閘、左岸邊坡、右岸邊坡3個重點部位，采用基于原型觀測成果設計，實現(xiàn)自動檢索和判別異常測值，異常率統(tǒng)計，綜合評估與報警等功能。

表1 評判項目Table 1 Judgement ltems

開發(fā)過程中，首先是針對各地的各水電站工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸采用分布式結(jié)構(gòu)，在此架構(gòu)基礎之上實現(xiàn)采集，數(shù)據(jù)傳輸、粗差處理、成果計算、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)整編、圖表輸出、系統(tǒng)維護等基本功能，保證各水電站單個系統(tǒng)的應用功能。在各水電站安全監(jiān)測系統(tǒng)正常運行后，利用各系統(tǒng)的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供遠程采集、數(shù)據(jù)查詢服務，設計統(tǒng)一的平臺集成各系統(tǒng)數(shù)據(jù)與采集功能，以各水電站為節(jié)點分站，公司總部為管理中心，進行安全遠程集控集成，設計多工程安全監(jiān)控管理綜合系統(tǒng)，以同一的平臺共同管理流域中個水電站的設備與監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過遠程服務調(diào)用，實現(xiàn)各子系統(tǒng)功能，同時進行綜合應用設計與開發(fā)，如流域?qū)Ш健⒕C合過程線、綜合報表等設計開發(fā)。在遠程分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)設計開發(fā)的基礎之上，進行資料分析功能設計與開發(fā)，為安全運行提供決策輔助，主要包括監(jiān)測量的粗差檢驗與處理，監(jiān)測量的初步分析（特征值統(tǒng)計分析、過程線和時間變化規(guī)律分析、相關(guān)圖和相關(guān)分析、分布圖和空間變化規(guī)律分析等），監(jiān)測量的定量分析和物理模型的建立（分析因子、回歸方法、建模方法、分布模型、模型的建立和檢驗、監(jiān)測數(shù)據(jù)精度分析、模型的圖表分析、模型檢驗準則等）等。

4 項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

（1）實現(xiàn)了總線插拔式的大區(qū)域工程群系統(tǒng)的集成。壩群安全管理系統(tǒng)軟件則可以將不同的地理位置上的多個不同工程系統(tǒng)通過標準的服務接口輕松集成在一起，當需要增加某個子工程系統(tǒng)時，無需任何額外編程，只要將該系統(tǒng)的接口注冊到軟件服務總線即可。如此總線插拔式的集成方式方便了大區(qū)域監(jiān)控中心集成，突破了此類傳統(tǒng)軟件只能應用于一個工程地點的局限。

（2）對不同廠家現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠程控制。為了實現(xiàn)在區(qū)域監(jiān)控中心實現(xiàn)對不同廠家現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠程控制，研發(fā)人員專門設計了的“通用遠程采集控制協(xié)議”（其中數(shù)據(jù)編解碼采用了XML技術(shù)），并在工程應用中成功地實現(xiàn)了對第三方廠家系統(tǒng)的遠程采集和控制，該控制技術(shù)開放性強，為在壩群區(qū)域監(jiān)控中心成功集成不同廠家的系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。

（3）系統(tǒng)具備了自動化任務機制。用戶可根據(jù)自己的需要為工程安全監(jiān)測定制各類自動化任務，任務可手動、定時、事件觸發(fā)方式運行，從而確保了系統(tǒng)的高度智能化和自動化。

（4）系統(tǒng)可完全組態(tài)?？山M態(tài)方面有通信、輸入輸出、系統(tǒng)定義、自動化任務及觸發(fā)條件，用戶通過組態(tài)功能可創(chuàng)造他們所需要的各種功能。

5 結(jié)束語

壩群綜合安全監(jiān)測與評估預警系統(tǒng)目前已經(jīng)成功地應用于多個壩群管理中心，技術(shù)上已經(jīng)完全成熟，由于在業(yè)界創(chuàng)造性地使用了面向服務的架構(gòu)，在實際應用中體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡潔和集成便捷的優(yōu)點，在國內(nèi)處于非常領先的地位。系統(tǒng)中實現(xiàn)的“通用遠程采集控制協(xié)議”成功地實現(xiàn)了對第三方采集系統(tǒng)集成，因為一個流域中的采集系統(tǒng)不可能是一家提供商，該技術(shù)實現(xiàn)了對流域內(nèi)壩群系統(tǒng)的集成。系統(tǒng)所有的功能都是可以定制的，軟件做到了與工程無關(guān)，只要在不同的工程中做不同的定制就可以適應不同工程的需求，降低了系統(tǒng)的維護成本，經(jīng)濟效益顯著[4]。該系統(tǒng)的成功投運為發(fā)電集團公司、流域水電開發(fā)公司等實施水電站壩群綜合安全監(jiān)測管理與評估預警具有借鑒作用。