水利工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

水利工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

萬(wàn)家寨引黃工程是一項(xiàng)橫跨流域的引水工程。第一階段從萬(wàn)家寨水庫(kù)取水，并通過(guò)總干線、南干線和附屬段輸至太原。引水線路全長(zhǎng)約286.2公里，包括隧道和渡槽長(zhǎng)約162公里。由于輸水沿線地形地貌極為復(fù)雜,輸水建筑物眾多,且比較分散。為了確保工程安全運(yùn)行,在隧洞、渡槽及泵(閘)站等主體工程建筑物已安裝了大量安全監(jiān)測(cè)儀器,并設(shè)置了37座監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)儀器電纜就近引至附近的監(jiān)測(cè)站,利用站內(nèi)MCU進(jìn)行集中自動(dòng)觀測(cè)。目前各監(jiān)測(cè)站主要靠人工定期到現(xiàn)場(chǎng)讀取數(shù)據(jù)、更換電池,監(jiān)測(cè)的可靠性和時(shí)效性較差,且工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大,特別是由于工程區(qū)域內(nèi)地形條件復(fù)雜,遇到雨雪天氣,觀測(cè)人員無(wú)法及時(shí)讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或?yàn)楸O(jiān)測(cè)站更換電池,有可能造成缺測(cè)或數(shù)據(jù)丟失,中斷觀測(cè)序列,造成無(wú)法彌補(bǔ)的損失。因此,在引黃現(xiàn)有通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過(guò)補(bǔ)充和完善通信網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行合理組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和處理自動(dòng)化是非常必要的。1通信方案的選擇和網(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計(jì)1.1數(shù)字微波通信系統(tǒng)引黃一期工程已建連接總干一級(jí)、總干二級(jí)、總干三級(jí)、南干一級(jí)、南干二級(jí)泵站的SDH155.520Mbit/s光纖環(huán)網(wǎng)通信系統(tǒng);總干三級(jí)泵站至太原建設(shè)了SDH155.520Mbit/s數(shù)字微波通信系統(tǒng);在聯(lián)接段建設(shè)了一點(diǎn)多址微波通信系統(tǒng);工程沿線建設(shè)了覆蓋大部分輸水線路和引黃主要地面建筑物的集群移動(dòng)通信系統(tǒng),并在6個(gè)水力量測(cè)站建設(shè)了集群移動(dòng)通信系統(tǒng)固定數(shù)傳電臺(tái),用于傳輸水力量測(cè)數(shù)據(jù);同時(shí),建設(shè)了連接6個(gè)水力量測(cè)測(cè)站以及總?cè)谜镜腟DH155.520Mbit/s光纖通信系統(tǒng)。1.2網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案比選由于監(jiān)測(cè)站大部分布于輸水沿線崇山峻嶺當(dāng)中,地形險(xiǎn)惡、復(fù)雜。已有通信線路不能到達(dá),因此需補(bǔ)充新建通信接入網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的需要。根據(jù)已建通信系統(tǒng)現(xiàn)狀,按照不同的通信方式,提出了5種通信方案進(jìn)行比選。方案1:采用已建集群通信方式為主的組網(wǎng)方案。利用已建集群通信系統(tǒng)基站,在監(jiān)測(cè)站增加數(shù)傳臺(tái)組成安全監(jiān)測(cè)通信網(wǎng),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)覆蓋不到的測(cè)站可增加中繼站進(jìn)行延伸。方案2:采用超短波通信方式為主組網(wǎng)的方案。該方案是在原集群移動(dòng)通信基站建設(shè)超短波中心站,覆蓋大部分輸水沿線,中心站設(shè)備與原有微波通信相連,并在各測(cè)站設(shè)置超短波數(shù)字電臺(tái),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸。方案3:采用衛(wèi)星通信方式為主的組網(wǎng)方案。衛(wèi)星通信具有傳輸質(zhì)量高,通信可靠,組網(wǎng)靈活機(jī)動(dòng),通信基本不受地形條件的限制等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合本工程的實(shí)際情況,可采用Inmarsat-c組建衛(wèi)星通信網(wǎng)。方案4:采用光纖通信組網(wǎng)方案。采用光纖通信方式,利用封閉的輸水隧洞敷設(shè)光纜連接各測(cè)站,并在泵(閘)站等與現(xiàn)有通信網(wǎng)相連。在隧洞內(nèi)敷設(shè)光纜,可避免外界干擾和人為破壞。方案5:以光纖通信為主、集群作為備用組網(wǎng)方案。本方案是作為前4種方案的補(bǔ)充完善而提出的,即充分利用水力量測(cè)光纖通信和集群通信系統(tǒng)等已建通信系統(tǒng),光纖通信和集群通信相結(jié)合,以光纖通信為主、集群移動(dòng)通信作為備用進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)。具體方案是:把沿線泵站及水力量測(cè)測(cè)站設(shè)置為信息的集合轉(zhuǎn)發(fā)站(分中心站),各集合轉(zhuǎn)發(fā)站利用光纖通信方式(利用輸水隧道敷設(shè)或架空敷設(shè)光纜至就近安全監(jiān)測(cè)站)就近收集附近安全監(jiān)測(cè)站的信息,接入引黃工程已建通信網(wǎng)絡(luò)傳至太原調(diào)度中心。沿線集合轉(zhuǎn)發(fā)站利用已建的水力量測(cè)SDH光通信系統(tǒng)做為主通道接至調(diào)度中心,同時(shí)利用已建的集群移動(dòng)通信系統(tǒng)作為集合轉(zhuǎn)發(fā)站至調(diào)度中心的備用通道(由于集群移動(dòng)通信系統(tǒng)已建,不用也是浪費(fèi))。方案1的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用已建集群通信系統(tǒng),節(jié)省投資。缺點(diǎn)是目前集群通信系統(tǒng)存在外界干擾,通信誤碼率較高且時(shí)有中斷,信道容量不足,覆蓋有盲區(qū)等問(wèn)題,不能很好滿足安全監(jiān)測(cè)通信的需要。方案2的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單,易于使用維護(hù),投資少。缺點(diǎn)是可靠性較差。方案3的優(yōu)點(diǎn)是可靠性較高,設(shè)備成熟,投資少,建設(shè)速度快。缺點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)相對(duì)較高,傳輸速率較低。方案4的優(yōu)點(diǎn)是傳輸質(zhì)量好,可靠性高,技術(shù)成熟。缺點(diǎn)是投資大,施工困難,同時(shí)由于沿輸水線路敷設(shè)光纜、串聯(lián)通信方式,因此一旦一點(diǎn)中斷,該斷點(diǎn)以下的測(cè)站全部中斷通信。方案5克服了以上4個(gè)方案的缺點(diǎn),可靠性高,傳輸質(zhì)量好,技術(shù)成熟。充分利用了水力量測(cè)已建通信土建、電源等設(shè)施,且對(duì)每個(gè)集合轉(zhuǎn)發(fā)站的信息傳輸都有備用通道,而投資增加不大。綜合以上5個(gè)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)的綜合比較,本設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)采用方案5。1.3工業(yè)以太網(wǎng)通信監(jiān)控系統(tǒng)本工程安全監(jiān)測(cè)測(cè)站均為已建測(cè)站,測(cè)站分別設(shè)在室內(nèi)(設(shè)在泵站廠房?jī)?nèi))、支洞內(nèi)、檢修通道內(nèi)、洞口地下室、山頂?shù)叵率液偷孛嫘∥莸冉ㄖ飪?nèi),設(shè)備安裝環(huán)境潮濕,溫度沒(méi)有保證,而且大部分監(jiān)測(cè)站設(shè)在山溝谷之內(nèi),沒(méi)有常規(guī)市電供應(yīng)。為此光纖通信設(shè)備應(yīng)滿足技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、功耗低,并適合無(wú)人值守,可以長(zhǎng)期在高溫、低溫和潮濕等惡劣環(huán)境下可靠工作,并應(yīng)具有網(wǎng)管功能。由于測(cè)站數(shù)據(jù)傳輸信息量不大,實(shí)時(shí)性要求不太高,采用SDH和工業(yè)以太網(wǎng)傳輸方式都能夠滿足自動(dòng)化系統(tǒng)功能和傳輸要求?？紤]到工業(yè)以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性價(jià)比較高,傳輸效率高,容易安裝開(kāi)通,可靠性高。(2)以太網(wǎng)適合于處理IP突發(fā)數(shù)據(jù)流,帶寬可調(diào),完全透明傳輸。(3)采用全雙工LAN交換,可實(shí)現(xiàn)信息隔離,消除了鏈路帶寬的競(jìng)爭(zhēng)和潛在的碰撞。(4)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備比SDH設(shè)備更適合在寬溫下工作,設(shè)備功耗低,設(shè)備價(jià)格低。因此,本工程各分中心以下采用光纖工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信組網(wǎng)。在各分中心及所屬監(jiān)測(cè)站配置以太網(wǎng)交換機(jī),利用光纜線路組成以各分中心站交換機(jī)為核心的光纖以太網(wǎng)絡(luò),將各監(jiān)測(cè)站信息匯集到就近的分中心站進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。2安全監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)2.1安全監(jiān)測(cè)信息流程引黃工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)采用中心站、分中心站和監(jiān)測(cè)站3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),中心站設(shè)在太原調(diào)度中心,所有測(cè)站信息都要經(jīng)過(guò)新建和已建通信網(wǎng)通道傳至太原監(jiān)測(cè)中心站。11個(gè)分中心站包括5個(gè)泵站分中心和6個(gè)與水力量測(cè)站結(jié)合的分中心站,37個(gè)監(jiān)測(cè)站分設(shè)在泵站、隧洞等監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)地。安全監(jiān)測(cè)信息流程圖見(jiàn)圖1。各分中心站與太原中心站之間利用已建通信系統(tǒng),其中泵站分中心站首先利用已建核心地區(qū)光纖環(huán)網(wǎng)將信息匯集至總干三級(jí)泵站,由總干三級(jí)泵站再利用已建干線微波通道至太原中心站;與水力量測(cè)站結(jié)合的分中心站首先利用已建水力量測(cè)SDH光纖通信作為主通道將信息匯集至總干三級(jí)泵站,由總干三級(jí)泵站再利用已建微波通道至太原中心站。各分中心站利用已建移動(dòng)通信作為信息匯集至總干三級(jí)泵站的備用通道,主備通道之間可以自動(dòng)切換,互為備用。各分中心利用已建水力量測(cè)光纜和新建光纜組成光纖通信網(wǎng)絡(luò),就近匯集附近安全監(jiān)測(cè)測(cè)站的信息至分中心站,由分中心站傳至太原。2.2網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)安全本工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化信息傳輸所要利用的新建和已建的通信方式眾多,包括引黃工程微波通信、光纖通信、一點(diǎn)多址微波、移動(dòng)通信、工業(yè)以太網(wǎng)和擴(kuò)頻通信等,其通道帶寬、接口方式、傳輸標(biāo)準(zhǔn)、接收方式和網(wǎng)絡(luò)管理也各不相同。為此本設(shè)計(jì)選擇構(gòu)建計(jì)算機(jī)IP網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸平臺(tái),實(shí)現(xiàn)信息傳輸、共享、自動(dòng)加工和處理,保證信息傳輸?shù)募皶r(shí)性、靈活性和準(zhǔn)確性。IP計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置1個(gè)太原監(jiān)測(cè)中心網(wǎng)絡(luò)和11個(gè)分中心節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)?？紤]到各監(jiān)測(cè)分中心至太原監(jiān)測(cè)中心的通信通道均要經(jīng)過(guò)總干三級(jí)泵站至太原的SDH微波干線連接到太原,因此,設(shè)置總?cè)种行墓?jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)匯接中心,在匯接中心配置高端路由器,采用1+1備份。匯接中心以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式匯接10個(gè)分中心終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。在10個(gè)分中心終端節(jié)點(diǎn)各配置1套低端路由器。太原監(jiān)測(cè)中心配置1+1路由器連接總干三級(jí)泵站,從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。太原監(jiān)測(cè)中心站作為網(wǎng)絡(luò)中心,總?cè)种行募孀鱾溆镁W(wǎng)絡(luò)中心。本工程各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)或交換式以太網(wǎng),滿足TCP/IP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式采用B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)。鏈路連接采用RIP簡(jiǎn)單路由協(xié)議。2.3網(wǎng)絡(luò)管理功能在太原設(shè)置網(wǎng)絡(luò)管理中心并設(shè)置獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)管終端對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管理,網(wǎng)絡(luò)管理具有配置管理、性能管理、故障管理及安全管理等功能。通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵部位設(shè)置防火墻和安裝防病毒軟件等措施,使網(wǎng)絡(luò)具備計(jì)算機(jī)病毒的預(yù)防和控制能力。3網(wǎng)絡(luò)的可靠性設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采取了以下措施提高系統(tǒng)的可靠性。3.1新增重要中心總干三級(jí)泵站是輸水核心地區(qū)各信息點(diǎn)信息傳輸至太原的會(huì)聚點(diǎn),也是核心光纖環(huán)網(wǎng)、水力量測(cè)通信網(wǎng)及集群通信網(wǎng)與至太原微波干線的匯接點(diǎn),因此設(shè)計(jì)把總?cè)种行脑O(shè)置為備用監(jiān)測(cè)中心,可以提高整個(gè)系統(tǒng)可靠性。3.2省站至總結(jié)構(gòu)中心泵站分中心至總?cè)种行牡耐ㄐ攀抢靡S已建光纖環(huán)網(wǎng)通信,與水力量測(cè)合建的分中心站至總?cè)种行牡耐ㄐ爬盟α繙y(cè)光通信系統(tǒng),同時(shí)利用已建集群系統(tǒng)作為備用通信通道。3.3采用計(jì)算機(jī)ip網(wǎng)絡(luò)和冗余設(shè)備配置對(duì)信息進(jìn)行信息存儲(chǔ)、備份,并利用IP網(wǎng)絡(luò),統(tǒng)一信息平臺(tái),實(shí)現(xiàn)通信通道路由自動(dòng)切換。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用冗余設(shè)計(jì),網(wǎng)絡(luò)中心配置雙路供電。4