1、南水北調配套工程安全監測自動化系統設計摘要：基于南水北調中線工程安全監測規范和用戶實際需求，對數據庫、業務 功能和服務組件等內容進行設計，滿足管理者對安全監測業務的需求。南水北調 工程安全監測自動化系統設計，實現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，同時也發現和改進了一些問題，并提出了對工程未來運行維護 發展的思考。系統的構建將有效提升南水北調中線工程安全監測業務的信息化、 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；安全監測；自動化；設計引言南水北調配套工程安全監測的自動化系統以調水業務為核心，以自動控制為 重點，運用先進技術，建設服務于閘站監

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

3、沿線各管理處下轄的泵站及閥門井，安全監測項目 主要有：滲壓監測、土壓力監測、位移監測、應力應變監測、水位監測、溫度監 測、降雨量監測等。監測站信息采集系統主要包括，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、應用系統等。該自動化系統最終預計 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，建立一套穩定、可靠的自動化系統，設計時不僅需要嚴格依據相關規 范標準整體規劃、全面考慮，更需要合理運用先進的信息化技術，確保系統的及 時、準確。2南水北調配套工程安全監測自動化系統框架結構2.1組件層各類組件為系統提供軟件開發資源，向下連接數據層資源，向

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

5、系統開發架構的設計方面，需要考慮大數據量引發的系統消息阻塞問題。 因此基于系統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，絕大部分內觀監測儀器接入布設于現場的測量控制單元實 現數據自動化采集與傳輸；少部分內觀監測儀器和外部變形觀測數據，由人工進 行數據采集。所有監測數據采集后以統一的格式存儲到對應的數據庫中。2.4展現層實現請求接受，以及數據的返回，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、動互聯技術的發展和大屏終端展示需求，展現層還 包含移動APP和大屏終端界面。3南水北調配套工程安全監測自動化系統設計思路3.1組件層設計在組件層中，重點設計包括數據訪問層與業務服務組件的設計。在數據訪問 層方面，為提高程序性能，在數據庫基礎上增加redis緩存層實現數據層的持久 化，增加各類數據接口，把原需要對數據表進行的操作，簡化為對類和方法函數 的調用，降低業務服務組件和數據庫之間的耦合度，提高系統的擴展性和可維護 性。數據同步方向為數據庫到redis單向同步，有效保證數據的安全性。在業務 服務組件方面，包括安全監測業務功能類組件，例如數據導入、在線監控、整編 計算、粗差判別、數據查詢、數

7、據分析、報表報告、全文檢索等，還包括公共服 務類組件，如統一用戶管理、統一日志管理、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，可提高系統的開發效率和維護速度， 也便于對系統功能進行調整和擴展。3.2數據采集設計測量控制單元是該數據采集系統中的重要節點，實現物理量的測量、A/D轉 換、數據存儲、數據通信等功能。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 據通信電路、測量電路等組成，它控制MCU的接口切換、數據采集、存儲和通 信等；由于MCU 一般工作環境惡劣，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設計原則安全監測自動化應用系統是支撐南水北調中線工程安全運行的重要信息系統， 其安全性、可靠性需要放在首位進行考慮.數據同步方向為數據庫到緩存單向同步， 確保系統安全可靠。對于日益增長的安全監測數據和不斷更新的現場監測儀器， 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、大數據技術等實現粗差、監測異常的判斷和預警，為用戶

9、 提供易用性便利。3.4安全監測數據分析專項設計安全監測數據的粗差判別、監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測自動化應用系統的關鍵組成部分。本系統擬 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 低系統的運算負載。結束語南水北調中線工程安全監測自動化應用系統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展，基于B/S結構的調水工程安全監測自動化應 用系統將會得到進一步的發展和應用。南水北調配套工程安全監測自動化系統設 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、及時地采集工程數據，快速進行數據傳輸，安全可 靠地進行數據存儲管理，才能最終實現工程安全管理系統的標準化、集成化和智 能