水利工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用

水利工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用

萬家寨引黃工程是一項橫跨流域的引水工程。第一階段從萬家寨水庫取水，并通過總干線、南干線和附屬段輸至太原。引水線路全長約286.2公里，包括隧道和渡槽長約162公里。由于輸水沿線地形地貌極為復雜,輸水建筑物眾多,且比較分散。為了確保工程安全運行,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)測儀器,并設置了37座監(jiān)測站。監(jiān)測儀器電纜就近引至附近的監(jiān)測站,利用站內MCU進行集中自動觀測。目前各監(jiān)測站主要靠人工定期到現(xiàn)場讀取數(shù)據(jù)、更換電池,監(jiān)測的可靠性和時效性較差,且工作人員勞動強度大,特別是由于工程區(qū)域內地形條件復雜,遇到雨雪天氣,觀測人員無法及時讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)或為監(jiān)測站更換電池,有可能造成缺測或數(shù)據(jù)丟失,中斷觀測序列,造成無法彌補的損失。因此,在引黃現(xiàn)有通信系統(tǒng)的基礎上,通過補充和完善通信網(wǎng)絡,進行合理組網(wǎng),實現(xiàn)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和處理自動化是非常必要的。1通信方案的選擇和網(wǎng)絡方案的設計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、總干二級、總干三級、南干一級、南干二級泵站的SDH155.520Mbit/s光纖環(huán)網(wǎng)通信系統(tǒng);總干三級泵站至太原建設了SDH155.520Mbit/s數(shù)字微波通信系統(tǒng);在聯(lián)接段建設了一點多址微波通信系統(tǒng);工程沿線建設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通信系統(tǒng),并在6個水力量測站建設了集群移動通信系統(tǒng)固定數(shù)傳電臺,用于傳輸水力量測數(shù)據(jù);同時,建設了連接6個水力量測測站以及總三泵站的SDH155.520Mbit/s光纖通信系統(tǒng)。1.2網(wǎng)絡設計方案比選由于監(jiān)測站大部分布于輸水沿線崇山峻嶺當中,地形險惡、復雜。已有通信線路不能到達,因此需補充新建通信接入網(wǎng)絡來滿足安全監(jiān)測系統(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)測站增加數(shù)傳臺組成安全監(jiān)測通信網(wǎng),實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸。對覆蓋不到的測站可增加中繼站進行延伸。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通信基站建設超短波中心站,覆蓋大部分輸水沿線,中心站設備與原有微波通信相連,并在各測站設置超短波數(shù)字電臺,實現(xiàn)監(jiān)測數(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)星通信具有傳輸質量高,通信可靠,組網(wǎng)靈活機動,通信基本不受地形條件的限制等優(yōu)點。結合本工程的實際情況,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光纜連接各測站,并在泵(閘)站等與現(xiàn)有通信網(wǎng)相連。在隧洞內敷設光纜,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種方案的補充完善而提出的,即充分利用水力量測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合,以光纖通信為主、集群移動通信作為備用進行組網(wǎng)設計。具體方案是:把沿線泵站及水力量測測站設置為信息的集合轉發(fā)站(分中心站),各集合轉發(fā)站利用光纖通信方式(利用輸水隧道敷設或架空敷設光纜至就近安全監(jiān)測站)就近收集附近安全監(jiān)測站的信息,接入引黃工程已建通信網(wǎng)絡傳至太原調度中心。沿線集合轉發(fā)站利用已建的水力量測SDH光通信系統(tǒng)做為主通道接至調度中心,同時利用已建的集群移動通信系統(tǒng)作為集合轉發(fā)站至調度中心的備用通道(由于集群移動通信系統(tǒng)已建,不用也是浪費)。方案1的優(yōu)點是可以充分利用已建集群通信系統(tǒng),節(jié)省投資。缺點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有中斷,信道容量不足,覆蓋有盲區(qū)等問題,不能很好滿足安全監(jiān)測通信的需要。方案2的優(yōu)點是設備簡單,易于使用維護,投資少。缺點是可靠性較差。方案3的優(yōu)點是可靠性較高,設備成熟,投資少,建設速度快。缺點是運行費相對較高,傳輸速率較低。方案4的優(yōu)點是傳輸質量好,可靠性高,技術成熟。缺點是投資大,施工困難,同時由于沿輸水線路敷設光纜、串聯(lián)通信方式,因此一旦一點中斷,該斷點以下的測站全部中斷通信。方案5克服了以上4個方案的缺點,可靠性高,傳輸質量好,技術成熟。充分利用了水力量測已建通信土建、電源等設施,且對每個集合轉發(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個方案的技術經(jīng)濟的綜合比較,本設計通信系統(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)測測站均為已建測站,測站分別設在室內(設在泵站廠房內)、支洞內、檢修通道內、洞口地下室、山頂?shù)叵率液偷孛嫘∥莸冉ㄖ飪?設備安裝環(huán)境潮濕,溫度沒有保證,而且大部分監(jiān)測站設在山溝谷之內,沒有常規(guī)市電供應。為此光纖通信設備應滿足技術先進、結構簡單、可靠性高、功耗低,并適合無人值守,可以長期在高溫、低溫和潮濕等惡劣環(huán)境下可靠工作,并應具有網(wǎng)管功能。由于測站數(shù)據(jù)傳輸信息量不大,實時性要求不太高,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。(1)設備結構簡單,性價比較高,傳輸效率高,容易安裝開通,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,完全透明傳輸。(3)采用全雙工LAN交換,可實現(xiàn)信息隔離,消除了鏈路帶寬的競爭和潛在的碰撞。(4)工業(yè)以太網(wǎng)絡設備比SDH設備更適合在寬溫下工作,設備功耗低,設備價格低。因此,本工程各分中心以下采用光纖工業(yè)以太網(wǎng)進行通信組網(wǎng)。在各分中心及所屬監(jiān)測站配置以太網(wǎng)交換機,利用光纜線路組成以各分中心站交換機為核心的光纖以太網(wǎng)絡,將各監(jiān)測站信息匯集到就近的分中心站進行存儲和轉發(fā)。2安全監(jiān)控自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡設計2.1安全監(jiān)測信息流程引黃工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用中心站、分中心站和監(jiān)測站3層網(wǎng)絡結構,中心站設在太原調度中心,所有測站信息都要經(jīng)過新建和已建通信網(wǎng)通道傳至太原監(jiān)測中心站。11個分中心站包括5個泵站分中心和6個與水力量測站結合的分中心站,37個監(jiān)測站分設在泵站、隧洞等監(jiān)測設備現(xiàn)地。安全監(jiān)測信息流程圖見圖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泵站,由總干三級泵站再利用已建干線微波通道至太原中心站;與水力量測站結合的分中心站首先利用已建水力量測SDH光纖通信作為主通道將信息匯集至總干三級泵站,由總干三級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通信作為信息匯集至總干三級泵站的備用通道,主備通道之間可以自動切換,互為備用。各分中心利用已建水力量測光纜和新建光纜組成光纖通信網(wǎng)絡,就近匯集附近安全監(jiān)測測站的信息至分中心站,由分中心站傳至太原。2.2網(wǎng)絡及網(wǎng)絡安全本工程安全監(jiān)測系統(tǒng)自動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、一點多址微波、移動通信、工業(yè)以太網(wǎng)和擴頻通信等,其通道帶寬、接口方式、傳輸標準、接收方式和網(wǎng)絡管理也各不相同。為此本設計選擇構建計算機IP網(wǎng)絡作為信息傳輸平臺,實現(xiàn)信息傳輸、共享、自動加工和處理,保證信息傳輸?shù)募皶r性、靈活性和準確性。IP計算機網(wǎng)絡設置1個太原監(jiān)測中心網(wǎng)絡和11個分中心節(jié)點網(wǎng)絡。考慮到各監(jiān)測分中心至太原監(jiān)測中心的通信通道均要經(jīng)過總干三級泵站至太原的SDH微波干線連接到太原,因此,設置總三分中心節(jié)點作為網(wǎng)絡匯接中心,在匯接中心配置高端路由器,采用1+1備份。匯接中心以星型拓撲結構方式匯接10個分中心終端節(jié)點網(wǎng)絡。在10個分中心終端節(jié)點各配置1套低端路由器。太原監(jiān)測中心配置1+1路由器連接總干三級泵站,從而實現(xiàn)網(wǎng)絡互聯(lián)。網(wǎng)絡設計圖見圖2。太原監(jiān)測中心站作為網(wǎng)絡中心,總三分中心兼作備用網(wǎng)絡中心。本工程各節(jié)點網(wǎng)絡采用工業(yè)以太網(wǎng)或交換式以太網(wǎng),滿足TCP/IP協(xié)議。網(wǎng)絡服務模式采用B/S(Browser/Server)結構。鏈路連接采用RIP簡單路由協(xié)議。2.3網(wǎng)絡管理功能在太原設置網(wǎng)絡管理中心并設置獨立網(wǎng)絡系統(tǒng)的網(wǎng)管終端對整個網(wǎng)絡進行集中管理,網(wǎng)絡管理具有配置管理、性能管理、故障管理及安全管理等功能。通過在網(wǎng)絡關鍵部位設置防火墻和安裝防病毒軟件等措施,使網(wǎng)絡具備計算機病毒的預防和控制能力。3網(wǎng)絡的可靠性設計設計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泵站是輸水核心地區(qū)各信息點信息傳輸至太原的會聚點,也是核心光纖環(huán)網(wǎng)、水力量測通信網(wǎng)及集群通信網(wǎng)與至太原微波干線的匯接點,因此設計把總三分中心設置為備用監(jiān)測中心,可以提高整個系統(tǒng)可靠性。3.2省站至總結構中心泵站分中心至總三分中心的通信是利用引黃已建光纖環(huán)網(wǎng)通信,與水力量測合建的分中心站至總三分中心的通信利用水力量測光通信系統(tǒng),同時利用已建集群系統(tǒng)作為備用通信通道。3.3采用計算機ip網(wǎng)絡和冗余設備配置對信息進行信息存儲、備份,并利用IP網(wǎng)絡,統(tǒng)一信息平臺,實現(xiàn)通信通道路由自動切換。網(wǎng)絡設備采用冗余設計,網(wǎng)絡中心配置雙路供電。4