南水北调中线干线工程建设管理局渠首分局 河南省南阳市 473000
摘要：基于南水北调中线工程安全监测规范和用户实际需求，对数据库、业务功能和服务组件等内容进行设计，满足管理者对安全监测业务的需求。南水北调工程安全监测自动化系统设计，实现了调水过程自动化和运行管理信息化，保障了全线调水安全，同时也发现和改进了一些问题，并提出了对工程未来运行维护发展的思考。系统的构建将有效提升南水北调中线工程安全监测业务的信息化、智能化管理水平，保障工程安全运行和跨流域水资源高效利用。
关键词：南水北调；安全监测；自动化；设计
引言
南水北调配套工程安全监测的自动化系统以调水业务为核心，以自动控制为重点，运用先进技术，建设服务于闸站监控、调水业务处理、水质监测、工程安全监测、工程运行管理等业务的信息化作业平台和调度会商决策系统，实现调水过程自动化和运行管理信息化，实现科学调度、高效管理、保障全线调水安全。
1南水北调配套工程安全监测自动化系统概述
该自动化系统工程线路长、跨区域协调难度大，工作内容主要包括：1个省级管理局安全监测中心安全监测应用系统及运行环境、8个市级管理处安全监测站应用系统及运行环境、各现地监测站信息采集系统的设备采购及安装调试，其中8个管理处分别是：南阳管理处、平顶山管理处、许昌管理处、郑州管理处、焦作管理处、新乡管理处、鹤壁管理处和安阳管理处。自动化系统的前端是安全监测仪器，这些仪器被安装在沿线各管理处下辖的泵站及阀门井，安全监测项目主要有：渗压监测、土压力监测、位移监测、应力应变监测、水位监测、温度监测、降雨量监测等。监测站信息采集系统主要包括，自动采集单元、交换机、无线通讯模块、供电设施、机柜、接地装置、应用系统等。该自动化系统最终预计接入各类传感器900余支，配置自动采集单元70余台。因此，结合中线配套工程的特点，建立一套稳定、可靠的自动化系统，设计时不仅需要严格依据相关规范标准整体规划、全面考虑，更需要合理运用先进的信息化技术，确保系统的及时、准确。
2南水北调配套工程安全监测自动化系统框架结构
2.1组件层
各类组件为系统提供软件开发资源，向下连接数据层资源，向上通过通信层支撑应用界面。在数据访问方面，由于系统需要大量的数据读写服务，首先采用Redis等存储技术设置缓存层，提高系统整体性能。通过异步消息队列，降低各类业务请求的并发量、加速系统响应。在业务逻辑方面，设计业务服务集群，实现原始监测数据的物理量整编计算、数据分析、监控预警、报表报告等业务功能。
2.2数据层
实现系统中所有数据的分类、逻辑性关联、编码、存储等功能。为了提高数据查询效率和实现数据管理，数据层主要包括基础数据库、安全监测业务数据库、非结构化文件类数据库和日志数据库等。
2.3实现安全监测数据的采集
针对南水北调中线工程安全监测系统监测点多、数据量大以及全天候监测等特点，在系统开发架构的设计方面，需要考虑大数据量引发的系统消息阻塞问题。因此基于系统的总体建设目的和应用目标，设置缓存并在整体架构层级中增加通信层，使软件前后端彻底分离并实现负载均衡。南水北调中线工程安装了大量不同类型的安全监测仪器设备，包括温度计、水位计、渗压计、位移计、土压力计、应力应变计等。其中，绝大部分内观监测仪器接入布设于现场的测量控制单元实现数据自动化采集与传输；少部分内观监测仪器和外部变形观测数据，由人工进行数据采集。所有监测数据采集后以统一的格式存储到对应的数据库中。
2.4展现层
实现请求接受，以及数据的返回，提供交互式的界面。目前除了基于各类浏览器的Web应用界面，随着移动互联技术的发展和大屏终端展示需求，展现层还包含移动APP和大屏终端界面。
3南水北调配套工程安全监测自动化系统设计思路
3.1组件层设计
在组件层中，重点设计包括数据访问层与业务服务组件的设计。在数据访问层方面，为提高程序性能，在数据库基础上增加redis缓存层实现数据层的持久化，增加各类数据接口，把原需要对数据表进行的操作，简化为对类和方法函数的调用，降低业务服务组件和数据库之间的耦合度，提高系统的扩展性和可维护性。数据同步方向为数据库到redis单向同步，有效保证数据的安全性。在业务服务组件方面，包括安全监测业务功能类组件，例如数据导入、在线监控、整编计算、粗差判别、数据查询、数据分析、报表报告、全文检索等，还包括公共服务类组件，如统一用户管理、统一日志管理、算法仓库、GIS地图服务等。对所设计的各类组件进行有效管理和充分利用，可提高系统的开发效率和维护速度，也便于对系统功能进行调整和扩展。
3.2数据采集设计
测量控制单元是该数据采集系统中的重要节点，实现物理量的测量、A/D转换、数据存储、数据通信等功能。MCU由机箱、智能采集模块、接口模块和电源模块组成。智能采集模块是MCU的核心，主要由CPU、时钟电路、存储器、数据通信电路、测量电路等组成，它控制MCU的接口切换、数据采集、存储和通信等；由于MCU一般工作环境恶劣，机箱均需采用全密封防水机箱；电源模块由电源、变送器、充电器及电源端子等组成；接口模块由切换电路和防雷电路组成，每支传感器接入MCU时均与避雷器相接；人工比测模块提供人工比测切换接口。
3.3设计原则
安全监测自动化应用系统是支撑南水北调中线工程安全运行的重要信息系统，其安全性、可靠性需要放在首位进行考虑.数据同步方向为数据库到缓存单向同步，确保系统安全可靠。对于日益增长的安全监测数据和不断更新的现场监测仪器，软件在设计时还需充分考虑功能便于扩展和易于维护等性能。目前，以人工智能为代表的新技术正不断投产应用，给行业用户带来了诸多便利。软件设计过程中可考虑应用人工智能、大数据技术等实现粗差、监测异常的判断和预警，为用户提供易用性便利。
3.4安全监测数据分析专项设计
安全监测数据的粗差判别、监测异常报警功能是工程安全分析、应急处理的基础，是南水北调中线工程安全监测自动化应用系统的关键组成部分。本系统拟将已有的正确粗差判别和报警结果作为样本，基于深度学习等人工智能技术开展训练，实现智能化粗差判别和报警，可以提高粗差判别、报警的准确率，也可降低系统的运算负载。
结束语
南水北调中线工程安全监测自动化应用系统通过信息化的方式有力保障了工程运行安全，具有重要的工程意义和应用价值。随着国内调水工程全面建设运行以及计算机网络技术的进一步发展，基于B/S结构的调水工程安全监测自动化应用系统将会得到进一步的发展和应用。南水北调配套工程安全监测自动化系统设计承担着确保整个供水配套工程安全运行和安全管理的重要角色，只有运用先进的水利和信息化技术，全面、及时地采集工程数据，快速进行数据传输，安全可靠地进行数据存储管理，才能最终实现工程安全管理系统的标准化、集成化和智能化。
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