楊埕水庫圍堤安全實時監(jiān)測自動化系統(tǒng)的建立

劉長征，趙衛(wèi)國，王立君，魏建明

(河北省滄州市水利科學研究所，河北 滄州 061000)

楊埕水庫圍堤安全實時監(jiān)測自動化系統(tǒng)的建立

劉長征，趙衛(wèi)國，王立君，魏建明

(河北省滄州市水利科學研究所，河北 滄州 061000)

楊埕水庫圍堤安全實時監(jiān)測自動化系統(tǒng)通過對水庫壩體、壩基及圍堤建筑物的長期準確監(jiān)測和原始數(shù)據(jù)采集，及時掌握和評價水庫大壩的動態(tài)工況，有力保障了水庫的穩(wěn)定、安全運行，為解決滄州東部地區(qū)飲水安全提供了有效的技術支撐。本文詳細闡述了系統(tǒng)的組成結構、軟硬件平臺及實現(xiàn)的功能。

水庫;安全監(jiān)測;自動化

1 概況

楊埕水庫位于河北省海興縣東部15 km，是滄州東部地區(qū)供水工程的重要組成部分，Ⅲ級水工建筑物，概算投資8.638億元。水庫圍堤長約12 km，采用均質土壩，堤高8 m，壩頂高程 10.5 m，設計水位 9.0 m，蓄水深度 6.5 m，庫區(qū)面積10.9 km2，總庫容 6 568萬 m3。為確保大壩的安全運行，于2009年5月建立了圍堤安全實時監(jiān)測自動化系統(tǒng)，用于及時而迅速地掌握和評價水庫大壩的動態(tài)工況，作出評判并進行仿真分析;對突發(fā)性災害進行預報，提供輔助決策及應急措施，對大壩安全運行提出指導性意見。

2 建設目標及內容

充分利用現(xiàn)有的技術條件，優(yōu)選先進、穩(wěn)定、經(jīng)濟的網(wǎng)絡建設方案，在信息標準化的基礎上依靠光纖通信網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡的支持，實現(xiàn)大壩各項監(jiān)測信息的自動采集、傳輸、匯總累計、及時上報，同時為水庫運行、防洪調度和搶險抗災提供準確的、科學的依據(jù)。

自動化系統(tǒng)主要對大壩滲流監(jiān)測(包括壩基揚壓力、壩基和壩體的滲流壓力、壩體的孔隙水壓力)、建筑物的基礎揚壓力、水庫上下游水位的監(jiān)測。

3 監(jiān)測站布置

根據(jù)土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范(SL 60－94)，在水庫大壩共布設6個大壩斷面監(jiān)測站和供水泵站、泄水閘、進水涵洞3個建筑物監(jiān)測站，共安裝88支振弦式滲壓計，全部選用北京基康公司生產(chǎn)的BGK－4500S系列儀器。斷面安裝剖面布置圖如圖1所示。

圖1 斷面安裝剖面布置圖

3.1 壩基揚壓力監(jiān)測

據(jù)地質條件和古河道影響，采用直接埋設振弦式滲壓計的方式于1+400、10+000設置2個壩基揚壓力監(jiān)測斷面，各布設4個測點。

3.2 壩基滲流狀態(tài)監(jiān)測

采用直接埋設振弦式滲壓計的方式于1+100(供水泵站和大壩接合處)、3+800(進水口處，古河道位置)、5+200(泄水閘處)、7+500(典型斷面，大壩的拐角處)、11+000(進水泵站)斷面設置5個監(jiān)測斷面，各布設4個測點。

3.3 壩體滲流狀態(tài)監(jiān)測

采用直接埋設振弦式滲壓計的方式在1+100、3+800、5+200、7+500、11+000斷面布設5個監(jiān)測斷面，各布設8支滲壓計。

3.4 壩體孔隙水壓力監(jiān)測

采用直接埋設振弦式滲壓計的方式于1+400、10+000布設2個監(jiān)測斷面。

3.5 建筑物揚壓力監(jiān)測

在供水泵站0+000和泄水閘5+200設置兩個圍堤建筑物監(jiān)測站。

3.6 庫水位監(jiān)測

在進水泵站、供水泵站分別設置兩處水位監(jiān)測站。

4 系統(tǒng)組成

監(jiān)測中心(CCU)布設在水庫管理處的調度中心，監(jiān)測服務器上運行著龐大的應用軟件系統(tǒng)，和各監(jiān)測站的通訊采用環(huán)形拓撲光纖通訊網(wǎng)絡，監(jiān)測站間通過信號轉換設備采用RS485光纖連接，監(jiān)測站采用多功能監(jiān)測箱來構建現(xiàn)場各采集單元MCU，MCU直接和傳感器相連，電源由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)供電。

4.1 總體結構

圍堤安全實時監(jiān)測自動化系統(tǒng)組成結構如下(圖2):

圖2 總體組成結構圖

4.1.1 監(jiān)測設備

傳感器:振弦式滲壓計、孔隙水壓力計、液位計。

供電設備:智能開關電源、UPS、蓄電池、太陽能板。

信號轉換器及測量單元:測量單元 MCU、通道轉換器、防雷抗干擾設備。

光信號傳輸設備:光端機、收發(fā)器、轉換器、中繼器。

中心端設備:工控計算機、串口服務器。

4.1.2 數(shù)據(jù)采集接口

系統(tǒng)與監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集硬件部分用采集接口相連，將從現(xiàn)場儀器儀表自動采集到的數(shù)據(jù)存入采集接口，系統(tǒng)從采集接口讀取自動采集的數(shù)據(jù)。

4.1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫包括設計、施工、運行期間的所有數(shù)據(jù)和資料，以及正分析和反分析的成果。包括:工程概況庫、監(jiān)測儀器考證庫、原始監(jiān)測庫(又分為自動采集庫和人工采集庫)、整編庫、參數(shù)庫(包括大壩的監(jiān)控指標)、生成庫(存儲分析成果)、巡視檢查庫等。

4.1.4 預處理系統(tǒng)

通過疑點判別，把各類整編后的監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測資料與上述評判準則作比較，以識別監(jiān)測資料的性質正常或異常，為判斷大壩安全性狀提供數(shù)據(jù)基礎。

4.1.5 資料整編系統(tǒng)

把各種原始數(shù)據(jù)和文字、圖表(含影像、圖片)和分析成果、專家系統(tǒng)的意見等材料經(jīng)過審查、考證、編輯，綜合整理成系統(tǒng)化、圖表化的成果。

4.1.6 圖形/圖像系統(tǒng)

將圖形、圖像、視頻、動畫等各種多媒體信息，保存在圖形/圖像庫中，方便各類圖形圖表的存儲和查詢，功能包括讀取資料、生成圖形、增加、修改、刪除、查詢和打印圖形等。

4.1.7 模型庫系統(tǒng)

提供建模程序所需的統(tǒng)計模型、確定性模型、灰色理論模型和模糊數(shù)學模型。用來擬合與說明大壩工作性狀并預測預報大壩的未來狀況。基本內容包括:統(tǒng)計模型、確定性模型、灰色理論模型和模糊數(shù)學模型。

4.1.8 分析/算法庫系統(tǒng)

包括系統(tǒng)可能用到的各種分析/算法。分析程序如:TOSS分析程序、BISS分析程序、滲流分析程序、穩(wěn)定分析程序等;算法如:多元回歸分析法、逐步回歸分析法、差值回歸法、時間回歸法、極限平衡計算法、有限元分析法、反饋分析法等，通過接口訪問分析/算法代理，實現(xiàn)計算的分布化。

4.1.9 預報預測系統(tǒng)

調用模型庫子系統(tǒng)和分析/算法庫子系統(tǒng)中的各種模型，應用各種計算分析方法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)資料進行統(tǒng)計分析或灰色理論分析或模糊信息分析，建立模型，并統(tǒng)計分析、灰色理論分析、結構分析、反饋分析的基礎上進行綜合分析或進行預測預報。

4.2 數(shù)據(jù)流程

根據(jù)監(jiān)測中心命令，自動采集系統(tǒng)(硬件)自動采集現(xiàn)場儀器儀表的實時數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)接口進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的自動采集數(shù)據(jù)庫，人工采集數(shù)據(jù)、巡視檢查數(shù)據(jù)、監(jiān)測儀器考證數(shù)據(jù)和工程概況數(shù)據(jù)，用人工輸入各自的數(shù)據(jù)庫。

整編數(shù)據(jù)可以輸出，也可以運行圖形/圖像代理，將整編數(shù)據(jù)形象地用圖形表示輸出或存入圖形/圖像庫。調用知識庫、模型庫、分析/算法庫中的知識、模型和分析/算法進行各項分析，包括:疑點成因分析、統(tǒng)計分析、灰色理論分析、結構分析(包括滲流分析、穩(wěn)定分析和應力分析)和反分析，然后運用專家知識、判別標準進行綜合分析，提供輔助決策。

5 系統(tǒng)軟、硬件平臺

5.1 軟件平臺

軟件總體框架如下圖(圖3)所示。

圖3 軟件總體框架圖

軟件總體設計考慮采用微軟的Windows DNA應用模型，在Windows2000/IIS/SQL2005平臺上構造整個評價預報系統(tǒng)，運行層次可以描述為:底層→中層→高層→最高層。

最底層運行底層單片機/工控制程序，提供系統(tǒng)對監(jiān)測儀器(滲壓計、液位計等)的直接控制。

在中層，運行高級控制程序和部分代理，提供途徑來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收/傳遞/反饋控制。

在高層，運行著預處理、圖形/圖像、分析/算法、綜合分析、預測預報代理，提供各種對象和服務的隱形實現(xiàn)，提供系統(tǒng)安全和控制。以COM/MTS實現(xiàn)，包括用戶管理、數(shù)據(jù)訪問(ADO)等。

最高層運行用戶界面，用來維護人機交互界面，提供各種功能的系統(tǒng)分析、統(tǒng)計、圖形/圖像、決策支持表示。

5.2 硬件平臺

系統(tǒng)硬件總體框架如下圖(圖4)所示。

圖4 系統(tǒng)硬件總體框架圖

各測量控制單元MCU自動控制各種監(jiān)測儀器自動檢測滲流、壓力、水位等各項數(shù)據(jù)，將采集到地實際數(shù)據(jù)格式化，通過光纖通信網(wǎng)絡傳給實時監(jiān)測平臺，動態(tài)顯示數(shù)據(jù)，顯示異常數(shù)據(jù)和異常情況。實時監(jiān)測平臺自動通過中心網(wǎng)絡設備，訪問后臺的分析/算法代理、綜合分析代理和其他代理，產(chǎn)生分析結果和判斷結果，形成知識庫中的新知識，并通過數(shù)據(jù)代理將數(shù)據(jù)保存到后臺SQL數(shù)據(jù)庫中，便于后臺分析/判斷/圖像程序完成其他工作。

6 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能是將監(jiān)測儀表數(shù)據(jù)采集、光纖傳輸、監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲、進行預處理，進入監(jiān)測資料整編數(shù)據(jù)庫，并可以直接輸出;同時可以調用圖形/圖像庫代理，將監(jiān)測信息圖形化表示，便于了解大壩各種性狀及變化趨勢;也可以進入安全分析評價預報系統(tǒng)，進行結構分析、綜合分析、預測預報，全面了解大壩安全性狀、變化規(guī)律及其產(chǎn)生原因，提供輔助決策，指導大壩安全運行，提高大壩運行水平，最大發(fā)揮楊埕水庫的工程效益。

6.1 數(shù)據(jù)采集轉換傳輸功能

1)遠程控制和數(shù)據(jù)采集功能。無須親臨現(xiàn)場即可對測量模塊和監(jiān)測儀器儀表(滲壓計、液位計等)的控制并獲取相關數(shù)據(jù)。

2)現(xiàn)場操作功能。測量模塊預留有與便攜式微機接口，可實現(xiàn)現(xiàn)場標定、調試以及數(shù)據(jù)采集等功能。

3)實時時鐘管理。設有實時時鐘，為定時測量、自動存儲等功能提供時間基準。

4)掉電保護。參數(shù)和測量數(shù)據(jù)存儲于專用非易失性存儲器中，確保掉電后數(shù)據(jù)安全。

5)抗雷擊、瞬變干擾功能。在電源系統(tǒng)、通信線路接口、模擬輸入引線等環(huán)節(jié)設置了抗雷擊電路。

6)抗電磁干擾。金屬盒封裝并采用光電隔離技術。

7)智能化測量功能。分別實現(xiàn)選點測量、定時測量和即時測量等多種測量功能。

8)多種供電方式、不間斷電源。供電方式:6～18VDC，220VAC交流任選。

9)光纖高效傳輸功能。數(shù)據(jù)傳輸誤碼率低、效率高。

10)擴展功能。測量模塊和擴展模塊可組合并方便地組建測量單元，每個測量單元可容納多個模塊，設有通信接口，可方便地組建網(wǎng)絡測量系統(tǒng)。

6.2 統(tǒng)計分析預測功能

6.2.1 數(shù)據(jù)管理

1)錄入人工監(jiān)測數(shù)據(jù);

2)導入其它來源的監(jiān)測數(shù)據(jù);

3)監(jiān)測成果計算，包括滲流計算等;

4)監(jiān)測成果檢驗評判，及時發(fā)現(xiàn)異常結果;

5)監(jiān)測數(shù)據(jù)和成果保存到數(shù)據(jù)庫;

6)監(jiān)測數(shù)據(jù)和成果的查閱、編輯、刪除、備份等;

7)監(jiān)測成果的誤差處理和整編規(guī)化;

8)數(shù)據(jù)的預處理功能。數(shù)據(jù)異常處理、誤差識別、數(shù)據(jù)校正。

6.2.2 報表制作

可定制包括監(jiān)測結果的年、季、月、旬、周、日等各種周期報表，風格隨意多樣，能適應任意復雜的格式，表格中數(shù)據(jù)的定義豐富齊全，包括普通測值、條件測值和各種特征值在內的幾乎所有的報表需要的數(shù)據(jù)都能輕松獲得。報表樣式圖如下(圖5)。

6.2.3 圖形圖像制作

監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圖形的繪制:包括過程線圖、分布圖、相關圖、方塊圖、浸潤線圖等，圖形都可隨意定制，設置和生成實時繪制各監(jiān)測點實時曲線圖和歷史曲線圖。曲線圖如下(圖6)。

圖形坐標的范圍、比例可根據(jù)繪圖數(shù)據(jù)自動確定，還可依需要手動設定和更改;圖形具有無級放大功能;具有多種可供選用的線條線型、數(shù)據(jù)點標記，字體、顏色等也可隨意設置。

6.2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理

提供有多種監(jiān)測資料定量分析計算方法:如多元線性逐步回歸、全回歸、偏最小二乘回歸等;可建立監(jiān)測量的物理模型:包括統(tǒng)計模型、混合模型和確定性模型，可建立變形監(jiān)測系統(tǒng)的分布模型;可分解監(jiān)測量物理模型中的各組成成分，分析分量間的對比關系，揭示監(jiān)測量的變化規(guī)律和原因。

6.2.5 分析評價預測系統(tǒng)

對大壩進行綜合分析，對存在的不安全因素進行輔助決策，對大壩的整體安全度進行綜合評價。調用各種模型，應用各種計算分析方法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)資料進行統(tǒng)計分析或灰色理論分析或模糊信息分析，對大壩的安全性狀作出評判，進行仿真分析，為輔助決策提供技術支持，或進行預測預報。

圖5 軟件報表樣式圖

圖6 軟件曲線圖圖

6.2.6 文檔管理

根據(jù)《土石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程》(SL 169－96)進行資料成冊整編。大壩安全冊管理;人工巡查記錄及評判結果管理;設計、施工、運行的文件、圖紙、報告及其它圖文聲像資料管理。

6.2.7 系統(tǒng)維護

備份、恢復系統(tǒng)架構信息。能實現(xiàn)系統(tǒng)的功能添加、擴充。快速檢查瀏覽系統(tǒng)問題，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)通訊、配置、計算等錯誤。可查閱和維護系統(tǒng)運行日志。具有用戶管理功能，用戶操作權限的劃分豐富細致。

［1］何勇軍，等.大壩安全監(jiān)測與自動化.北京:中國水利水電出版社.2008.

［2］趙衛(wèi)，等.工程安全監(jiān)測技術.2006.北京:中國水利水電出版社.2006.

［3］酈能惠.土石壩安全監(jiān)測分析評價預報系統(tǒng).北京:中國水利水電出版社.2002.

TP3:TV62

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1004－1184(2012)05－0161－03

2012－05－16

劉長征(1978－)男，河北海興人，工程師，主要從事水利科研和水利自動化工作。