大壩安全監測自動化現狀及發展趨勢

王在艾

（1.湖南省水利水電科學研究所長沙市410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術研究中心長沙市410007）

大壩安全監測自動化現狀及發展趨勢

王在艾1，2

（1.湖南省水利水電科學研究所長沙市410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術研究中心長沙市410007）

文章簡要回顧了大壩安全監測自動化的發展歷程，客觀評價了大壩安全監測自動化的應用現狀，并結合計算機技術、信息化技術、通信技術及物聯網、云計算、大數據、移動互聯網等新興技術的發展，總結展望了監測自動化技術的若干發展趨勢和發展方向。旨在為水利工程安全監測的自動化、智能化技術應用提供有價值的參考。

大壩安全監測自動化智能化軟硬件

引言

大壩作為一種大型水工建筑物，因其自身結構、所處環境和外力作用的復雜性，以及可預期的大壩失事后造成的嚴重災難，必須對大壩進行穩定可靠、精確、持續的安全監測工作。

自動化監測技術可有效提升大壩的安全監測能力，提高監測數據的準確度。但監測儀器設備和自動化監測系統的長期穩定運行能力、安全監測資料分析有待加強。

1 國內外大壩安全監測自動化發展歷程

大壩安全監測工作起始于19世紀90年代，即1891年德國在埃施巴赫重力壩進行變形觀測活動，這是人類歷史上首次開展大壩安全監測工作。隨后美國布恩頓重力壩于1903年進行了溫度監測，澳大利亞巴倫杰克溪拱壩于1908年開展了變形監測工作。

雖然大壩安全人工監測工作開展得很早，但是安全監測自動化卻到20世紀60年代才逐步開始，直至20世紀90年代，分布式大壩監測系統在大壩監測自動化領域得到普及，意大利ISMES公司的分布式系統測控裝置采用光纜作為通信總線，因此防雷抗干擾能力十分突出。

美國和法國較早地實現了大壩監測資料的集中自動處理，但大壩監測數據采集自動化發展較晚。1981年美國墾務局首先在Monticello拱壩上安裝了集中式監測數據采集系統，1982年起在Flaming Gorge等4座混凝土壩上安裝了可靠性更高的分布式數據采集系統。1989年加拿大開始在魁北克水電大壩上安裝安全監測自動化系統，1992年Waleach大壩安裝部署了安全監測自動化系統，監測數據傳輸到距離大壩200多公里的溫哥華大壩安全監測資料分析中心。

我國大壩安全監測工作開始于20世紀50年代，采用光學測量儀器進行變形觀測，利用進口的差阻式儀器進行混凝土壩內部觀測。

70年代末成功研制了遙測垂線坐標儀和引張線儀，研發了用五芯測法實現差動電阻式儀器監測自動化的集中式測量裝置。80年代中期研制成功了差動電容式和步進式的遙測坐標儀和引張線儀，用于混凝土壩水平位移和撓度的監測。利用靜力水準原理測量垂直位移的遙測儀器設備也相繼研制成功，并在大壩上逐步得到應用。

為滿足高混凝土壩和高土石壩的安全監測需要，國家先后組織了“六五”和“七五”兩次科技攻關。到20世紀90年代初，研制成功了一批新型監測儀器和設備。同時為了提高大壩安全監測自動化水平，能夠接入變形、滲流和應力應變等多種監測項目的集中式數據采集系統以及在線或離線處理的監測信息管理系統和計算分析軟件成功研發。

到20世紀90年代初期，我國已有20多座水庫大壩安裝了安全監測儀器設備，實現了安全監測數據的自動化采集，但由于儀器設備性能和質量還存在欠缺，系統穩定性不足，監測數據精確度不夠，大壩安全監測自動化尚未達到實用化程度。

20世紀90年代中期，葛洲壩二江泄水閘安裝的分布式變形和應力應變監測系統順利通過了水利部主持的驗收和鑒定，由此揭開了采用國產分布式大壩安全監測系統實現大壩監測自動化的序幕，標志著大壩監測自動化進入了實用化階段，能夠有效保障大壩的安全運行。

2 大壩安全監測自動化現狀

2.1 標準與規范

由于大壩安全監測在掌握大壩運行性態、發現安全隱患、確保大壩安全方面的重要性，必須通過法律法規和規程規范來明確各方的權利和義務。我國已先后頒布了差阻式儀器、振弦式儀器產品標準及巖土工程儀器系列型譜，《水電站大壩安全檢查實施細則》、《混凝土壩安全監測技術規范》、《水庫大壩安全管理條例》、《土石壩安全監測技術規范》、《土石壩資料整編規程（規范）》、《大壩安全自動監測系統設備基本技術條件》等。2001年6月，水利部發布了《大壩安全自動監測系統設備基本技術條件》（SL 268-2001），這是我國大壩安全監測領域中對監測數據自動化系統的第一個行業標準，于2001年12月開始實施。自此大壩安全監測數據自動化系統逐步走上標準化、規范化的發展軌道。隨后有關單位發布的《大壩安全監測自動化技術規范》（DL/T 5211-2005）、《大壩安全監測系統驗收規范》（GB/T 22385-2008）、《大壩安全監測自動化系統實用化要求及驗收規程》（DL/T 5272-2012）等規程規范更是指導和推動了大壩安全監測自動化的發展，同時也對安全監測自動化提出了具體的要求和約束。

2.2 硬件

2.2.1 監測儀器

大壩上多采用正、倒垂線為基準來自動監測大壩的豎向和水平位移，包括混凝土大壩的撓度。觀測儀器多采用垂線坐標儀、引張線儀、靜力水準儀等。近年來，這些傳統的觀測儀器得到了很大的發展，在大量程、高精度和高可靠性上取得了長足的進步。引張線儀由單向實現了向雙向的發展和應用。遙測垂線坐標儀和引張線儀已經從接觸式發展到非接觸式，非接觸式儀器包括步進式和CCD式。

遙測靜力水準儀近年來得到了較快的發展，以前多是采用進口儀器，近年來國內已有多種原理的靜力水準儀。靜力水準儀是應用連通管原理測量測點間的相對位移。一側沉降將引起浮子升降，通過各種量測技術來測量浮子的升降，從而觀測點間的相對位移。目前主要有差動變壓器式、電感式和CCD式等靜力水準儀。

光纖傳感器是新近發展起來的體積小、精度高、不受電磁干擾、抗腐蝕性環境的傳感器，可用于測量溫度、位移、應變、壓力等物理量。該新型儀器最大的優點是不受電磁干擾，目前防雷抗干擾已經成為我國大壩安全監測自動化中最為棘手的問題。光纖傳感器的使用為徹底解決防雷抗干擾問題創造了極為有利的條件。盡管光纖傳感器在國內水利工程上的應用尚處于起步階段，但由于有其他傳感器無法比擬的優越性，將使其具有十分廣泛的應用潛力，獨領風騷幾十年的發展前景可能成為不遠的現實。國內這方面的研究和研制也已起步，四川大學、長江科學院、武漢大學的有關研究論文近年來已在各專業期刊中發表。

差動電阻式傳感器近年來解決了長導線電阻、導線電阻變差對測值的影響，并實現自動化遙測，得到了很大發展。目前差阻式儀器由4線制改為5線制測量方式，儀器電阻、電阻比測量精度、遙測距離、抗干擾能力均優于國外廠家，處于國際先進水平。更為重要的是，差阻式儀器已經完成了大量程、高彈模量和耐高壓產品的研制并能批量生產。

國內研發鋼弦式儀器已有40多年的歷史，隨著大壩安全監測自動化的發展，鋼弦式傳感器近年來也得到了一些發展。至2001年，鋼弦式儀器精度、性能、外觀都有較大的改觀。同時，大多傳感器已增加測溫功能，對其進行溫度補償修正，率定精度也有所提高。在單支儀器性能方面與國外同類產品相比，仍有一定的差距，但是在振弦式儀器測量方面，國內技術比較高，測量電路能夠實現對國產和進口兩種不同激振電壓的兼容。

傳感器的智能化程度不斷提高。目前國內已有多家傳感器廠家（包括振弦式和壓阻式）將率定曲線、傳感器出廠編號等直接固化在傳感器內部的IC中，這樣既提高了測量精度，又可以方便在電纜截斷或電纜編號丟失的情況下，對儀器編號的確認和恢復。另外，這種儀器還提供RS-485或RS-232接口，簡化了系統結構。

在外部變形監測儀器方面，如水準儀、電子經緯儀和全站儀等，國內也開始批量生產并占有一定的市場份額，但在穩定性和環境適應性方面還需要提高。采用電子經緯儀和水準儀可使傳統的外部變形監測實現自動化，電子水準儀+全站儀實現水工建筑物安全監測自動化已經在多個工程獲得應用。GPS具有土建工程量小、可以測量三維變形等優點，比較適合高土石壩的外部變形監測。GPS技術已經在清江隔河巖大壩安全監測自動監測系統中得到成功應用。另外，合成孔徑雷達干涉測量技術已經開始應用于地震形變、地表沉降和滑坡監測，如果能進一步提高精度，實現地表連續變形測量，這對于大壩，尤其是高土石壩，將具有明顯優勢。雙向引張線自動測量技術能夠通過一條引張線同時測量水平和垂直位移，相當于同時安裝了原引張線和靜力水準系統，且針對老引張線改造不需要增加任何土建工作，施工方便，特別適合我國廣大已安裝引張線項目的更新改造。

在環境量監測儀器方面，水位、雨量等常規測量儀器近年來隨著水文、氣象等部門的大量需求得到了快速發展，國產儀器設備的市場占有率非常高，其精度、設備種類、穩定性都相對優于其它監測項目的監測儀器設備。

隨著合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）和差分干涉測量（D-InSAR）技術發展，其在地表沉陷監測中應用已經全面展開，如D-InSAR技術已經在煤礦開采沉陷變形監測中得到應用并用于礦區DEM數據更新。由于該技術的大尺度和面監測特點，在大壩及邊坡的表面變形監測中將具有十分明顯的優勢。

在新型監測系統方面，國外也有很多成功的技術，如英國的高精度微震監測技術就已經在多個邊坡工程獲得成功運用。該技術克服了目前常規點監測代表性不足、預警能力不強、資料分析困難等缺點，對水庫的高邊坡與地基監測具有很強的針對性。

聲發射技術的原理是當巖體的應力發生改變并超過歷史水平時，巖體就會發出一種振動波向四方傳播，應力改變愈大，這種波就愈強。在巖體中埋設傳感器采集這些振動波的信號，利用專門的軟件包加以處理分析，就可以測定出振動波源的空間位置和振源強度，從而揭示出巖體內部可能發生大變形的部位，以便及時采取相應措施。目前在澳大利亞、美國、加拿大等都有應用這種監測技術進行大壩監測的案例。

2.2.2 自動采集設備

自動采集設備包括測量控制單元（MCU）、水雨情遙測終端等。隨著大壩安全監測技術的不斷進步，自動采集設備也得到了跨越式發展。不僅可以實現傳感器的在線式單點測量、巡測，還可實現定時、變幅測量上報。同時還具有存儲歷史測量數據、校時、可配置及支持多種通信方式等功能，能夠滿足各種環境條件下的自動采集測量需求。

2.3 軟件

2.3.1 監測系統

我國大壩安全監測自動化系統的研究工作是從20世紀80年代初起步的，經歷了從集中式系統向分布式系統發展的歷程。從近年國內大壩安全監測自動化的工程實例來看，主要還是采用國內的系統，因為國內系統在適用性、售后服務和價格等方面都占有很大優勢。分布式系統的共同特點是：

（1）體系分布化。采用分布式結構，測量控制單元可以安裝靠近傳感器的地方，傳感器的信號可以不需要傳輸較遠的距離，信號的衰減和外界的干擾可以大大減輕，系統既適合于傳感器分布廣，分布不均勻，傳感器數量多、種類多、總線距離長的大中型工程自動化監測，也適合于傳感器數量少的小型工程的自動化監測。

（2）結構模塊化。系統由以前的專用型變成了通用型。根據功能的不同，開發不同的功能模塊。系統根據測量傳感器的類型的不同，開發了振弦式、電感式、步進式、差動電阻式等測量模塊，系統可以通過搭積木的方式，組建滿足要求的系統；系統采用內部功能模塊化、傳感器接口模塊化的思想，將系統內部功能模塊化，開發了弦式功能模塊、模擬量功能模塊、通信功能模塊等，接口模塊根據傳感器的類型，開發了相應的接口模塊，接口模塊不具有測量功能，這樣保持系統測量的一致性。

（3）接口多樣化。通信方式一般包括有線、無線、衛星、電話線、光纖、GSM/GPRS/3G/4G等。一般系統提供兩種或兩種以上的通信接口方式，為系統的組網提供了比較大的便利，目前很多工程采用光纖通信，不僅提高了通信速率，也提高了系統抗電磁干擾能力和抗雷擊能力。

（4）供電多樣化。系統致力于提高性能，設計了各種電源管理電路，最大限度地降低功耗，可以利用交流電、直流電、蓄電池以及太陽能供電等各種方式供電。在特殊場合下，儀器設備可直接采用電池供電，運行時間可達數月之久。

（5）性能可靠化。自動化系統建設的初期，很多系統的工作不穩定、損壞，甚至癱瘓都是由于抗干擾能力不過關，防雷擊性能不夠造成的，通過近些年的研究和經驗的積累，系統從設計、結構、布局、元器件的篩選、通信、電源、電纜埋設等多個方面得到了改善，系統的可靠性得到了提高。

（6）平臺網絡化。隨著網絡技術的發展，大壩安全監測系統利用各種網絡資源平臺實現信息共享和發布，已經開發出多種類型的基于.NET或Java平臺的B/S型大壩安全信息系統。

目前，我國自主研發的大壩安全監測系統雖然有了較大的提高，某些方面達到了國際先進水平，但是系統總體性能和國際先進產品相比，還存在一定的差距，特別是在可靠性和長期穩定性方面有待進一步的提高。

2.3.2 系統軟件

大壩安全監測軟件一般包括數據采集軟件、信息管理系統和數據分析軟件。

（1）數據采集軟件。數據采集軟件是基于C/S模式、在Windows環境下可視化的窗口軟件，所有監測點均可顯示在布置圖上，每個測點都與數據庫相連接，同時布置圖上的每一個測點又與現場測控裝置的對應儀器通道相連，操作和選擇屏幕布置圖上的測點或采集模塊就可以完成對該測點或模塊的數據采集、換算、處理、入庫等全部過程。對自動采集的數據自動入庫；對人工測量的數據，提供一個人機界面窗口，可鍵盤輸入進庫。

采集軟件功能模塊主要包括：數據采集、數據管理、數據通訊和系統管理等。

（2）信息管理軟件。信息管理軟件負責對大壩監測數據、工程文檔、巡查信息、監測數據庫等進行綜合管理。對于具有網絡要求的用戶，可以采用基于WEB的信息管理軟件。

基于.NET或Java平臺開發的WEB發布軟件可安裝在局域網的服務器上，客戶端無需額外安裝任何其它軟件，直接通過IE瀏覽器訪問和查詢大壩的各種監測數據、文檔和圖表。

（3）計算分析軟件。計算分析軟件負責對采集的數據進行誤差檢驗、模型建立和計算分析。ANSYS、FLAC3D、MARC、ABAQUS、ADINA等數值計算軟件在國內已得到廣泛應用，利用上述軟件和大壩安全監測資料將為確定性模型和混合監控模型的建立、參數反演和大壩安全分析評價提供方便。

發達國家在信息管理系統方面非常重視，如法國電力公司開發了PANDA的大壩監測信息管理系統，該系統可對各種類型的自動化或人工采集數據進行處理，利用Internet/Intranet進行通訊，實現對監測信息的分層管理（包括上層的專家分析中心及下設的各級控制中心）。系統中對監測量的分析評價采用傳統的統計模型，模型中僅用11個因子描述各分量。該系統除用于法國的250多座大壩的監測之外，還在阿根廷、多哥等多個國家得到應用。

意大利是最早將人工智能技術引入大壩監測信息處理領域的國家。20世紀90年代，意大利開發了DAMSAFE的決策支持系統，系統包括提供數據的信息層，用于管理、解釋和顯示數據的工具層，以及基于Internet技術的綜合層。該系統采用定性因果關系網絡模型對各類監測和結構信息進行綜合分析，并采用了專家系統技術開發了針對自動化監測在線檢查的MISTRAL子系統，該系統已經得到了較長時間的實際應用。

3 大壩安全監測自動化發展趨勢

隨著社會的進步，人們觀念的不斷轉變，科學技術特別是信息技術的發展，對大壩安全監測自動化提出了更高更深的要求，大壩安全監測自動化的未來發展趨勢展望如下：

（1）傳感器智能化。智能儀器是自帶微型計算機或者微型處理器的測量傳感器，儀器自身具有數據存儲、數據傳輸、邏輯運算判斷及自動化操作等功能。隨著人工智能技術和電池技術的迅猛發展，逐步具備自檢、自校、自診斷功能、物理量直接展示、結果數字化輸出、無線傳輸和人機交互等功能特性。

（2）接口的標準化和即插即用。國內外多個監測儀器生產廠家的儀器設備，由于各家接口和系統不通用、需要專業安裝調試隊伍等問題嚴重阻礙了大壩安全監測自動化的推廣，為此需要研究通用的通訊協議、數據庫接口、通訊接口、傳感器接口和電源接口標準，建立健全相應的技術規程規范，從而方便各個系統設備、模塊之間的集成。

（3）遠程操作與實時診斷。因基層維護管理人員技術知識和素養較低，實現大壩安全監測系統遠程實時診斷，為運行維護人員提供維護維修信息具有很重要的現實意義。通過有線或無線網絡可實現遠程控制、參數設置、故障診斷等操作。如利用無線網絡技術，只要在手機能上網的地方，通過3G/4G即可以實現遠程數據采集、系統維護、軟件升級和維護、故障原因和修復方法以及測值成因分析等，同時通過短消息實現大壩安全報警和故障提示，從而極大的方便大壩安全自動監測系統的運行維護。

（4）系統整合。目前許多水電站與水庫大壩均安裝部署了大壩安全監測、水情測報、閘門監控、視頻監控等自動化系統。我們必須依靠科技進步，將以上各系統有機地整合起來，應用優化技術以達到在平常確保大壩安全的前提下，盡量多蓄水、多發電、多供水，從而創造更多的效益；在汛期有較多的防洪庫容，又能實時動態地對水庫調度進行優化，從而最大限度達到防災（減災）和興利的目的。

（5）大壩群信息系統集成。利用云計算技術集成流域乃至管理單位所屬大壩群的信息系統，利用大數據技術收集整合大壩群通過物聯網技術連接傳感器的相關數據，同時需要用到GIS技術、數據倉庫、數據挖掘、遠程通訊等技術。通過建立大壩群安全監測海量數據庫，集中進行數據處理，利用數據挖掘技術從中發現新的規律，對充分利用數據資源，提高大壩設計、施工和運行維護水平將起到十分重要的作用。安全監測數據采集、分析評價、遠程操控等由云平臺進行統一管理。水庫大壩主管部門和管理單位以政府購買服務的方式向云平臺管理單位尋求需求的滿足。目前將大壩信息系統進行集成的工作正在展開，如國家能源局杭州大壩中心正將電力系統大壩安全監測數據集中管理，湖南省大壩安全監測中心正將省內部分大中型水庫安全監測信息進行集中管理和發布。從目前情況來看，全環節的數據共享利用、數據統一分析評價，特別是大數據深度挖掘方面還有許多工作要做。

（6）運行管理移動化。近年來移動互聯網技術發展迅速，智能手機大量普及，移動基礎設施逐步完善。移動互聯網可以克服運行管理工作在空間、時間上的阻隔，滿足現場突發性、不確定性的日常工作要求。例如大壩安全巡視檢查工作可以通過手機APP完成，通過GPS定位、拍照、攝像等手段，實現實時巡查情況的上報，能減輕巡查工作量，規范巡查路線和流程。

（7）虛擬現實。虛擬現實技術是數字水利、數字流域的必然要求，是與GIS、GPS和RS技術相配套的技術。近年來，虛擬現實技術又有了很大的發展，在大壩安全監測自動化方面的應用可以包括：①動態模擬大壩變形、滲流、裂縫等的產生、發展和相互耦合過程，實現三維動態可視化；②利用增強現實模擬上下游潰壩、泄洪和其他荷載變化對大壩安全的影響，進行淹沒和損失評估；③利用分布式虛擬現實環境，在因特網環境下，充分利用各地人才和數據資源的優勢，協同開發虛擬現實的大壩健康診斷系統等。

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[3]黃文鈺.淺析水電站大壩安全監測自動化現狀及發展趨勢［J］.廣東科技，2008，（11）.

[4]趙花城.水電站大壩安全監測自動化現狀與發展目標［J］.大壩與安全，2007，（04）.

[5]張文飛.淺述水電站大壩安全監測現狀及其自動化動態［J］.廣東科技，2013，（10）.

2016-10-12）

王在艾（1984-），男，湖南新化人，大學本科，工程師，主要從事大壩安全相關軟硬件研究開發工作，手機：15387599699。