基于大壩監測軟件集成的大壩安全管理計劃

[西班牙]　S.奧佩 等

運行與管理

基于大壩監測軟件集成的大壩安全管理計劃

[西班牙]S.奧佩 等

摘要：為了高效利用大壩監控系統，需要將監控數據轉換成有用的信息，從而為業主提供能夠反映大壩安全等級的準確信息。這些信息需要更新，并能供所有工程技術人員和大壩安全責任人訪問。研發了一款基于網頁的監控數據綜合管理應用軟件，并可滿足不同業主的需求。介紹了該軟件在西班牙埃布羅河流域管理局管控的55座大壩超過6 a的應用情況及所積累的經驗。

關鍵詞：大壩；大壩安全；監控系統；系統應用；埃布羅河流域管理局

監測作為大壩安全監控的一部分，在大壩安全架構中起到了關鍵的作用，大壩安全監測旨在管控風險，并通過早期識別可能導致大壩失事的安全隱患而降低失事風險發生的概率，包括定期讀取監測數據并對其進行評估，通常情況下是根據國家和國際導則形成定期安全報告。在西班牙，年度報告和地震或洪水等特殊事件報告必須詳盡。同時，還需對大壩性狀進行不間斷觀測。

監測系統提供了許多不同的解決方案。然而，即使監控系統的監測性能很完美，如果不對監測數據進行評估，也不能有效降低風險。因此，采集數據并進行有效的數據評估就顯得尤為重要。目的是將原始數據轉換為反映大壩狀態的有效信息，同時讓參與大壩安監的人員都可以使用。為優化這一過程，推薦這款集成了監控任務各個方面的應用軟件工具(見圖1)。

圖1　集成數據管理

本文介紹了DAMDATA軟件工具的主要功能，并使用該軟件對西班牙埃布羅(Ebro)河流域55座大型大壩的管理進行研究。

1管理工具的要求及主要功能

近年來，信息工程的發展為大壩安全監控領域的發展提供了新的可能性，早在6 a前埃布羅河流域管理局就決定開發1款綜合管理工具。

為滿足對大壩安全管理的需求，選擇了1款基于網頁的解決方案，該方案可以在傳統網頁瀏覽器上運行，不需要安裝其他軟件，因此可以避免與其他系統和軟件的兼容性問題。程序的更新和修改在服務器端進行，不需要在用戶的電腦上進行安裝。

因此，用戶可以實現如下多種功能。

(1) 所有的數據均存儲在中央數據庫，可避免老版本和不可處理或者無效數據帶來的困擾。

(2) 所有用戶，包括業主、大壩安全工程師、監控專家、技術人員以及外部專家，都可同一時間訪問相同的數據。通過密碼和預先定義的用戶資料來控制對不同工具和數據的訪問，同時還可以設置多種讀寫權限控制。

(3) 所有擁有必要權限的用戶均可對系統設置進行更改。

(4) 可通過移動終端自動上傳人工讀取的數據。反過來，可采用互聯網瀏覽器手動插入數據，在中央數據庫可以馬上使用上傳的數據。

(5) 主管工程師可以隨時從辦公室或通過任何有互聯網入口的設備來訪問最新數據，這項功能在一些特殊情況下非常有用。

圖2　系統配置原理

2傳感器設置

因每種傳感器提供的信息不同，其設置的主要目標就集中在由原始數據所計算出的變量上面。例如，使用振弦式滲壓計的情況下，原始數據為頻率，用來計算孔隙壓力、測壓管高度及壓力和水庫水位之比。

可以用公式編輯器為每種變量單獨建立公式，允許融入常數項，例如材料常數或其他參考變量。采用此方法，幾乎可以配置各種廠家出產的任何類型及品牌的傳感器。對于需要復雜評估的傳感器，提供了特殊的算法。例如，混凝土結構中的2D和3D變形單元的數據不僅用來表示變形，還可以用來計算迭代過程中主應力的大小和方向。

可以設置各個變量在運行、安全和緊急情況下的閾值，包括:

(1) 常數值。最大和最小閾值。

(2) 梯度。與先前讀數相關的變化。

(3) 函數。通過公式編輯器，可對方程進行定義以加入溫度和水庫水位等其他變量的影響。

圖2為系統配置圖。

3數據采集

數據可以通過自動或手動錄入。在自動系統中，軟件同本地采集系統中的軟件通信，依據預先確定的準則更新數據。人工記錄的數據可以通過應用中預定義的菜單手動輸入，或者通過移動設備導入。這也包括不同廠家，不同測量儀器的輸出文件，如傾斜儀、地形設備或加速儀的數據。為了簡化人工讀取，可將日報、周報或者月報讀取結果打印出來，并將按指定順序讀取的傳感器數據列表排出。為了在現場直接確認讀取結果，結果中包含了最后一次的讀數值。

4圖形可視化

對監控數據的圖形可視化是評估監控數據的重要工具。因此，系統需要具備一定的靈活性以清楚地呈現數據，同時也能夠在不同參數及其演變中做細致比較。

DAMDATA允許在每次繪圖中進行獨立設置。除將數據作為時間的函數這一傳統方式以外，也可顯示同一路線沿大壩空間分布的數據。此外，將兩種不同變量的關系繪制成散點圖，用于分析外部變量(如溫度和庫水位)對控制變量的影響。

此外，可以將不同圖像排列在一張頁面上。因此，管控區域內的所有傳感器可以相互比較或者單獨顯示來自某個傳感器的信息。除了圖表，其他草圖和符號規則等信息也可以添加到圖中。這種類型的圖表可對安全報告進行清晰的解讀。

最新的數據可以在SCADA上可視化展現。除了實際值，也顯示了日期、時間和報警級別等附加信息。

5統計評估

在采用統計學方法對監控數據進行評估時，獲取數據的完整時間序列非常有用。此外，還需獲取對控制變量有影響的水位、溫度和冰雹等外部變量。統計分析工具完全集成在DAMDATA軟件中，并可直接訪問最新的數據庫。

統計模型的思路是找到外部值和監控數據間的關系。就像在其他模型中一樣，該方法是基于以下3個基本部分考慮的： ①隨時間累積的影響； ②庫水位的影響；③年熱循環的影響。

模型允許用戶分割上述各個部分的影響，同時對主要變量特性的影響量化。此外，可以通過確定不同時間、溫度和庫水位組合的期望值來預報其行為。圖3為量水堰建模的例子。

圖3　重力拱壩在SCADA上的可視化(高程單位：m)

6在埃布羅河流域的應用

全世界范圍內已有超過150座大壩使用DAMDATA對監測數據進行管理。該軟件在埃布羅河流域的應用和運行存在技術上和組織管理上的雙重挑戰。需要合并多種監測系統且可供不同地區的技術人員和工程師們使用。

在埃布羅河流域管理局的本地服務器上，DAMDATA是作為一個監測大壩(SIGAP)的集成化監控系統使用，在超過55座大型大壩的安全平臺中(GEISER)嵌入該系統，包括拱壩、重力壩、土壩，一些大壩的使用年限超過了100 a，另外一些于過去10 a完工，還有少數大壩尚在建造。

6.1研發和配置

擬用該軟件來完成監測任務中的所有工作，在研發中需要很多不同的專家參與其中，包括大壩安全工程師、現場技術人員、設備和通信專家。必須綜合考慮他們的專業知識和工作方法，以達到良好的用戶體驗。

除了完善軟件開發，還必須結合已安裝的監測系統來設計1套特殊的方法。如前所述，埃布羅河流域各種不同類型的大壩都值得關注，其反映了已安裝的監測系統的多樣性。有一些安裝設備非常簡單且陳舊，其他則更新升級了數代，安裝了一些新傳感器使其可以完全自動運行。同時，還要考慮到，這些設備來自國內外不同的生產廠家。

根據對監測系統的仔細檢查和分析，對應用程序進行了配置。重新調試了傳感器，并對所有的系統進行了功能性分析，建立所有傳感器的控制箱。由此，可以對安裝細節、技術文檔和圖紙進行分析并與大壩的現有情況對比，同時對用于大壩數據采集系統變量計算的公式和常量作出修正。

對7 000個傳感器和25 000個變量進行了設置。處理了近30 a的監控數據并規范了符號規則。數據可以通過電子格式和紙質表格形式呈現，同時導入或者傳送到系統中。在設置過程中，要保證數據的透明性和可追溯性。這樣做是為了保存原始數據和所有必要的公式，便于計算數據庫中的工程數據，并供用戶瀏覽和編輯數據。因此，可以對之后的計算進行修改，同時有原始數據可供調用。有些大壩通過系統保留了幾十年的數據，且經過了數次升級和重校。這就需要對公式進行重新設置，綜合考慮各種參考值和常量。

此外，準備了650張SCADA系統視圖并上傳了所選傳感器的平面圖和主視圖，以及每座大壩的斷面圖，展示了實時監測數據和可視化傳感器的報警狀態。

在安全報告中，經過調整后，3 800幅不同的圖像及其輸出，以清晰且有序的方式對數據進行了呈現，為數據的評估提供了必要信息。可以以PDF格式批量輸出，能標明一個預先設定的時段，并與大壩的年度安全報告相結合。

通過在整個流域使用該軟件，可在同一數據庫中對所有與大壩監測相關的數據進行更新、添加和分組。

6.2實施與運行

系統實施的關鍵在于能否被不同用戶接納。應方便所有參與大壩安全監測的專家使用，第一步是讓他們參與到整個開發過程中，第二步是介紹該系統的不同特點并激勵用戶使用它。因此，需要組織理論和實際培訓會來說明監測工作的重要性以及每個參與者在評估過程中的作用。從每個用戶的不同功能需求著手，組織有針對性的培訓課程并制訂用戶手冊。

數據庫安裝在流域管理局的本地服務器上。通過VPN(虛擬個人網絡)連接，可同時使用各種外部地址對系統進行配置和更新。

自動化系統的數據都是實時更新并可用的。因此，采用了為自動水利信息系統(SAIH)安裝的網絡作為通信網絡，編寫了DAMDATA與SAIH間的接口程序。

人工采集數據通過大壩本地工作人員的自定義菜單直接插入到中央數據庫中。因此，在系統中為每座大壩設置了自定義列表和數據讀取方式(日、周、月和年)，并按照所要求的順序對傳感器監測結果進行讀取。

根據每個用戶的責任和任務功能建立了用戶檔案。例如：主管工程師可以訪問所有的大壩并擁有所有讀寫權限。負責讀取數據的技術員只擁有其所工作范圍的訪問權限和數據上傳的功能權限。

為實現連續控制，對運行手冊和緊急動作計劃中的很多閾值都進行了設置，并不斷與自動和手動采集的數據作比較。超過閾值的數據作好標記，系統通過電子郵件或者短信(SMS)通知管理人員,所有系統發出的報警都由報警管理員管理。

當前，超過100位參與大壩安全管理的工程師、技術人員和其他工作人員都可訪問數據，在過去的4 a中，該系統輸出超過200份年報以及50多份專題報告。

在2010年的地震以后，大壩業主和外部專家都可以及時、方便地訪問最新數據。在很短時間內，受影響大壩監控系統的數據被讀取并上傳到系統中。可以快速生成專題報告，并對可能采取的應對措施進行決策。

7結論

DAMDATA是一款功能完善的監測數據評估和管理工具。采用集中式監測數據管理，并通過互聯網輕松且靈活訪問監測系統的所有信息，能以更為有效且安全的方式管理大壩。通過提供多樣的數據表現形式，可以有針對性地對大壩性狀進行闡釋和展現。

該軟件在埃布羅河流域的應用表明，從數據采集過程到輸出安全報告，監測數據的評估過程明顯優化，加強了對大壩狀況的連續監測與掌控。通過在整個流域內應用該工具，可以在單一數據庫內對所有與大壩監測相關的信息進行更新和整理。

然而，還需要有一個良好的維護計劃，對所有部件進行有效維護，才能建立一個高效實用的大壩監測系統，為大壩安全監測提供高質量的數據。

張卓然鄒瑜譯

(編輯:李慧)

長江經濟帶將建生態保護補償機制

國家發展和改革委員會、環境保護部近日聯合印發了《關于加強長江黃金水道環境污染防控治理的指導意見》，明確將充分發揮市場機制作用，建立長江經濟帶生態保護補償機制。

在加強長江黃金水道環境污染防控治理中，將充分發揮市場機制的作用，加大對重點生態功能區轉移支付力度，逐步提高轉移支付系數和生態保護支出標準。建立以干流跨界斷面水質為主、向中上游地區傾斜的補償資金分配標準，形成長江干流補償制度。支持重要支流上下游采取資金補助、產業扶持、人才培訓、共建園區等方式開展橫向生態保護補償試點。

(本刊摘編)

收稿日期：2016-02-15

文章編號：1006-0081(2016)04-0031-04

中圖法分類號：TV698.1

文獻標志碼：A