南水北調安全監測自動化系統人工自動化數據比測差異分析

王樹寶 趙義春 艾明明

【摘要】本文對南水北調中線干線工程安全監測自動化系統人工自動化頻模和溫度數據比測中部分數據產生差異的原因進行了詳細的分析總結。

【關鍵詞】南水北調；安全監測自動化；人工自動化數據比測；差異分析

1、概述

南水北調中線干線工程自陶岔渠首至北京團城湖全長約1277.212km，天津干線自西黑山分水閘引出，至天津外環河出口閘長約155.273km，總長1432.485km。其中，總干渠陶岔至北拒馬河中支渠段采用明渠輸水方式，北京、天津段采用管涵輸水方式。

由于全部采用渠道及管道輸水，沒有水庫調劑，采用實時調水方式，為了干渠安全及避免棄水，全線必須統一協調、實時控制，對工程安全進行實時監控，因此南水北調中線干線工程對輸水控制時效性提出很高的要求，因此建立了南水北調中線干線工程安全監測自動化系統，根據權限設置和管轄區域接收對現地監測站的采集信息，并對數據信息進行分析處理和儲存，為各級管理部門提供工程安全相關的決策支持，并為工程調度系統提供服務。

2、人工自動化數據比測結果及分析

自動化系統調試及試運行期間需要進行人工自動化數據比對，人工自動化數據一般采用方差分析進行比對，方差分析是取每個監測點自動化監測和人工監測相同時間、相同測次的測值分別組成自動化測值序列和人工測值序列。設某一時刻的自動化測值為Xzi，人工測值為Xri，則兩者差值按照式（2-1）計算：

式中為自動化測量精度；為人工測量精度。

對于每個監測點人工和自動監測在相同時間進行5次測量，然后按照上述方法對每個監測點進行計算，自動監測與人工監測結果應該滿足的要求，根據現場的3次人工自動化數據比測結果來看95%的監測儀器滿足以上要求，對于5%的監測儀器不滿足以上要求的原因進行分析，主要是兩個方面數據不吻合：傳感器頻模或者溫度不滿足以上要求。

2.1人工自動化數據比測頻模差異分析

通過對不滿足要求的監測數據進行分析，首先通過通道互換排除采集設備的問題，同時檢查接線端子連接牢固可靠，然后分析頻模數據產生差異主要有以下幾個情況：

安全監測自動化系統數據庫中監測儀器編號與接入到MCU中的對應關系不準確。由于南水北調中線干線沿線渠道埋設了大量的監測儀器，在儀器信息錄入時難免有疏漏的時候或者后期對現場MCU的接線進行了調整但是自動化系統中儀器信息更新不及時，導致了人工自動化數據比測差異很大。

安全監測自動化可以測出數據而人工不能測出數據。由于安裝在建筑物及渠道上的監測儀器一般都是振弦式儀器，在安裝后的運行過程中，鋼絲產生松弛或松脫，或松弛到一定程度之后，松脫而停振。在人工比測過程中人工測量時采用的是振弦式讀數儀，給出的激勵電壓一般是5V，由于監測儀器振弦松動，5V激勵可能不足以使傳感器起振，而自動化設備中MCU的激勵模塊提供的是12V電壓，使監測儀器重新起振，所以能測量出傳感器頻模。但是自動化測讀的數值是否真實還要與以前的原始數據比較判斷。

（3）安全監測自動化不能測出數據而人工能測出數據。這種情況主要原因是頻率傳感器線纜中的一根或者多根與地互通（相當于在某種情況下繞過了傳感器），為什么在這種情況下人工讀數裝置能測讀到數據而自動化采集單元卻不能測讀到數據呢？因自動化采集儀單元與人工讀數裝置是兩種不同類型的儀器儀表，在進行人工比測時，人工讀數裝置為完全隔離絕緣的設備，而自動化采集儀單元與大地幾乎是無阻對接的。詳見圖2.1-1。

圖2.1-1說明：當激勵采集信號電流通過人工測讀裝置傳感器線纜1發出經過傳感器后，經過大地丟失了部分電流，仍有部分電流通過大地再通過傳感器線纜2形成回路回到人工測讀裝置，從而人工讀數裝置測讀出數據，當電流丟失過多或者完全丟失時，人工測讀裝置就會出現測讀數據不穩定或者測讀不出數據。

圖2.1-2說明：由于自動化設備接地端是與大地連接的，所以自動化采集單元激勵采集信號電流不會同人工測讀裝置電流走同樣的通路。因為傳感器是有很大的電阻值的（電阻值約為120Ω）所以根據電流傳輸導通原理：電流會通過無阻端完成傳輸形成回路，而不會通過阻值很大的一端通行形成回路，因此電流通過傳感器線纜2和自動化接地端直接回到了自動化采集單元，故而自動化采集單元測讀不出這類傳感器的數據。

部分接入的傳感器線纜雖沒有與大地互通，但人工讀數裝置可測讀出數據，自動化采集單元不能測讀出數據，因自動化采集單元設計標準嚴格按照大壩安全監測規范中規定要求傳感器絕緣阻值≥50MΩ，已符合接入自動化采集單元國際標準。部分接入的儀器不能滿足這一條件，所這部分儀器自動化采集單元就有可能測讀不出數據。

2.2 人工自動化數據比測溫度差異分析

首先通過通道互換排除采集設備的問題，同時檢查接線端子連接牢固可靠，其次分析產生人工自動化溫度數據差異的其他原因。

讀數儀是單測點檢測儀器，并且讀數儀內部的接地是懸浮的，測量中讀數儀只和傳感器構成回路，如圖2.2-1。

（1）用萬用表測試溫度線（綠、白）間電阻，阻值：3.96 kΩ，10秒左右后阻值：4.30 kΩ，并且阻值逐漸增大；正常情況下溫度線的電阻應該為一定值，所以通過測量溫度線電阻說明兩線之間有進水可能，隨著導線通電時間的延長，進水處金屬表面開始電解氧化，所測的總電阻會逐漸增大，導致溫度測量不準確。

將紅黑線和綠白線分別進行短接，然后利用萬用表測試白綠和紅黑的電阻，白綠和紅黑的阻值為12.8kΩ；正常情況下白綠和紅黑之間為斷路，因此他們之間的電阻應該為無窮大，所以通過測量白綠和紅黑之間的電阻說明傳感器或引線接頭處有進水現象，導致溫度測量不準確。

（2）利用兆歐表測試傳感器芯線電阻，白綠和紅黑：<0.5 MΩ；綠和白：0MΩ；白綠紅黑和屏蔽線：> 1000MΩ。正常情況下白綠和紅黑絕緣電阻值應該大于1MΩ，所以通過測量白綠和紅黑之間的絕緣電阻可以說明傳感器或引線有進水現象，但在引線加長時至少是最后一段加長操作時屏蔽線沒有連接，所以白綠與紅黑間電阻：<0.5 MΩ而白綠紅黑與屏蔽線間電阻> 1000MΩ，所以溫度測值不正確。

3、結論

通過以上分析頻模與溫度人工自動化比對出現差異主要是由于傳感器絕緣電阻不好造成的。

許多單位和從事安全監測的專業人員對此也缺乏足夠的認識，認為弦式儀器絕緣度低并不影響儀器的測值。安全監測儀器埋設在水工建筑物結構內，屬于隱蔽性工程，需要進行長期監測，要求其具有長期穩定性。儀器絕緣度偏低，甚至儀器內部受潮或進水，短期內可能不會影響測值，但必定造成儀器內部結構物理特性和電氣性能產生緩慢變化，這就影響儀器的長期穩定性，甚至儀器失效。所以應對振弦式儀器絕緣度進行檢驗，并且在傳感器引線接續時嚴格按照相關規程規范或者技術要求進行施工，確保傳感器數據穩定可靠。

對自動化系統維護時，要根據現場情況及時更改相應數據庫的信息，避免由此造成人工自動化數據比測出現差異。

參考文獻：

[1]龐雯璟.淺析自動化監測數據與人工監測數據的對比[J]中國科技信息，2012.

[2]DL/T 5211-2005，大壩安全監測技術規范[S].