黃河壩岸險情監控報警報險系統研究與改進

邢天明 郭煒 李艷 呂海洋

摘要：2015年9月至2017年5月，焦作黃河河務局在大玉蘭控導工程開展了黃河壩岸險情監控報警報險系統研究工作，旨在實現壩岸險情實時監測及工程現場信息采集。在推廣與應用過程中，對供電系統和傳感系統進行了改進。該系統提供了黃河壩岸險情的監控、查險、報險一體化解決方案，使當前黃河出險情況、搶險現場、工程運行狀況盡在掌握，改變了“巡查靠人眼、決策靠電話”的防汛工作局面，推動了信息化與治黃業務的深度融合。

關鍵詞：報警；報險；監控；險情；壩岸；黃河

中圖分類號：TV877；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.007

1 概述

防汛是最根本的治黃業務之一，壩岸險情是目前防汛中最常見的險情。為及時、有效地采集、傳輸黃河防洪工程數據，實現管理界面的高度可視化，使壩岸險情的發生、發展可被感知，工程運行情況可被掌控，同時探索“互聯網+防汛”模式，并有效降低人工查險的勞動強度和工作風險，提高信息采集的準確性和及時性，2015年9月—2017年5月，焦作黃河河務局（簡稱焦作局）在大玉蘭控導工程開展了黃河壩岸險情監控報警報險系統（簡稱壩岸監測系統）項目的研究，研發了基于高分子聚合物的傳感系統，可將數據實時上傳至監測系統，實現對防洪工程險情的遠程實時監測，險情發生后，可持續保持險情監測能力；研發了壩岸監測系統，可實現不同部位出險的自動報警，并與視頻監控系統聯動進行遠程險情確認，能自動生成出險時間、地點、部位、現場圖片等相關信息的險情數據包，且具備多級審核功能；研制了新型移動信息采集裝置，可針對突發險情進行實時監測，實現了現場環境信息采集、數據傳輸、音視頻轉播等功能。

壩岸監測系統在推廣與應用過程中對壩岸監測供電傳感系統關鍵技術改進項目進行了探索。在太陽能供電系統中，使用智能型MPPT太陽能控制器和純正正弦波逆變器，通過黃河專網無線傳輸，實現了對太陽能供電系統的實時監測和遠程控制；通過對太陽能供電系統安裝支架的改進，使設備易于安裝，確保了黃河防洪工程監測、監控等系統的穩定運行；采用聚脂塑鋼線作為傳感線，用沖擊鉆在根石上打孔，使采樣點的布設、拆卸和安裝更加方便，傳感器安放在玻璃鋼表箱內可保護傳感器，改進后的傳感系統更便于壩岸監測系統推廣，確保了壩岸監測系統的穩定運行。

2 研究的主要內容

大玉蘭控導工程位于黃河左岸溫縣祥云鎮灘區，是黃河下游重要的節點整治工程之一。2010年至今，大玉蘭控導工程出現兩段畸形河勢，分別為2010-2013年大溜頂沖1-7壩以及2014-2016年大溜頂沖29-34壩。項目組選取大玉蘭控導工程30-34壩作為試驗地點。

2.1 黃河防洪工程信息網絡覆蓋系統

（1）沿河固定網絡覆蓋系統。依托2013年河南黃河防洪工程信息網絡覆蓋系統項目，大玉蘭工程班組網絡帶寬達到60Mb/s。無線覆蓋設備選用5.8G頻段微波傳輸設備，搭配18dBi增益覆蓋天線，實現覆蓋半徑3km、夾角120°的扇形覆蓋面，最大帶寬為100Mb/s。使用兩臺覆蓋設備在大玉蘭控導工程25壩工程班組駐地采用“背靠背”安裝方式，東-西向安裝在特制的高21m水泥桿上，實現了大玉蘭控導工程信息網絡的覆蓋。

（2）移動信息采集系統。近幾年，焦作局2次對移動信息采集系統進行升級。2014年4月，依托改造后的基層黃河專網，利用現有車體及部分車載設備，完成了移動信息采集系統的升級改造，實現了現場數據采集、數據傳輸、網絡覆蓋、臨時基站、干路中繼等功能。為適應新的防汛及基層信息化需要，減少投資，需要對移動信息采集系統進行再次升級改造。2016年4月，焦作局研制了一種新型儲備應急信息采集傳輸裝置，該裝置由便攜式升降桿、設備集裝箱和數據處理終端三部分組成。河南黃河防洪工程信息網絡覆蓋系統為壩岸監測系統數據的安全、穩定傳輸提供了有效途徑和有力保障。

2.2 壩岸視頻監控

（1）監控設備布局。在30-34壩圓頭圓心附近，埋設高12m的線桿并安裝設備支架，為控導工程每道壩安裝3臺攝像機，采用多角度槍機、球機混合安裝方式，實現固定角度及3600可控兩種監控方式，可同時滿足險情巡查及現場視頻轉播的需求。

（2）數據傳輸。使用河南黃河防洪工程信息網絡覆蓋系統將視頻數據回傳至一線班組，實現了防洪工程—班組—縣局—市局的遠程實時訪問。2.3壩岸險情報警報險系統

（1）壩岸險情傳感系統及改進。壩岸險情傳感系統由拉力傳感器、傳感線、采樣點三部分組成，以傳感線連接采樣點，用拉力傳感器監測傳感線拉力，并將數據上傳至YRAP-D型一體化采集設備，實現實時壩岸險情監測。傳感系統的傳感線、采樣點在險情搶護或每年根石加固前后均需要進行拆卸和安裝，拆卸和安裝次數較多且在傳感系統運行過程中發現了若干問題，因此于2016年10月對傳感系統進行了改進，包括傳感線的選擇、采樣點的布設和拉力傳感器的安放三部分。傳感線最終選定直徑2.0mm、抗拉能力≥2200N的聚醋塑鋼線作為傳感線；經多次試驗后，選擇用沖擊鉆打孔，用帶羊眼圈的304鋼材質的M10型膨脹螺栓（該膨脹螺栓表面光滑、不生銹）固定傳感線，可滿足傳感系統要求的低阻力拉力傳導能力，拆卸和安裝方便；傳感器的安放改進為在60cm×80cm×20cm（長×寬×高）玻璃鋼表箱內埋置的石頭上用沖擊鉆打孔，用相同型號的膨脹螺栓固定傳感器，最后用土覆蓋表箱，施工簡便且可保護傳感器。

（2）數據采集。在丁壩背水面設置設備井，內部安放YRAP-D型一體化采集設備，該設備為項目組自行研發，具備數據采集、協議轉換、遠程供電等功能，可根據需要安裝多種類型傳感器，采集氣候、水情等信息。

（3）數據傳輸。YRAP-D型一體化采集設備通過網線連接至壩圓頭處的線桿上，使用河南黃河防洪工程信息網絡覆蓋系統實現數據回傳至工程班接入黃河專網，具備防洪工程—班組—縣局—市局—省局—黃委六級遠程實時訪問能力。

（4）控制系統。自行研發壩岸監測系統用于接收YRAP-D采集的相關數據，經過智能在線評估模塊、案例對比分析模塊進行數據處理，可判斷具體出險部位、傳感系統運行狀態等工況，并實現語音、短信、郵件報警及視頻監控系統聯動等功能。系統首頁見圖1。

2.4 供電系統改進

供電系統是壩岸監測系統的子系統，是確保壩岸監測系統穩定運行的基礎。2016年11月，在大玉蘭控導工程30壩安裝的風光互補供電系統受連續霧霾天氣影響，出現了不能連續供電的現象，急需對供電系統進行改進，擬用太陽能供電系統代替風光互補供電系統。

太陽能供電系統是獨立的子系統，主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池和逆變器組成。控制器本次改進為智能型MPPT太陽能控制器，該控制器可遠程查看控制器各項數據，實時監測太陽能充電情況；逆變器本次采用純正正弦波逆變器代替傳統的修正正弦波逆變器；為便于安裝，增強支架的穩定性，結合太陽能供電系統在12m水泥線桿上的安裝高度，用適配的U形抱箍固定支架，支架下端最外側角鐵由整體變為螺栓鉸連接，設計出一種使用小型電動葫蘆不使用吊車的便于安裝的支架。改進后的供電系統見圖2。

3 推廣應用及效益分析

3.1 推廣應用情況

2015年10月，在大玉蘭控導工程安裝5套壩岸監測系統設備，之后進行了多次模擬險情試驗，并對系統進行了優化。2016年3月31日7時50分，大玉蘭控導工程34壩迎水面發生較大險情，系統監測到34壩迎水面出險并自動報警，首次實現了在真實防汛環境中的險情報警，并自動錄制了出險及搶險視頻，這是黃河上首次以視頻方式完整記錄出險全過程；2016年6月5日20時3分，大玉蘭控導工程出現降雨量50mm以上的暴雨，系統監測到33壩迎水面及圓頭出現險情并自動報警，在惡劣天氣下實現了險情報警。系統運行至今還監測到以下險情：2016年4月1日33壩圓頭的根/坦石坍塌、34壩迎水面的根石坍塌，4月7日34壩拐頭迎水面的根石坍塌，4月8日33壩迎水面的根石坍塌、33-34壩拐頭迎水面至上跨角的根石坍塌，5月13日、5月26日、6月1日34壩迎水面以及8月12日33壩迎水面的根石坍塌。

2016年6-7月，黃河報、黃河電視臺記者先后對大玉蘭控導工程壩岸監測系統進行了采訪報道；2016年7月15日，溫縣人民武裝部組織民兵基干分隊和71762部隊官兵共330余人，在大玉蘭控導工程26壩舉行了溫縣軍民防汛搶險演練，期間使用黃河壩岸險情監控報警報險系統的移動視頻監控模塊，對模擬搶險演練進行了現場直播，并錄制了搶險演練視頻，為防汛搶險現場指揮提供了有力保障；2017年4月，該項目參加了第十四屆國際水利先進技術（產品）推介會，受到了與會專家的好評及同行的關注；2017年4月，該系統在武陟第一黃河河務局沁河老龍灣險工7垛完成推廣，同年5月推廣到蘭考黃河河務局蔡集控導工程9壩及長垣黃河河務局大留寺控導24壩。目前所有系統運行正常。

3.2 效益分析

3.2.1 經濟效益

該系統單道壩建設成本為10萬元左右，與同類系統相比具有明顯的價格優勢。表1為大玉蘭控導工程2010-2017年出險情況統計。

由表1可以看出，2016年安裝壩岸監測系統后由于發現險情及時，做到了“搶早搶小”，因此搶險用石較少，節約了一定投資。

3.2.2 社會效益

壩岸監測系統采用無線網絡連接方式，能更好地適應復雜多變、基礎條件較差的灘區環境，系統由技術簡單、保證率高的單元模塊組成，維護、保養、操作簡便。該系統自動化程度高，數據通信穩定，一方面可及時有效地實時獲得黃河防洪工程運行情況及黃河汛情發展情況，并遠程進行搶險指揮；另一方面可有效降低人工查險的勞動強度和工作風險，提高監測的準確性和及時性以及河務工作的管理水平和效率。

4 結語

壩岸監測系統的研究與應用使黃河出險情況、搶險現場、工程運行狀況盡在掌握，并用“互聯網+”的理念實現了基礎數據資源共享，改變了“巡查靠人眼、決策靠電話”的防汛工作局面，推動了信息化與治黃業務深度融合。項目緊密結合治黃實際，經過兩年來對系統的調試、優化、運行和推廣，能更好地適應復雜多變、基礎條件較差的灘區環境，推廣應用前景廣闊，實現了壩岸險情的監控、查險、報險一體化解決方案。系統具備高度可視化界面，易于使用管理，可實現多級聯動等功能。基層黃河防汛信息化是信息化與治黃工作深度融合的必然趨勢，是“智慧黃河”的一種體現。焦作局將更好地發揮自身優勢，以基層信息化建設、黃河防洪工程信息化項目為基礎，推進治黃事業的“互聯網+”進程。