淺談中小型水庫自動化管理系統的設計

朱云海

摘 要：水利工程的建設對國家經濟發展安全具有重要戰略意義。而在水利工程中，水庫水情及大壩的自動化檢測監控技術對保障水庫大壩的整體性安全具有重要的地位。本文針對我國中小型水庫的實際情況，結合傳感器技術、網絡技術、數據挖掘技術及人工智能技術構建了現代化計算機智能監控管理系統。該系統具有水情動態采集、壩情實時監測、數據挖掘、智能管理等功能。

關鍵詞：水情;大壩監測;水位控制;數據挖掘;人工智能。

1.引言

我國地勢情況復雜，氣候條件多變，臺風、干旱及洪澇等自然災害一直是威脅人民生命財產安全的重要隱患。隨著我國綜合實力的不斷增強，為了促進國民經濟的發展，建設了很多國際先進的水庫大壩，但同時依然有很多在20世紀90年代及以前建成的中小型水庫，受限于當時的經濟、技術條件，在壩體監測、水庫管理、配套設施等多方面都存在不足。 2011年，“十二五”水利規劃將水安全提升到了國家戰略，全面推進了水利基礎設施的建設，并不斷升華著治水理念。水情監測作為預防洪澇、干旱發生的重要手段，其檢測的精準性與時效性便顯得尤為重要。開發水情自動化監測系統具有周期短、投資少、效益高等優勢，受到很多國家的青睞[1]。

2.系統總體設計

本系統通過傳感器技術對水庫水位及水庫壩體狀況進行實時監測、通過數據挖掘技術對當地歷史水文數據進行挖掘，并結合實時水文數據進行綜合處理，及時預測風險等級。通過自動化、人工智能技術對水庫進行自動化控制管理;通過網絡技術及時對相關人員推送警示系統，添加視頻監視系統，并將數據與抗洪指揮部聯網，并注重防雷電改造措施。具體設計框架如圖1所示。

3.系統設計

3.1水位、壩體等監測采集

此模塊中的數據采集功能主要有傳感器系統、運放器、A/D轉換控制系統組成。數據采集功能主要由水位傳感器、溫濕度傳感器、雨量傳感器、電磁流量計算器、滲流量儀、振弦式傳感器等進行實時信號采集。運放器主要是將mV級的微弱電信號轉換為4mA—20mA的標準輸出。A/D轉換控制系統主要將傳感器采集的各類模擬數據輸入經過內部機制轉換為標準的數字信號，并通過網絡傳送到人工智能自動化控制中心。

3.2數據挖掘

數據挖掘是人工智能和數據庫領域研究的熱點問題，是一種深層次的數據分析方法，數據挖掘主要是通過對數據庫的大量數據進行處理，揭示出隱含的、未知的潛在價值的信息，或者通過歷史數據的比對預測出可能發生的一些信息，數據挖掘是一種決策支持的過程。通過對水庫歷史數據老舊數據的整理、清洗，轉換成結構化或半結構化數據，定義數據挖掘方向，建立數據挖掘分析庫，并結合水庫具體情況建立模型，通過神經網絡法、決策樹法、關聯規則法等經典算法進行分析處理。根據當時水文情況及時作出預判和發現未知的價值規律，并及時傳送至人工智能自動化控制中心。

3.3閘門控制系統

閘門控制系統主要由閘門動力控制中心、閘門位置數據采集裝置、閘門水位采集裝置、閘門手動控制裝置以及閘門控制中心組成。閘門動力控制中心主要對閘門的開閉進行動力控制，閘門位置數據采集裝置主要負責采集閘門實時位置信息并傳到閘門控制中心實時顯示，閘門水位采集裝置主要對閘門內外水位進行實時監測，閘門手動裝置作為備用設備，在自動化控制設備出現故障或其他情況下使用，通過人工操作閘門，閘門控制中心主要是實時收集各項采集數據根據預定程序控制閘門，并實時將處理數據發送至人工智能自動化控制中心進行監控。

3.4預警信息發送

水庫都會定期或不定期都會進行開閘泄洪工作，以確保水庫在一個合理的水位。在開閘泄洪之前及時有效警示水庫周邊及受影響的下游人民群眾的工作尤為重要。本模塊主要分為庫區聲光警示系統、庫區下游地區目標單位消息傳送和指定區域移動終端消息推送三個方面。庫區聲光警示系統重要是通過分布在各處的聲光報警器以及高分貝擴音器進行預報提醒。庫區下游地區目標單位消息傳送及時將預警信息發送各目標單位信息接收終端，及時提醒。指定區域移動終端消息推送主要是通過水庫附近基站根據要求自動將預警信息根據要求發送至指定區域移動終端，進行消息提醒。

3.5視頻監視

視頻監視系統主要包括前端視頻攝像設備、存儲設備、視頻數據分析設備。前端攝像設備主要由高清攝像頭組成，對關鍵設備、關鍵位置實時監視，比如水庫閘門、防雷電設施、大壩重要位置等關鍵區域進行監視。視頻數據可以存儲到存儲設備中，以防后續調用分析。視頻數據分析設備主要是實時比對視頻信息，發現差異及時存儲，并上報人工智能自動化控制中心，同時根據異常信息進行簡單預處理生成結構化數據供數據挖掘分析處理。

3.6設備狀態運行狀態自動監測

設備狀態運行狀態自動監測主要包括設備自檢、各設備運行終端狀態詢問和異常數據智能分析等。設備自檢主要是指各設備在啟動時根據預設要求對各個參數進行檢測，查看設備運行環境是否正常，設備啟動是否正常。各設備運行終端狀態詢問主要是通過心跳的方式定時對各設備運行終端進行詢問，參考是否有應答或者應答是否正確以及應答的時間是否異常來判斷設備運行的狀態。異常數據智能分析主要是根據歷史數據以及水庫環境對當前采集數據值進行分析，判斷是否大于偏離的合理值，來確認設備是否正常工作。

3.7人工智能自動化控制中心

人工智能自動化控制中心是本系統的核心，可以對水庫的各項事務進行自動化控制。主要包括硬件平臺以及一套監控軟件。通過監控軟件的人機界面實時顯示各系統的傳送的數據及工作狀態，通過人機界面可以對水庫各種設備進行全面管理、控制，各項參數通過控制中心可以實時傳送到防洪指揮中心。

3.8，系統防雷電措施

一般來說，水利設施大多地勢較高，極易受到雷電的襲擊，特別是汛期雷電比較多的時期，雷擊會對水利自動化系統的正常運行造成不利影響。因此，水利自動化系統需要進行防雷避雷系統的設計，保障系統作用的發揮[2]。

為避免直接雷擊，一般可設置避雷針、避雷線，前者用于建筑物、野外的電器設備等保護，后者可用以輸電線路的保護。建筑物或電器設備使用避雷針幾乎可以不受雷電直擊，但是無法避免感應雷擊。如何減少感應過電壓對系統的破壞，是大壩安全監測自動化系統防雷干擾的關鍵所在。

水庫地勢開闊，屬高雷電發生區。為系統避免雷擊事故發生，系統采取以下幾條防雷措施：

1）盡量縮短現場傳感器與計算機控制中心的連接線距離，所有連接線都通過地溝鋪設，這樣可基本避免感應雷擊事故。

2）對監測中心站外接天線、太陽能裝置均附加接地良好的避雷裝置，可有效避免直接雷擊事故的發生。

3）各監測儀器電源接口、對外連接端口設計有防雷、防靜電隔離電路，增強設備抗雷擊性能。

4）室外傳輸電纜應加繼電器保護。

在安裝避雷器時，由于避雷器起到分流雷擊電流（雷電）入地泄放作用，所以避雷器與地相連的線應選用多股線，同時連接線越短越好，若連接線增長1m，其避雷器殘壓值將增加1000V，難以保護重要設備。因此，站房內設等電位公共接地環網和各類需要設有保護接地的設備和線路，可以做到就近接地，以免因設計和施工問題而影響防雷效果[3]。

4.結語

本文針對我國中小型水庫的實際情況，結合傳感器技術、網絡技術、數據挖掘技術及人工智能技術構建了現代化計算機智能監控管理系統。詳述了系統總體架構及相關子系統，如數據挖掘、設備狀態運行狀態自動監測、防雷擊措施等。實現了壩情的實時監測與水情的動態管理，有助于提高了我國中小型水庫的自動化監控水平。

參考文獻：

[1]姚蓓蓓.汾河二庫水情自動化監測系統設計與應用[D].太原理工大學.2018.06

[2]王夢旭，林思群.現代水利自動化系統的設計與應用[J].江蘇科技信息.2018.04

[3]胡國軍，錢鏵，付曉艷.遼陽湯河水庫水質自動監測站雷電防護系統[J].遼寧氣象.2004.11