水電站安全監測系統多平臺整合設計

王斌斌

（甘肅省水務投資有限責任公司，甘肅 蘭州 743000）

0 引言

隨著計算機技術、傳感器技術、網絡通訊技術及數據庫技術的飛速發展，大壩安全監測自動化技術也得到了較大的發展和廣泛的應用。目前國內很多水利水電工程均已實現自動化安全監測，很多重大水利水電工程同時具備多套監測系統，如同時部署有大壩監測自動化系統、地震監測系統、GNSS 衛星測量系統、三維激光掃描系統和外觀自動測量系統等。海量的監測數據和多平臺難以管理的現狀，促使將多種監測系統納入工程遠控平臺進行統一管理是一種趨勢［1］。當前大多數工程項目的現狀是各套系統工作各自為政，無法做到密切配合、協同工作，需要一種低成本，能實現對各種測點全面控制，可互操作的監測系統［2］。為此，本文借某水電站安全監測系統自動化改造之機，設計一個能夠在突發事件和特殊工況下，實現不同監測子系統協同工作，及時測量，及時預警的系統整合方案。

1 監測系統現狀

該水電站安裝有大壩安全監測系統，用于混凝土壩壩體的變形、溫度、應力應變和滲流滲壓等項目的自動化監測；大壩壩頂安裝有一套測量機器人系統，用于近壩邊坡變形的測量；庫區滑坡體布設有 GNSS 變形監測系統，用于滑坡體變形的測量；在大壩的各層廊道安裝有強震儀，用于測量記錄地震波。目前大壩安全監測系統、測量機器人系統、GNSS 變形監測系統和地震監測系統分別安裝在 4 臺不同的服務器上，4 個系統所采用的數據結構完全不同，各系統之間的數據沒有進行共享，系統之間也沒有進行任何通信，不具備協同工作的能力。如能將現有 4 個監測系統整合起來，形成一套高效的數據共享和聯動協調的工作機制，必然可以有效地提高安全監測自動化的工作效率和監測效果。

2 需求分析

2.1 項目特點

該水電站位于地震、滑坡和泥石流等地質災害的高發區，為了保障水電站的安全運行和及時預警，目前運行的安全監測系統有大壩安全監測系統、自動測量機器人系統、GNSS 衛星監測系統和地震監測系統?？紤]到地震和各類地質災害影響的突發性，定時定點的常規安全監測工作無法滿足突發災害的及時預警，需要根據工程特點整合出一套能夠快速有效的預警監測系統。為滿足工程需要，本項目的監測系統以事件觸發為核心需求，其主要特點有以下幾點。

1）不僅僅是常規的周期性數據采集，同時對各類突發事件進行偵測，當某個子系統收到突發事件信號時，整個系統進行聯動監測。

2）對監測系統的實時性要求高，需要在突發事件發生時，整個系統能在盡可能快的時間內做出響應。

3）需要盡可能利用和集成現有監測設施，通過軟件將各子系統整合為一個協作聯動的監測系統。

2.2 項目難點

經現場對大壩安全監測系統、自動測量機器人系統、GNSS 衛星監測系統和地震監測系統的工作平臺進行研究，4 個系統存在顯著的差異，難以進行完全的整合。

1）各系統監測的數據采集頻次、采集要求和數據處理方式完全不同，產生了監測數據的數據結構和管理模式的完全不同，導致沒有一個平臺具備可以管理所有監測數據的能力，無法做到監測數據的完全共享。

2）各系統監測的通訊和數據接口完全不同，難以做到完全的互操作。

3）各系統的實時性和精度不同，地震監測系統為實時監測，GNSS 衛星監測系統實時監測精度差，大壩安全監測系統和自動測量機器人系統為定時測量。

3 系統聯動設計

3.1 地震事件聯動

1）聯動大壩安全監測系統。地震事件為突發事件且持續事件較短，地震事件聯動大壩安全監測系統的難點在于快速響應，需要在地震持續的短時間內完成對大壩的監測傳感器的測量。

調用 2019 年本項目地震系統監測到的 3 次地震信號（見圖 1），發現本地區地震的持續時間均在 80 秒左右；經現場試驗，本項目大部分的大壩自動化安全監測 MCU 采集一次的時間約為 30 秒。如能在地震發生的同時，有一套高效的通訊機制，可以由地震系統將地震發生的信號發送給安全監測軟件，大壩安全監測軟件完全可以在地震持續的過程中測得各項關鍵的監測數據，對研究壩體在地震中的受力情況有極大的幫助。

圖1 本地區 2019 年地震記錄

為達到地震監測系統和大壩安全監測系統的聯動目標，本項目設計了一套強震觸發大壩實時監測系統的方案。當強震儀接收到烈度大于 4 度的地震信號時，由強震監測系統向大壩安全監測系統發送一個觸發信號，大壩監測系統收到信號后，立刻開始對監測系統中的重點測點進行一次測量，并將測量中發現的超限數據通過手機短信報送管理人員，達到第一時間了解壩體安全性的效果。

2）聯動測量機器人系統。測量機器人系統由國外廠家開發，涉及到知識產權和商業機密問題，無法做到對其進行完全的控制。經現場分析，測量機器人系統和地震監測系統無法建立有效的連接和觸發機制。為了解決二者無法直接連接的問題，本項目設計利用大壩安全監測系統作為中間平臺，只需實現大壩安全監測系統能夠將測量命令發送至測量機器人系統，測量機器人系統在收到開始測量的信號后，立即進行一次觀測即可。根據地震監測系統聯動大壩安全監測系統的機制，當地震系統將地震烈度信息發送給大壩安全監測系統，如烈度達到預設閾值，大壩安全監測系統將開始測量命令發送至測量機器人系統，測量機器人收到信號后開始測量，以此實現強震系統和測量機器人系統的聯動。測量機器人完成測量后，將測量數據同步傳送到大壩安全監測系統中，并由大壩安全監測系統判斷數據是否超限，并將異常數據及時通過短信報送管理人員。

3）聯動 GNSS 衛星監測系統。GNSS 衛星監測系統的解算精度受采集到數據量影響很大，實時解算精度差，一般需要1個小時以上的衛星定位數據才能解算出一個可靠的監測數據。故將地震監測系統聯動 GNSS 衛星監測系統的意義不大，GNSS 衛星監測系統只需按照預設的每小時進行一次解算的任務工作即可，當滑坡體的累計變形值達到預設閾值時發出報警信號。

3.2 特殊工況事件聯動

水電站在運行過程中會遇到強降雨、泄洪、高水位運行和庫水位急漲急落等特殊工況，在這些特殊工況下，需要加強對大壩、庫區滑坡體和消能結構物等位置加強觀測和及時預警。這些特殊工況對實時性要求不高，其特點如下。

1）泄洪、高水位運行和庫水位急漲急落等工況基本是按預設工作計劃進行，可以提前做好監測系統工作的準備工作。

2）強降雨雖有一定的突然性，但其持續時間長，且根據氣象信息，也可有一定的預見性，具備提前做好監測系統工作的準備工作的條件。

3）特殊工況產生的后果一般也不是突發事件，其對大壩、庫區滑坡體和消能結構物的影響和破壞也是一個發展的過程。

4）對大壩及消能等附屬結構物的測量精度要求高，除了庫水位外的大部分指標的精度要求都在毫米級以上，達不到精度要求的測量都是沒有意義的。

大壩及消能等附屬結構物、降水量和庫區邊坡等監測項目的大部分傳感器都是由大壩安全監測系統負責采集和管理，且監測數據的采集精度和可信度都較高，能夠達到各預設項目的精度要求。根據地震聯動機制的辦法，大壩安全監測系統已與測量機器人系統和 GNSS 監測系統建立聯動，特殊工況下的聯動由大壩安全監測系統發起最為合適。大壩安全監測系統周期性地采集降雨量、庫水位、滑坡變形和裂縫等監測數據，當偵測到數據超過預設閾值時，立刻聯動測量機器人系統和 GNSS 監測系統，以預設方案加強對關鍵部位的觀測，并將測量數據同步到大壩安全監測系統中，并由大壩安全監測系統判斷數據是否超限，并將異常數據及時通過短信報送管理人員。

4 子系統間通訊方案

4.1 通訊特點

根據本項目需求及監測設施系統，各子系統聯動的通訊主要有兩個特點。

1）通訊的效率和及時性要求高，如地震等事件屬于突發事件，且事件的時間窗口期很短，需要監測系統之間能快速建立聯系，迅速做出響應。

2）通訊數據量小，由于各系統的數據結構的巨大差異，本次設計不進行監測數據之間的傳輸，而只是由偵測到觸發事件的系統告訴其他系統啟動某個預設應對方案，通訊數據量非常小。

3）點對點的單向通訊，根據聯動設計方案，本項目的通訊只需要建立對一些特定的主機進行單向通信，而不是整個局域網上的所有主機的雙向連接。

4.2 通訊方案設計

鑒于響應快和數據量小的特點，各子系統間的網絡通信協議采用 UDP。消息包分為幀頭、包頭、包內容和幀校驗碼。幀頭作用主要用于抗干擾，對非系統信號進行過濾。包頭由包長度、包編號和包頭校驗碼組成，用于表示內容長度和信息重組。包內容為實際數據，內容為告訴其他系統啟動某個預設監測方案，考慮到信息中可能包含漢字，編碼需要使用 unicode。幀校驗碼是對報文中自包頭開始至包內容（包含包內容）為止的所有內容按網際校驗和算法產生的校檢字節。

5 結語及展望

隨著對水電站安全的重視、少人值守要求的提高和數字信息技術的發展，對安全監測自動化系統的要求將進一步提升。本次水電站安全監測系統改造工作中的各監測平臺聯動方案的設計，可以極大提高水電站在突發災害和極端工況下的應急能力，間接提高了整個安全監測系統的自動化程度，各子系統能夠在較短的時間內進行聯動測量，給運行人員及時提供關鍵的監測數據。

由于該水電站 4 個系統之間巨大差異的實際現狀，本次項目設計其實是針對不同廠家、不同系統和不同數據結構難以整合的一次妥協，各系統之間的不通用和不兼容問題已成為束縛安全監測自動化工作進一步發展的枷鎖，標準化的接口成為解除這道枷鎖的關鍵。隨著安全監測自動化行業的發展，如能著手建立一套標準，各廠家均能按照標準預留通用的通訊數據和數據接口，從而便于各系統的整合和集成，安全監測自動化技術必能得到進一步的發展。