水工隱患在線監控及預警系統設計

陳俊生，陶叢叢，白玉龍

［1.南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院有限公司），江蘇省南京市 211000；2.寧夏沙坡頭水利樞紐有限責任公司，寧夏回族自治區銀川市 750001］

0 引言

水利水電工程建設規模大，面臨的工程力學問題復雜，一旦失事后果相當嚴重，工程安全監測工作在水利水電工程安全管理中具有舉足輕重的作用[1，2]。工程監測數據是工程結構性態分析評價的重要基礎資料[3，4]，具有歷時長、種類多、涉及面廣、數據量大等特點，目前大多通過人工方式對大量監測數據進行整理、分析和判斷，很難保證其及時性和有效性[5]。尤其對于緊急險情，不能及時有效的預警，將造成無法挽救的后果。如2017年2月7日美國奧洛威爾水庫主溢洪道發生嚴重破壞，造成18.8萬人緊急撤離，造成惡劣的社會影響。

為了避免水工隱患部位發生險情，同時準確、快速地掌握水工隱患處的運行性狀，有必要研究基于監測傳感技術、網絡信息化技術、物聯網技術及移動應用等技術，研發和建立水工隱患在線監控及預警系統，實時分析水工隱患處的安全性態，以便采取相應的預防和補救措施確保工程安全運行，實現長治久安。

1 系統架構設計

系統采用 B/S 結構，軟件結構采用多層結構，分別為數據訪問層、業務邏輯服務器層和 Web 頁面表現層，通過對軟件層次結構的抽象和組合，能夠將數據訪問、業務邏輯處理和用戶界面展示部分進行分割和組裝，使軟件系統具備很好的伸縮性和靈活性，更好地適應復雜的網絡環境、數據庫類型和不同層次用戶的特殊需求。

為了更好實現對信息的統一集中管理和部署，系統將業務邏輯層和數據訪問層封裝為統一的服務層，發布在應用服務器上，以接口的方式為PC 應用客戶端、智能手機、平板電腦及 Web 網站提供各種服務，從而實現對各類信息的查詢和處理，有利于提高整個系統的穩定性，提高部署和運行維護的靈活性，提高服務器的利用價值，減少系統開發中的重復工作，減少運行中的維護工作（見圖1）。

圖1 系統架構圖Figure 1 system architecture

2 系統功能設計

通過遠程監控技術，實時采集監測數據，實時監控缺失數據，并對監測設備狀態進行實時監控和故障診斷；對監測數據異常識別技術進行研究，從而實現異常數據的自動識別；通過分析評估及預警技術，對監測數據進行綜合分析和評判，并和巡檢信息結合進行分析處理，最終確定預警信息并通過短信設備、移動應用等進行預警發布，流程如圖2所示。

圖2 遠程在線監控管理流程圖Figure 2 Flow chart of remote online monitoring management

2.1 信息采集

系統可采集本工程布置監測儀器的數據信息，同時還能夠記錄巡視檢查、工程處理、工作日志等相關信息。

提供自動數據采集和人工數據錄入等工作模式，自動采集的運行方式包括應答式和自報式，根據需要可定制打包成自動任務，并實現異地遠程數據采集。除了自動采集的數據自動入庫外，系統需同時提供人工采集以及其他環境量、第三方數據等各類監測數據和資料的導入功能，并能夠在系統中對其進行統一的管理與維護。

2.2 系統狀態監視及故障診斷

監測系統設備狀態的監視功能，主要包括對設備運行狀態信息進行采集、配置、處理、呈現及相關的數據統計[6]，通過事先設定的門限值進行分析評判，并以預警的形式進行提示。可對系統中的設備運行狀況進行實時的監視，主動發現故障，提高故障處理效率，有效保障系統運行，并可對告警信息進行處理和查詢統計。

（1） 傳感器監視。

監控主機輪詢傳感器的測值讀數來檢查傳感器狀態，根據一定的檢驗規則，將判斷為異常的信息推送給前端進行顯示、告警。當傳感器的數據更新時間超過指定時間，亦進行告警。

（2） 數據采集裝置監視。

監控主機通過指令輪詢各采集裝置，獲取其工作狀態參數信息，通過與預設的參數信息進行對比分析，將異常的信息推送給前端進行顯示、告警。

（3） 電源監視。

監控主機定期采集其供電電壓，通過與預設的電壓參數信息進行對比分析，評估電源的穩定性、電池的剩余電量，若出現異常，推送給前端進行顯示、告警。

（4） 現地通信裝置監視。

監控主機通過不斷的輪詢測試網絡設備或終端設備的連接狀態，再通過鏈路的路由關系來判斷網絡及設備是否正常，若出現異常，推送給前端進行顯示、告警。

（5）UPS裝置監視。

UPS設備一般帶有串行接口。將設備的串口總線接口接至監控主機。監控主機通過不間斷的輪詢采集實時將信息傳給監控平臺進行顯示、報警。

（6） IT設備監視。

根據各軟硬件設備的標準管理通信協議進行監視。

（7） 故障診斷。

通過設置設備安裝位置圖，當發生故障時，能迅速在界面上顯示出故障具體地理位置和故障類型、故障時間、可能需要準備的備件等指示信息，能夠幫助維修人員迅速趕赴設備現場、開展檢修工作、排除故障，減少和縮短設備檢修時間和范圍，快速恢復設備正常運行，從而提高系統的可用性。

2.3 數據轉換

軟件應能將各傳感器原始數據自動進行計算，并轉換為觀測的位移、開度、滲壓等物理量，并將成果存放在成果數據庫內，同一測點計算支持多套不同時段應用公式，計算公式包括自定義公式、固定換算公式、相關點計算、查表計算等[7]。

計算過程應提供自動計算和手動計算兩種方式，自動計算根據設定時間周期，自動將未計算的數據進行計算處理；手動計算可以選取選任意時段、測點范圍或數據類型的測值進行計算。

2.4 在線監控

在線監控功能，主要包括信息檢查、水工安全狀況綜合評判等功能。首先監測信息入庫并進行有效性檢驗，重點檢查測值可信度，識別是否存在粗差。一旦發現粗差或疑似粗差情況則自動復測，并對粗差進行標記或剔除處理，反饋處理結果。對于非監測原因導致的測值異常，開展單測點評判，當發生單測點異常時，觸發多測點評判。

對于非監測原因導致的測值異常和巡檢結果異常，分析相關測點測值分布和變化趨勢，并結合巡檢結果，綜合評判結構安全性態是否異常。對于評判認為結構性態異常的，系統應自動提醒相關工程人員進行處理。對于初步評判結構安全性態異常的，將提醒技術人員進行深入仔細的專業分析，主要分析其成因及對水工安全的影響。當相關責任人分析認為情況嚴重時，可通過在線監控平臺發布信息通知相關人員，視嚴重程度組織不同層次的診斷和處理。

2.4.1 數據有效性檢查

（1）及時性檢查。

根據監測和現場檢查的相關技術標準和要求，設置監控頻次、監測頻次、巡檢周期等參數，系統定時自動檢查信息是否及時入庫，未及時入庫的應記錄并推送。

（2）有效性檢查。

有效性檢查流程監測數據的有效性識別依據建立在對工程特性和歷史數據的分析評估基礎之上，采用各類合適的數學方法和識別規則，快速發現異常數據。有效性檢查主要通過自動檢查，并輔以人工檢查的方式確認誤差類型及數據的有效性，然后將有效數據提交下一步的工程結構分析。

2.4.2 在線安全評判

在線安全狀態評判功能，主要包括單個監測量的異常識別、多個監測量的異常識別、巡檢信息異常識別和水工安全綜合評判等功能，并可根據實際情況對評判方案進行調整。

（1）單個監測量異常識別。

單個測點監測量數據可采用模型值判據、歷史極值判據、允許值判據、測值變化速率判據等幾種檢驗準則對監測成果進行檢驗，并將幾種檢驗結果進行信息融合，從而得出監測成果正常或異常的結論，對于異常成果將給予告警。

（2）多測點異常識別。

首先分析異常范圍大小，甄別是屬于個別現象、局部現象，還是較大范圍現象；對于非個別現象，考察異常測值所在部位（或周圍）其他監測量的變化情況。

分析相應部位其他監測量變化情況，考察異常部位及圍邊的其他監測量的變化情況，如位移異常，則相應部位的接縫是否張開、滲壓是否同步變化等。

分析異常測點分布范圍，甄別是否屬于個別現象、局部現象。個別異常，指除該異常測點外，同一監測項目的其他測點均無異常；或僅相鄰部位的少量測點異常，周圍其余測點無異常。局部異常，指較小范圍內多個測點測值同時異常，但周圍其余測點無異常。較大范圍異常，指較大范圍內多個測點測值同時異常，如不同壩段、不同高程的多個測點異常。

系統實時自動檢查測值異常情況，并根據評判結果進行進一步評判或結束，并自動記錄識別結果，將其推送給相關技術人員進行審核。

（3）巡檢信息異常識別。

通過同類工程對比分析，根據工程經驗，對巡視檢查發現的異常情況，按嚴重程度進行分級。巡檢成果入庫后，與以往檢查結果對比，識別異常及其變化，并記錄識別結果，并可進行巡檢異常信息推送。

（4）水工安全實測狀況綜合評判。

在對水工結構物的歷史監測成果進行定性和定量分析的基礎上，建立標準體系[8]，綜合單個監測量異常識別、多個監測量異常識別和巡檢信息異常識別的評判結果，按照一定的評判原則，采用基于規則的推理方法或其他多源信息融合方法，分級評判實測運行性態。

2.5 監測成果圖表及定性分析

作為分析評估最基本依據的監測數據，其本身所具有的海量、枯燥、呆板、不直觀等特點決定了直接對其進行觀察分析和判斷無疑是十分困難的。須對各個監測數據進行統計和圖表化展示，才能將其中包含的反映結構物性態和安全狀況的信息直觀形象的展示出來。

提供包括分布圖、過程線圖、等值線圖、相關圖以及特征值統計表、成果報表等的監測成果展示功能，相關圖表可依據相關規范格式要求自動形成的，也可以依不同個性化需要自定制形成的所有圖形和表格定義（模板）被存儲在圖表庫中供隨時使用，為監測成果定性分析提供堅實的支撐手段[9]。

2.6 預警信息發布

開發網絡通信方式靈活，自動化程度高，可以方便實現遠程信息發布與共享的預警信息發布子系統。預警發布可對監測系統異常、監測數據異常、監測斷面異常等報警項目進行報警，并可根據預警等級采用客戶端彈窗提示、布置圖熱點閃爍提示、App推送等方式和渠道進行分級發布[10]。

2.7 移動應用

基于水工隱患在線監控及預警系統平臺，開發可應用于Android系統的移動互聯終端應用程序，為用戶提供具有良好應用體驗的地圖導航、信息查詢、任務布置、移動巡檢、預警信息接收與發布等功能，達到實時、便捷的效果，提高水工隱患在線監控及預警系統的智能化水平。

通過任務布置模塊，管理人員下發各類任務（如巡檢任務），現場人員接受任務并且執行任務，管理人員可獲得任務狀態信息反饋。可以定制巡檢路線，并且與任務功能聯動，自動提醒推送巡檢人員。通過手機、平板電腦等智能設備開展現場設備故障、結構異常及隱患排查與上報工作，能夠隨時隨地對異常信息開展處置與消除工作，利用移動互聯技術提高信息傳遞速度，使現場巡檢工作更加高效便利。

3 工程應用實例

某水利樞紐位于黃河干流上游，樞紐工程是以灌溉、發電為主的綜合性水利工程，河床電站安裝4臺單機容量為29MW的燈泡貫流式水輪發電機組，樞紐總裝機120.3MW，設計年發電量6億kWh。2012年7月下旬至9月上旬黃河經歷了近30年來的最大洪水，在泄洪期間，下游右岸岸坡及坡腳突發了險情，右岸岸坡在樁號壩0+159m～壩0+213m出現塌陷。汛后對建筑物進行了全面檢查，發現樞紐下游左右岸護坡均出現不同程度的毀壞現象。2016年對沖毀部分進行了補強加固，為對泄洪閘下游海漫水毀沖坑上部鋼筋混凝土底板修復后的變化情況及時掌握和了解，接入6 支測縫計、2 支脫空計及2 支單點位移計對其進行監測，采用自動化系統實時采集數據。

為避免類似險情的發生，及時掌握水工隱患部位的安全狀況，充分利用物聯網、移動應用等技術，研發和建立水工隱患在線監控及預警系統，系統界面如圖3所示。對接入的6 支測縫計、2 支脫空計及2 支單點位移計進行監測，通過監控軟件平臺，對現地監測站網絡進行遠程控制，對監測設備狀態進行實時監視，并可進行故障診斷等；針對該工程建立特定的數學模型，設置合理的監控指標，從而對數據進行在線分析，及時掌握修復后底板的變形情況，發現險情及時上報，根據情況及時作出相應判斷；同時定期對泄洪閘下游海漫、右岸坡腳區、中隔墩下游區、防沖槽區等泄洪閘下游消能建筑物和邊坡進行檢查，并通過移動平臺實時存儲至水工隱患在線監控系統，及時發現安全隱患；最終確定預警信息并通過短信設備、移動應用等進行預警發布。系統穩定可靠，運行效果良好，為運行管理部門提供決策支持。

圖3 系統界面Figure 3 System interface

4 結語

（1）水工隱患在線監控及預警系統可實時動態掌握水工隱患性態，并實現智能預警，有效防止險情的發生，保障大壩運行安全，為運行管理部門提供決策支持。可廣泛應用于國內水利、水電行業，應用前景較好。

（2）充分利用無線網絡和移動平臺，水工管理人員能夠隨時隨地查詢水工隱患監測信息，分析處理異常數據，掌握水工隱患部位的運行情況，并可實時推送和接受預警信息，有效提升智能化管理水平。

（3）在信息平臺的開發過程中對監測信息數據流和工作流進行充分研究和測試，從而實現人機溝通、閉環管理，計算機按規定準則發現的異常監測數據和大壩預警信息通過預警信息發布子系統及時提醒水工管理人員，水工管理人員通過移動應用進行現場檢查確認、記錄、分析并提請專家預警等，最大限度地提高預警準確度和預警效率。