水利工程中安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王振華

（中交四航局第二工程有限公司，廣東廣州 510230）

水利工程實(shí)際運(yùn)行過程中，工程的安全運(yùn)行受多種因素影響，主要包含水庫大壩、輸水渠道、水工建筑物等因素。隨著安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)在水利工程中被推廣與應(yīng)用，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)在實(shí)踐工作中得到不斷優(yōu)化與完善，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工程的安全監(jiān)測，對大壩、渠道、建筑物等進(jìn)行自動監(jiān)測。與傳統(tǒng)的人工監(jiān)測相比，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)在工作效率方面得到全面提升，借助計算機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對水利工程的實(shí)時監(jiān)測，數(shù)據(jù)信息的分析、整合更準(zhǔn)確，可以精準(zhǔn)、高效地對水利工程的安全性進(jìn)行評判[1]。加強(qiáng)水利工程中安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的具體應(yīng)用研究具有重要意義。

1 工程概況

邱莊水庫安全監(jiān)測項(xiàng)目滿足“無人值班，少人值守”運(yùn)行管理需要，以自動化觀測為主、人工校測為輔、安全可靠為原則。項(xiàng)目主要涉及新設(shè)監(jiān)測儀器設(shè)施、原有監(jiān)測儀器設(shè)施改造以及監(jiān)測自動化。工程包含監(jiān)測頻次試驗(yàn)，通過接入自動化內(nèi)觀測點(diǎn)，自動化安裝調(diào)試完成后按1 次/d的頻率進(jìn)行觀測，汛期或特殊情況時應(yīng)加密觀測。本工程項(xiàng)目對水利工程中安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用研究具有一定參考價值。

2 水利工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)測點(diǎn)選擇

2.1 邱莊水庫安全監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

受水庫建庫歷史條件及運(yùn)行管理期間經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件限制，水庫大壩安全監(jiān)測項(xiàng)目有水平位移、沉降、繞滲、壩體水位、混凝土防滲墻應(yīng)變以及溫度等監(jiān)測設(shè)施，溢洪道有沉降及接縫開合度測點(diǎn)等觀測設(shè)施。監(jiān)測儀器設(shè)施安裝時間較早，存在觀測設(shè)施老化失修、部分觀測設(shè)施無法正常觀測情況，人工觀測監(jiān)測工作量大。

（1）大壩水平位移及沉降觀測水平位移觀測及沉降測點(diǎn)共18個，均為一體化測點(diǎn)，狀況完好。

（2）大壩繞滲或壩體水位觀測有測壓管81套，其中30套測壓管內(nèi)部有水，可以進(jìn)行正常繞滲或壩體水位觀測。

（3）原防滲墻施工時墻體布設(shè)48支應(yīng)變計、6套無應(yīng)力計，目前有33支應(yīng)變計、5套無應(yīng)力計可正常進(jìn)行觀測。

（4）原防滲墻施工時墻體布設(shè)9支溫度計進(jìn)行防滲墻溫度觀測，目前有5支溫度計可以正常進(jìn)行觀測。

（5）原溢洪道布設(shè)8個垂直位移測點(diǎn)，目前均可以正常施測。

（6）原溢洪道布設(shè)12套3向測縫計進(jìn)行接縫開合度觀測，目前有8套可以正常進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 測點(diǎn)的選擇

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的測點(diǎn)選擇過程中，必須考慮實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與滿足實(shí)際使用需求兩個方面的因素。目前，水利工程中安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的測點(diǎn)選擇有兩種較為科學(xué)的方案。

（1）將變形監(jiān)測儀器與滲流監(jiān)測儀器安裝在自動化系統(tǒng)中，可以更直觀地呈現(xiàn)測點(diǎn)的數(shù)量、監(jiān)測重要部分，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化控制。應(yīng)用這種方案時，不用設(shè)置過多測點(diǎn)，只需要將測點(diǎn)設(shè)置在自動化系統(tǒng)重點(diǎn)部分，可以使測點(diǎn)更具針對性，滿足檢測的實(shí)際要求，降低監(jiān)測成本的支出，保證檢測的效率與穩(wěn)定性。這種方案也存在弊端，自動化系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中，相關(guān)技術(shù)工作者承著擔(dān)巨大的工作任務(wù)，需要人工將相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，繁重的工作負(fù)擔(dān)會影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（2）將所有不受干擾、可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能的儀器接入自動化系統(tǒng)中。這種方案需要設(shè)置較大數(shù)量的監(jiān)測點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測效率、速度的全面提升，降低工作人員的工作量，提升測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。但自動化系統(tǒng)需要投入大量的成本，實(shí)際監(jiān)測工作相對復(fù)雜，該方案的應(yīng)用范圍存在局限性。

3 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的主要功能

以實(shí)際工程為實(shí)例，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)擬設(shè)一個現(xiàn)場中心控制室，管理各個測量控制單元（MCU）以及所聯(lián)監(jiān)測儀器，控制測站內(nèi)聯(lián)網(wǎng)傳感器自動采集、及時處理數(shù)據(jù)，對大壩的安全狀況進(jìn)行評估。

（1）監(jiān)測功能。

①采集各類傳感器數(shù)據(jù)。

②設(shè)置每支傳感器的警戒值，超過警戒值時自動報警。

（2）顯示功能。

可以顯示本工程的各種狀態(tài)，如建筑物總貌、監(jiān)測系統(tǒng)及分項(xiàng)目蓋康、監(jiān)控圖、過程變化曲線等。

（3）操作功能。

①對監(jiān)控主機(jī)或工作站進(jìn)行監(jiān)視操作，記錄與評估相關(guān)情況。

②根據(jù)程序與工作狀況發(fā)出不同提示音進(jìn)行提示。

③運(yùn)行并管理整個系統(tǒng)。

④在配置、測試、維護(hù)方面對系統(tǒng)進(jìn)行修改。

（4）數(shù)據(jù)通信功能。

在現(xiàn)場級與管理級方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

（5）綜合信息管理功能。

可以執(zhí)行在線監(jiān)測并對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，管理數(shù)據(jù)庫及圖文資料，離線狀態(tài)下進(jìn)行分析與安全評估。

（6）系統(tǒng)自檢和報警功能。

自檢系統(tǒng)便于維修，根據(jù)自檢結(jié)果可以自動在管理主機(jī)上顯示故障部位及類型；系統(tǒng)發(fā)生故障時，報警系統(tǒng)可以在屏幕顯示文字或以聲音提示實(shí)現(xiàn)示警。

（7）遠(yuǎn)程操作功能。

主要針對部分權(quán)限用戶，采集數(shù)據(jù)的方式主要包括選點(diǎn)測量、巡回測量、定時檢測等。

4 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案

4.1 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)信息接口、分布以及特征

水利工程中安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用時，必須認(rèn)真、詳細(xì)地分析工程的實(shí)際情況和特點(diǎn)。通過分析工程的形勢確定監(jiān)測點(diǎn)的具體分布情況，科學(xué)完成網(wǎng)絡(luò)接口的規(guī)劃，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供重要的前提保障條件。水利工程中，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息接口一般設(shè)置于通風(fēng)口或排水通道的內(nèi)部。

4.2 網(wǎng)絡(luò)信息的介質(zhì)選擇

目前，水利工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)信息的介質(zhì)主要有光纜、電話線、雙絞線等。在系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，介質(zhì)的選擇必須考慮系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、介質(zhì)的特點(diǎn)，保證所選的網(wǎng)絡(luò)信息介質(zhì)滿足系統(tǒng)應(yīng)用與運(yùn)行的實(shí)際需求。

（1）電話線。

電話線具有極強(qiáng)的抗干擾能力，且具有數(shù)據(jù)傳輸速度高、信號傳輸穩(wěn)定等優(yōu)勢。但電話線存在局限性，如果遠(yuǎn)距離傳輸勢必會影響數(shù)據(jù)與信號的準(zhǔn)確性，在實(shí)際應(yīng)用過程中需要與其他設(shè)備配合使用，才能滿足系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

（2）同軸電纜。

同軸電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 同軸電纜結(jié)構(gòu)

同軸電纜在傳輸速度、抗干擾能力、數(shù)據(jù)與信號的準(zhǔn)確性方面有絕對優(yōu)勢，但是前期工作資金投入較大，使同軸電纜的應(yīng)用范圍受到一定限制。

（3）光纜。

光纜的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為抗干擾能力較強(qiáng)，應(yīng)用距離、應(yīng)用范圍較廣，在數(shù)據(jù)與信號傳輸方面具有優(yōu)異的表現(xiàn)，具有經(jīng)濟(jì)性，被廣泛應(yīng)用于水利工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。

（4）雙絞線。

與電話線、同軸電纜相比，雙絞線在前期工作中不用投入大量資金，在傳輸速度、數(shù)據(jù)與信號的準(zhǔn)確性方面具有極佳的表現(xiàn)。雙絞線應(yīng)用于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)與信號傳輸情況時，必須在合理的位置設(shè)置中繼器，保證數(shù)據(jù)與信號的傳輸速度與準(zhǔn)確性。

雙絞線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙絞線結(jié)構(gòu)

4.3 水利工程中安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的具體應(yīng)用

結(jié)合工程案例的實(shí)際情況，對通信方式、網(wǎng)絡(luò)信息傳輸介質(zhì)等方面進(jìn)行對比選擇，提出該水利工程項(xiàng)目中安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

工程項(xiàng)目所處地區(qū)環(huán)境較為復(fù)雜，考慮項(xiàng)目實(shí)際情況，建議自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息介質(zhì)選擇光纜，具有較高的性價比。為了保證安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，需要選擇雙絞線為分支傳輸介質(zhì)，保證實(shí)際運(yùn)行過程中的環(huán)網(wǎng)或支線斷開等情況均不會影響系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。這種應(yīng)用方案可以保證數(shù)據(jù)與信號的傳輸速度以及準(zhǔn)確性，滿足數(shù)據(jù)與信號的傳輸，滿足圖片數(shù)據(jù)的傳輸。本方案網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，在前期的資金、材料投入方面較少，支線接入方式較為靈活，滿足安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的運(yùn)行、更新以及升級要求。

5 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)軟件管理與控制

系統(tǒng)軟件是水利工程中安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的重要組成部分，自動化系統(tǒng)功能需要在系統(tǒng)軟件管理與控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)軟件具有較為完善的檢查功能，在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中可以及時收集、分析以及存儲數(shù)據(jù)，對安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時管理。水利工程管理人員在日常管理、維護(hù)工作中，可以隨時從系統(tǒng)軟件中調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，通過對數(shù)據(jù)信息的分析，準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。水利工程的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)具體應(yīng)用過程中，應(yīng)當(dāng)重視系統(tǒng)軟件的管理與控制，保證系統(tǒng)能夠順利、穩(wěn)定、安全地完成相關(guān)安全監(jiān)測工作。

6 結(jié)語

新時代背景下，為了滿足人們的生活需求與社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求，水利工程項(xiàng)目的數(shù)量以及建設(shè)規(guī)模逐年遞增。需要注重水利工程中安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的具體應(yīng)用研究，不斷優(yōu)化與完善相關(guān)應(yīng)用方案，為安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)，對于提升水利工程安全性、保證水利工程發(fā)揮其價值具有重要意義。