大壩安全監測自動化技術應用現狀及發展思考

朱位隆

(上饒市國控水利水電工程建設監理有限公司，江西 上饒 334000)

水庫作為我國重要的水利工程，發揮著調節水流、灌溉、防洪等作用。大壩屬于水庫建筑構件中的一部分，大壩的監測管理直接影響到水庫的安全性能，是水庫實現經濟效益的基本保障。當前處于智能化發展時代，各行各業都跟隨時代腳步，積極改革。水庫大壩安全監測同樣也需要注入新的“血液”，把握時代賦予的機遇，利用自動化技術提高大壩安全監測的水平，避免不必要的風險，保障大壩安全穩定運行。

1 意義

水庫大壩安全監測是水電站重要的基礎工作，若沒有達到大壩安全監測的要求，則會遺漏重要的安全問題，進而引發大壩安全事故，造成難以預估的損失?，F有的水庫大壩安全監測主要還是以人工監測為主，工作強度較大且易受人為因素的影響，使得監測數據缺乏可靠性，不能反映建筑物實際變化情況，尤其是在洪水、地震等異常條件下，無法實施動態監測。因此，必須完善大壩安全監測系統，將部分關鍵監測項目轉變為自動化監測方式，無論是對大壩所在地區，還是國家都具有積極的意義。對于水庫大壩工作人員而言，自動化安全監測減輕了他們的工作量，使工作內容分工更加具有針對性和效率，對于國家來看，大壩的安全問題與國家的民生問題密不可分，水電大壩的自動化安全監測提高了監測性能，使得監測結果更加科學和準確。比如我國龍羊峽水電站大壩在應用自動化監測技術后，工程運轉更加高效，數據監測更加準確，為水電站現代化安全監測做出了典范。可見，大壩自動化安全監測是行業發展的要求，也是水利工程運行管理工作的要求，是水利工程信息化建設的重要組成部分。

2 應用現狀及問題

2.1 應用現狀

大壩安全監測自動化技術可以及時精確地檢驗出大壩設計是否符合實際需求，大壩建設與運行是否正常，對提高設計方案的合理性和大壩的安全監測水平具有重要的意義[1]。大壩安全監測自動化技術的應用可以滿足現代化大壩高標準、穩定性強等的監測要求，為大壩的安全長效運行提供了基礎保障[2]。20世紀60年代，我國多次出現大壩失事事故，對國家社會造成嚴重損失，例如石漫灘水庫的垮壩事件[3]。經過這些事件，人們開始逐漸重視大壩安全監測工作，加上計算機技術的快速發展，為監測設備向自動化方向發展提供了有利的條件[4]。20世紀90年代初，我國部分大壩安裝了遙測儀器，能完成單項或多項自動化監測項目，但因受到技術性能和設備質量的限制，系統易出現故障，監測數據缺乏可靠性，導致監測自動化技術無法普及使用。目前，我國大壩安全自動化監測技術已相對成熟，并取得較好的效果，但隨著我國用電量需求的不斷增加，水庫大壩的建設步伐逐步加快，對大壩安全自動化監測也提出了更高的要求，因此，必須加快提升自動化監測技術，解決自動化技術應用中的瓶頸問題，推動大壩現代化發展進程。

2.2 存在的問題

一些水電站依舊利用人力監測技術，這種傳統方法可靠性較低，若在惡劣的環境條件中還容易發生危險，所以不應再被沿用。自動化檢測技術相對傳統人力監測方法，具有更高的準確性和安全性，還能降低勞動強度，提升安全監測的效率，因此，被許多水庫大壩廣泛應用，但在自動化技術普及過程中，依舊存在一些問題急需解決，比如設備故障頻發、維修復雜等，針對這些問題，我們要及時找到解決措施，從而保證大壩自動化監測的可行性和全面性，提高大壩整體建設質量，避免安全事故的發生，保障人員的人身安全和企業的最大效益。

3 應用策略分析

3.1 加強巡視檢查與設備檢測，優化項目設計布置

大壩安全監測的監測內容主要包括巡視檢查和設備檢測，設備檢測分為滲流、溫度等多個監測項目[5]，巡視檢查是指直觀查看大壩的運行狀態。據相關調查可知，大部分水庫在垮壩之前會出現相應征兆，若能及時進行巡視檢查，就可以盡量減少或避免發生垮壩事件，因此應加大對病險水庫的巡視力度，以保障水庫的安全運行。而通過應用隱患探測技術等自動化監測系統，可以實現對水庫大壩中主要建筑物及設施設備進行實時圖像監控[6]，極大地提高監測質量和效率。大壩安全監測項目的設計，直接影響到工程監測的最終效果。因此，大壩安全監測項目不僅要符合相關技術規范要求，還應重視影響工程安全的關鍵環節，對其進行重點監測，以保證監測點結構設置優化合理，與相關監測項目密切配合，便于后期分析與應用。

3.2 采用自動化采集方式，提高系統抗干擾能力

大壩安全監測信息的采集主要針對設置的監測點，采集方式可分為人工采集和自動采集兩種，當前隨著信息化技術的發展，監測信息采集方式已逐漸趨于自動化。一般情況下，自動化系統包括配套設置的傳感器和測量控制裝置兩部分。其中，傳感器是自動化監測系統中的核心部件，直接影響到數據的準確性和系統的可靠度。測量控制裝置的主要任務是進行工程現場的數據采集，并控制采集信息時所涉及的相關設備，具有數據測量及存儲、防雷、自動供電和停電保護等功能。數據采集軟件是與控制裝置相配套的軟件，其主要具備初始化、單點測量、定時測量及數據維護等功能。伴隨著自動化技術的發展與普及，測量控制單元板塊逐漸實現智能化和標準化，更有利于系統的操作與維護。自動化采集系統一般分為傳感器和測量控制裝置兩部分，但應用自動化控制技術后，能將系統與計算機相連接，提高系統抗干擾能力，例如GPS監測系統、智能傳感器等。在原有的監測點式基礎上，已開始推廣使用分布式光纖溫度、激光掃描等監測技術，解決了點式監測的難點問題，實現了長距離分布式監測。并隨著監測技術水平的提高，已能將一種監測儀器應用于多個監測項目中，例如可以用應用差阻儀進行變形監測和溫度監測等。

3.3 組織專業技能培訓，切實解決安全問題

大壩實現安全自動化監測并不代表完全不需要人員進行監測，而是減少了安全監測人員的大部分工作量，依然需要安全監測人員投入到實地分析和信息處理的工作崗位中。因此，這些大壩工作人員兼具著更加嚴峻的任務，首先應對他們進行自動化、智能化的技能培訓，掌握常見的設施設備，如智能傳感器、中央控制設備等，這些設備的學習有些需要外出參加系統的培訓，通過專業學習后，將設備使用技術傳授給需要實地采集的人員，并教會他們簡單的數據處理方法。還需要培訓專業技術人員，將采集的數據信息和智能分析后的數據，進行完善的匯總與分析，從而掌握水庫大壩的使用效能，并對出現的問題提供良好的預判依據。這種模式下，不僅能保障水庫工作人員的生計問題，還有利于提高水庫大壩安全監測的質量與效率，實時掌握水庫的運行情況，以及運行問題的防范，進一步體現了水庫安全監測的現代化發展水平。

3.4 構建網絡管理平臺，實現信息資源共享

利用通信設備、計算機網絡以及數據庫共同完成監測的信息傳輸與管理。其中，通信設備是為信息傳輸設備和監控主機之間提供的通信通道，起到采集與傳輸系統指令的作用，組成部分為傳輸介質(如光纜等)和信號傳輸設備(如無線電臺等)。計算機網絡系統的主要組成部分是傳輸介質、集線設備、服務器及其他相關的應用軟件等，系統能為大壩安全監測工作提供一個高效的網絡管理平臺，其具備人工控制、遠程控制等多種數據管理模式，加快實現了信息資源共享的功能。數據庫主要是在滿足相關標準的條件下，負責匯總信息采集系統的管理數據，并進行數據的集成、分類和備份，以確保共享信息的數據安全。

3.5 運用科學監測手段，提升服務與應用水平

監測信息的服務與應用是大壩安全監測體系應用自動化技術的直接體現[7]?；贐/S結構，借助計算機、數據庫等相關軟件工程開發公共服務系統，實現對數據信息的查詢、統計等服務功能。通過互聯網或手機實時采集與監控設置測點的監測數據，為大壩安全監控與管理提供了便利條件。監測信息的具體應用需通過自動采集信息方式，運用現代數學手段分析挖掘監測信息，建立數據分析評價模型，再按照安全評價導則與技術專家建議，完善大壩安全評判標準與細則，為預測預警工作提供的技術條件。除此之外，還可以將大壩自動化技術中現行的智能傳感技術與人工智能技術相結合，因為智能傳感主要是由3個傳感器構成，完成傳感后需進行數據分析，而人工智能在數據處理方面更具有優勢，因此其與自動化技術的相互銜接，能最大程度上減小大壩的人工投入，并能利用人工智能龐大的數據庫條件和高效的分析手段，對大壩結構進行精確監測，對出現問題的預判和分析數據的能力整體是優于人工的，促進了大壩自動化進程，大壩發展具有重要意義。

4 大壩安全監測自動化技術的發展趨勢

隨著科學技術的發展和軟件工程的興起，加速建立了大壩安全監測自動化系統，并逐步朝向智能化、實用化以及規模化方向發展。結合目前水庫大壩安全監測自動化技術發展情況，預判未來的發展趨勢如下：

(1)設備接口的標準化和通用化。目前國內外的大多數監測儀器生產廠家都存在設備接口和系統不通用的情況，以及缺乏專業的安裝調試人員，使得大壩安全監測自動化系統的推廣應用進程十分緩慢，因此，后期需加強研究關于通訊接口、電源接口等設備接口的標準，健全相應的技術規程，為系統設備與模塊間的集成提供技術支持。

(2)遠程控制與實時診斷。由于基層管理工作人員的知識水平相對較低，因此，大壩安全監測系統的遠程控制與實時診斷，能協助維護人員獲取準確的維護維修信息，以便及時處理存在的問題。比如，通過無線網絡，用手機進行遠程數據的采集及系統的維護與升級等工作，并設置大壩安全報警提示，從而第一時間發現故障，保障大壩安全自動監測系統的正常運行[9]。

(3)整合自動化系統。當前我國許多水庫大壩均安裝了水情預測、視頻監控等自動化系統，但只有將這些系統進行有機整合，才能優化系統的整體性能，在保證大壩安全的前提條件下，提升水庫經濟效益。并能在汛期提供充裕的防洪庫容，優化調度管理體系，達到防汛抗災的目的。利用云計算技術集成大壩群信息系統，采用大數據統計方法整合大壩群數據資源，其中還涉及到GIS、遠程通訊等技術。建立相關監測數據庫，集中處理監測數據，找出變化規律，以合理利用數據資源，提升大壩運行與管理水平。通過云平臺統一管理所獲得的監測數據、遠程監控等信息。當前我國集成大壩信息系統工作已全面開展，其中在杭州大壩中心對電力系統的安全監測數據進行了集中管理，湖南省大壩中心也已將部分水庫的監測信息進行集中發布與管理。今后在數據共享利用、分析以及大數據方面還需要深度研究。

(4)運行管理移動化和便捷化。移動互聯網技術的快速發展，使得移動基礎設施設備數量逐漸增加，其中智能手機以被廣泛普及使用。通過移動互聯網手段可以解決在空間、時間上的管理問題，及時發現和處理現場的突發性事件。比如可以利用手機APP線上進行大壩安全巡視檢查工作，配合使用GPS定位、攝像等方法達到實時巡查的要求，及時上報監測情況，通過此類方式，能有效減輕巡查工作量，保證巡查路線及流程的規范性。

(5)虛擬現實技術。近年來，水利工程中開始逐漸應用虛擬現實技術，該技術的使用需與GIS、GPS以及RS技術相互結合[10]。其中在大壩安全監測自動化中的應用主要分為3個方面，一是可記錄大壩動態模擬的產生、發展過程，包括大壩變形、裂縫等現象，最終呈現可視化三維動態。二是通過模擬潰壩、泄洪等變化類型對大壩安全的影響，進行損失綜合評價。三是利用虛擬現實環境，結合當地數據資源優勢，開發大壩安全診斷系統。

5 結語

大壩安全監測自動化的發展是一項長期且較為艱巨的工程，當前該項技術的應用還有待完善與進步，后期應培訓專業的技術人員，加強對自動化技術的研究與應用，不斷提高水利工程自動化建設水平，為水庫大壩安全監測工作提供有力支持。同時，還需要把握好監測重點，完善大壩安全監測體系，提升大壩的安全性能，降低事故發生風險的概率，進一步發揮工程的綜合效益。