楊埕水庫圍堤安全實時監測自動化系統的建立

劉長征，趙衛國，王立君，魏建明

(河北省滄州市水利科學研究所，河北 滄州 061000)

楊埕水庫圍堤安全實時監測自動化系統的建立

劉長征，趙衛國，王立君，魏建明

(河北省滄州市水利科學研究所，河北 滄州 061000)

楊埕水庫圍堤安全實時監測自動化系統通過對水庫壩體、壩基及圍堤建筑物的長期準確監測和原始數據采集，及時掌握和評價水庫大壩的動態工況，有力保障了水庫的穩定、安全運行，為解決滄州東部地區飲水安全提供了有效的技術支撐。本文詳細闡述了系統的組成結構、軟硬件平臺及實現的功能。

水庫;安全監測;自動化

1 概況

楊埕水庫位于河北省海興縣東部15 km，是滄州東部地區供水工程的重要組成部分，Ⅲ級水工建筑物，概算投資8.638億元。水庫圍堤長約12 km，采用均質土壩，堤高8 m，壩頂高程 10.5 m，設計水位 9.0 m，蓄水深度 6.5 m，庫區面積10.9 km2，總庫容 6 568萬 m3。為確保大壩的安全運行，于2009年5月建立了圍堤安全實時監測自動化系統，用于及時而迅速地掌握和評價水庫大壩的動態工況，作出評判并進行仿真分析;對突發性災害進行預報，提供輔助決策及應急措施，對大壩安全運行提出指導性意見。

2 建設目標及內容

充分利用現有的技術條件，優選先進、穩定、經濟的網絡建設方案，在信息標準化的基礎上依靠光纖通信網絡和計算機網絡的支持，實現大壩各項監測信息的自動采集、傳輸、匯總累計、及時上報，同時為水庫運行、防洪調度和搶險抗災提供準確的、科學的依據。

自動化系統主要對大壩滲流監測(包括壩基揚壓力、壩基和壩體的滲流壓力、壩體的孔隙水壓力)、建筑物的基礎揚壓力、水庫上下游水位的監測。

3 監測站布置

根據土石壩安全監測技術規范(SL 60－94)，在水庫大壩共布設6個大壩斷面監測站和供水泵站、泄水閘、進水涵洞3個建筑物監測站，共安裝88支振弦式滲壓計，全部選用北京基康公司生產的BGK－4500S系列儀器。斷面安裝剖面布置圖如圖1所示。

圖1 斷面安裝剖面布置圖

3.1 壩基揚壓力監測

據地質條件和古河道影響，采用直接埋設振弦式滲壓計的方式于1+400、10+000設置2個壩基揚壓力監測斷面，各布設4個測點。

3.2 壩基滲流狀態監測

采用直接埋設振弦式滲壓計的方式于1+100(供水泵站和大壩接合處)、3+800(進水口處，古河道位置)、5+200(泄水閘處)、7+500(典型斷面，大壩的拐角處)、11+000(進水泵站)斷面設置5個監測斷面，各布設4個測點。

3.3 壩體滲流狀態監測

采用直接埋設振弦式滲壓計的方式在1+100、3+800、5+200、7+500、11+000斷面布設5個監測斷面，各布設8支滲壓計。

3.4 壩體孔隙水壓力監測

采用直接埋設振弦式滲壓計的方式于1+400、10+000布設2個監測斷面。

3.5 建筑物揚壓力監測

在供水泵站0+000和泄水閘5+200設置兩個圍堤建筑物監測站。

3.6 庫水位監測

在進水泵站、供水泵站分別設置兩處水位監測站。

4 系統組成

監測中心(CCU)布設在水庫管理處的調度中心，監測服務器上運行著龐大的應用軟件系統，和各監測站的通訊采用環形拓撲光纖通訊網絡，監測站間通過信號轉換設備采用RS485光纖連接，監測站采用多功能監測箱來構建現場各采集單元MCU，MCU直接和傳感器相連，電源由太陽能光伏發電系統供電。

4.1 總體結構

圍堤安全實時監測自動化系統組成結構如下(圖2):

圖2 總體組成結構圖

4.1.1 監測設備

傳感器:振弦式滲壓計、孔隙水壓力計、液位計。

供電設備:智能開關電源、UPS、蓄電池、太陽能板。

信號轉換器及測量單元:測量單元 MCU、通道轉換器、防雷抗干擾設備。

光信號傳輸設備:光端機、收發器、轉換器、中繼器。

中心端設備:工控計算機、串口服務器。

4.1.2 數據采集接口

系統與監測數據自動采集硬件部分用采集接口相連，將從現場儀器儀表自動采集到的數據存入采集接口，系統從采集接口讀取自動采集的數據。

4.1.3 數據庫系統

數據庫包括設計、施工、運行期間的所有數據和資料，以及正分析和反分析的成果。包括:工程概況庫、監測儀器考證庫、原始監測庫(又分為自動采集庫和人工采集庫)、整編庫、參數庫(包括大壩的監控指標)、生成庫(存儲分析成果)、巡視檢查庫等。

4.1.4 預處理系統

通過疑點判別，把各類整編后的監測數據和監測資料與上述評判準則作比較，以識別監測資料的性質正常或異常，為判斷大壩安全性狀提供數據基礎。

4.1.5 資料整編系統

把各種原始數據和文字、圖表(含影像、圖片)和分析成果、專家系統的意見等材料經過審查、考證、編輯，綜合整理成系統化、圖表化的成果。

4.1.6 圖形/圖像系統

將圖形、圖像、視頻、動畫等各種多媒體信息，保存在圖形/圖像庫中，方便各類圖形圖表的存儲和查詢，功能包括讀取資料、生成圖形、增加、修改、刪除、查詢和打印圖形等。

4.1.7 模型庫系統

提供建模程序所需的統計模型、確定性模型、灰色理論模型和模糊數學模型。用來擬合與說明大壩工作性狀并預測預報大壩的未來狀況。基本內容包括:統計模型、確定性模型、灰色理論模型和模糊數學模型。

4.1.8 分析/算法庫系統

包括系統可能用到的各種分析/算法。分析程序如:TOSS分析程序、BISS分析程序、滲流分析程序、穩定分析程序等;算法如:多元回歸分析法、逐步回歸分析法、差值回歸法、時間回歸法、極限平衡計算法、有限元分析法、反饋分析法等，通過接口訪問分析/算法代理，實現計算的分布化。

4.1.9 預報預測系統

調用模型庫子系統和分析/算法庫子系統中的各種模型，應用各種計算分析方法，對監測數據資料進行統計分析或灰色理論分析或模糊信息分析，建立模型，并統計分析、灰色理論分析、結構分析、反饋分析的基礎上進行綜合分析或進行預測預報。

4.2 數據流程

根據監測中心命令，自動采集系統(硬件)自動采集現場儀器儀表的實時數據，通過數據接口進入數據庫系統中的自動采集數據庫，人工采集數據、巡視檢查數據、監測儀器考證數據和工程概況數據，用人工輸入各自的數據庫。

整編數據可以輸出，也可以運行圖形/圖像代理，將整編數據形象地用圖形表示輸出或存入圖形/圖像庫。調用知識庫、模型庫、分析/算法庫中的知識、模型和分析/算法進行各項分析，包括:疑點成因分析、統計分析、灰色理論分析、結構分析(包括滲流分析、穩定分析和應力分析)和反分析，然后運用專家知識、判別標準進行綜合分析，提供輔助決策。

5 系統軟、硬件平臺

5.1 軟件平臺

軟件總體框架如下圖(圖3)所示。

圖3 軟件總體框架圖

軟件總體設計考慮采用微軟的Windows DNA應用模型，在Windows2000/IIS/SQL2005平臺上構造整個評價預報系統，運行層次可以描述為:底層→中層→高層→最高層。

最底層運行底層單片機/工控制程序，提供系統對監測儀器(滲壓計、液位計等)的直接控制。

在中層，運行高級控制程序和部分代理，提供途徑來實現數據的接收/傳遞/反饋控制。

在高層，運行著預處理、圖形/圖像、分析/算法、綜合分析、預測預報代理，提供各種對象和服務的隱形實現，提供系統安全和控制。以COM/MTS實現，包括用戶管理、數據訪問(ADO)等。

最高層運行用戶界面，用來維護人機交互界面，提供各種功能的系統分析、統計、圖形/圖像、決策支持表示。

5.2 硬件平臺

系統硬件總體框架如下圖(圖4)所示。

圖4 系統硬件總體框架圖

各測量控制單元MCU自動控制各種監測儀器自動檢測滲流、壓力、水位等各項數據，將采集到地實際數據格式化，通過光纖通信網絡傳給實時監測平臺，動態顯示數據，顯示異常數據和異常情況。實時監測平臺自動通過中心網絡設備，訪問后臺的分析/算法代理、綜合分析代理和其他代理，產生分析結果和判斷結果，形成知識庫中的新知識，并通過數據代理將數據保存到后臺SQL數據庫中，便于后臺分析/判斷/圖像程序完成其他工作。

6 系統功能

系統主要功能是將監測儀表數據采集、光纖傳輸、監測數據存儲、進行預處理，進入監測資料整編數據庫，并可以直接輸出;同時可以調用圖形/圖像庫代理，將監測信息圖形化表示，便于了解大壩各種性狀及變化趨勢;也可以進入安全分析評價預報系統，進行結構分析、綜合分析、預測預報，全面了解大壩安全性狀、變化規律及其產生原因，提供輔助決策，指導大壩安全運行，提高大壩運行水平，最大發揮楊埕水庫的工程效益。

6.1 數據采集轉換傳輸功能

1)遠程控制和數據采集功能。無須親臨現場即可對測量模塊和監測儀器儀表(滲壓計、液位計等)的控制并獲取相關數據。

2)現場操作功能。測量模塊預留有與便攜式微機接口，可實現現場標定、調試以及數據采集等功能。

3)實時時鐘管理。設有實時時鐘，為定時測量、自動存儲等功能提供時間基準。

4)掉電保護。參數和測量數據存儲于專用非易失性存儲器中，確保掉電后數據安全。

5)抗雷擊、瞬變干擾功能。在電源系統、通信線路接口、模擬輸入引線等環節設置了抗雷擊電路。

6)抗電磁干擾。金屬盒封裝并采用光電隔離技術。

7)智能化測量功能。分別實現選點測量、定時測量和即時測量等多種測量功能。

8)多種供電方式、不間斷電源。供電方式:6～18VDC，220VAC交流任選。

9)光纖高效傳輸功能。數據傳輸誤碼率低、效率高。

10)擴展功能。測量模塊和擴展模塊可組合并方便地組建測量單元，每個測量單元可容納多個模塊，設有通信接口，可方便地組建網絡測量系統。

6.2 統計分析預測功能

6.2.1 數據管理

1)錄入人工監測數據;

2)導入其它來源的監測數據;

3)監測成果計算，包括滲流計算等;

4)監測成果檢驗評判，及時發現異常結果;

5)監測數據和成果保存到數據庫;

6)監測數據和成果的查閱、編輯、刪除、備份等;

7)監測成果的誤差處理和整編規化;

8)數據的預處理功能。數據異常處理、誤差識別、數據校正。

6.2.2 報表制作

可定制包括監測結果的年、季、月、旬、周、日等各種周期報表，風格隨意多樣，能適應任意復雜的格式，表格中數據的定義豐富齊全，包括普通測值、條件測值和各種特征值在內的幾乎所有的報表需要的數據都能輕松獲得。報表樣式圖如下(圖5)。

6.2.3 圖形圖像制作

監測數據分析圖形的繪制:包括過程線圖、分布圖、相關圖、方塊圖、浸潤線圖等，圖形都可隨意定制，設置和生成實時繪制各監測點實時曲線圖和歷史曲線圖。曲線圖如下(圖6)。

圖形坐標的范圍、比例可根據繪圖數據自動確定，還可依需要手動設定和更改;圖形具有無級放大功能;具有多種可供選用的線條線型、數據點標記，字體、顏色等也可隨意設置。

6.2.4 監測數據的分析處理

提供有多種監測資料定量分析計算方法:如多元線性逐步回歸、全回歸、偏最小二乘回歸等;可建立監測量的物理模型:包括統計模型、混合模型和確定性模型，可建立變形監測系統的分布模型;可分解監測量物理模型中的各組成成分，分析分量間的對比關系，揭示監測量的變化規律和原因。

6.2.5 分析評價預測系統

對大壩進行綜合分析，對存在的不安全因素進行輔助決策，對大壩的整體安全度進行綜合評價。調用各種模型，應用各種計算分析方法，對監測數據資料進行統計分析或灰色理論分析或模糊信息分析，對大壩的安全性狀作出評判，進行仿真分析，為輔助決策提供技術支持，或進行預測預報。

圖5 軟件報表樣式圖

圖6 軟件曲線圖圖

6.2.6 文檔管理

根據《土石壩安全監測資料整編規程》(SL 169－96)進行資料成冊整編。大壩安全冊管理;人工巡查記錄及評判結果管理;設計、施工、運行的文件、圖紙、報告及其它圖文聲像資料管理。

6.2.7 系統維護

備份、恢復系統架構信息。能實現系統的功能添加、擴充。快速檢查瀏覽系統問題，發現系統通訊、配置、計算等錯誤。可查閱和維護系統運行日志。具有用戶管理功能，用戶操作權限的劃分豐富細致。

［1］何勇軍，等.大壩安全監測與自動化.北京:中國水利水電出版社.2008.

［2］趙衛，等.工程安全監測技術.2006.北京:中國水利水電出版社.2006.

［3］酈能惠.土石壩安全監測分析評價預報系統.北京:中國水利水電出版社.2002.

TP3:TV62

B

1004－1184(2012)05－0161－03

2012－05－16

劉長征(1978－)男，河北海興人，工程師，主要從事水利科研和水利自動化工作。