大壩安全監測信息管理系統設計及應用

胡 波，陳 軍，李 新，滕 敏，凌 騏

[1.南瑞集團公司（國網電力科學研究院），江蘇省南京市 210003；2. 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇省南京市 210003；3. 中國水利水電第八工程局有限公司湖南省長沙市 410000；4.新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆烏魯木齊 830000]

0 引言

大壩工程建設通常規模大、面臨的工程力學問題復雜，工程一旦失事，后果不堪設想，因此確保大壩安全顯得尤為重要。大壩安全監測是監視工程結構安全的重要技術手段，監測數據是結構性態分析和安全狀態評價的重要基礎資料[1，2]。

隨著科技及管理觀念的發展，人們的治水理念正從傳統的重土建逐漸向數字化、信息化、智能化、實現水資源綜合利用過渡。在大壩安全監測領域，利用自動化測控技術、網絡通信技術、計算機技術、水工分析等技術，研發一套大壩安全監測信息管理系統，對大壩及其他水工結構物的安全實測數據進行統一管理、及時分析、輔助決策，更加及時、準確、高效的評估工程結構物安全狀況，提高工程安全的管理和決策水平，已是當今社會和技術發展的大勢所趨。信息管理及分析系統能夠提供一種很好的數據管理和分析手段，是整個安全監測系統的大腦和靈魂。好的管理系統不僅能充分發揮監測系統在監視工程安全方面的作用，而且可以極大地提高工程安全管理的效率和質量[3]。

本文以馬來西亞第二能源計劃的重要工程沐若水電站為依托，介紹該電站大壩安全監測信息管理系統的設計及建設情況。擬從系統設計原則、系統結構及系統功能等幾個方面展開討論。

1 工程概況

沐若水電站地處馬來西亞砂撈越州，壩址位于拉讓河流域源頭的沐若河，距下游的巴貢水電站約70km，電站總裝機容量944MW，控制流域面積約2750km2，是拉讓河上游四級梯級開發中的第二個電站[4]。

工程主要由碾壓混凝土重力壩、壩身表孔溢洪道、引水發電系統、發電廠房、生態流量引水發電系統等部分組成。碾壓混凝土重力壩軸線為曲線形式，壩頂長度473m，最大壩高141m。水庫正常蓄水位540m，死水位515m，總庫容120.43億m3，調節庫容54.75億m3。

鑒于工程的重要性，設計并建設了一套大壩安全監測信息管理系統，以保障工程安全運行、充分發揮效益，工程采用了南京南瑞集團公司研發的大壩安全信息管理系統。

2 系統設計原則

系統設計以業務需求為根本出發點，明確目標，突出重點，兼顧實用性和先進性，主要設計原則有：

（1）目標明確，需求驅動。系統的設計和建設應以大壩安全管理的業務需求為根本出發點，按照需求來進行系統架構、功能及性能、操作流程等設計。

（2）技術的可靠性、實用性和先進性。系統在總體結構設計、軟硬件平臺選型、應用系統開發等多方面首先要做到可靠、實用，確保系統在多種環境下正常、可靠地運行；同時應力求先進，充分利用當前先進的平臺技術，使系統在技術上保持一定的超前[5]。

（3）統一標準、規范設計。采用國內外現行標準，構建涵蓋數據采集、通信、存儲、管理、業務應用等各個環節的全面的技術體系，以提高系統的兼容性和可擴展性[6]。

（4）開放通用、實用合理。盡量采用通用和開放的接口，提升各模塊間的信息共享和協同互動能力，同時保障不同廠家之間的業務應用能夠高效集成，使得系統具備良好的開放性、可擴展性和易維護性。

（5）恰當的經濟合理性。在滿足業務需求的前提下，優化設計，力求以最少的投入取得最好的應用效果[7]。

3 系統結構

大壩安全監測信息管理系統由軟件和相應的硬件構成。硬件通常由服務器（數據庫服務器、應用服務器、Web服務器等）、客戶機（采集客戶機、專業客戶機、Web客戶機等）、網絡通信設備（交換機、防火墻等）、電源設備、通信線路、電源線路等設備構成。典型的物理拓撲結構如圖1所示。

圖1 典型物理結構示意圖Fig．1 Typical physical structure diagram

沐若大壩安全監測自動化系統共布置了9個測站，其中8個測站位于大壩內，1個位于電站后緣邊坡，共接入13個DAU2000數據采集單元，振弦式、智能信號模塊25塊。大壩壩體和壩肩邊坡內外部的電測傳感器通過敷設的觀測電纜，采取就近原則接入到各測站內。所有測站內傳感器電纜與數據采集單元相連，經數據控制總線連接等方式，引至布設在生態電站里的監測管理站內，再通過現場機電通信光纜引至電站地面廠房的監測中心站，接入信息管理系統。電站后緣邊坡的測站，直接引至電站地面廠房的監測中心站，接入信息管理系統。監測中心站布設在廠房內，配置數據庫服務器、決策分析及應用服務器、Web服務器、通信服務器各1臺，客戶機5臺以及相應的外部設備（網絡交換機、UPS、打印機、掃描儀等）。系統結構如圖2所示。

信息管理系統軟件結構根據工程規模及業務需求可選用C/S結構、B/S結構或C/S、B/S混合結構。沐若大壩安全監測信息管理系統采用三層結構的C/S、B/S混合結構，即數據平臺層、業務服務層、人機界面層三層結構。

數據平臺層主要負責數據的定義、維護、訪問及管理等，響應業務服務層的請求，通過數據總線對數據存儲單元實現統一和標準的數據訪問。數據庫服務器部署在數據層。業務服務層主要負責聯系人機界面層和數據平臺層，響應用戶發來的請求，執行數據采集、數據通信、數據計算統計分析、事件報警、執行工作任務等業務處理。應用服務器、Web服務器部署在業務層。人機界面層負責提供人機交互接口，主要用于數據輸入和表示信息?？蛻魴C部署在表示層。

信息管理系統采用分布式的面向服務的組件模式，提供統一的服務容器管理，具有良好的開放性，能很好地滿足系統集成和應用不斷發展的需要；層次化的功能設計，能有效對數據及軟件功能模塊進行良好的組織，為應用開發和運行提供理想環境。

4 系統功能

沐若大壩安全監測信息管理系統基于對沐若水電站的原型監測，實現大壩、廠房等被測對象安全監測海量信息的全過程、統一集中管理，整合模型庫、實時庫、歷史庫、方法庫等信息資源，以理論知識和專家實踐經驗為依據，以綜合分析推理為手段，獲得對被測對象的歷史運行性態的基本認識，進而對這些監測對象當下的安全狀況做出評估，對未來的（或特定條件下的）安全狀況做出預測，并將上述認識、評估和預測結果予以反饋，為工程施工、運行調度和維護管理提供決策支持。

系統功能主要包括：數據自動化采集與存儲、人工數據錄入與存儲、成果計算和處理、圖表繪制及定性分析、建模分析及定量解析、結構物安全狀況評價、安全狀況預測、預警及應急管理、移動應用、基礎信息管理、信息發布、用戶權限管理等，主要功能模塊如圖3所示。

4.1 數據自動化采集與存儲

大壩安全監測信息管理系統作為監測自動化的控制中樞，需具有自動化設備資源管理、測量控制和數據采集等功能，主要包括：①自動化采集裝置測控參數設置和查詢，包括時鐘、定時測量周期、測點群、測量方式等；②分布式遠程測量控制；③傳感器及數據采集裝置故障檢查診斷；④發送測控指令，多測點巡測或單測點重復測量等；⑤從自動化數據采集裝置收取測量數據并存儲到數據庫；⑥數據采集過程中的數據檢驗，對越限數據進行報警。

圖2 沐若大壩安全監測自動化系統結構示意圖Fig．2 Structure map of automation system for Murum dam safety monitoring

圖3 系統主要功能模塊Fig．3 System function modules

4.2 人工數據錄入與存儲

沐若水電廠部分重要的測點已經實現自動化監測，但仍設計有一定的人工監測項目作為補充或校驗。系統具備人工觀測數據錄入功能，能將人工觀測數據通過鍵盤錄入、文件導入、專用程序讀取等方式采集并存儲到數據庫。

4.3 成果計算和處理

沐若水電廠監測項目、監測手段和監測儀器眾多，因而將原始電測值讀數轉換為目標物理量的過程也較為復雜。系統設計了固定公式、自定義公式、查表計算、相關點計算等復雜計算程序實現成果的轉換。

原始數據中難免會存在各種原因造成的誤差或錯誤。設計了誤差檢驗和處理功能，采用自動與人工干預相結合的方式對誤差或錯誤數據進行識別、修正或剔除。

能夠實現對監測成果的查閱、編輯、保存、按標準格式導出、刪除、備份、還原等功能。

4.4 圖表繪制及定性分析

直接對監測數據本身進行觀察、分析和判斷是十分困難的，需借助圖表化、數理統計等功能對數據進行加工，以便從海量、枯燥的數字中提煉出直觀展示結構物基本性態和安全狀況的信息，幫助分析人員做出正確的分析和判斷。

系統設計了包括時間演化過程線圖、空間分布圖、相關圖、等值線圖以及特征值統計表、成果報表等各類圖表在內的監測成果加工展示功能，可依據相關規范格式要求自動生成，或依不同個性化需要自訂制，為監測成果定性分析提供堅實的支撐手段。

4.5 建模分析及定量解析

在對監測數據進行統計、繪圖、制表并進行定性分析，初步了解掌握了水工結構物的變形、滲流和應力應變等的基本狀況后，還需進行更深入的模型分析和定量解析工作，以準確定量地描述各種不同的影響因素（如水位、氣溫、雨量等）對結構的影響方式和作用大小。這種定量化分析是結構物安全評估和預測預報的重要依據。

系統設計了豐富的回歸算法和建模方法，包括多元線性逐步回歸法、偏最小二乘回歸法、統計模型、混合模型、確定性模型等。通過從方法庫中調用合適的回歸和建模方法，可以產生大量描述監測成果基本規律、反映結構物基本性態的監測物理量模型方程，它們被存儲在模型庫中，供對結構物進行安全評估或預測預報時使用。

4.6 結構物安全狀況評價

系統設計了結構物安全狀況評價功能。在對各工程結構物的歷史監測成果進行定性和定量分析的基礎上，充分運用壩工和巖土理論知識及專家實踐經驗，建立監測成果異常評判、結構物局部異常評判以及工程整體安全狀況評價三級評價體系。

根據工程實際情況、依據理論知識和實踐經驗建立起來的評價標準體系具有開放性，可以隨著對水工結構物認知的不斷深入完善以及內外部條件的變化而適當調整。應用初擬的評價標準體系包括：基于監測量成果的各類一級評價準則綜合加權標準，評價準則包括歷史極值準則、監控指標準則、監控模型準則等，評價結論為“正?！焙汀爱惓！?；基于一級評價結論的二級評價綜合加權標準，評價結論為“正?！薄拜p度異?！薄爸卸犬惓！薄爸囟犬惓！?；基于二級評價結論的整體評價綜合加權標準，評價結論為“正?！薄盎菊！薄熬植慨惓！薄皣乐禺惓＃U情）”。

評價標準的具體內容和參數在建立系統時通過對工程勘測、設計、施工、運行中所表現出的各種特征的認識，對業已獲得的各類監測成果數據的分析判斷予以擬定。

4.7 結構物安全狀況預測

系統設計了對工程結構物在未來或特定工況條件下安全狀況的預測預警功能。

利用存儲在系統模型庫中的歷史監測成果模型對結構物性態的發展趨勢或特定條件下結構物的安全狀況做出預測，并根據預測結果給出必要的預警信息，為工程運行維護提供決策支持。

4.8 預警及應急管理

系統具有建模分析和預測功能，能夠基于監測數據建立分析預警模型，并制定相應的應急機制，為掌握監測部位的趨勢性變化或異常狀態提供輔助判斷工具，為事故應急提供決策支持。

當工程安全性狀、氣象水文條件等出現超限險情或異常時，由現地系統觸發報警，提醒用戶當前所需要重點關注的情況，并給出相應的應急預案響應等級與響應措施。參照工程險情處理預案、工程安全趨勢分析進行決策，提供自動化測點復測、人工交互確認等方式來確認和處理險情。

4.9 移動應用

在預警功能的基礎上，開發移動互聯終端應用，進一步提高監測信息發布和響應的效率，使有關人員更加便捷、快速獲取監測預警關鍵信息，便于工程人員及時開展隱患排查、預警發布、應急處置等工作，也可利用移動互聯終端系統承擔部分應急知識培訓功能。

4.10 基礎信息管理

基礎信息管理主要是針對水工結構物、附屬建筑物及水工機械設施的基本信息管理，具體內容包括：①壩高、壩型、庫容、裝機、工程級別、大壩等級、調節性能、注冊狀態等工程屬性；②大壩建設情況、重要節點信息、工程日志；③大壩結構、泄洪建筑、水工機械及啟閉設施的組成、尺寸、運行方式；④各電站樞紐區的水工建筑物重要設計、施工、竣工圖、鳥瞰圖、二維、三維效果圖等圖紙資料；⑤各電站大壩運行管理組織機構信息，主要安全管理人員、水工監測人員信息；⑥地震、防洪等設計復核資料。主要功能包括：GIS地圖瀏覽、基礎信息編輯查詢、信息輸入輸出等。

4.11 信息發布

按照預設的信息發布方案，將與大壩安全管理有關的文本、圖片、視頻、音頻、數據、表格等各類信息，通過網頁或短信等方式向相關人員報送發布。信息內容主要包括國家新頒布的法律法規、制度標準、流域水情信息、大壩安全重點監測信息、分析和性態評價結論、通知公告等。

4.12 用戶權限管理

系統提供靈活的用戶管理與授權機制，能夠根據用戶所在單位以及角色不同分別授權，實現多層級、多粒度的權限控制，確保系統訪問和應用按照用戶各自的權限進行。

5 結束語

本文首先簡要地介紹了大壩安全監測信息管理系統的作用和地位，然后以馬來西亞特大水電工程沐若大壩為依托，介紹了系統的設計和建設情況，重點介紹了監測成果計算和處理、圖表繪制及定性分析、建模分析及定量解析、結構物安全狀況評價、安全狀況預測、預警及應急管理、移動應用、信息發布等功能模塊。該系統能夠對特大工程安全監測信息實施有效地管理，為后續的深入分析和輔助決策提供了有力的技術支撐。

[1] 吳中如，沈長松，阮煥祥．水工建筑物安全監控理論及其應用[M]．南京:河海大學出版社，2003．WU Zhongru，SHEN Changsong，RUAN huanxiang．Safety monitoring theory & its application of hydraulic structures [M]．Nanjing: Hohai University Press，2003．

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[3] 胡波，劉觀標，吳中如．工程安全監測信息管理及分析系統研究及其在特大工程中的應用[J]．水電自動化與大壩監測，2013，37（5）：1-7．HU Bo，LIU Guanbiao，WU Zhongru．Research on engineering safety monitoring information management & analysis system and its application in large project [J]．Hydropower Automation and Dam Monitoring，2013，37（5）：1-7．

[4] 南瑞集團公司．沐若水電站安全監測自動化系統方案[R]．南京，2014．NARI Group Corporation．Scheme of Murum dam safety automatic monitoring system[R]．Nanjing，2014．

[5] 劉紅艷．水利工程信息管理系統的設計與實現[D]．吉林大學碩士學位論文:2008．10:7-15．LIU Hongyan．Design and realization of hydraulic engineering information management system [D]．Jilin university :2008．10:7-15．

[6] 國網電力科學研究院，南京南瑞集團公司．智慧流域技術方案 [R]．南京，2015．State grid electric power research institute，NARI group corporation．Technical scheme for intelligent basin[R]．Nanjing，2015．

[7] 胡波，趙斌．基于原型監測的特高拱壩壩肩接觸帶蓄水期安全性態評價 [J]．水電自動化與大壩監測，2010，34（4）：48-51．HU Bo，ZHAO Bin．Safety evaluation on replacement reinforcement quality at abutment contact zones of ultra-high arch dam in first impound period based on prototype monitoring [J]．Hydropower Automation and Dam Monitoring，2010，34（4）：48-51．