天臺龍溪水庫大壩自動化升級及標準化平臺

李 銳、施達棟、王 鼎

（1. 浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310009；2. 天臺縣龍溪水力發電站，浙江 天臺 317200）

1 引言

龍溪水電站位于浙江省天臺縣龍溪鄉始豐溪支流黃水溪中游，距離縣城約40 km。主壩壩址位于黃水溪源頭天柱溪和龍溪匯合口下游約150 m的河谷中，副壩壩址位于主壩右側約700 m處；電站廠房位于黃水溪左岸支流石坦坑出口右側的長天上山腳，距離壩址2.42 km。

龍溪水電站是一座以發電為主的中型水庫。水庫壩址以上集雨面積35.5 km2，跨流域實際引水面積31.5 km2，合計集雨面積67 km2。水庫正常蓄水位為398 m，相應的正常蓄水庫容為2 257萬m3，發電死水位372 m，相應的死庫容為251萬m3，調節庫容為2 006萬m3，為年調節水庫。電站裝機容量為2×8 000 kW，水輪機額定水頭234 m，設計流量2×4.13 m3/s，屬三等工程，電站廠房按30年一遇洪水標準設計，200年一遇洪水標準校核。樞紐工程主要由主壩、副壩、泄洪建筑物、放空建筑物、發電輸水建筑物和發電廠等組成。1985年10月由浙江省水利水電勘測設計院編制完成《龍溪水電站樞紐工程初步設計報告》，跨流域引水部分的勘測設計由天臺縣水利局完成。1987年9月由浙江省水利水電勘測設計院開始樞紐工程的施工圖設計，于1988年11月完成施工圖設計。1990年3月通過水庫蓄水前驗收后下閘蓄水。1990年7月通過機組啟動前驗收后正式投入發電。2016年3月，由浙江省水利水電勘測設計院編制完成《浙江省天臺縣龍溪水電站報廢重建工程初步設計報告》。

2 大壩安全監測升級

2.1 現狀介紹

龍溪水庫大壩監測包括表面變形監測，壩體內部變形監測、面板接縫位移監測及大壩滲流監測。

表面變形監測共設有基點和位移測點39個，分別為左右岸水準基點2個，壩頂下游側及兩條馬道所設位移測點21個，6個校核基點和6個工作基點分別設于壩頂下游側及兩條馬道的兩頭積巖上，大壩下游兩處觀測房設有2個位移測點并配置2個起測基點。基點及位移測點均采用觀測墩上安裝簡易標點形式，利用全站儀測量壩體沉降及水平位移量，現觀測墩出現剝落、標點出現銹蝕情況。

壩體內部變形監測包括內部水平位移及內部沉降監測。壩體水平位移監測在0+060 m斷面，373.042 m高程設有兩條引張線，在下游觀測房內設有測讀裝置，采用人工測讀方式進行監測，需人工加、卸砝碼。壩體內部沉降監測在0+060 m斷面設有10個測點，其中385 m高程設有2個測點，372.1 m高程及361.5 m高程均設有4個測點，測讀裝置分別位于下游觀測房內，采用人眼觀察有機玻璃管內液面最低處的高度進行監測。

面板周邊縫位移監測共設5個測點，TS1、TS2、TS4、TS5為三向測縫計，TS3為兩向測縫計且在河谷底，TS2和TS4在發電死水位以下，設備無法正常采集觀測數據。

滲流監測通過人工觀測壩體下游測量水堰三角堰板處的液位高度進行監測。

2.2 改造方式

龍溪水庫大壩安全監測系統于1990年開始投入使用，隨著自動化、信息化的高速發展，自動化監測系統發展水平、技術及理念的提高，原監測系統耗費大量人力且不能滿足當前需要，現對大壩監測系統進行自動化改造，改造內容如下：

（1）表面變形監測

壩體共設3條視準線，建議將觀測墩進行改造，加裝強制對中基座替換原有水準點，保留水準基點及觀測房測點。采用全站儀對視準線上的測點進行觀測，通過換算可得出各測點的水平及垂直位移量。保留的水準基點用于校核各工作基點的高程。

（2）壩體內部水平位移監測

將原觀測臺架進行更換，同時配置砝碼自動升降裝置與動力電機、位移傳感器、自動測控單元、現地控制單元，實現加載、卸載的過程全自動控制和各測點位移的自動化測量與數據采集。

（3）壩體內部沉降監測

更換原有人工測讀觀測屏及給水裝置，配置自動充水系統、微壓液位傳感器、電池閥系統、自動測控單元，實現全自動加水過程和各測點水位高程的自動測量與數據采集。

（4）面板周邊縫位移監測

由于TS3兩向測縫計位于水庫死水位以下，無法更換修復。TS1、TS5三向測縫計進行更換，同時配置自動測控單元實現數據自動采集。

儀器外部結構包括位移傳感器、兩端的萬向節、滑動測桿及固定支架等，具體見圖1。

（5）滲流監測

建議在量水堰中設置量水堰儀對量水堰中水位進行監測，同時將量水堰儀接入自動測控單元，實現自動監測。

圖1 測縫計安裝示意圖

量水堰監測系統由量水堰板、量水堰儀等組成。量水堰儀通過儀器下部的連通管將監測對象的水引入儀器圓筒內，儀器中懸掛的圓柱不銹鋼浮筒浸在水中，當水位計水位變化時，浮筒所受的水浮力發生變化引起感應部件的應力發生變化。測量時利用感應部件產生信號經電纜傳輸至讀數裝置或數據采集系統，再經換算即可得到水位的變化量。同時由儀器中的熱敏電阻可同步測出儀器安裝點的溫度值。

圖2 量水堰儀安裝示意圖

（6）自動化系統

1）自動測量單元（MCU）分布

自動化采集系統接入設備包括引張線式水平位移計2個，水管式沉降儀10個，三向測縫計4組12支，單向測縫計2支，量水堰儀1支。根據儀器接入數量及儀器分布，自動測量單元安裝位置如表1所示。

表1 測縫計配置表

2）自動測量單元功能

①MCU采樣通道能適配選用的傳感器，容易檢測維修。

②配備數據采集軟件時，MCU單機能正常觀測。交直兩用電流，具有掉電自保護功能，外電切斷后，儀器能正常工作7 d。

③裝置具有實時觀測、數據處理、存儲、輸出等功能。

④有RS485通信接口。

⑤MCU、電源系統、通信系統、傳感器線路均設置了有效的防雷措施。

⑥每通道觀測時間不超過5 s。

⑦裝置具備有線、無線通信方式，且兩者可以互為備用。具有至少1.5 MB大容量存儲器，模塊存儲數據至少達到10萬個。

（7）監測軟件

監測軟件支持多串口協議和路由，能勝任負責的分布式測量系統的數據采集、傳輸和管理，并具有充分的可拓展性，適應任何新增加的需求。通過提供固定算法和用戶自定義算法，實現各種不同監測成果的計算和輸出。具有超強的適應能力，適應不同規模不同形式的應用。提供多窗口應用界面，窗口間相互聯動，多樣化窗口界面輸出風格滿足用戶的不同要求。

監測軟件包括系統管理、自動化配置、自動化控制及數據管理。

1）系統管理：可進行新建、刪除用戶等操作，并對用戶權限、日志等進行管理；

2）自動化配置：可對自動化采集單元和安全監測設備進行增加、刪除以及修改等配置；

3）自動化控制：系統能夠顯示采集單元及現場網絡的工作狀態，并獲取采集單元的參數和數據等信息，同時可在線測量測點的監測數據，獲取測點當前時間點的即時數據。

4）數據管理：可實現對數據庫中的監測數據進行查詢、整編等功能，并可通過測點配置的測值轉化公式，計算結果測值，將結果生成報表并導出。

3 視頻監視系統建設

3.1 技術實現

圖像監視系統，由前端攝像機、圖像傳輸網絡、硬盤錄像機及控制系統等部分組成。

系統前端采用高清一體化網絡球形/槍型攝像機（帶夜視功能），采集的圖像信號通過光纖網絡傳至水庫中心站的視頻控制、錄像設備，實現系統控制、錄像和圖像顯示。庫區內較遠監視點通過租用網絡運營商專線將信號傳至水庫中心站。

通過硬盤錄像機可將圖像信號壓縮轉換成數字信號后接入以太網交換機，完成視頻圖像在內部LAN網絡上的傳輸，通過連入以太網交換機的視頻多媒體工作站實現對該監視系統的數字控制、管理和設置，視頻多媒體工作站利用視頻軟件通過網絡來對各現場圖像進行監視、存儲，同時可控制現場一體化球型攝像機云臺的上、下、左、右旋轉；電動變焦鏡頭的變焦、聚焦和光圈的可變調節，可通過網絡在線對軟件進行升級和設置，使運行人員在控制中心室內能夠直觀地看到現場及設備運行情況，足不出戶地對視頻系統進行控制、管理和設置。

3.2 測點布置

水利工程標準化管理要求中型水庫在以下位置布置視頻監視點：

（1）大壩的上游壩面及附近水域、壩頂、下游壩面；

（2）溢洪道、泄洪孔、泄洪洞等啟閉機房和進出口一定范圍；

（3）人工測讀的水位尺及管理區出入口等。

水庫部分設施設有視頻監視，視頻監視采用模擬攝像機，攝像機清晰度、位置、數量等無法滿足實際需求。根據標準化要求和龍溪水庫的實際情況，將原視頻監視系統拆除重建，保留原光纖網絡且采用網絡紅外攝像機，視頻監視點布置如表2所示。

表2 視頻監視點布置表

3.3 監視要求

視頻監視的觀測頻次、數據保存與備份等，應與工程檢查相銜接。

泄洪設施投入使用前至泄洪結束后的一段時間內，應落實專人進行連續觀測，發現異常時應及時做好視頻資料的保存、記錄、歸檔并報告。

本次新建視頻監控系統時，需充分考慮未來新增監控點位的需求，為系統的集成和統一管理預留擴展接口，滿足水庫信息化管理的需求和日常工作的正常開展。

4 傳輸及網絡

水庫網絡構架包括數據采集網絡和視頻監視網絡。整體系統集成網絡如圖3所示。

圖3 系統網絡結構圖

（1）數據采集網絡

大壩自動化監測包括壩體內部水平、沉降，面板周邊縫位移及量水堰水位，通過自動測量單元采集并存儲數據。大壩共設置6個自動采集單元，分別位于左、右壩頭觀測房和下游觀測房，各采集單元通過光纖與中心站通信，同時配置光端機及監測工作站。滲流監測的量水堰計采用振弦式量水堰計，信號線接入右壩頭自動采集單元。

（2）視頻監視網絡

庫區共設置15個視頻監視點，各監視點通過光纖將視頻信號傳輸至中心站，同時配置光端機、交換機及硬盤錄像機。

5 管理基礎

5.1 制度手冊

根據水庫電站實際情況應建立、健全保障工程安全運行、具有針對性和可操作性的各項管理制度，匯編成冊并定期修訂與完善。

制度手冊應涵蓋工程檢查、安全監測、維修養護、調度運行、值班報告、物資管理、檔案管理、安全保衛等管理制度。同時，應保證手冊內各項制度內容完整、要求明確，不可存在明顯的不合理、缺乏針對性與可操作性的內容。

5.2 操作手冊

應按照本工程實際情況編制實際可行的操作手冊，操作手冊中管理事項應涵蓋全部主要管理內容。管理事項應全面、合理，保證各事項工作要求、工作流程及記錄（臺賬）明確合理。

6 標準化運行管理平臺建設

6.1 巡查系統

本項目擬配置巡查終端和配套的射頻標識，實現巡查人員、巡查對象的定位和數據上傳。巡查終端和射頻標識配合使用能夠達到巡查點位的自動識別辨認，為巡查軟件平臺提供設備支撐。巡查系統共配置巡查設備6臺，射頻標識150個。

6.2 云平臺

采用公有云計算平臺作為系統運行環境，可以節約服務器購置費用，同時也減輕了系統建成后硬件系統的運維壓力。系統將采用公網帶寬5 M，云存儲500 G云盤數據云平臺作為系統運行的基礎平臺。依據國家相關網絡安全的法律法規采取嚴格的網絡安全措施保證系統安全，防止網絡入侵。

6.3 數據建設

包括數據的收集、整理、校對、入庫、更新等工作，數據范圍包括水利工程屬性信息（包括地理位置、工程圖片、水工特征、控運計劃等）、空間地理信息、管理單位信息、人員信息、管理制度、資料檔案、預案方案等。

其他工程相關數據如巡查、檢查、臺帳等數據在工程日常運行中產生的數據在工程運行管理平臺中隨系統的使用產生，水雨情、視頻等實時數據由基礎設施建設中的采集系統提供或已建系統中進行接入。

（1）數據收集及整理

基于水雨情監測、視頻監視、工情監測、安全監測等各類實時系統的數據按照通信協議要求進行統一采集處理，并按標準接口要求寫入綜合數據庫。

工程特性、工程圖紙、人工觀測、人工巡檢等靜態數據按照數據標準進行收集、篩選、整理、校核后采用人工錄入的方法錄入綜合數據庫。

采用GIS桌面軟件和空間數據庫引擎建立空間數據庫，以權威測繪單位（如國家測繪局）提供的電子地圖或公用網絡地圖為基礎，根據水利地理信息分類與編碼標準，利用空間數據庫提供的多用戶空間數據模型組織復雜的空間數據，以GIS桌面工具為開發平臺，建立一個開放的、靈活的基礎空間數據庫。

（2）數據集成及綜合數據庫

系統建設采用一體化平臺化的設計思路，綜合集成現有和新建系統，打通信息孤島，建立統一的綜合數據庫，并提供統一的訪問機制，實現不同權限用戶的數據訪問和業務應用，達到信息資源共享和業務協同的目標。

建立綜合數據庫，數據庫主要由水雨情監測數據、工程運行數據、工程安全監測數據、視頻圖像數據、工程管理業務數據等內容組成。對各已建系統數據綜合分析后按照一定規則對數據進行同步、抽取，對各系統數據進行集成。

（3）數據管理及數據服務

建立統一的數據資源管理和數據服務平臺，提供實時數據庫、關系數據庫、文件數據庫等標準接口，從而實現水庫監控、安全監測、視頻等各類信息的存儲、管理及與應用系統、信息采集平臺的交互。

形成統一的數據存儲與交換和數據共享訪問機制，提供數據共享服務，為一體化應用平臺建設及水情、安全監測等應用系統提供統一的數據支撐。實現與浙江省水利廳、臺州市水利局、天臺縣水利局等上級主管部門的信息化系統通信互聯。

（4）全景圖

利用全景圖和無人機飛測展示工程全景信息和最新正射影像。整個水庫共配置5張全景圖以反映水庫全貌。

1）坐標系統

坐標系統：CGCS2000大地坐標系。

高程基準：1985國家高程基準。

地圖投影：高斯—克呂格投影，按3°分帶。

2）坐標精度

平面坐標以米為單位，小數點后保留兩位數據，大地坐標系以度為單位，保留小數點后6位，航攝點空間位置平面精度應優于5 m，高程精度應優于5 m。

6.4 平臺軟件

（1）信息總覽

對水庫運行數據進行統計分析，使管理人員能夠了解水庫實時運行情況，從而為工程運行管理提供參考，為水庫管理的優化、灌區效益分析提供數據分析基礎，具體包括水庫水位庫容情況、巡查情況統計和崗位任務情況等。

（2）綜合地圖

綜合地圖是系統應用平臺最基本，也是最重要最常用的功能。綜合地圖基于地理信息，提供對水庫工程情況、水雨情、工情、大壩安全監測、視頻等各類信息的集中統一展示，實現水庫全景情況的實時監視和歷史數據查詢等功能。

基礎地圖基于公網地圖，局部重要區域結合大比例尺地圖（來源于無人機飛測）和工程布置圖。通過地圖對水庫大壩、泄洪建筑物、水庫管理區域及水雨情、工情、視頻等實時監測數據進行分層集中統一展示，直觀地反映水庫基本信息和灌區運行實時情況，方便水庫運行管理。

（3）組織管理

人事組織管理主要對人事信息、組織機構，職責分工，崗位變動等信息進行采集、管理及輔助鑒定整理。對考勤情況、教育培訓等進行管理。實現用戶管理和用戶權限管理。

結合管理事項對崗位職責進行細化分解，對人員崗位任務實現日常提醒和工作完成提交，將崗位職責和日常工作相結合，全面反映人員工作情況。

組織管理具體包括管理機構、管理人員、崗位管理、事項管理、管護經費、培訓管理、制度手冊、物業化管理等內容。

（4）工程信息

對水庫內各類工程的設計指標、技術參數、缺陷及其養護處理設施狀態、鑒定評級、工程建設和加固改造情況、工程大事記等信息進行分類管理。

將水庫工程按水庫基本情況及水文特征、水庫歷史運用擋水建筑物、泄水建筑物等進行分類，能夠進行信息的添加、編輯、修改等，提供按單個工程、某種類型工程等不同組合條件的查詢功能。

工程信息包括水庫基本信息、水庫工程特性、圖紙圖表、標識標牌、確權劃界、工程圖片等模塊。

（5）巡查檢查

按照水庫的日常檢查、汛前檢查、年度檢查、特別檢查要求，實現檢查表的填寫、審核和自動生成檢查報告。

對日常巡查情況進行統一管理，包括巡查路徑、巡查時間、巡查人、巡查情況上報及處理等信息的管理。

對所有工程的工程觀測信息進行管理，包括觀測項目、觀測儀器、觀測資料等，并能夠進行資料整編，方便查詢。

巡查檢查主要包括工程巡查、定期檢查、特別檢查等模塊。巡查檢查結果應和相關設施相關聯，并和移動應用進行結合。

（6）維修養護

以預算管理為控制手段，全過程管控設備日常維護和檢修工作，提高設備檢修資金利用率；對每年所有工程的維修、養護項目進行管理，方便進行查詢統計。對每年的維修養護項目的立項批復、實施方案、實施過程、驗收等過程管理，并形成維修、養護項目管理卡。針對水庫日常維修資金（人工費、日用勞保）的管理。

建立設備編碼系統和電子設備臺賬，反映設備的基本情況以及變化的歷史記錄，通過對設備的管理和維護，使設備處于良好的運行狀態，展示設備基本信息、設備重要參數、備品備件定額以及設備的啟停情況、設備的重要故障、設備的評級情況、設備的歷次檢修情況、設備的異動情況、設備缺陷情況，為設備的運行信息、檢修信息、變更信息等方面的綜合分析和日常設備的管理和檢修提供相應的依據。

維修養護包括年度維修養護計劃、維養項目、設備管理、技術推廣等模塊。

（7）應急管理

管理各類預案，包括預案的錄入和報批及查詢；預先設定各種參數的報警值，當設備參數超限時向相關人員報警，在線統計實時數據的超限情況，在線提供超限的開始時間，結束時間，最大值時間，累計時間等，并將數據保存到數據庫中。

對防汛搶險物資進行登記及管理。汛期時，通過該系統可以迅速按相關預案開展工作，協調相關部門，并調度相應物資，保證防汛工作有序進行。

對巡查檢查中發現的隱患和異常情況進行記錄，并跟蹤處理情況，實現閉環控制。

應急管理主要包括防汛物資、應急預案、隱患管理、異常管理等模塊。

（8）調度運行

對水庫調度運行規程和經批復的水庫年度控運計劃進行管理。根據接收到的調度指令，按照相關管理手冊規定的操作指南能夠記錄、跟蹤調度指令的流轉和執行過程。

調度運行主要包括調度運行規程、控運計劃、調度令、調度運行記錄等模塊。

（9）檔案管理

檔案管理包含工程技術檔案管理和年度數據整編文檔管理。發布完善的檔案管理制度，支持檔案信息的檢索，可以根據檔案名稱、存檔編號、存檔日期、保管期限等檢索所需的信息。

各類文檔管理可根據不同要求分別進行目錄管理。如可根據水庫標準化管理專題將相關文檔按達標要求進行分類，形成水庫標準化管理文檔目錄。目錄應可根據需要進行定制。

（10）達標考核

達標考核管理模塊能夠按照有關工程標準化運行管理考核辦法和標準，進行年度工程管理考核，制訂達標計劃，申報創建或復核，反映達標情況。

與省市縣監管平臺實現數據對接，按要求上報工程的標準化管理工作考核相關數據，實現標準化管理的監督考核，并提供考核結果查詢展示功能。

（11）移動應用

移動巡查應用是在巡檢值班人員的手機設備上安裝。巡查人員可以通過移動巡檢應用完成巡檢工作，包括根據巡查任務的內容，按照指定的路線、時間、巡查節點和檢查項目，填寫巡查日志。對于發現的情況可以拍攝照片、錄制視頻并上傳到數據中心。移動巡查應用中還可以實現對系統和設備的運行狀態進行實時的監視，調用視頻監控畫面查詢。

7 結束語

通過建設“浙江省天臺縣龍溪水電站報廢重建工程標準化運行管理平臺”，對工程標準化管理在管理責任、安全評估、運行管理、維修養護、監督檢查、隱患治理、應急管理、教育培訓、制度建設、考核驗收等各環節提供全面支撐。新建洪水預報調度系統和視頻監控系統，全面把握電站水庫運行情況，對洪水情況進行科學預測，同時整合已建水位、雨量、大壩安全等各個單列系統，形成工程統一管控平臺，滿足工程標準化管理要求，保障工程安全、提高電站發電效益和工作效率，切實提高工程管理水平。

（1）建成標準化運行管理平臺，以“管理手冊”為基礎，健全管理工作流程，為工程管理提供工作平臺，實現工程管理信息的全景可視，實現與上級監管平臺的無縫連接，為工程標準化管理在管理責任、安全評估、運行管理、維修養護、監督檢查、隱患治理、應急管理、教育培訓、制度建設、考核驗收等各環節提供全面支撐。

（2）改造大壩安全監測系統，完成從人工監測到自動監測的轉變。

（3）實現龍溪水庫壩址所在流域內水文、汛情等參數的實時采集、傳輸和分析處理，形成水位、流量等洪水預報結果，為工程防洪、調度服務。

（4）建成視頻監視系統，對水庫主要設施和管理區域實現全面的動態監視，全面掌控工程運行情況。