大壩安全監測自動化系統應用現狀及發展趨勢

張斌 史波 陳浩園 劉少偉

摘要：安全監測可為大壩全生命周期的安全管理提供技術支撐。對中國大壩安全監測自動化系統發展歷程以及采集控制、通訊傳輸、管理系統三大關鍵技術進行了介紹，調研了中國典型工程的大壩監測自動化系統實施情況、市場占有率較高的采集控制單元主要參數及變形監測自動化系統的新技術新方法。結合云計算、物聯網（IOT）、大數據、人工智能等現代信息技術發展和大壩自動化監測迫切需求，大壩安全監測自動化將向智能傳感器研制、基于BIM技術的成果可視化、變形監測智能化方面進一步發展。

關鍵詞：大壩安全監測; 自動化系統; 采集控制; 通訊傳輸; 管理系統; 綜述

中圖法分類號：TV698.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.012

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0068 - 06

0 引 言

安全監測猶如大壩的“體檢醫生”，起到全面感知、綜合管理和智慧監控的作用，可為大壩全生命周期的安全管理提供技術支撐。中國大壩安全監測經歷了半個多世紀的發展，已經實現了通過各種監測手段評價大壩安全性狀的基本目標。目前，隨著云計算、物聯網（IOT）、大數據、人工智能等技術的深入應用，大壩安全監測正在向多源信息融合、智能模型分析、實時在線評價、三維可視化展示、智慧輔助決策等方向發展。監測自動化是實現以上目標的必要途徑，能實現監測數據的自動采集、傳輸和存儲，為監測數據實時分析提供信息平臺。本文介紹了中國監測自動化發展歷程，以及監測自動化采集控制、通訊傳輸和管理系統三大關鍵技術，分析了目前中國典型工程大壩安全監測自動化系統的應用現狀，并根據工程實例比較了國內外市場上占有率比較高的測量控制單元，最后提出了安全監測自動化系統的研究方向。

1 大壩安全監測自動化發展歷程

1980年1月，四川省龔咀水電站安裝了第一套安全監測自動化采集裝置，標志著中國大壩安全監測自動化研究和應用的開啟。隨后，借助國家“七五”科技攻關項目“大壩安全自動監控微機系統及儀器研制”，中國第一套軟硬件齊全的DAMS-1型自動化大壩安全監測系統于1989年12月在遼寧參窩水庫投入運行，標志著中國大壩安全監測自動化已進入到實用階段。

20世紀90年代是監測自動化快速發展時期，這首先得益于現代科技尤其是電子技術的高速發展，其次中國多個大中型水電站自動化改造的強勁需求也促進了技術的革新[1-3]。儀器設備方面，監測自動化設備廠家如南瑞、南京水文、西安木聯能、美國Geomation、美國Sinco等紛紛登上舞臺，垂線遙測儀、靜力水準儀、引張線儀等遙測儀器也相繼得到應用;自動化系統架構方面，從相對簡單的集中式、混合式發展到更復雜的分布式;軟件方面，在常規監測數據進行自動化采集的基礎上，開始引入各種模型方法對數據進行深入分析。這一時期建成的自動化系統已經具備基本的數據自動采集和分析功能，但系統可靠性和穩定性都亟待改善[4-6]。

21世紀前10 a是監測自動化技術進一步提高并日趨成熟的時期。數據采集端方面，自動化測量控制裝置向模塊化、智能化方向發展;通訊端方面，除了通用的RS485總線外，還引入了TCP/IP，GPRS等工業測控系統常用的通信方式;數據管理端方面，引入離線綜合分析、測值異常測點檢測、監測預警等功能。這些改進都從不同方面提高了系統的兼容性、穩定性和實用性，這一時期建成較有代表性的大型監測自動化系統包括小灣水電站監測自動化系統和黃河小浪底大壩監測自動化系統。

2010年以后，中國多座巨型電站建成運行，監測自動化系統也迎來了建設的高峰期。特別是作為水利行業標桿的南水北調、三峽等工程監測自動化系統的投入運行，標志著中國監測自動化系統已達到成熟應用階段。

2 監測自動化關鍵技術

監測自動化系統是利用計算機、傳感技術以及信息搜集處理技術，實現大壩觀測數據自動采集處理和分析計算，對大壩性態正常與否做出初步判斷和分級報警的觀測系統。采集控制、通訊傳輸和管理系統是其關鍵技術。

2.1 采集控制

測量控制單元（MCU）是監測系統的核心設備，其主要功能是傳感器信號采集、測點切換、A/D轉換，數據通信、數據傳輸、數據存儲、電源管理和時鐘等。測量通道的復用性（能采集電流、電壓、電容、電感、振弦、差阻等信號）、測值穩定性、采集時間、采集方式（單點測量、選點測量、定時測量）、電源管理等直接關系到自動化系統的運行狀態。南瑞的DAU3000數據采集單元可混合接入各類電測傳感器，全并行系統架構，具有設備狀態、供電電源和運行環境在線監控功能。

2.2 通訊傳輸

通訊傳輸是連接測量控制單元與管理系統的樞紐，包括有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸采用雙絞線、光纖為介質，無線傳輸采用移動網絡、通訊衛星、wifi、網橋等。對一個具體工程，通常是綜合應用多種通訊手段，組成通訊網絡。三峽工程內觀自動化系統采用光纖環網，DAU之間采用RS485通訊、NMU之間、NMU到監測中心站采用光纖通訊。苗尾水電站外觀自動化系統采用以太網星型結構，基準站點采用無線網橋通訊;機器人測站采用雙絞線到光端機，再通過光纖傳輸至中心站。

2.3 管理系統

管理系統是監測自動化面向用戶的窗口，用戶通過監測管理系統實現采集控制、數據管理、模型分析和預測預警。目前，每個工程、每家監測單位、每個管理機構都有自己的監測管理系統。針對工程不同建設時期，監測管理系統的側重點不同。當然，即時采集、自動觸發、報告自動生成、三維可視、模型分析與預警預報是管理系統的重要功能。

3 應用現狀

監測自動化通過監測技術實現實時監控，主要作用是為監測對象安全運行服務，為工程安全決策提供準確和及時的數據支持，同時減輕人力成本，提高工作效率，以適應信息化發展的要求。因此，建設監測自動化系統是大型水利水電工程發展的大勢所趨。但安全監測本身是一項對精確性、可靠性和穩定性要求極高的工作，這就對自動化系統提出了更高的要求，水電建設者對實施自動化一般也持謹慎態度。部分水電站采取先實施局部監測自動化系統，積累經驗后再應用到整個工程的策略，以確保監測自動化系統的成功建設。

中國規劃的十三大流域水電基地中，由于各流域水電站建設時間不同，實施監測自動化的進度也有所不同。其中，黃河流域大部分水電站均已配備了自動化監測系統，包括拉西瓦、公伯峽、李家峽、小浪底、龍羊峽、萬安水電站等，部分建設較早的水電站已經進行過一輪自動化更新改造。瀾滄江下游水電站監測自動化系統建設也較為充分，具有代表性的是小灣水電站和糯扎渡水電站，其他水電站包括漫灣、大潮山、功果橋水電站也都已實現自動化。長江流域包括長江上游、金沙江、雅礱江等，目前只有少數電站安裝了自動化監測系統，例如三峽、葛洲壩、錦屏一級、錦屏二級、官地、二灘水電站等。隨著長江流域諸多巨型水電站的相繼投入運行以及監測自動化技術的不斷成熟，可以預見未來該區域將會是自動化系統建設的主戰場。

3.1 內觀監測自動化系統

單就接入傳感器數量而言，目前中國已建成規模最大的水電站內觀監測自動化系統是錦屏一級、二級水電站，共接入監測儀器12 000余支，其次是拉西瓦水電站（6 658支）、小灣水電站（6 391支）、三峽水利樞紐（5 229支）等;在建規模最大的水電站內觀監測自動化系統是白鶴灘水電站，共接入內觀監測儀器140 00余支，目前處于系統實施階段。糯扎渡水電站自動化監測系統共接入內觀傳感器5107支，測量機器人測點114個，GPS測點54個，是中國綜合規模最大的自動化監測系統之一。南水北調中線工程接入監測自動化系統傳感器共計31 343支，是目前世界上接入內觀傳感器數量最多的自動化系統，由于系統過于龐大，工程分為3個標段實施，建成后由35個管理處共同管理。典型水利水電工程監測自動化系統規模及設備廠家見表1。

3.2 外觀監測自動化系統

近幾年來，隨著技術進步及國產設備的進一步普及，表面變形監測自動化系統建設項目越來越多，規模較大的有溪洛渡水電站、烏東德水電站、白鶴灘水電站等，這些外觀自動化監測系統在進行數據處理過程中采用了大量新技術。從外觀監測自動化系統設備來看，徠卡最新型測量機器人及GNSS設備應用相對較多。

近年來，長江空間信息技術工程有限公司在變形監測自動化系統數據處理及系統集成方面取得了較大的進步，在數據處理及測量控制領域，開發了全新的測量機器人控制軟件，將以往采用極坐標法的觀測方式革新為邊角交會觀測方式，結合現代先進通信技術，研制了具有實時傳輸功能的智能氣象傳感器，將人工觀測及處理時采用的數據預處理、邊長氣象改正、平差計算應用到自動化系統中，使變形監測自動化系統數據成果的可靠性、精度大幅提升。典型水利水電工程監測外部變形監測自動化系統規模、設備廠家及系統管理軟件見表2。

4 自動化儀器廠家

自動化儀器廠家是推動監測自動化技術進步的底層力量，其產品質量好壞直接關系到系統的可靠性、穩定性等指標。

目前中國較具代表性的自動化儀器廠家為南瑞集團公司，其推出的DAMS系列產品在中國具有極高的市場占有率，典型應用案例包括三峽水利樞紐、錦屏水電站、小灣水電站、拉西瓦水電站、引黃入晉等工程。為了解決巨型水電站自動化系統分布廣、數據傳輸效率低的問題，南瑞集團公司還開發了網絡管理單元（NMU）技術，將系統分為多個子區域，再通過主干網將各子區域信號通過TCP/IP協議傳輸至上層管理站。其他自動化系統包括北京木聯能公司研制的LN1018-Ⅱ系統、南京水利水文自動化研究所的達捷DG系統、北京基康公司的BGK-MICRO系列系統，在不同工程中均有應用。近年來，長江科創CK-MCU系列產品在白鶴灘、向家壩、溪洛渡水電站進行了大規模應用，其自動化管理系統采用B/S結構，具有一定的先進性。中國的自動化產品通過多年的工程實踐和不斷的改進完善，技術已經漸趨成熟，數據采集端已經具有較高的實時性、穩定性和可靠性，可采用雙絞線、光纖、無線等傳輸介質對采集設備進行連接，可接入多種類型的傳感器，并具有較強的抗干擾、抗雷擊和防潮性。

國際上最具代表性的自動化儀器廠家是美國Campbell Scientific公司，其生產的CR1000主機和LNX200振弦式采集模塊被世界大多數監測儀器制造商（包括基康、新科、ROCTEST、SUTRON、達漢、英國巖土等）用作其系統的采集單元，在中國的典型應用案例包括南水北調中線工程和糯扎渡水利樞紐工程。澳洲Thermo Fisher公司生產的DTMCU系列產品因其先進的萬能通道技術和信號隔離技術，也逐漸在中國展開應用。此外，20世紀中國引進的美國Geomation 2380系列產品也應用到黃河小浪底、二灘水電站等工程，但系統因為防潮性和抗干擾性較差，現在基本都處于停運狀態。和中國自動化設備相比，國外設備具有較強的測值穩定性，但在應用中也遇到很多問題。首先是國外自動化采集設備故障率高，進口設備維護費用高，采購周期長，不利于系統長期維護;其次是數據采集軟件和其他系統軟件兼容性差，不利于后期系統集成;再者，由于國外已經沒有差阻式傳感器，其數據采集設備到中國后需要做改進和調試，影響測值準確性和可靠性。當前市面上幾款主流采集控制單元參數對比見表3。

5 監測自動化系統展望

大壩安全監測自動化系統經過幾十年的技術積累，無論是在軟、硬件方面，還是在數據傳輸上，均已取得突飛猛進的發展。在安全監測自動化系統軟硬件及成果展示，處理及分析方面，眾多學者做了有益的探討與展望。

5.1 監測數據采集、傳輸與處理智能化

物聯網已成為重要現代信息技術，作為物聯網的“觸手”，傳感器在當今信息時代發揮著至關重要的作用。大壩安全監測周期長，特別是埋入式儀器，需要服役30 a以上，因此，其耐久性和穩定性必須得到保證。目前傳統的振弦式和差阻式傳感器應用較多，耐久性和穩定性較好，但是其智能化水平較低，導致采集手段相對落后[7]。未來研發的安全監測傳感器除了需要具備一般消費類傳感器的低功耗、低延遲、數據采用率高、易于集成、存儲、無線傳輸等性能外，還需要具備傳統工業類傳感器的高可靠性和耐久性。此外，將來甚至可以研究低功耗、高續航能力的埋入式傳感器無線傳輸技術，減少電纜牽引工作，大大提高傳感器成活率。

傳感器的智能化必將帶來采集系統的智能化，采集系統可以根據傳感器的自身屬性，進行智能化數據處理，對監測物理量變化過大的可自動重測或報警，減少人工參與數據處理，提高數據采集與處理的效率和可靠性。

5.2 基于BIM技術的監測成果可視化

隨著特大型水利水電工程建設的開展，創新性的建筑材料、復雜結構設計方案及施工方法不斷被提出。為了保證大壩及其建筑物等大型復雜結構設計的安全性、耐久性和使用功能舒適性，實現安全監測系統可視化功能的需求越來越迫切[8-10]。目前多數大壩安全監測自動化系統僅限于數據采集、傳輸、保存、處理及初步分析，在監測成果與結構信息的可視化交互方面的功能不完善，不能及時反映監測成果所代表的結構健康狀態。近年來，BIM應用越來越廣泛，以建筑對象的各項相關信息數據作為基礎，建立三維數字化模型，為眾多建筑從業部門處理繁多數據提供了一個信息交互與共享平臺。引入BIM技術實現監測信息的三維可視化，使得監測成果更容易、更直觀理解，提高監測自動化系統的交互性和效率。

5.3 智能診斷與決策支持

監測自動化系統的最終目標是為數據分析、預測與預警、智能診斷與決策提供支持服務[11-12]。目前中國監測信息管理系統數據分析和管理端技術得到了長足的發展，但是系統建設尚沒有標準化，針對單個系統具有一定的實用性，并不具有普遍性，市面上也沒有成熟、可靠的產品出現。究其原因，監測數據分析的實踐性和技術性極強，數據要結合具體的壩體結構、地質結構、施工工況、環境條件等因素綜合分析，無法通過簡單的數據建模解決。一套成熟的數據綜合管理軟件必須要有強大的專家庫作為支撐，建立評判準則，結合必要的數學分析模型，例如回歸統計分析、神經網絡、支持向量機、灰色系統等，對監測物理量及監測對象健康進行正反演分析，擬定監控指標，實現實時安全監控與預警的目標。

5.4 變形監測智能化

大壩外部變形監測自動化技術（包括測量機器人、GNSS）已經在土石壩中成功應用，數據處理一般采用極坐標法、單基線向量進行位移計算，所采集的數據精度能滿足規范、規程的要求，但應用于精度等級要求較高的混凝土壩及巖質邊坡變形監測時，變形監測精度還需要進一步提高[13-14]。因此有必要研究精度更高的外部變形監測自動化觀測方法和開發智能化數據處理軟件，以滿足混凝土壩、巖質邊坡等監測對象變形監測的要求。

5.5 規范規程修訂

隨著計算機軟硬件、通信技術發展，目前安全監測自動化系統的相關設備也有較大的技術革新[15-16]。通過目前中國多個水利水電工程安全監測自動化系統的實施，筆者認為有必要對DL/T 5211-2005《大壩安全監測自動化技術規范》進行修訂，對在實施過程中可能碰到的問題的解決方案進行完善，如明確接入自動化傳感器的相關要求，對接入儀器比測方法和標準進一步明確，完善系統運行維護的相關內容等。

6 結 語

本文對安全監測自動化的發展歷程進行了闡述，系統梳理了監測自動化系統的關鍵技術，對中國安全監測自動化系統的設備廠家、系統實施情況、運維情況進行了較詳細的調研。在此基礎上，對安全監測自動化系統的未來發展，特別是在智能化數據采集、傳輸與處理，自動化系統三維可視化，人工智能輔助決策，外部變形監測自動化及相關規程規范修訂方面，提出了一些參考性的意見與建議。隨著現代信息技術的進步，結合智能傳感器、測量機器人及GNSS系統，未來安全監測系統可以做到從數據采集、傳輸到存儲、處理與分析、可視化、判別與決策的全流程智能化管理，同時結合智能巡檢，完成監測對象的現場無人管理和值守，實現真正意義上的安全監測自動化系統的智能化監測實施與管理。

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（編輯：江 文）