大壩安全監測自動化系統應用現狀分析及發展趨勢研究

李仲雄

（大唐甘肅發電有限公司碧口水力發電廠，甘肅 隴南 746412）

引言

安全監測是大壩能夠安全穩定工作的重要保障之一，能夠起到全面監護、綜合分以及實時監測的作用，是大壩在生命周期安全管理過程中必不可少的手段之一。我國的大壩安全監測由來已久，已經擁有了數百年的發展歷史，當前已經能夠運用多種手段和方式實現監測評價大壩安全性狀的基本目標。當前伴隨大數據、機器學習、故障診斷等多項技術飛速發展，大壩安全監測也不斷朝著信息化、智能化的角度靠攏，通過建立智能模型的方式對于大壩安全進行動態分析、實時評價以及智能決策。監測自動化也是上述目標能夠順利實現的必不可少的手段之一，能夠提升數據采集、處理以及存儲的自動化程度，為數據的分析和結果的轉化提供相應的載體。本文首先對當前監測自動化發展的關鍵技術進行展開，包括采集控制技術、通訊傳輸技術以及管理系統技術，從具體技術的角度介紹了當前我國該領域的實際發展情況和存在的不足之處，其次與國外該領域使用效果較好的測量控制單元進行橫向比較，最后根據上述問題針對性地提出了安全監測自動化系統的發展趨勢和研究方向。

1 監測自動化關鍵技術

監測自動化系統主要依托于計算機輔助運算、傳感技術以及信息采集處理技術等，能夠對大壩數據進行實時采集和自動處理，并將處理結果進行比較判斷，分析出當前大壩是否處于安全狀態，并設置有報警系統。該系統核心技術包括采集控制技術、通訊傳輸技術以及管理系統技術[1-2]。

1.1 采集控制

測量控制單元屬于整個監測系統的核心組成部分，起主要作用包括：傳感器信號采集、測量點選取、模擬量轉換、數據傳輸、數據存儲和電源管理等等。因此測量通道的測量穩定性、數值準確性、采集頻率和采集手段等相關內容會給系統的正常運行帶來顯著影響。當前較為流行南瑞的DAU3000數據采集單元可以同電測傳感器相連接，實現傳感器數據的實時采集，系統架構為全并行，能夠實時監測設備運行狀態、供電電源以及運行環境等。

1.2 通訊傳輸

通訊傳輸模塊的主要作用是連接測量控制單元以及管理系統，根據是否需要傳輸線能夠分為有線傳輸以及無線傳輸兩種方式。前者的傳輸介質主要為雙絞線和光纖，后者則主要通過移動網絡和通訊衛星等方式實現信號傳輸。具體到實際工程而言通常需要多種通信手段有機結合，形成完整的通訊網絡。

1.3 管理系統

管理系統也是監測自動化系統和用戶之間進行人機交互的關鍵方式，用戶借助監測管理系統能夠實現對數據的實時采集、管理控制、模型分析以及預測報警等。當前，每個機構乃至每項工程都擁有自己的監測管理系統。在工程的不同階段，監測管理系統的功能需求也略有差異。可以將管理系統總結為以下功能：實時采集、自動處理、輔助決策、模型分析和預測報警等。

2 應用現狀

監測自動化借助檢測技術實現實時監測的目標，能夠為監測對象的安全穩定運行，工程安全的輔助決策提供相應的數據，此外還具有經濟成本較低、智能化程度較高以及工作效率較高等優勢，契合信息化時代的新要求和新環境。所以，完善優化監測自動化系統也是水利發電工程安全保障的必然要求。安全檢測對于準確性、穩定性以及效率的要求都比較高，因此自動化系統設計過程中應當精益求精，在確保系統調試完畢后方能用于實際監測之中。系統設計完畢后應當采用試點的方式，先將系統用于部分區域的自動化檢測，并對實際監測結果進行評估和分析，在確保系統的各項要求都符合相關標準和實際需求后在推廣到整個工程部。

在我國的十三大流域水電基地中，不同流域的水電站建設時間存在一定差異，監測自動化系統的應用程度也有所不同。當前，黃河流域絕大多數水電站已經配備有自動化監測系統，主要包括拉西瓦、公伯峽水電站等等，其中建成時間較早的水電站已經進行了一輪的自動化更新。相比較而言長江流域當前的自動化監測系統覆蓋面較小，只有部分規模較大，設備配置較為先進的水電站安裝了自動化監測系統，主要有三峽、葛洲壩等等。伴隨長江流域諸多大型水電站的陸續投入和使用，加之監測自動化技術的不斷完善和發展，不難預測日后自動化系統將會逐漸覆蓋長江流域的各個水電站。

2.1 內觀監測自動化系統

從接入傳感器數量來說，當前我國建成規模最大的水電站內觀監測自動化系統當屬錦屏一級、二級水電站，接入傳感器數量共計超過12000支，拉西瓦水電站以及小灣水電站等大型水電站的介入傳感器數量也在6000支以；建設過程中規模最大的水電站內觀監測自動化系統當屬白鶴灘水電站，預計介入傳感器數量將會超過14000支，當前整個系統正處于方案建設和系統調試階段。糯扎渡水電站接入傳感器數量雖然僅有5000余支，但是系統整體還配置了測量機器人測點110余個，GPS測點50余個，是當前我國綜合規模最大的自動化監測系統。南水北調中線工程監測自動化系統接入傳感器共計31343支，也是當前世界上接入傳感器數量最多的自動化系統，但是由于系統整體工程量過大，因此無法通過單一的管理系統實現有效管理，最終將整個工程分為3個標段實施，共設立35個管理處進行管理。

2.2 外觀監測自動化系統

伴隨國內各項技術水平的飛速發展，國產設備也逐漸在表面變形監測自動化系統建設項目中得到了廣泛的應用，其中以溪洛渡水電站等為代表的大型水電站均在自動化監測系統中引入了大量的智能技術提升了數據的處理效率。根據當前外觀監測自動化系統設備的實際應用情況而言，徠卡公司生產的測量機器人最符合實際應用需求。

3 自動化儀器廠家

自動化儀器廠家也是推進監測自動化技術不斷發展和完善的重要力量，其生產制造的產品性能直接影響到系統的穩定性、可靠性和安全性等相關指標。

當前我國較為知名的自動化儀器廠家主要有南瑞集團公司，該公司生產的DAMS系列產品市場占有率較高，廣泛應用于諸多大型水電站建設工程之中，比如說三峽水利樞紐等等。此前大型水電站存在系統分布不規律、數據傳輸距離較遠等問題，為了解決上述問題南瑞集團公司研發出一款網絡管理單元（NMU）技術，能夠將系統整體劃分為數個子區域，通過信號傳輸的方式將子區域信號通過主干網傳輸至上層管理站。此外北京木聯能公司研制的LN1018-II系統等也在部分工程中有所應用。當前，長江科創CK-MCU系列產品已經在白鶴灘、向家壩等大型水電站廣泛投入使用，系統整體采用B/S結構，相關技術在世界范圍內處于領先地位。經過數十年的發展完善，我國的自動化產品同世界先進水平的差距正在不斷縮小，相關技術逐步完善，當前數據采集端已經具備了穩定性較強、可靠性較高以及采集時長較短等優勢，能夠采用有線傳輸或者無線傳輸兩種方式同采集設備相連接，適用于不同種類的傳感器，具備穩定性較好、抗干擾能力較強以及能夠適應惡劣的工作環境等優勢。

國際范圍內知名度較高的自動化儀器廠家當屬美國Campbell Scientific公司，其公司生產的CR1000主機和LNX200振弦式采集模已經成為了當前世界范圍內監測儀器系統制造過程中的主流采集單元，在我國的南水北調工程和糯扎渡水利樞紐工程也有所應用。此外澳洲TheretoFishe公司生產的DTMCU系列產品用于其產品適應性較好、信號隔離效果較好，在我國市場中的占有比例也在逐漸提升。雖然我國在20世紀曾經引進過一批美國Geomation 2380系列產品并應用于部分水利工程之中，但是由于產品的防潮性較差因此當前已經無法滿足實際需求。相較于國產設備而言，國外大型企業生產的監測設備雖然穩定性較好，但是在實際應用過程中仍然存在諸多問題。其一是國外產品維修成本較高且維修周期長，一旦出現故障將會影響監測效率；其二是數據采集軟件兼容性較差，不利于后續模塊的集成；其三是當前國外已經停止生產差阻式傳感器，因此數據采集設備引進我國后需要進行相應改裝，會對采集精度和效率產生一定影響。

4 監測自動化系統展望

大壩安全監測自動化系統經過了數十年的發展，在系統軟件、系統硬件以及數據傳輸等方面均已取得了質的飛躍。當前學術界對于安全監測自動化系統軟硬件相關方面的優化和完善展開了諸多研究并對未來的發展趨勢進行了預測。

4.1 監測數據采集、傳輸與處理智能化

物聯網技術已經成為了當前最為流行的信息技術之一，傳感器作為物聯網信息采集的必要設備，也在為信息時代的發展和普及做出貢獻。大壩安全監測具有周期較長的特點，尤其是埋入式儀器，工作周期通常能夠達到30年，所以，對于此類儀器的使用壽命和穩定性均有較高要求。當前工程中常用的傳感器為傳統的振弦式以及差阻式兩類，具有使用壽命較高、穩定性較好等特點，但是智能化程度較低使得其采集效率難以提升。因此未來的傳感器研發應當在現有傳感器的基礎上增加其智能化程度和采集效率。

傳感器智能化發展提升也就意味著采集系統智能化程度的提升，采集系統可以結合傳感器的實際特點進行智能化的數據處理，監測過程中一旦發現物理量超出許可范圍，則系統將會自動報警，減少了系統工作過程中的人工參與量，提升了數據采集效率。

4.2 基于BIM技術的監測成果可視化

伴隨特大型水利水電工程建設的逐步開展，新型材料和創新的設計方案也逐漸得到推廣和應用。為了確保大壩等大型復雜結構的穩定性、安全性和使用壽命滿足實際需求，對于安全監測系統和可視化功能的融合也提出了更高的要求。絕大多數大壩安全監測自動化系統既能夠實現數據的采集、傳輸、存儲和處理，并未加入可視化的設計和相關的功能模塊，由此導致監測系統難以對監測結果進行實時評估。隨著BIM技術的逐漸普及，選取工程相關信息作為數據基礎，建立相應的三維數字化模型，使得行業主體能夠通過共享的數據信息平臺進行數據處理。通過BIM技術能夠實現監測信息的可視化，使得監測結果更為直觀地呈現在操作人員面前，提高人機交互性和監測效率。

4.3 智能診斷與決策支持

監測自動化系統的主要功能包括：數據處理、預測報警、智能診斷和輔助決策等。當前我國監測信息管理系統雖然發展較為迅速，但是系統結構標準化程度較低，難以將成果進行泛化，也并未行業中形成統一的規范和模式。主要原因是監測數據分析的實踐性較強，需要結合工程實際參數進行綜合分析，難以通過建模預測的方式有效解決。此外完整綜合的數據管理軟件除必要的數學模型外，還需要依托于強大的專家庫，建立健全相應的評估標準。

4.4 變形監測智能化

大壩外部變形監測自動化技術當前已經逐步在土石壩中進行使用，常見的數據處理方式主要有：極坐標法、單基線向量法等等，采集的數據精度能夠滿足實際需求、符合相關標準，但是部分情況下混凝土壩及巖質邊坡變形監測過程中對于數據采集的精度要求相對較高，因此此類設備的采集精度仍然有一定的提升空間。因此當前的研究趨勢主要集中在采集精度方法的優化以及數據處理智能化程度的提升等仿麥呢，力求達到混凝土壩、巖質邊坡等監測對象高精度變形監測的實際需求。

4.5 規范規程修訂

伴隨計算機技術以及通信技術的不斷發展，當前安全監測自動化系統的組成設備也在不斷更新換代。根據當前我國多個水利水電工程安全監測自動化系統的實施情況，本文的觀點是需要對《大壩安全監測自動化技術規范》的相關規范做出修訂，對于當前實際工程過程中存在的問題進行完善優化，比如說明確自動化傳感器的配置要求，對于系統中的儀器的比測方法以判斷指標進行細化。

5 結語

本文首先對于監測自動化系統的相關技術進行了分類總結，對于當前我國安全監測自動化系統的設備廠家、系統在工程中的實際使用情況以及運行維護情況進行了調查分析。其次對我國安全監測自動化系統的發展趨勢進行了展望，主要包括提升數據采集的智能化程度、提高數據傳輸的效率、融合三維可視化技術、引入人工智能輔助決策技術以及提高外部變形監測自動化技術的數據采集精度等。伴隨信息技術的飛速發展，智能傳感技術、測量機器人技術的深度融合，未來安全監測系統將能夠實現全部流程的自動化智能化管理。