大壩監測系統智能化技術研究

鄭麗萍

（華能瀾滄江水電股份有限公司苗尾·功果橋水電廠，云南 大理 672708）

智能水利系統利用無線終端設備來識別各種信息，并且通過互聯網等多媒體技術來跟蹤、定位各種信息，實現多方面信息的傳播與交流。并且把水利大壩信息監測系統與云計算機等新進的技術相融合，可以對水利大壩監測系統進行智能化管理，有效地實現了大壩監測信息的資源共享[1]。大壩監測系統智能化技術是水利信息化發展的一個重要方向，利用大壩上的各類傳感器以及各類數據收集設備，實現大壩的各項物性參數的實時監測，并且提供的監測數據可以對大壩安全監測系統運行進行精細化的調控，幫助管理者對大壩的安全運行做出更為科學合理的決策，與此同時，還能夠使數字大壩逐步向智能大壩方向發展。

1 大壩安全監測自動化發展歷程

四川省龔咀水電站于1980 年建成首臺大壩安全自動監控系統，為中國大壩安全監控系統的研究與應用奠定了基礎，智能化技術的大壩監測系統應用而生。

20 世紀90 年代以來，隨著現代科學技術特別是電子學技術的飛速發展，我國許多大中型水電廠對自動化改造的強烈要求，促使大壩監測系統朝著智能化方向發展。在自動控制系統體系結構上，已由集中式和混合式兩種較簡單的結構向更為復雜的分布結構發展；在軟件上，除了實現對日常監測資料的自動收集外，還引進了多種模式的方法，對數據作了進一步的分析。在此期間，所建立的自動化系統已初步實現對數據的自動化采集與分析，但其可靠性與穩定性仍有待提高。

21 世紀之前，大壩安全監測系統得到了大幅度的進步。在數據采集上，實現了自動檢測和控制設備的模塊化和智能化；在數據處理上，實現了離線的綜合分析，測量值的異常測點檢測以及監控和預警。通過對大壩監測自動化技術的改進與完善，使其具有較好的兼容性、穩定性和實用性。在此期間，已建成具有典型意義的大型自動監測系統，如小灣水電工程自動化監測系統、黃河小浪底水庫自動化監測系統。

我國自2010 年以來，陸續有大型水力發電廠建成投產，相應也進入了大壩安全監測自動化系統建設的高潮。尤其是“南水北調”和“三峽”等水利工程的自動化監測系統的建成，表明中國的自動監測系統已經進入了成熟和應用的階段。

2 監測自動化關鍵技術

2.1 采集控制

測量控制單元（MCU）是監測系統中的核心設備，它承擔著傳感器信號采集、數據傳輸和數據存儲等多方面的作用[2]。測量通道的復用性、測值穩定性、采集時間、采集方式等直接關系到自動化系統的運行狀態。南瑞公司的DAU3000 型數據采集裝置可以與各種電測傳感器進行混聯，采用完整的并聯體系結構，對設備狀態、供電電源及工作環境進行實時監測[3]。

2.2 通訊傳輸

通訊傳輸是將測控設備與監控設備聯系起來的一個重要環節，它既包括無線傳輸也包括有線傳輸。其中移動網絡、衛星通訊、網橋等技術被廣泛應用于無線傳輸；光纖等技術被廣泛應用于有線傳輸[4]。對于一個特定的工程項目來說，往往是將各種通訊方式結合起來，形成通訊網絡。苗尾電廠的表觀控制系統采用以太網的星形架構，并通過無線網橋實現對基準站的通訊；機器人的測量工作是由兩條電纜連接到光端機，然后由光纖傳送到中央站。

2.3 管理系統

管理系統是監測自動化系統向使用者提供的一個窗口，使用者可借此完成對使用者的采集與控制、數據管理與預報預警。當前，每一個項目、每一個監測單位、每一個管理部門都有各自的監測管理體系。在大壩監測工程建設的各個階段，其監控和管理的側重點都是不一樣的。其中，自動啟動、自動生成報表、模型分析和預警預測等是本系統的主要功能。

3 自動化系統智能感控提升技術

3.1 測站環境感知與反饋

當前，影響臺址長期穩定性的主要因素是測站安裝點的實際工作環境。為了避免大壩智能化安全監測系統出現意外，必須在有關指標不滿足安全操作要求或者有很大危險的情況下，能夠立即開啟智能化的自動預警模式，實現大壩監測系統自我保護功能。所以，監測站點的工作環境是進行相應的保護和預警的先決條件。

3.1.1 測站箱體密封及內部環境監控

大壩安全監測智能化、自動化系統的傳感器通過了生產廠家的多項嚴格檢測，能夠適用于不同的工作環境[5]。由于受現場環境的制約，傳感器電纜從引出孔插入時，往往得不到良好的密封性。在真實的使用過程中，由于溫度、濕度等因素的影響，大壩監測系統保護箱內部的環境也會隨之改變。在較高的溫度和濕度下，會引起水汽在板面上凝結，在低于0 攝氏度時，板面可能結冰。高集成度電子學芯片的針尖間距極窄，在外部粉塵和濕度的聯合作用下極容易造成針尖間的短路，從而造成多種無法預測的異常復位、重啟和掉電等現象。為了盡量防止上述情況的發生，一方面要對電路板進行三道防護，使用高性能硅橡膠密封環，并對機箱進線口進行密封處理；另一方面也可采用溫濕度傳感器來實時監測DAU 箱內的微環境參數，當DAU 箱內的溫度最后降低到設備運行的預警標準時，就會自動地將加熱裝置啟動，如果DAU 中的濕度過高，那么就會自動地將除濕風扇打開，在DAU 箱內的水分恢復到正常狀態后，則自動關閉除濕裝置。該方法能夠有效地改善儀器的工作環境，防止數據采集模塊中的部件受到不可逆的損傷，增強大壩安全監測自動化系統對環境的適應性。

3.1.2 測站箱體內部進水監測

當出現突發事件時，設置在壩體特定位置的DAU箱會因局部水位升高而被淹。所以，一方面要求有關的箱體要有一定的防水能力；另一方面還可以在這些靈敏的DAU 盒中添加一個被水浸泡過的傳感器監控裝置。一旦機箱內部出現積水或滲水現象，維修人員就可以立即采取措施，避免機箱內部的電子設備因水而損壞。

3.1.3 測站定位及防盜監控

在實際大壩安全監測工作中，許多DAU 儀器都是在露天條件下使用的。另外，大壩周圍人員流動較大，其周圍的真實環境較為復雜，為了避免人員的活動對設備造成不必要的破壞，可以在保護箱的門上安裝一個門磁裝置，監控箱門的開啟和閉合情況，保證箱門一直處于關閉的狀態。在較高的安全性要求下，也可設置物位監測設備，并嵌入相應的定位模組，以便定時查看或匯報自身的位置，監視DAU 是否被人為移動或遭到破壞。

3.2 DAU 狀態感知與反饋

DAU 作為大壩安全監控智能化系統的核心部分，其性能好壞將直接關系到大壩安全監控系統能否正常運行。利用電子器件對堤壩進行實時監測，能較好地了解堤壩值班工作的基本情況。

3.2.1 對無線信號強度及鏈路的監控

如果是無線通訊，則可以檢測出信號的強度，并在值班等待或遠距離報數之前發送相應的檢測無線鏈路的狀況，如果信號是正常的，則可以采取相應的措施，如果信號不夠強或者是無線通訊鏈路是異常的，則可以采取重連的措施，也可以采取延遲措施。在具體的應用中，不影響系統的正常運行的情況下，可以使用通訊接口分路器來監視有關的通訊通道。為了避免在使用GSM、CDMA、LTE 等無線公網通信時，由于SIM 卡欠費而被運營商終止服務，最終導致檢測數據丟失，在智能化控制系統的管理軟件中，通過對通訊卡剩余電量的實時統計，使用戶能夠及時對通訊卡進行充值，從而保證通訊一直處于良好運行的狀態。

3.2.2 對有線通信鏈路狀況的監控

當水壩監控資料采集器采用有線通訊模式進行網絡聯接時，便可利用跳包進行網絡狀態檢測，并與相應的電源監測裝置一起，通過監測光收發器和RS-485通信轉換器的電源，實現了對各個通訊節點裝置的運行情況的實時監控。

3.3 采集模塊智能化

DAU 中的數據采集模塊完成了對大壩安全智能化監控系統數據的采集、存儲以及上傳等功能，它是整個自動化系統中最為關鍵的一環。所以，通過對其進行智能化改造能夠提升整個系統的智能化程度，從而避免監測數據的丟失，提升數據的質量。

3.3.1 數據采集模塊本身可以進行多功能通用化設計

采集模塊可以對各種傳感器輸出的電壓、電流、開關量、數字量等各種物理量進行采集。在大壩安全監測智能化控制系統中，所使用的傳感器種類較多，而在過去的工作中，一般都是采用一種傳感器來配合某一種測試板才能進行數據讀取，這是一種很大的浪費，而且還不便于維護。一般情況下，因為一些特別的設備都會有一個專用的數據采集模組，因此模組中的其他通道都是空閑的。在完成通用化的功能后，在同一檢測模塊中可以實現多臺設備的同步讀出，實現設備的智能化訪問，實現了資源的節約使用。在具體電路設計上，通過在共用信道后端分別為各種物理量的測量設計獨立的分析處理電路，對不同類型的儀表進行保護，達到對各種傳感器均可進行檢測的目的。

3.3.2 數據采集模塊內部可做智能化管控

在數據采集模塊內部時刻控制著電源的輸入，當不用的時候，電源就會被切斷。在低功耗待機時，核心微處理器可以激發相應的端子打開，可以通過主動調低主頻或切換到低頻晶振來減少功耗，并在收到相應的中斷信號后將其喚醒，使之恢復正常工作。在滿足有關性能要求的條件下，對每個電路的功能模塊都要盡量選用低功耗的芯片，以達到最大的節能效果。

3.3.3 數據采集模塊可智能控制通信電路模塊工作方式

當DAU 的數據采集模塊以無線通信的方式報道數據時，可以通過它來控制與之相對應的通信電路的工作模式，從而做到節能降耗。當要報告數據時，通訊線路就會啟動或叫醒，再由網路傳送資料。在傳送結束后，由中央采集計算機將對應的命令發送給采集模塊，以實現對通訊電路的關斷或關斷的控制。在睡眠狀態下，中央采集器可通過遙控方式喚醒相應DAU 內的通訊電路。在重大情況下，DAU 必須具有多通道傳輸功能，能夠依據特定通道的信號強度實現相應的開關，從而保證監測數據被安全、可靠地傳送到相應的采集計算機。

4 智能化信息采集技術

4.1 傳感器技術

如今大壩安全監測傳感器不斷發展，具有精度高、成本低等優勢特點。采用微機電系統（MEMS）技術研制的溫度、壓力和角速度等傳感器，能夠在毫米量級的特征尺度上實現常規力學傳感器無法達到的性能。

4.2 微電子技術

隨著微電子技術的發展，高集成度芯片的數據處理能力得到了極大的提升，將溫度、振動等傳感器集成到芯片中，可實現對DAU 內部微環境的實時監控。基于此，研制的大壩信息采集系統可采集多種傳感信號，選擇通信模式植入智能算法，并可對工程進行實時監控。

4.3 無線通信技術

未來大壩安全監測系統智能化技術的發展方向是開展低功耗的無線通信技術，該技術為大壩安全監測系統提供了便利，具有很好的發展前景。在選擇無線通訊模式時，最重要的是考慮數據傳送的距離以及數據傳送所需的帶寬。當前，業界中使用最多的是ZigBee、LoRa、Microwave 等無線局域組網技術，以及GPRS、CDMA、LTE 等無線廣域網組網技術。在對與數據采集系統相匹配的無線網絡進行設計的時候，要在充分考慮信號強度及兼容性的前提下，對供電方式和功耗需求進行重點考慮。

5 結語

在云計算、大數據收集等技術的持續推動下，無論是硬件還是軟件，都有望向更加智能化的方向發展。將以上技術應用到大壩安全監測智能化、自動化系統中，可以有效地提高該系統在各個環境下的適應能力，進而有效地開展大壩監測系統的智能化技術。所以，在部分已經投入使用的大壩安全監測系統的軟硬件中，可以對缺少的監測數據和質量展開全面的監測，并自動判斷出故障的位置和類型，從而降低對管理者的依賴程度。在該項目的實施過程中，有些優化改進措施收到了很好的效果，值得進一步推廣。