地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)與大壩安全監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張國(guó)祥，許重富，許春燕，葛從兵

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京，210029；2.山美水庫(kù)管理處，福建泉州，362000）

山美水庫(kù)位于福建省南安市晉江支流東溪中游，距泉州市約50 km，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、供水、發(fā)電等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。山美水庫(kù)于2005年和2007年分別建立了大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)和地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行測(cè)量，地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地震時(shí)記錄地震波。由于兩個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，信息互不共享，不知道何時(shí)發(fā)生地震，大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)不能在震后立即觀測(cè)并增加測(cè)量頻次。為此，開(kāi)發(fā)地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)與大壩安全監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，使大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)在震后能立即觀測(cè)，并增加測(cè)量頻次，以便掌握震后大壩安全性狀。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

山美水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括主壩變形監(jiān)測(cè)、主壩滲流監(jiān)測(cè)、主壩應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、副壩滲流監(jiān)測(cè)和環(huán)境量監(jiān)測(cè)，除變形監(jiān)測(cè)外，其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)。

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)由68只傳感器、兩臺(tái)測(cè)量控制單元（MCU）、監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)、光纜及一對(duì)光纖調(diào)制解調(diào)器組成。MCU位于觀測(cè)房，監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)位于計(jì)算機(jī)房，兩者相距2 km。MCU采用南京水利科學(xué)研究院的IHSMS-I測(cè)量控制單元，其配套數(shù)據(jù)采集軟件具有MCU設(shè)置、系統(tǒng)自檢、單點(diǎn)測(cè)量、巡回測(cè)量、定時(shí)測(cè)量等功能。

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)自建成以來(lái)，系統(tǒng)一直運(yùn)行正常，按每日一次測(cè)量頻次測(cè)量所有傳感器。

1.2 地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

山美水庫(kù)地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由7只三向重力加速度計(jì)、2臺(tái)強(qiáng)震記錄儀、監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)、電話線及調(diào)制解調(diào)器組成。強(qiáng)震記錄儀位于觀測(cè)房，監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)位于計(jì)算機(jī)房。強(qiáng)震記錄儀采用美國(guó)Kine?metrics公司的強(qiáng)震記錄儀K2，地震波采集軟件采用Altus QuickTalk，地震波形分析軟件采用View?Wave。

地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自建成以來(lái)，強(qiáng)震記錄儀工作正常，由于電話網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)速度慢，易中斷，故一般不采用電話方式獲取地震波文件，而是定期在觀測(cè)房用便攜式計(jì)算機(jī)直接從強(qiáng)震記錄儀獲取地震波文件。這種運(yùn)行方式實(shí)時(shí)性差，自動(dòng)化程度低。

2 聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)與大壩安全監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化；（2）震后MCU立即巡回測(cè)量；（3）在局域網(wǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行地震波分析；（4）繪制震后監(jiān)測(cè)量過(guò)程線。

2.1 地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)采集

地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改用光纖傳輸方式。由于監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)與強(qiáng)震記錄儀K2之間通信協(xié)議無(wú)站號(hào)識(shí)別功能，故用監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)兩個(gè)串行口分別連接兩臺(tái)K2。大壩安全監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)通過(guò)一個(gè)串行口和兩臺(tái)MCU通信，在通信方式上與地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在差異，故地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用備用光纖另建一條通訊線路，其光纖調(diào)制解調(diào)器具有2個(gè)串行口。地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)采用大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

地震波采集軟件Altus QuickTalk具有K2參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查詢、目錄瀏覽、地震波文件獲取及刪除等功能，但這些功能需要工作人員操作，不能自動(dòng)完成。故需根據(jù)Altus系列設(shè)備通訊協(xié)議[1]和XMO?DEM協(xié)議[2]，開(kāi)發(fā)地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)自動(dòng)采集模塊。地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)自動(dòng)采集模塊采用查詢方式，每隔一段時(shí)間查詢一下強(qiáng)震記錄儀狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生地震事件后，等到地震波文件存儲(chǔ)到K2的PCMCIA存儲(chǔ)卡后，將地震波文件傳輸至監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)。同時(shí)，為避免地震波文件重復(fù)傳輸，將刪除已傳輸?shù)牡卣鸩ㄎ募?。自?dòng)采集模塊偽代碼如下：

圖1 聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of linkage system

2.2 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集用戶界面有兩種模式：C/S模式和B/S模式。這兩種用戶界面程序均不直接與MCU通訊，僅向數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入操作指令和從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取執(zhí)行結(jié)果。與MCU進(jìn)行通訊的任務(wù)由數(shù)據(jù)采集服務(wù)模塊完成，它從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取操作指令，向MCU發(fā)送相應(yīng)指令[3]；MCU執(zhí)行完畢后，將測(cè)量數(shù)據(jù)或執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)采集服務(wù)模塊，由其存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)與大壩安全監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)由兩個(gè)步驟組成：（1）地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)自動(dòng)采集模塊定時(shí)向數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入聯(lián)動(dòng)指令；（2）數(shù)據(jù)采集服務(wù)模塊執(zhí)行聯(lián)動(dòng)指令。

聯(lián)動(dòng)指令寫(xiě)入偽代碼如下：

2.3 地震波分析

地震波形分析軟件原來(lái)采用ViewWave，該軟件為C/S模式，只能在監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。而山美水庫(kù)信息化水平高，水情信息、工程安全信息、電站信息等均在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行管理，不僅在水庫(kù)樞紐能管理這些信息，在泉州市山美水庫(kù)管理處也能實(shí)時(shí)管理這些信息。因而，采用C/S模式的ViewWave不符合山美水庫(kù)需要。大壩安全信息管理系統(tǒng)采用B/S模式，故將地震波分析功能添加至該系統(tǒng)上。

地震波分析包括地震信息表打印和地震波圖形繪制。地震信息表給出每次地震信息，包括地震時(shí)刻、歷時(shí)、加速度最大值、加速度最小值、加速度峰值和烈度。地震波圖形類(lèi)別有加速度、速度、位移、傅里葉譜、功率譜、自相關(guān)系數(shù)、加速度反應(yīng)譜、速度反應(yīng)譜、位移反應(yīng)譜和報(bào)告等圖形，其中報(bào)告包括一只三向加速度計(jì)（三個(gè)通道）的加速度波形、速度波形、傅里葉譜和速度反應(yīng)譜。

2.4 震后過(guò)程線

開(kāi)發(fā)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的目的是大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)能夠在震后立即增加測(cè)量頻次，獲取大壩震后高頻次監(jiān)測(cè)資料，以便分析大壩震后運(yùn)行狀況。

大壩安全信息管理系統(tǒng)能繪制各監(jiān)測(cè)量過(guò)程線。由于大壩安全監(jiān)測(cè)量變化緩慢，人工觀測(cè)一般五天一次，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)一般一天一次，故該過(guò)程線橫坐標(biāo)（時(shí)間）最小單位為日，不能反映測(cè)量時(shí)間間隔為幾十分鐘或幾小時(shí)的震后監(jiān)測(cè)量變化。

針對(duì)上述問(wèn)題，增加震后過(guò)程線模塊。該過(guò)程線以地震時(shí)刻為起點(diǎn)，可以繪制震后24 h，48 h，72 h加密觀測(cè)的監(jiān)測(cè)量過(guò)程線，能夠反映震后監(jiān)測(cè)量變化。

3 聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

山美水庫(kù)地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)與大壩安全監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行在Microsoft Windows 2003 Server上，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Microsoft Visual Studio.Net 2005，編程語(yǔ)言采用C#，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL Server 2005。

圖2 地震信息表Fig.2 Seismic information

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

山美水庫(kù)地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)與大壩安全監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地震信息及時(shí)獲取、地震波文件遠(yuǎn)程傳輸、震后大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)立即測(cè)量及測(cè)量頻次增加、地震波分析等功能，滿足了山美水庫(kù)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的需要，提高了水庫(kù)信息化水平。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：

（1）聯(lián)動(dòng)參數(shù)設(shè)置：可以查詢、設(shè)置地震事件查詢間隔、震后MCU測(cè)量次數(shù)、測(cè)量時(shí)間間隔等參數(shù)。

（2）聯(lián)動(dòng)操作：?jiǎn)?dòng)聯(lián)動(dòng)、停止聯(lián)動(dòng)和消警。啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)是監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)開(kāi)始自動(dòng)查詢有無(wú)地震事件以及判斷MCU是否要進(jìn)行測(cè)量；停止聯(lián)動(dòng)是在聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)停止查詢地震事件；當(dāng)有地震事件后，聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)界面的狀態(tài)欄將顯示已有地震事件，只有消警操作才能清除這一信息。

（3）地震信息表：在地震信息表頁(yè)面，可列出各次地震的信息，見(jiàn)圖2。2013年4月采集到的地震波不是由地震引起的，而是重型運(yùn)輸車(chē)輛經(jīng)過(guò)加速度計(jì)安裝位置造成地震動(dòng)引起的。

（4）地震波圖形：在地震波圖形頁(yè)面，可繪制某次地震各通道地震波各類(lèi)圖形。圖3為一只三向加速度計(jì)地震波報(bào)告，包括三個(gè)通道的加速度波形、速度波形、傅里葉譜和速度反應(yīng)譜。

（5）震后過(guò)程線：在震后過(guò)程線頁(yè)面，可繪制震后加密觀測(cè)的監(jiān)測(cè)量過(guò)程線（見(jiàn)圖4）。

圖3 報(bào)告Fig.3 Report

4 結(jié)語(yǔ)

山美水庫(kù)地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)與大壩安全監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程自動(dòng)采集地震信息，地震波文件自動(dòng)傳輸至計(jì)算機(jī)房。大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)能夠震后立即進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)需要增加測(cè)量頻次；能夠在局域網(wǎng)范圍對(duì)地震波形進(jìn)行分析，打印地震信息表，繪制加速度、速度、位移、傅里葉譜、功率譜、自相關(guān)系數(shù)、加速度反應(yīng)譜、速度反應(yīng)譜、位移反應(yīng)譜、報(bào)告等圖形；能夠繪制震后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)程線。

圖4 震后過(guò)程線Fig.4 The data process line after an earthquake

山美水庫(kù)地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)與大壩安全監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的研制，實(shí)現(xiàn)了地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，減少了地震監(jiān)測(cè)工作量，滿足了震后大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求，提高了水庫(kù)信息化水平，為震后大壩安全運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。

[1]Kinemetrics.Inc.Altus Monitor Mode Communications[Z].2006.

[2]伍文平,王小兵,唐一祿.Xmodem協(xié)議分析與Windows CE平臺(tái)實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2008,1(2)：192-195.

[3]張國(guó)祥.IHSMS-I測(cè)量控制單元[R].南京：南京水利科學(xué)研究院,2005.