大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的改進

朱化平

（遼寧省湯河水庫管理局，遼寧遼陽111000）

大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的改進

朱化平

（遼寧省湯河水庫管理局，遼寧遼陽111000）

湯河水庫原自動化監(jiān)測系統(tǒng)已運行十幾年，日益老化，故障頻發(fā)，已不能滿足正常工作需要。為徹底解決該問題，結合新設備、新技術，在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎結構不變的情況下，更新改造了自動化監(jiān)測系統(tǒng)。全新的大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，運行更加穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)更加可靠，數(shù)據(jù)處理及整編分析等功能更加完善，更新改造取得了良好效果。

大壩安全監(jiān)測；自動化；測壓管；整編分析

1 工程概況

湯河水庫是一座以防洪、城市和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，結合發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的國家大（2）型水利樞紐工程。主要的樞紐建筑物有大壩、泄洪洞、溢洪道、發(fā)電廠。大壩為粘土斜墻砂殼壩。為監(jiān)測壩體在水庫蓄水運行過程中可能發(fā)生的變形穩(wěn)定情況，分別在防浪墻布設8個標點，即C1-C8；在壩體下游坡面分別于樁號0+100、0+220、0+340壩段布置3個觀測斷面，共計9個標點，即B1-B9，用以監(jiān)測壩體的變形情況。為監(jiān)測壩體在水庫蓄水運行過程中壩體滲流情況，分別在壩體下游坡面分別于樁號0+100、0+220、0+340壩段3個斷面布置測壓管，共計9根，即A1-A9；壩址位置共計3根，即A16-A18，共計12根壩體測壓管，用以反映壩體浸潤線。壩體東西兩端分別布置4根，即R1-R4、R5-R8，共計8根繞壩測壓管，用以反映壩體繞壩滲流情況。

2003年，湯河水庫安裝了大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了壩體浸潤線及繞壩滲流的自動化觀測，通過十幾年的運行，大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)日益老化，故障頻發(fā)，已不能滿足工作需要。因此，2014年湯河水庫重新更換壩體自動化監(jiān)測系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)重新布設，軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及資料的整編與分析功能更加完善，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸、實時分析，并增加了溢洪道閘門底板揚壓力觀測的自動化功能。同時在圖形報表及整編分析模塊中增加了壩體變形觀測數(shù)據(jù)的處理與分析功能，可通過人工錄入壩體變形觀測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)變形觀測數(shù)據(jù)的自動化整編分析，規(guī)范了數(shù)據(jù)整理，提高了工作效率，也為壩體的安全運行提供了保障。

2 自動化硬件系統(tǒng)的組成與改進

2.1 硬件系統(tǒng)的組成

大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)組成。

1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。湯河水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)通過自動化采集的數(shù)據(jù)主要有壩體及繞壩測壓管水位數(shù)據(jù)、溢洪道閘門底板揚壓力數(shù)據(jù)。各監(jiān)測數(shù)據(jù)主要通過布設的傳感器測得。

2）通訊系統(tǒng)。各測壓管中傳感器所采集的數(shù)據(jù)首先通過光纜傳送至MCU，MCU將接收到的數(shù)據(jù)進行轉換，再通過光纜傳送至壩下服務器的軟件系統(tǒng)中。

2.2 硬件系統(tǒng)的改進

傳感器是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端，也是保證監(jiān)測數(shù)據(jù)真實可靠的重要環(huán)節(jié)。因此選擇一款經(jīng)過長期實踐具有長期可靠性的傳感器至關重要，此次更新改造，將原有測壓管中水位傳感器全部更換，保證所測數(shù)據(jù)真實可靠。同時更新改造MCU以及重新布設光纜，保證數(shù)據(jù)的正確處理和實時傳輸。

3 自動化軟件系統(tǒng)的組成與改進

3.1 軟件系統(tǒng)組成

水庫大壩安全監(jiān)測自動化軟件系統(tǒng)主要由7個模塊組成。分別為監(jiān)測資料管理系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、圖形報表、分析模型、系統(tǒng)管理、自動化數(shù)據(jù)導入模塊和實時分析及數(shù)據(jù)備份模塊。

1）監(jiān)測資料管理系統(tǒng)。監(jiān)測資料管理系統(tǒng)包括儀器管理、儀器類型管理、監(jiān)測項目管理、測點管理、工程檔案管理。通過錄入監(jiān)測項目的概況、各測點概況、觀測儀器類型以及工程檔案等資料，使得監(jiān)測項目管理更加嚴謹、規(guī)范。

2）監(jiān)測數(shù)據(jù)處理。監(jiān)測數(shù)據(jù)處理主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)人工錄入、監(jiān)測數(shù)據(jù)預警及整編、監(jiān)測量特征值統(tǒng)計、日程巡查錄入/查詢4個模塊，其中監(jiān)測數(shù)據(jù)人工錄入為系統(tǒng)初始界面，主要用于輸入人工觀測數(shù)據(jù)以及修改異常數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)預警及整編主要用于刪除超過設定值的異常數(shù)據(jù)，監(jiān)測量特征值統(tǒng)計用于統(tǒng)計監(jiān)測量特征值，日程巡查錄入/查詢用于日常巡查錄入及查詢。

湯河水庫測壓管水位觀測，在自動化系統(tǒng)運行正常的情況下，每月人工觀測1次，用以及時校核自動化觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題及時修正。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)人工錄入功能，可以及時錄入因斷電以及其他不可抗因素導致的自動化漏測、錯測數(shù)據(jù)，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整、可靠。

湯河水庫大壩變形觀測包括壩體水平位移觀測和壩體垂直位移觀測，每年進行2次，汛前汛后各進行1次。變形觀測尚未實現(xiàn)全自動化，目前僅實現(xiàn)了觀測儀器自動化，需人工進行觀測后，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)人工錄入功能，將壩體水平、垂直位移觀測數(shù)據(jù)錄入至軟件系統(tǒng)，之后應用系統(tǒng)的整編分析功能進行壩體運行分析。

3）圖形報表。圖形報表主要包括單點過程線繪制、多點過程線繪制、監(jiān)測儀器安裝埋設考證表、監(jiān)測成果統(tǒng)計表、相關監(jiān)測量分析圖五大模塊，初始界面為單點過程線繪制。

通過圖形報表功能，可以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)成果表以及過程線的自動繪制生成。相比人工作表，既提高了工作效率，減少了人為誤差，又使得表格更加規(guī)范。

4）分析模型。分析模型主要包括壩體監(jiān)測斷面滲流壓力分布圖、測壓管水位位勢圖、水平位移分布圖、垂直位移分布圖、滲流分析、滲流評判及預報、變形分析、變形評判及預報、大壩安全綜合分析。

分析模型將各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行全面的整理、分析，最終總結出大壩安全的綜合分析，該模塊是整套軟件系統(tǒng)的核心模塊，也是新系統(tǒng)相比原系統(tǒng)最大的改進。

5）系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理包括用戶管理、角色管理、登陸日志、操作日志、系統(tǒng)菜單管理5大模塊。

通過用戶管理可以設定人員登陸權限，通常非管理人員的權限為僅可通過系統(tǒng)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，查看壩體運行的實時狀態(tài)，無法更改數(shù)據(jù)，最大限度保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全。同時通過登陸日志及操作日志，可查看歷史登陸記錄和歷史操作記錄，及時發(fā)現(xiàn)是否出現(xiàn)誤操作。

6）自動化數(shù)據(jù)導入模塊和實時分析及數(shù)據(jù)備份模塊。通過自動化數(shù)據(jù)導入模塊和數(shù)據(jù)備份模塊，可定期將系統(tǒng)中監(jiān)測數(shù)據(jù)進行備份，防止數(shù)據(jù)意外丟失。

3.2 軟件系統(tǒng)的完善與改進

與原系統(tǒng)相比，現(xiàn)有系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理及資料整編分析方面更加完善，主要體現(xiàn)在監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、圖形報表和分析模型3個模塊。

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的運行，首先是通過水位傳感器測得各測壓管水位數(shù)據(jù)，再通過通訊系統(tǒng)傳送到壩下服務器，之后可進行數(shù)據(jù)處理、整編分析以及存檔等操作。新系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理模塊增加了監(jiān)測數(shù)據(jù)人工錄入和整編功能，系統(tǒng)設置水位傳感器每間隔1 h觀測1次測壓管水位數(shù)據(jù)，并上傳至服務器。湯河水庫在系統(tǒng)運行正常期間，每月校測1次測壓管水位，之后與自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比校核，發(fā)現(xiàn)異常重新人工校測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)處理模塊輸入人工觀測數(shù)據(jù)，并修改異常數(shù)據(jù)。

圖形報表和分析模型2大模塊主要應用于大壩安全監(jiān)測資料的整編與分析。湯河水庫每年年初對上一年的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的整編分析，其中包括測壓管水位數(shù)據(jù)、壩體變形觀測數(shù)據(jù)以及揚壓力數(shù)據(jù)的整編與分析。新系統(tǒng)中，圖形報表和分析模型2大模塊完善了測壓管水位數(shù)據(jù)的圖形報表處理和整編分析功能，同時增加了溢洪道底板揚壓力數(shù)據(jù)的處理及分析，以及壩體變形觀測數(shù)據(jù)的圖形報表及整編分析。溢洪道底板揚壓力數(shù)據(jù)可通過自動化系統(tǒng)直接上傳至服務器數(shù)據(jù)庫，直接進行圖形報表與數(shù)據(jù)處理分析。壩體變形觀測數(shù)據(jù)尚未實行全自動化，需人工進行觀測，再通過系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)人工錄入功能錄入至服務器數(shù)據(jù)庫中，再形成報表，進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的整編與分析。

通過該系統(tǒng)，可完全實現(xiàn)大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)資料整編的自動化，根據(jù)大壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)范，測壓管水位成果表、測壓管水位與庫水位相關過程線、測壓管水位位勢成果表、測壓管水位位勢過程線、壩體水平位移成果表、壩體垂直位移成果表、湯河水庫逐日水位表、湯河水庫逐日降水量表均可通過該系統(tǒng)自動化生成，之后形成大壩安全監(jiān)測資料的整編與分析材料。

4 結語

大壩安全監(jiān)測自動化是大壩現(xiàn)代化安全管理的重要手段，大壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)壩體監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性、連續(xù)性，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳送，確保及時發(fā)現(xiàn)壩體運行當中的異常情況，在湯河水庫壩體安全管理中發(fā)揮了至關重要的作用。更新改進后的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，運行穩(wěn)定、良好，數(shù)據(jù)處理及分析功能都有了較大的提高，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)真實、可靠，實時反映壩體及水工建筑物的運行狀態(tài)，為壩體的穩(wěn)定運行和科學管理提供了有力依據(jù)。

［1］湯河水庫管理局，湯河水庫志［M］.中國水利水電，2009.

［2］趙琳，宓永寧，馮琳，等.土石壩滲流分析與自動化觀測軟件研究［J］.沈陽農(nóng)業(yè)大學學報,2004,35（5）：528-530.

［3］方衛(wèi)華，王潤英.大壩安全監(jiān)測自動化的現(xiàn)狀和展望［J］.水利技術監(jiān)督,2000,8（5）：25-27.

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