黃河壩岸險(xiǎn)情監(jiān)控報(bào)警報(bào)險(xiǎn)系統(tǒng)研究與改進(jìn)

邢天明 郭煒 李艷 呂海洋

摘要：2015年9月至2017年5月，焦作黃河河務(wù)局在大玉蘭控導(dǎo)工程開(kāi)展了黃河壩岸險(xiǎn)情監(jiān)控報(bào)警報(bào)險(xiǎn)系統(tǒng)研究工作，旨在實(shí)現(xiàn)壩岸險(xiǎn)情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及工程現(xiàn)場(chǎng)信息采集。在推廣與應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)供電系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。該系統(tǒng)提供了黃河壩岸險(xiǎn)情的監(jiān)控、查險(xiǎn)、報(bào)險(xiǎn)一體化解決方案，使當(dāng)前黃河出險(xiǎn)情況、搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)、工程運(yùn)行狀況盡在掌握，改變了“巡查靠人眼、決策靠電話”的防汛工作局面，推動(dòng)了信息化與治黃業(yè)務(wù)的深度融合。

關(guān)鍵詞：報(bào)警；報(bào)險(xiǎn)；監(jiān)控；險(xiǎn)情；壩岸；黃河

中圖分類號(hào)：TV877；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.007

1 概述

防汛是最根本的治黃業(yè)務(wù)之一，壩岸險(xiǎn)情是目前防汛中最常見(jiàn)的險(xiǎn)情。為及時(shí)、有效地采集、傳輸黃河防洪工程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)管理界面的高度可視化，使壩岸險(xiǎn)情的發(fā)生、發(fā)展可被感知，工程運(yùn)行情況可被掌控，同時(shí)探索“互聯(lián)網(wǎng)+防汛”模式，并有效降低人工查險(xiǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作風(fēng)險(xiǎn)，提高信息采集的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，2015年9月—2017年5月，焦作黃河河務(wù)局（簡(jiǎn)稱焦作局）在大玉蘭控導(dǎo)工程開(kāi)展了黃河壩岸險(xiǎn)情監(jiān)控報(bào)警報(bào)險(xiǎn)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）項(xiàng)目的研究，研發(fā)了基于高分子聚合物的傳感系統(tǒng)，可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)防洪工程險(xiǎn)情的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，險(xiǎn)情發(fā)生后，可持續(xù)保持險(xiǎn)情監(jiān)測(cè)能力；研發(fā)了壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)不同部位出險(xiǎn)的自動(dòng)報(bào)警，并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行遠(yuǎn)程險(xiǎn)情確認(rèn)，能自動(dòng)生成出險(xiǎn)時(shí)間、地點(diǎn)、部位、現(xiàn)場(chǎng)圖片等相關(guān)信息的險(xiǎn)情數(shù)據(jù)包，且具備多級(jí)審核功能；研制了新型移動(dòng)信息采集裝置，可針對(duì)突發(fā)險(xiǎn)情進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、音視頻轉(zhuǎn)播等功能。

壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在推廣與應(yīng)用過(guò)程中對(duì)壩岸監(jiān)測(cè)供電傳感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)行了探索。在太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中，使用智能型MPPT太陽(yáng)能控制器和純正正弦波逆變器，通過(guò)黃河專網(wǎng)無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制；通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)安裝支架的改進(jìn)，使設(shè)備易于安裝，確保了黃河防洪工程監(jiān)測(cè)、監(jiān)控等系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；采用聚脂塑鋼線作為傳感線，用沖擊鉆在根石上打孔，使采樣點(diǎn)的布設(shè)、拆卸和安裝更加方便，傳感器安放在玻璃鋼表箱內(nèi)可保護(hù)傳感器，改進(jìn)后的傳感系統(tǒng)更便于壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)推廣，確保了壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 研究的主要內(nèi)容

大玉蘭控導(dǎo)工程位于黃河左岸溫縣祥云鎮(zhèn)灘區(qū)，是黃河下游重要的節(jié)點(diǎn)整治工程之一。2010年至今，大玉蘭控導(dǎo)工程出現(xiàn)兩段畸形河勢(shì)，分別為2010-2013年大溜頂沖1-7壩以及2014-2016年大溜頂沖29-34壩。項(xiàng)目組選取大玉蘭控導(dǎo)工程30-34壩作為試驗(yàn)地點(diǎn)。

2.1 黃河防洪工程信息網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)

（1）沿河固定網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)。依托2013年河南黃河防洪工程信息網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)項(xiàng)目，大玉蘭工程班組網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)到60Mb/s。無(wú)線覆蓋設(shè)備選用5.8G頻段微波傳輸設(shè)備，搭配18dBi增益覆蓋天線，實(shí)現(xiàn)覆蓋半徑3km、夾角120°的扇形覆蓋面，最大帶寬為100Mb/s。使用兩臺(tái)覆蓋設(shè)備在大玉蘭控導(dǎo)工程25壩工程班組駐地采用“背靠背”安裝方式，東-西向安裝在特制的高21m水泥桿上，實(shí)現(xiàn)了大玉蘭控導(dǎo)工程信息網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。

（2）移動(dòng)信息采集系統(tǒng)。近幾年，焦作局2次對(duì)移動(dòng)信息采集系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。2014年4月，依托改造后的基層黃河專網(wǎng)，利用現(xiàn)有車體及部分車載設(shè)備，完成了移動(dòng)信息采集系統(tǒng)的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、臨時(shí)基站、干路中繼等功能。為適應(yīng)新的防汛及基層信息化需要，減少投資，需要對(duì)移動(dòng)信息采集系統(tǒng)進(jìn)行再次升級(jí)改造。2016年4月，焦作局研制了一種新型儲(chǔ)備應(yīng)急信息采集傳輸裝置，該裝置由便攜式升降桿、設(shè)備集裝箱和數(shù)據(jù)處理終端三部分組成。河南黃河防洪工程信息網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)為壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全、穩(wěn)定傳輸提供了有效途徑和有力保障。

2.2 壩岸視頻監(jiān)控

（1）監(jiān)控設(shè)備布局。在30-34壩圓頭圓心附近，埋設(shè)高12m的線桿并安裝設(shè)備支架，為控導(dǎo)工程每道壩安裝3臺(tái)攝像機(jī)，采用多角度槍機(jī)、球機(jī)混合安裝方式，實(shí)現(xiàn)固定角度及3600可控兩種監(jiān)控方式，可同時(shí)滿足險(xiǎn)情巡查及現(xiàn)場(chǎng)視頻轉(zhuǎn)播的需求。

（2）數(shù)據(jù)傳輸。使用河南黃河防洪工程信息網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)將視頻數(shù)據(jù)回傳至一線班組，實(shí)現(xiàn)了防洪工程—班組—縣局—市局的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)訪問(wèn)。2.3壩岸險(xiǎn)情報(bào)警報(bào)險(xiǎn)系統(tǒng)

（1）壩岸險(xiǎn)情傳感系統(tǒng)及改進(jìn)。壩岸險(xiǎn)情傳感系統(tǒng)由拉力傳感器、傳感線、采樣點(diǎn)三部分組成，以傳感線連接采樣點(diǎn)，用拉力傳感器監(jiān)測(cè)傳感線拉力，并將數(shù)據(jù)上傳至YRAP-D型一體化采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)壩岸險(xiǎn)情監(jiān)測(cè)。傳感系統(tǒng)的傳感線、采樣點(diǎn)在險(xiǎn)情搶護(hù)或每年根石加固前后均需要進(jìn)行拆卸和安裝，拆卸和安裝次數(shù)較多且在傳感系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了若干問(wèn)題，因此于2016年10月對(duì)傳感系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，包括傳感線的選擇、采樣點(diǎn)的布設(shè)和拉力傳感器的安放三部分。傳感線最終選定直徑2.0mm、抗拉能力≥2200N的聚醋塑鋼線作為傳感線；經(jīng)多次試驗(yàn)后，選擇用沖擊鉆打孔，用帶羊眼圈的304鋼材質(zhì)的M10型膨脹螺栓（該膨脹螺栓表面光滑、不生銹）固定傳感線，可滿足傳感系統(tǒng)要求的低阻力拉力傳導(dǎo)能力，拆卸和安裝方便；傳感器的安放改進(jìn)為在60cm×80cm×20cm（長(zhǎng)×寬×高）玻璃鋼表箱內(nèi)埋置的石頭上用沖擊鉆打孔，用相同型號(hào)的膨脹螺栓固定傳感器，最后用土覆蓋表箱，施工簡(jiǎn)便且可保護(hù)傳感器。

（2）數(shù)據(jù)采集。在丁壩背水面設(shè)置設(shè)備井，內(nèi)部安放YRAP-D型一體化采集設(shè)備，該設(shè)備為項(xiàng)目組自行研發(fā)，具備數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程供電等功能，可根據(jù)需要安裝多種類型傳感器，采集氣候、水情等信息。

（3）數(shù)據(jù)傳輸。YRAP-D型一體化采集設(shè)備通過(guò)網(wǎng)線連接至壩圓頭處的線桿上，使用河南黃河防洪工程信息網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳至工程班接入黃河專網(wǎng)，具備防洪工程—班組—縣局—市局—省局—黃委六級(jí)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)訪問(wèn)能力。

（4）控制系統(tǒng)。自行研發(fā)壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于接收YRAP-D采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)智能在線評(píng)估模塊、案例對(duì)比分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可判斷具體出險(xiǎn)部位、傳感系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等工況，并實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信、郵件報(bào)警及視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等功能。系統(tǒng)首頁(yè)見(jiàn)圖1。

2.4 供電系統(tǒng)改進(jìn)

供電系統(tǒng)是壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，是確保壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。2016年11月，在大玉蘭控導(dǎo)工程30壩安裝的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)受連續(xù)霧霾天氣影響，出現(xiàn)了不能連續(xù)供電的現(xiàn)象，急需對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，擬用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)代替風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)。

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)是獨(dú)立的子系統(tǒng)，主要由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池和逆變器組成?？刂破鞅敬胃倪M(jìn)為智能型MPPT太陽(yáng)能控制器，該控制器可遠(yuǎn)程查看控制器各項(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能充電情況；逆變器本次采用純正正弦波逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的修正正弦波逆變器；為便于安裝，增強(qiáng)支架的穩(wěn)定性，結(jié)合太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在12m水泥線桿上的安裝高度，用適配的U形抱箍固定支架，支架下端最外側(cè)角鐵由整體變?yōu)槁菟ㄣq連接，設(shè)計(jì)出一種使用小型電動(dòng)葫蘆不使用吊車的便于安裝的支架。改進(jìn)后的供電系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

3 推廣應(yīng)用及效益分析

3.1 推廣應(yīng)用情況

2015年10月，在大玉蘭控導(dǎo)工程安裝5套壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備，之后進(jìn)行了多次模擬險(xiǎn)情試驗(yàn)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。2016年3月31日7時(shí)50分，大玉蘭控導(dǎo)工程34壩迎水面發(fā)生較大險(xiǎn)情，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到34壩迎水面出險(xiǎn)并自動(dòng)報(bào)警，首次實(shí)現(xiàn)了在真實(shí)防汛環(huán)境中的險(xiǎn)情報(bào)警，并自動(dòng)錄制了出險(xiǎn)及搶險(xiǎn)視頻，這是黃河上首次以視頻方式完整記錄出險(xiǎn)全過(guò)程；2016年6月5日20時(shí)3分，大玉蘭控導(dǎo)工程出現(xiàn)降雨量50mm以上的暴雨，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到33壩迎水面及圓頭出現(xiàn)險(xiǎn)情并自動(dòng)報(bào)警，在惡劣天氣下實(shí)現(xiàn)了險(xiǎn)情報(bào)警。系統(tǒng)運(yùn)行至今還監(jiān)測(cè)到以下險(xiǎn)情：2016年4月1日33壩圓頭的根/坦石坍塌、34壩迎水面的根石坍塌，4月7日34壩拐頭迎水面的根石坍塌，4月8日33壩迎水面的根石坍塌、33-34壩拐頭迎水面至上跨角的根石坍塌，5月13日、5月26日、6月1日34壩迎水面以及8月12日33壩迎水面的根石坍塌。

2016年6-7月，黃河報(bào)、黃河電視臺(tái)記者先后對(duì)大玉蘭控導(dǎo)工程壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了采訪報(bào)道；2016年7月15日，溫縣人民武裝部組織民兵基干分隊(duì)和71762部隊(duì)官兵共330余人，在大玉蘭控導(dǎo)工程26壩舉行了溫縣軍民防汛搶險(xiǎn)演練，期間使用黃河壩岸險(xiǎn)情監(jiān)控報(bào)警報(bào)險(xiǎn)系統(tǒng)的移動(dòng)視頻監(jiān)控模塊，對(duì)模擬搶險(xiǎn)演練進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)直播，并錄制了搶險(xiǎn)演練視頻，為防汛搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)指揮提供了有力保障；2017年4月，該項(xiàng)目參加了第十四屆國(guó)際水利先進(jìn)技術(shù)（產(chǎn)品）推介會(huì)，受到了與會(huì)專家的好評(píng)及同行的關(guān)注；2017年4月，該系統(tǒng)在武陟第一黃河河務(wù)局沁河老龍灣險(xiǎn)工7垛完成推廣，同年5月推廣到蘭考黃河河務(wù)局蔡集控導(dǎo)工程9壩及長(zhǎng)垣黃河河務(wù)局大留寺控導(dǎo)24壩。目前所有系統(tǒng)運(yùn)行正常。

3.2 效益分析

3.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

該系統(tǒng)單道壩建設(shè)成本為10萬(wàn)元左右，與同類系統(tǒng)相比具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。表1為大玉蘭控導(dǎo)工程2010-2017年出險(xiǎn)情況統(tǒng)計(jì)。

由表1可以看出，2016年安裝壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后由于發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)，做到了“搶早搶小”，因此搶險(xiǎn)用石較少，節(jié)約了一定投資。

3.2.2 社會(huì)效益

壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接方式，能更好地適應(yīng)復(fù)雜多變、基礎(chǔ)條件較差的灘區(qū)環(huán)境，系統(tǒng)由技術(shù)簡(jiǎn)單、保證率高的單元模塊組成，維護(hù)、保養(yǎng)、操作簡(jiǎn)便。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定，一方面可及時(shí)有效地實(shí)時(shí)獲得黃河防洪工程運(yùn)行情況及黃河汛情發(fā)展情況，并遠(yuǎn)程進(jìn)行搶險(xiǎn)指揮；另一方面可有效降低人工查險(xiǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作風(fēng)險(xiǎn)，提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性以及河務(wù)工作的管理水平和效率。

4 結(jié)語(yǔ)

壩岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用使黃河出險(xiǎn)情況、搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)、工程運(yùn)行狀況盡在掌握，并用“互聯(lián)網(wǎng)+”的理念實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源共享，改變了“巡查靠人眼、決策靠電話”的防汛工作局面，推動(dòng)了信息化與治黃業(yè)務(wù)深度融合。項(xiàng)目緊密結(jié)合治黃實(shí)際，經(jīng)過(guò)兩年來(lái)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試、優(yōu)化、運(yùn)行和推廣，能更好地適應(yīng)復(fù)雜多變、基礎(chǔ)條件較差的灘區(qū)環(huán)境，推廣應(yīng)用前景廣闊，實(shí)現(xiàn)了壩岸險(xiǎn)情的監(jiān)控、查險(xiǎn)、報(bào)險(xiǎn)一體化解決方案。系統(tǒng)具備高度可視化界面，易于使用管理，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)聯(lián)動(dòng)等功能?；鶎狱S河防汛信息化是信息化與治黃工作深度融合的必然趨勢(shì)，是“智慧黃河”的一種體現(xiàn)。焦作局將更好地發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，以基層信息化建設(shè)、黃河防洪工程信息化項(xiàng)目為基礎(chǔ)，推進(jìn)治黃事業(yè)的“互聯(lián)網(wǎng)+”進(jìn)程。