杨埕水库围堤安全实时监测自动化系统的建立

刘长征，赵卫国，王立君，魏建明

(河北省沧州市水利科学研究所，河北 沧州 061000)

杨埕水库围堤安全实时监测自动化系统的建立

刘长征，赵卫国，王立君，魏建明

(河北省沧州市水利科学研究所，河北 沧州 061000)

杨埕水库围堤安全实时监测自动化系统通过对水库坝体、坝基及围堤建筑物的长期准确监测和原始数据采集，及时掌握和评价水库大坝的动态工况，有力保障了水库的稳定、安全运行，为解决沧州东部地区饮水安全提供了有效的技术支撑。本文详细阐述了系统的组成结构、软硬件平台及实现的功能。

水库;安全监测;自动化

1 概况

杨埕水库位于河北省海兴县东部15 km，是沧州东部地区供水工程的重要组成部分，Ⅲ级水工建筑物，概算投资8.638亿元。水库围堤长约12 km，采用均质土坝，堤高8 m，坝顶高程 10.5 m，设计水位 9.0 m，蓄水深度 6.5 m，库区面积10.9 km2，总库容 6 568万 m3。为确保大坝的安全运行，于2009年5月建立了围堤安全实时监测自动化系统，用于及时而迅速地掌握和评价水库大坝的动态工况，作出评判并进行仿真分析;对突发性灾害进行预报，提供辅助决策及应急措施，对大坝安全运行提出指导性意见。

2 建设目标及内容

充分利用现有的技术条件，优选先进、稳定、经济的网络建设方案，在信息标准化的基础上依靠光纤通信网络和计算机网络的支持，实现大坝各项监测信息的自动采集、传输、汇总累计、及时上报，同时为水库运行、防洪调度和抢险抗灾提供准确的、科学的依据。

自动化系统主要对大坝渗流监测(包括坝基扬压力、坝基和坝体的渗流压力、坝体的孔隙水压力)、建筑物的基础扬压力、水库上下游水位的监测。

3 监测站布置

根据土石坝安全监测技术规范(SL 60－94)，在水库大坝共布设6个大坝断面监测站和供水泵站、泄水闸、进水涵洞3个建筑物监测站，共安装88支振弦式渗压计，全部选用北京基康公司生产的BGK－4500S系列仪器。断面安装剖面布置图如图1所示。

图1 断面安装剖面布置图

3.1 坝基扬压力监测

据地质条件和古河道影响，采用直接埋设振弦式渗压计的方式于1+400、10+000设置2个坝基扬压力监测断面，各布设4个测点。

3.2 坝基渗流状态监测

采用直接埋设振弦式渗压计的方式于1+100(供水泵站和大坝接合处)、3+800(进水口处，古河道位置)、5+200(泄水闸处)、7+500(典型断面，大坝的拐角处)、11+000(进水泵站)断面设置5个监测断面，各布设4个测点。

3.3 坝体渗流状态监测

采用直接埋设振弦式渗压计的方式在1+100、3+800、5+200、7+500、11+000断面布设5个监测断面，各布设8支渗压计。

3.4 坝体孔隙水压力监测

采用直接埋设振弦式渗压计的方式于1+400、10+000布设2个监测断面。

3.5 建筑物扬压力监测

在供水泵站0+000和泄水闸5+200设置两个围堤建筑物监测站。

3.6 库水位监测

在进水泵站、供水泵站分别设置两处水位监测站。

4 系统组成

监测中心(CCU)布设在水库管理处的调度中心，监测服务器上运行着庞大的应用软件系统，和各监测站的通讯采用环形拓扑光纤通讯网络，监测站间通过信号转换设备采用RS485光纤连接，监测站采用多功能监测箱来构建现场各采集单元MCU，MCU直接和传感器相连，电源由太阳能光伏发电系统供电。

4.1 总体结构

围堤安全实时监测自动化系统组成结构如下(图2):

图2 总体组成结构图

4.1.1 监测设备

传感器:振弦式渗压计、孔隙水压力计、液位计。

供电设备:智能开关电源、UPS、蓄电池、太阳能板。

信号转换器及测量单元:测量单元 MCU、通道转换器、防雷抗干扰设备。

光信号传输设备:光端机、收发器、转换器、中继器。

中心端设备:工控计算机、串口服务器。

4.1.2 数据采集接口

系统与监测数据自动采集硬件部分用采集接口相连，将从现场仪器仪表自动采集到的数据存入采集接口，系统从采集接口读取自动采集的数据。

4.1.3 数据库系统

数据库包括设计、施工、运行期间的所有数据和资料，以及正分析和反分析的成果。包括:工程概况库、监测仪器考证库、原始监测库(又分为自动采集库和人工采集库)、整编库、参数库(包括大坝的监控指标)、生成库(存储分析成果)、巡视检查库等。

4.1.4 预处理系统

通过疑点判别，把各类整编后的监测数据和监测资料与上述评判准则作比较，以识别监测资料的性质正常或异常，为判断大坝安全性状提供数据基础。

4.1.5 资料整编系统

把各种原始数据和文字、图表(含影像、图片)和分析成果、专家系统的意见等材料经过审查、考证、编辑，综合整理成系统化、图表化的成果。

4.1.6 图形/图像系统

将图形、图像、视频、动画等各种多媒体信息，保存在图形/图像库中，方便各类图形图表的存储和查询，功能包括读取资料、生成图形、增加、修改、删除、查询和打印图形等。

4.1.7 模型库系统

提供建模程序所需的统计模型、确定性模型、灰色理论模型和模糊数学模型。用来拟合与说明大坝工作性状并预测预报大坝的未来状况。基本内容包括:统计模型、确定性模型、灰色理论模型和模糊数学模型。

4.1.8 分析/算法库系统

包括系统可能用到的各种分析/算法。分析程序如:TOSS分析程序、BISS分析程序、渗流分析程序、稳定分析程序等;算法如:多元回归分析法、逐步回归分析法、差值回归法、时间回归法、极限平衡计算法、有限元分析法、反馈分析法等，通过接口访问分析/算法代理，实现计算的分布化。

4.1.9 预报预测系统

调用模型库子系统和分析/算法库子系统中的各种模型，应用各种计算分析方法，对监测数据资料进行统计分析或灰色理论分析或模糊信息分析，建立模型，并统计分析、灰色理论分析、结构分析、反馈分析的基础上进行综合分析或进行预测预报。

4.2 数据流程

根据监测中心命令，自动采集系统(硬件)自动采集现场仪器仪表的实时数据，通过数据接口进入数据库系统中的自动采集数据库，人工采集数据、巡视检查数据、监测仪器考证数据和工程概况数据，用人工输入各自的数据库。

整编数据可以输出，也可以运行图形/图像代理，将整编数据形象地用图形表示输出或存入图形/图像库。调用知识库、模型库、分析/算法库中的知识、模型和分析/算法进行各项分析，包括:疑点成因分析、统计分析、灰色理论分析、结构分析(包括渗流分析、稳定分析和应力分析)和反分析，然后运用专家知识、判别标准进行综合分析，提供辅助决策。

5 系统软、硬件平台

5.1 软件平台

软件总体框架如下图(图3)所示。

图3 软件总体框架图

软件总体设计考虑采用微软的Windows DNA应用模型，在Windows2000/IIS/SQL2005平台上构造整个评价预报系统，运行层次可以描述为:底层→中层→高层→最高层。

最底层运行底层单片机/工控制程序，提供系统对监测仪器(渗压计、液位计等)的直接控制。

在中层，运行高级控制程序和部分代理，提供途径来实现数据的接收/传递/反馈控制。

在高层，运行着预处理、图形/图像、分析/算法、综合分析、预测预报代理，提供各种对象和服务的隐形实现，提供系统安全和控制。以COM/MTS实现，包括用户管理、数据访问(ADO)等。

最高层运行用户界面，用来维护人机交互界面，提供各种功能的系统分析、统计、图形/图像、决策支持表示。

5.2 硬件平台

系统硬件总体框架如下图(图4)所示。

图4 系统硬件总体框架图

各测量控制单元MCU自动控制各种监测仪器自动检测渗流、压力、水位等各项数据，将采集到地实际数据格式化，通过光纤通信网络传给实时监测平台，动态显示数据，显示异常数据和异常情况。实时监测平台自动通过中心网络设备，访问后台的分析/算法代理、综合分析代理和其他代理，产生分析结果和判断结果，形成知识库中的新知识，并通过数据代理将数据保存到后台SQL数据库中，便于后台分析/判断/图像程序完成其他工作。

6 系统功能

系统主要功能是将监测仪表数据采集、光纤传输、监测数据存储、进行预处理，进入监测资料整编数据库，并可以直接输出;同时可以调用图形/图像库代理，将监测信息图形化表示，便于了解大坝各种性状及变化趋势;也可以进入安全分析评价预报系统，进行结构分析、综合分析、预测预报，全面了解大坝安全性状、变化规律及其产生原因，提供辅助决策，指导大坝安全运行，提高大坝运行水平，最大发挥杨埕水库的工程效益。

6.1 数据采集转换传输功能

1)远程控制和数据采集功能。无须亲临现场即可对测量模块和监测仪器仪表(渗压计、液位计等)的控制并获取相关数据。

2)现场操作功能。测量模块预留有与便携式微机接口，可实现现场标定、调试以及数据采集等功能。

3)实时时钟管理。设有实时时钟，为定时测量、自动存储等功能提供时间基准。

4)掉电保护。参数和测量数据存储于专用非易失性存储器中，确保掉电后数据安全。

5)抗雷击、瞬变干扰功能。在电源系统、通信线路接口、模拟输入引线等环节设置了抗雷击电路。

6)抗电磁干扰。金属盒封装并采用光电隔离技术。

7)智能化测量功能。分别实现选点测量、定时测量和即时测量等多种测量功能。

8)多种供电方式、不间断电源。供电方式:6～18VDC，220VAC交流任选。

9)光纤高效传输功能。数据传输误码率低、效率高。

10)扩展功能。测量模块和扩展模块可组合并方便地组建测量单元，每个测量单元可容纳多个模块，设有通信接口，可方便地组建网络测量系统。

6.2 统计分析预测功能

6.2.1 数据管理

1)录入人工监测数据;

2)导入其它来源的监测数据;

3)监测成果计算，包括渗流计算等;

4)监测成果检验评判，及时发现异常结果;

5)监测数据和成果保存到数据库;

6)监测数据和成果的查阅、编辑、删除、备份等;

7)监测成果的误差处理和整编规化;

8)数据的预处理功能。数据异常处理、误差识别、数据校正。

6.2.2 报表制作

可定制包括监测结果的年、季、月、旬、周、日等各种周期报表，风格随意多样，能适应任意复杂的格式，表格中数据的定义丰富齐全，包括普通测值、条件测值和各种特征值在内的几乎所有的报表需要的数据都能轻松获得。报表样式图如下(图5)。

6.2.3 图形图像制作

监测数据分析图形的绘制:包括过程线图、分布图、相关图、方块图、浸润线图等，图形都可随意定制，设置和生成实时绘制各监测点实时曲线图和历史曲线图。曲线图如下(图6)。

图形坐标的范围、比例可根据绘图数据自动确定，还可依需要手动设定和更改;图形具有无级放大功能;具有多种可供选用的线条线型、数据点标记，字体、颜色等也可随意设置。

6.2.4 监测数据的分析处理

提供有多种监测资料定量分析计算方法:如多元线性逐步回归、全回归、偏最小二乘回归等;可建立监测量的物理模型:包括统计模型、混合模型和确定性模型，可建立变形监测系统的分布模型;可分解监测量物理模型中的各组成成分，分析分量间的对比关系，揭示监测量的变化规律和原因。

6.2.5 分析评价预测系统

对大坝进行综合分析，对存在的不安全因素进行辅助决策，对大坝的整体安全度进行综合评价。调用各种模型，应用各种计算分析方法，对监测数据资料进行统计分析或灰色理论分析或模糊信息分析，对大坝的安全性状作出评判，进行仿真分析，为辅助决策提供技术支持，或进行预测预报。

图5 软件报表样式图

图6 软件曲线图图

6.2.6 文档管理

根据《土石坝安全监测资料整编规程》(SL 169－96)进行资料成册整编。大坝安全册管理;人工巡查记录及评判结果管理;设计、施工、运行的文件、图纸、报告及其它图文声像资料管理。

6.2.7 系统维护

备份、恢复系统架构信息。能实现系统的功能添加、扩充。快速检查浏览系统问题，发现系统通讯、配置、计算等错误。可查阅和维护系统运行日志。具有用户管理功能，用户操作权限的划分丰富细致。

［1］何勇军，等.大坝安全监测与自动化.北京:中国水利水电出版社.2008.

［2］赵卫，等.工程安全监测技术.2006.北京:中国水利水电出版社.2006.

［3］郦能惠.土石坝安全监测分析评价预报系统.北京:中国水利水电出版社.2002.

TP3:TV62

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1004－1184(2012)05－0161－03

2012－05－16

刘长征(1978－)男，河北海兴人，工程师，主要从事水利科研和水利自动化工作。