地震反应监测与大坝安全监测联动系统设计与实现

张国祥，许重富，许春燕，葛从兵

（1.南京水利科学研究院，江苏南京，210029；2.山美水库管理处，福建泉州，362000）

山美水库位于福建省南安市晋江支流东溪中游，距泉州市约50 km，是一座以灌溉为主，结合防洪、供水、发电等综合利用的大（2）型水利枢纽工程。山美水库于2005年和2007年分别建立了大坝安全监测自动化系统和地震反应监测系统。大坝安全监测自动化系统对大坝安全监测传感器进行测量，地震反应监测系统在地震时记录地震波。由于两个系统单独运行，信息互不共享，不知道何时发生地震，大坝安全监测自动化系统不能在震后立即观测并增加测量频次。为此，开发地震反应监测与大坝安全监测联动系统，使大坝安全监测自动化系统在震后能立即观测，并增加测量频次，以便掌握震后大坝安全性状。

1 监测系统

1.1 大坝安全监测系统

山美水库大坝安全监测项目包括主坝变形监测、主坝渗流监测、主坝应力应变监测、副坝渗流监测和环境量监测，除变形监测外，其他监测项目均实现自动化观测。

大坝安全监测自动化系统由68只传感器、两台测量控制单元（MCU）、监测计算机、光缆及一对光纤调制解调器组成。MCU位于观测房，监测计算机位于计算机房，两者相距2 km。MCU采用南京水利科学研究院的IHSMS-I测量控制单元，其配套数据采集软件具有MCU设置、系统自检、单点测量、巡回测量、定时测量等功能。

大坝安全监测自动化系统自建成以来，系统一直运行正常，按每日一次测量频次测量所有传感器。

1.2 地震反应监测系统

山美水库地震反应监测系统由7只三向重力加速度计、2台强震记录仪、监测计算机、电话线及调制解调器组成。强震记录仪位于观测房，监测计算机位于计算机房。强震记录仪采用美国Kine⁃metrics公司的强震记录仪K2，地震波采集软件采用Altus QuickTalk，地震波形分析软件采用View⁃Wave。

地震反应监测系统自建成以来，强震记录仪工作正常，由于电话网传输数据速度慢，易中断，故一般不采用电话方式获取地震波文件，而是定期在观测房用便携式计算机直接从强震记录仪获取地震波文件。这种运行方式实时性差，自动化程度低。

2 联动系统设计

地震反应监测与大坝安全监测联动，实现以下功能：（1）地震反应监测自动化；（2）震后MCU立即巡回测量；（3）在局域网范围内进行地震波分析；（4）绘制震后监测量过程线。

2.1 地震反应监测信息自动采集

地震反应监测自动化系统改用光纤传输方式。由于监测计算机与强震记录仪K2之间通信协议无站号识别功能，故用监测计算机两个串行口分别连接两台K2。大坝安全监测计算机通过一个串行口和两台MCU通信，在通信方式上与地震反应监测系统存在差异，故地震反应监测系统利用备用光纤另建一条通讯线路，其光纤调制解调器具有2个串行口。地震反应监测计算机采用大坝安全监测自动化系统监测计算机。其结构见图1。

地震波采集软件Altus QuickTalk具有K2参数设置、状态查询、目录浏览、地震波文件获取及删除等功能，但这些功能需要工作人员操作，不能自动完成。故需根据Altus系列设备通讯协议[1]和XMO⁃DEM协议[2]，开发地震反应监测自动采集模块。地震反应监测自动采集模块采用查询方式，每隔一段时间查询一下强震记录仪状态。当发生地震事件后，等到地震波文件存储到K2的PCMCIA存储卡后，将地震波文件传输至监测计算机。同时，为避免地震波文件重复传输，将删除已传输的地震波文件。自动采集模块伪代码如下：

图1 联动系统结构Fig.1 Structure of linkage system

2.2 系统联动

大坝安全监测自动化系统数据采集用户界面有两种模式：C/S模式和B/S模式。这两种用户界面程序均不直接与MCU通讯，仅向数据库写入操作指令和从数据库读取执行结果。与MCU进行通讯的任务由数据采集服务模块完成，它从数据库中读取操作指令，向MCU发送相应指令[3]；MCU执行完毕后，将测量数据或执行结果发送给数据采集服务模块，由其存储至数据库。

当地震发生后，地震反应监测与大坝安全监测联动由两个步骤组成：（1）地震反应监测自动采集模块定时向数据库写入联动指令；（2）数据采集服务模块执行联动指令。

联动指令写入伪代码如下：

2.3 地震波分析

地震波形分析软件原来采用ViewWave，该软件为C/S模式，只能在监测计算机上运行。而山美水库信息化水平高，水情信息、工程安全信息、电站信息等均在网络环境下进行管理，不仅在水库枢纽能管理这些信息，在泉州市山美水库管理处也能实时管理这些信息。因而，采用C/S模式的ViewWave不符合山美水库需要。大坝安全信息管理系统采用B/S模式，故将地震波分析功能添加至该系统上。

地震波分析包括地震信息表打印和地震波图形绘制。地震信息表给出每次地震信息，包括地震时刻、历时、加速度最大值、加速度最小值、加速度峰值和烈度。地震波图形类别有加速度、速度、位移、傅里叶谱、功率谱、自相关系数、加速度反应谱、速度反应谱、位移反应谱和报告等图形，其中报告包括一只三向加速度计（三个通道）的加速度波形、速度波形、傅里叶谱和速度反应谱。

2.4 震后过程线

开发联动系统的目的是大坝安全监测自动化系统能够在震后立即增加测量频次，获取大坝震后高频次监测资料，以便分析大坝震后运行状况。

大坝安全信息管理系统能绘制各监测量过程线。由于大坝安全监测量变化缓慢，人工观测一般五天一次，自动化监测一般一天一次，故该过程线横坐标（时间）最小单位为日，不能反映测量时间间隔为几十分钟或几小时的震后监测量变化。

针对上述问题，增加震后过程线模块。该过程线以地震时刻为起点，可以绘制震后24 h，48 h，72 h加密观测的监测量过程线，能够反映震后监测量变化。

3 联动系统实现

3.1 开发环境

山美水库地震反应监测与大坝安全监测联动系统运行在Microsoft Windows 2003 Server上，集成开发环境采用Microsoft Visual Studio.Net 2005，编程语言采用C#，数据库采用Microsoft SQL Server 2005。

图2 地震信息表Fig.2 Seismic information

3.2 功能实现

山美水库地震反应监测与大坝安全监测联动系统实现了地震信息及时获取、地震波文件远程传输、震后大坝安全监测自动化系统立即测量及测量频次增加、地震波分析等功能，满足了山美水库监测自动化的需要，提高了水库信息化水平。

系统实现的主要功能有：

（1）联动参数设置：可以查询、设置地震事件查询间隔、震后MCU测量次数、测量时间间隔等参数。

（2）联动操作：启动联动、停止联动和消警。启动联动是监测计算机开始自动查询有无地震事件以及判断MCU是否要进行测量；停止联动是在联动状态下监测计算机停止查询地震事件；当有地震事件后，联动系统界面的状态栏将显示已有地震事件，只有消警操作才能清除这一信息。

（3）地震信息表：在地震信息表页面，可列出各次地震的信息，见图2。2013年4月采集到的地震波不是由地震引起的，而是重型运输车辆经过加速度计安装位置造成地震动引起的。

（4）地震波图形：在地震波图形页面，可绘制某次地震各通道地震波各类图形。图3为一只三向加速度计地震波报告，包括三个通道的加速度波形、速度波形、傅里叶谱和速度反应谱。

（5）震后过程线：在震后过程线页面，可绘制震后加密观测的监测量过程线（见图4）。

图3 报告Fig.3 Report

4 结语

山美水库地震反应监测与大坝安全监测联动系统能够远程自动采集地震信息，地震波文件自动传输至计算机房。大坝安全监测自动化系统能够震后立即进行监测，并根据需要增加测量频次；能够在局域网范围对地震波形进行分析，打印地震信息表，绘制加速度、速度、位移、傅里叶谱、功率谱、自相关系数、加速度反应谱、速度反应谱、位移反应谱、报告等图形；能够绘制震后监测数据过程线。

图4 震后过程线Fig.4 The data process line after an earthquake

山美水库地震反应监测与大坝安全监测联动系统的研制，实现了地震反应监测自动化，减少了地震监测工作量，满足了震后大坝安全实时监测要求，提高了水库信息化水平，为震后大坝安全运行提供了技术支撑。

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

[2]伍文平,王小兵,唐一禄.Xmodem协议分析与Windows CE平台实现[J].电脑知识与技术，2008,1(2)：192-195.

[3]张国祥.IHSMS-I测量控制单元[R].南京：南京水利科学研究院,2005.