监测方案设计浅论

魏德荣

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014）

监测方案设计浅论

魏德荣

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014）

对监测方案设计的重要性、特性、设计原则、设计方法及注意事项进行了分析，供参考。

监测；方案设计；特性

0 前言

监测方案设计年年在做，它有哪些规律，哪些设计方法，哪些需要注意的问题，报道不多。为提高监测设计方案的质量，对相关问题进行总结显然十分必要。鉴于此，对监测方案设计进行了浅析，借以抛砖引玉。

1 监测方案设计及其特性

监测方案设计是根据工程安全监控、验证设计、指导施工或检验施工功效等不同目的，用当代科学技术而制定某种实现目的的方法以及确定最终结果的形象。它是监测设计中最关键的一个设计环节。

方案是关键。从设计的全过程来说，方案设计处于监测设计的第一阶段。因为整个监测设计大体上可分为可行性研究阶段、招投标设计阶段及施工图设计阶段。根据DL/T5178-2003《混凝土坝监测技术规范》，可行性研究阶段主要提出安全监测系统的总体设计专题，招投标设计阶段主要是提出监测系统设计文件，施工图阶段主要是提供施工详图。可见，设计方案在可行性研究阶段就要提出，以后只是在此基础上进一步补充、修改、完善、具体化而已。俗话说，设计是龙头，方案设计则是龙头的龙头。监测方案设计是否合理，直接关系到监测设计乃至安全监测的成败。

方案是关键。因为方案设计中要考虑的因素众多，监测方案设计是对大坝安全监测系统的整体设计，各个因素的整体考虑，事关大坝安全监测全局。要考虑测点布置、仪器选型、网络布设，要考虑系统的稳定性、安全性和可靠性，要考虑施工方法及相关施工的协调等等，并且，要将一切要素和构思统一起来，形成一个完整的与建筑物“十分和谐”的安全监测方案。

方案是关键。因为监测设计最难把握的是方案设计；做方案，难在“无中生有”，难在创新，难在从监测的本性出发，实践性地进行新的开拓。

因此，监测方案设计不能草率从事，不能马虎，而应兢兢业业，反复推敲，做到精心设计。

监测方案设计有以下一些基本特性：

（1）目标明确，包括主要目标和次要目标，都比较明确。

（2）监测方案是由诸多要素形成的，因此，优秀方案不只有一个。设计师应该思想开放、思路开阔、大胆创新，在众多设想中择优选用监测方案。

（3）监测方案设计是一种创造性的思维劳动，因此，它只能以个人作业方式进行。在个人方案做出来以后，为避免片面性，再由相关人员组织讨论、分析、修改、补充、完善，并最终确定最佳设计方案。

（4）监测方案设计是在各种限制条件中进行的，设计的自由局限在容许的可行范围内。其约束

主要来自科学技术原理、当前可选仪器设备、经济、环保及用户需求等方面。

（5）监测方案设计是一个“需要-寻找-评价”的反复过程，它是一种决策性的过程，一种将当代技术应用到生产生活中的决策过程，因此，方案设计须经过多次反复才能确定，有时是小反复，有时是大反复。

2 监测方案设计的基本方法

监测方案设计的基本方法主要有两类：由整体到局部的设计方法和由局部到整体的设计方法。前者是主要方法，后者为辅助方法。

2.1 由整体到局部的设计方法

由整体到局部的设计方法是按由粗到细的原则，从监测系统的功能关系和被监测建筑物结构入手，首先提出总体设计，然后一步一步地深入，由“粗线条”到细节部分，用比较的方法，反复修改，逐步完成方案设计。这是监测方案设计的主要方法，该方法的关键是“抓大放小”，抓大关系，各个环节不拘泥于细节，不具体化，较粗略，从而把握全局。

由整体到局部的设计要求在设计中抓重点，突出重点。因为建筑物要监测的部位、要监测的项目可以数不胜数，如果不突出重点，安全监测将无法进行。当前，只有通过仔细分析，找出影响大坝安全或能敏感反映大坝安全状况的监测内容和关键部位，进行有重点的、有针对性的监测设计，由粗到细，实施少而精的监测。

由整体到局部的设计要求把握全局进行监测设计。大坝安全问题是一个四维时空问题，用有限的测点对它进行监控的时候，在突出重点的同时，还需兼顾全面，从监控工程的安全出发，分层次设置监测断面，形成监控网络，从而实现对大坝完整的监控。

“由整体到局部”的方案设计有以下两个主要阶段。

2.1.1 总体设计阶段

总体设计首先从被监测的建筑物开始，接着就是把安全监测系统的功能、规模和建筑物的形状、大小进行有机的结合，初步确定监测管理中心站、监测管理站和监测站的数量和位置，同时确定网络结构。这里，关键是“抓大”，抓“粗线条”，不拘泥于细部，不具体化，着眼于大关系。

2.1.2 单项设计阶段

单项设计是在总体设计的基础上深入、细化，是将总体设计细化到各个细节部分。这一步工作，应当从位移监测设计入手，而且应当是位移监测设计为主。这样既理顺了关系，又突出了重点。单项设计的主要工作是测点和监测站的配置设计，以及测点与监测站的连接设计。这一步需要经过反复比较、反复修正才能完成。

2.2 由局部到整体的设计方法

由局部到整体的设计方法是由单项监测项目这种局部单项入手，先做单项设计，然后根据被监测建筑物的形体及业主的要求，按功能关系，运用技术手段将各个细部天衣无缝地组合起来，完成整个监测系统的方案设计。这种设计方法在监测系统更新改造及监测系统完善化中较常采用。

由于有了规范、有了以往的监测设计资料，做单项设计并不难。由局部到整体的设计方法的关键是如何把已确定了的各个单项细节拼接起来，拼接时需要注意以下几点：

（1）满足功能连接；

（2）满足各种传感器和采集装置之间的技术连接；

（3）满足经济适用要求。

拼接组合各个单项监测装置时，主要的方法是“网络接入”法。

3 监测方案设计的步骤

监测方案设计是一个反复进行的过程，这个过程主要经历以下四个步骤：了解需求→确定功能→构思参数→过程保证。

这四个步骤相互体现了设计的宗旨，前一个对后一个表示“设计要达到什么”，后一个对前一个表示“设计将如何达到它”。第一步是了解用户需求，明白了设计要达到什么，比如设计一个稳定、可靠及适用的自动化监测系统。接着是第二步确定功能，将用户需求转化为功能需求，将用户自动化系统的要求转化为自动数据采集功能、自动通信功能、存储功能、报警功能、自检功能、防雷功能、报表

制作功能等等功能目标，回答设计将如何达到用户要求。第二步确定功能后，对第三步又提出了设计要达到什么的问题，为了满足确定了的功能，第三步需要构思设计方案，确定设计参数，以表达设计将如何达到它。这时，设计师需要根据以往的经验构思出一个解决方案并确认一系列设计参数，比如监测系统设置几层、几个监测站、几个采集单元、采用什么布置型式、什么连网型式、几个监测断面、几个测点布置、仪器精度、系统的平均无故障工作时间，等等。第三步确认设计参数之后，对第四步又提出了设计要达到什么的问题，为了满足这些设计参数，第四步需要构思一个具体的实施办法和一系列保证措施，如仪器选型、可靠性设计、优化设计，等等。

方案设计初稿出来后，紧接着是评审。根据评审结果，有时又得反复以上步骤。

这就是监测方案设计的基本步骤。为了做好监测方案设计，需要对每一步有充分的认识。

第一步，在大坝安全监测过程中，不断地产生着各种各样的需求。需求是设计的开始。设计师的任务就是运用科学知识来满足人们的需求。满足需求是设计工作的出发点、核心和归宿。设计中遇到的很多问题都可以归结于对用户的需求不清。需求不清常常导致设计失败。因此，设计过程中最重要的一步是明确用户的需求，理解用户的需求。然而，明确用户需求并不是一件容易的事，设计师务必下功夫，加以详细的调查，理清楚一条条清晰而明确的用户需求，绝不模棱两可。还需要区分主要需求和次要需求，次要需求是有关设计方案的具体需求，次要需求太多将导致设计方案成为某座电站监测系统的翻版。次要需求可以在设计过程中与用户进一步商恰。

第二步，设计师需要将用户全部需求用功能性的词语表达出来，明确设计目标，包括主要目标和次要目标。这一步是对最终设计的概括描述，因此，要做到用户需求一个不漏。在这个过程中，必须使用独立公理来做出正确的设计决策。独立公理是指功能需求必须始终保持相互独立，不相互矛盾。如果功能不相互独立，设计将极为困难。监测系统的功能可以分为实用功能和审美功能，在满足主要实用功能的同时，还要关注审美功能，做到仪器设备布置有序，各种线路井井有条，令人赏心悦目，给大坝增添生气、灵气。

第三步，监测系统的功能明确后，随即进入创造性的概念设计，构思设计参数。概念设计是一种形象思维方法。由局部到整体的方法设计时，因局部功能较少，通过形象思维，由功能转为确认设计参数也就比较容易；当按由整体到局部的方法设计时，有许多必须满足的功能，涉及的知识面广，需要有多元的扎实的功底和智慧，设计难度较大。

这一步特别提倡创新，但是，创新并不只是潜意识中灵感的闪现，而是在不违背自然规律和社会道德的前提下，将新技术、新设备、新方法、新形象和新趋势进行思维再创造，是在不断吐故纳新和不断吸纳成功监测方案精华的基础上进行拓展与改造。在创新构思的过程中，人们总结了不少创新方法，这些方法在实践创新的过程中得到了有效的应用，并收到了良好的效果。但这些方法不是金科玉律，不是绝对的选择，它仅仅提供了一种创新的基本思路。创新构思的基本途径可以分为两条：一条是有中生新，属于改造型创新构思；另一条是无中生有，从潜意识出发，挖掘灵感潜质，属于萌发型的创新构思。具体的内容见图1。

图1 创新构思方法Fig.1 Innovation of the design method

第四步，需要根据所掌握的现代科学知识和新的监测设施情况，构思一个具体的实施办法和一系列保证措施，使解决方案及一系列设计参数得以实现，常用方法有：

（1）做好仪器选型，确定仪器设施的性能指标。

（2）进行可靠性设计。可靠性就是设计的方案今后运行安全、可靠。为此，不仅要求选择稳定可靠且操作简便的监测方法和高精度仪器设备，而且要求选择具有容差设计的监测仪器、具有自查功能的监测仪器、具有可维修性的监测仪器。对重要的监测项目，在监测方法使用上考虑两种方法互校；采用分布式自动化监测系统，并且辅以人工监测互校，系统具有防雷功能，等等。

（3）进行优化设计。提出优化设计方案。

最后是对设计方案的评审。评审的意义在于选择最佳方案。评审的准则是“满意”，因为最佳方案通常是建立在以“满意”为准则的基础之上的。方案评审的内容主要有两个：一个是对设计构想的评审，另一个是对设计产品的评审。

4 优化设计

所谓优化设计，就是从技术经济观点出发，求取工程问题的最优设计方案。

优化设计方法可分为两种，一种是现代优化设计方法，另一种是传统优化设计方法。

现代优化设计是将实际问题加以数学描述，形成一组由数学表达式组成的数学模型（包括设计变量、目标函数和约束条件），然后选择一种最优数值计算方法，通过计算机求解，得到一组最佳设计参数，即得设计的最优解。

传统优化设计是针对实际问题，提出几个设计方案，然后从技术经济观点、系统使用角度进行方案比较，取最优化的设计方案。由于传统方法提出的设计方案有限，因此，所得最优设计方案通常是相对的。

大坝安全监测设计由于要求测点的布置、仪器的选用较为重要，约束条件较为宽松，网络监测站的设置常常听从业主的意见，因此，当前尚难于进行数学描述，难于建立数学模型，难于采用现代优化设计方法，仍然采用传统优化设计方法。

大坝安全监测系统量大面广，设计中通常将整个系统按以下三个层次进行优化设计：最优测点（传感器）布置设计、最优采集单元布置设计和最优组网设计。

4.1 最优测点及传感器的布置设计

测点及传感器的布置设计优化的目标是寻求适合于监测目的的最少测点和最佳传感器。

4.1.1 测点布置

测点布置优化原则：突出重点，兼顾全面；一点多用，统筹安排。

4.1.2 传感器选型

传感器的选择对自动化监测系统来说至关重要，它直接关系到数据的采集精度和系统运行的可靠性，所以应尽量选择性能好的传感器。监测仪器选型优化的目标是寻求适合于监测目的的最简单和最可靠的仪器设备。

传感器选型优化原则：传感器精度高、灵敏度高，且稳定、耐久、可靠，具有足够的量程，满足监测的需要；传感器结构简单、密封性好、元器件质量高、坚固耐用，埋设安装方便，受施工干扰小；能在恶劣环境下正常工作；出现故障易于查找原因，易于修理或更换；性价比好。

4.2 最优采集单元布置设计

采集单元的布置优化设计的目标是寻求适合监测目的的较少采集单元和最佳采集单元。

4.2.1 采集单元的布置

采集单元布置优化原则：采集单元分散性原则（分散设置在靠近传感器的地方）、区域性原则（同类传感器相对集中）。

4.2.2 采集单元的选型

采集单元是在线采集系统中的关键设备，主要用于对系统中各类传感器进行数据采集、分析处理、存储和传输。它直接关系到数据的采集速度、采集精度和系统运行的可靠性，所以应尽量选用性能优越的采集单元。

采集单元选型优化原则：具有较好的兼容性，可接受来自传感器的频率信号、电流信号、电压信号、电感信号和电容信号；具有完善的数据采集功能；数据采集具有多种方式，且精度高、速度快；具有自查、自诊断功能；防雷及抗干扰性好；可靠性高；可维护性好。

4.3 最优组网设计

网络系统的布置优化设计的目标是寻求适合监测目的的、既安全、方便又经济的传输网络。

（1）网络布置。网络布置其实是网络系统结构层次的安排及各个层次的网络布置，其中结构层次的安排又决定于监测站（网络管理单元）的布置。

网络布置优化原则：采用主从结构的分层网络应适应工程及使用要求；通信方式应适应工程实际；采集系统满足测点数量及一定的集中度；“监测中心”及“监测站”的软件及硬件满足工程需要，并满足防雷及防断电需要。

（2）网络选型。网络选型优化原则：传输速度快、可靠性高、服务性好、使用业绩好、性价比高。

5 方案设计中几个需要注意的问题

5.1 方案设计前，需要做好资料收集工作

资料是否准备充分关系到能否缩短设计时间、降低设计成本、保证监测系统设计质量等一系列问题，因此，要及时收集与设计相关的资料。

（1）收集设计任务书。这是第一步，任务书中有监测目的、监测内容及监测规模，同时应了解业主的基本意图，可为方案设计找到主线。

（2）收集工程资料。有关大坝的设计图纸、设计报告都需要收集，并要了解大坝结构分析成果、水力学计算成果，了解相关的科研成果，详细地利用资料进行深入分析，掌握工程主要问题是做好监测方案设计的根本。

（3）收集同类工程的监测设计资料。分析它们的规模、功能、总体结构以及细部构造等等，找出它们的成功和不足之处，为方案设计提供借鉴。最好能去有关水电站进行一次调研。

（4）收集监测设备资料，特别是最近最新的设备资料，包括通信网络资料。监测设备不仅仅是监测系统的外形，更重要的是采集监测资料的工具，因此需要考虑它的时代性及先进性。

5.2 方案设计中要时刻把握住安全监测的功能要求

安全监测的功能要求体现了安全监测的目的。监测设备、监测仪器、网络设施、软件配置等都是实现监测目的的手段，方案设计中要时刻把握住安全监测的功能要求。不能为设计而设计，更不能不顾实际进行抄袭。因此，安全监测的功能要落实到测点的布置上，如何以有限的测点实现监测的功能要求；安全监测的功能要落实到仪器选型上，如何选择稳定、可靠、精度满足要求、操作简单、维护方便的仪器；安全监测的功能要落实到网络设置上，如何使网络既准又快地传递上、下双方信息；安全监测的功能要落实到软件配置上，如何通过软件使系统发挥更好的监测功能。总之，方案设计中要时刻把握住安全监测的功能要求，不忘安全监测的目的。

5.3 发挥团队优势，严格按产品流程运行，确保设计方案质量

在监测方案设计过程中，由于各种问题的本质和现象并非十分清楚，容易为假象所蒙蔽，加上设计人员的业务水平、工作水平所限，设计中难免有错误发生。因此，必须发挥团队优势，严格按产品流程运行，及时做好前期设计工作的校核和审查，确保设计方案质量。对于重要的工程，不仅要事后审查，而且可事前向有关专家进行咨询，以确定设计思路；对于大的工程，事中也可组织汇报会、讨论会，避免设计中走弯路。

6 结语

（1）监测方案设计是监测设计中最关键的一个设计环节，它处于监测设计的第一阶段，如果说设计是龙头，方案设计则是龙头的龙头。监测方案设计是否合理直接关系到监测设计乃至安全监测的成败。

（2）监测方案设计的基本方法主要有两类：由整体到局部的设计方法和由局部到整体的设计方法。前者是主要方法，主要用于新坝设计；后者为辅助方法，主要用于老坝的更新改造。

（3）监测方案设计有以下基本特性：

①优秀的设计方案不只有一个；

②方案设计只能以个人作业方式进行。在个人方案做出来以后，为避免片面性，再由相关人员组织讨论、分析、修改、补充、完善，并最终确定最佳设计方案；

③监测方案设计是一种决策性的过程，一种将当代技术应用到生产生活中的决策过程，因此，方案设计需要进行优化设计，须经过多次“需要-寻找-评价”的反复过程才能确定，有时是小反复，有时是大反复。

（4）监测方案设计是一个反复进行的过程，这个过程主要经历以下四个步骤：了解需求→确定功能→构思参数→过程保证。这四个步骤体现了设计的宗旨，前一个对后一个表示“设计要达到什么”，后一个对前一个表示“设计将如何达到它”。

（5）方案设计中需要注意以下问题：

①方案设计前，需要做好资料收集工作，相关资料收集越全越好；

②方案设计中要时刻把握住安全监测的功能要求；③发挥团队优势，严格按产品流程图运行，确保设计方案质量。 ■

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The paper analyzed the design of the monitoring scheme in aspects such as its importance, characteristics,design principles and method as well as points for attention.

monitoring;scheme design;characteristic

TV698.1

A

1671-1092（2014）04-0001-05

2014-04-04

魏德荣（1941-），男，浙江嵊州人，教授级高级工程师，从事大坝安全检查及监测信息研究工作。

Title:Design of the monitoring scheme//by WEI De-rong//Large Dam Safety Supervision Center of Na⁃tional Energy Administration