大坝溃决试验测试分析系统设计与实现

严吉皞，葛从兵

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

大坝溃决试验测试分析系统设计与实现

严吉皞，葛从兵

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

根据大坝溃决试验物理特性及数据分析需求设计并实现了基于Web技术的大坝溃决试验测试分析系统，解决了试验全周期下数据采集、存储、整编等问题。系统结合数据映射及GPRS技术，基于异构、异地数据集成实现了数据维护、统计分析等功能。系统能够实时监控传感器数据，并通过图形绘制、浸润线动态演示、报表打印等资料整编功能对比分析多场演变规律及关联性。针对密集、大容量溃坝试验数据特点，优化了数据存储结构、图形绘制算法、数据筛选算法等。

溃坝试验；测试分析系统；数据管理；实时监控；资料整编

大坝溃决作为大坝安全性破坏的极端事件，因其对人民生命财产造成的巨大威胁，越来越受到人们的关注[1]。大坝溃决试验基于物理模型的建立，通过自动化监测手段采集大坝蓄水、溃决全过程多场监测数据，研究大坝溃决机理、挖掘大坝溃决警兆，对大坝溃决早期预警等具有重要意义[2,3]。

传统的大坝监测自动化系统基于日常的大坝安全监测与管理工作设计[4]，无法适应大坝溃决试验监测项目多、数据量大、密集程度高的特点，缺少对探索性试验资料分析的支撑功能，不能与光纤传感技术[5]、进口多参数传感器[6]等新技术、新设备实现数据共享。

文中设计并实现了一种大坝溃决试验测试分析系统，该系统通过数据的统一管理、功能的扩展集成、性能的优化提升，为研究人员实时掌握大坝溃决试验进展、深入挖掘试验数据提供了有效的平台。

1 需求分析

大坝溃决试验是现实溃坝过程的试验模拟，与实际大坝安全监测密切相关，故大坝溃决试验分析系统基于大坝安全监测系统设计[7]，针对溃坝试验特点进行功能上的扩展和优化。研究人员通过系统在统一的平台上实现对溃坝试验数据的管理、分析。

2 系统设计

系统数据采集系统采用C/S架构，其他子系统采用B/S框架，基于dot net平台，部署在网络环境中，所有用户均可通过登录服务器地址访问系统进行数据分析工作。数据库采用Microsoft Sql Server，数据文件格式为XML或TXT。系统结构如图1所示。

图1 大坝溃决试验测试分析系统结构

大坝溃决试验测试分析系统分为数据采集层、数据存储层和系统实现层。数据采集系统从MCU获取传感器数据存入大坝溃决试验数据库中；光纤测温、进口多参数传感器等独立采集系统采集的数据(数据文件或数据库存储)通过数据管理子系统转换后纳入统一数据库管理；数据管理子系统实现数据的数据维护、统计分析等功能，实时监控子系统提供监测实时测值曲线，资料整编子系统提供图形报表绘制、数据分析对比等功能。

3 数据库设计

大坝溃决试验数据库表结构如图2所示，监测项目表以测点编号为主键存放各监测项目测点的考证信息，如测点高程、轴距、桩号等；监测物理量表以测点编号及测量时间为主键存放对应监测项目的测量数据。大坝溃决试验监测项目包括坝体表面变形、坝体内部变形(倾度)、渗流压力、渗流量、墒情、坝体温度、上下游水位、气温、气压等。

图2 数据库表结构示意图

4 数据管理与分析子系统

4.1 数据维护

系统提供考证资料添加修改删除、监测资料查询、监测资料添加、监测资料删除、异常数据处理等维护功能。

1) 考证资料添加修改删除：结合大坝溃决试验仪器埋设情况添加、修改、删除各监测项目各测点的考证资料。

2) 监测资料查询：选择相应的监测项目、测点范围、时间范围查询监测数据，以表格形式显示测点编号、测量时间、测量数据，并可直接对显示出的数据进行删除和修改。

3) 监测资料添加：批量添加一个测点的多次测量数据或在某时间点同一监测项目多个测点的监测数据。

4) 监测资料删除：通过选择监测项目、测点范围、时间范围实现监测资料多测点、同时间段的批量删除。

5) 异常数据处理：根据试验物理模型，选定各监测项目的监测数据可信区间，在数据库中使用作业设置定时任务，自动对超过监测区间的数据进行定期删除(变化平稳的蓄水期监测数据根据所属监测项目设置自动剔除异常数据的上下限值，波动较大的溃决期数据只删除线缆断开及停止测量后的数据)；在异常数据分析过程线中突出显示疑似异常数据，供研究人员进一步确认、分析。

4.2 数据集成

大坝溃决试验采用了如光纤测温、进口多参数传感器等多种新技术、新设备，这些技术和设备具备独立的测控单元，数据分治于多个异构系统中。因此，数据集成管理是研究人员对试验数据进行高效分析的前提。

a) 异构数据集成

系统将光纤测温数据、多参数传感器测量数据经数据存储格式转换导入大坝溃决测试分析数据库中，纳入统一的数据管理体系；提供数据报表和数据库存储结构两种导出方式，用于数据备份及进一步分析。

多参数传感器数据存放在同一张表中，存储结构如下：

传感器编号监测项目监测日期监测时间原始数据X原始数据Y原始数据Z

利用以下规则转换为图2的数据库结构。

1) 温度传感器数据实测原始数据X即传感器温度。

2) 倾角数据转换公式：

S=artg(Z/X)

F=artg(Y/X)

3) 渗流压力转换公式：

BM=(XM-XBAR)/9.8+LM

b)异地数据集成

异地系统数据集成联系了试验现场与服务器主机，实现了大坝安全监测数据的远程监控。如图1所示，MCU获取测量数据后，通过GPRS将信息发送到具有固定IP地址的服务器，服务器作为数据中心为研究人员提供更多的服务。

4.3 数据统计分析

根据原始测量数据换算成各分析物理量，包括渗流压力水位计算渗流量、倾角数据计算内部水平位移等。

基准时间测量的倾角数据计算倾角实际累计值的公式为：Q=Qm-Q0(Qm为传感器实际测量出的倾角值，Q0为该传感器在设置的基准时间点下的倾角值)。

倾角数据计算内部水平位移的公式如下：

S1=f(Q1)

S2=S1+f(Q2)

S3=S2+f(Q3)

…

其中，f(Q)是依赖该测点倾角测量数据的函数，测点高程L1

5 实时监测子系统

常用大坝安全监测自动化系统以小时、天为间隔采集数据，大坝溃决试验为了尽可能在可控的、相对较短的监测周期中模拟大坝溃决的演进过程，采集间隔被设置为以分钟、秒为单位。因此需要研究人员能够实时观察数据变化，及时发现数据采集异常及各监测物理量变化趋势。

实时监测系统采用MS Chart控件与ASP.NET Ajax技术：前者提供了各传感器数据实时过程线绘制功能，支持坐标、线型等的设置；后者实现了异步回传与页面局部刷新，减少了页面与服务器的通信压力，提高了程序性能，并通过Timer控件实现了刷新时间的控制。

“三农”问题关系着国计民生的根本性问题，没有现代化的农村就没有现代化的国家。2018年中央发布了关于乡村振兴的一号文件，提出了乡村振兴的七大基本原则。自改革开放以来一些地区由于自生优势和政策优势搭上快车得到了快速的发展，但是一些偏远农村地区却逐渐掉了队。近几年来国家通过一些列的政策来帮助农村地区的发展，从而达到真正的脱贫。通过这一列的政策，也对农村经济产生巨大的影响。

实时监测过程线根据当前监测数据实时、自动调整坐标轴范围，显示了试验中各类测点在当前一定时间内的变化趋势，为研究人员实时掌握监测设备运行状态、实时分析各监测项目变化规律、实时比对各种类监测数据提供了重要依据。

6 资料整编子系统

6.1 图形绘制

系统可根据历时监测数据绘制各监测项目、不同时段的各种分析图形，包括过程线、相关线、断面分布图、平面分布图等。其中，过程线的绘制涵盖了表面竖向位移、表面水平位移、倾度、渗流压力、渗流量、上游水位、坝体温度、墒情等监测项目，并可在同一张图中通过定制对比不同监测项目、不同测点的过程线。

6.2 浸润线绘制与动态演示

根据考证资料及选定的断面、渗流压力测点、时间绘制该断面该时间的断面轮廓图、坝体浸润线。同断面下可选择多个时间点绘制浸润线进行对比，并通过选择时间区间、刷新间隔，自动演示在该时间区间内的浸润线演变过程。

6.3 报表打印

根据相关规范格式，显示年报表、月报表、日报表，并支持打印功能。

7 性能优化

大坝溃决试验系统采集的数据容量、密集程度远远大于普通大坝监测，每个数据也具备更高的研究价值；数据分析时段长至一个多月，短至几分钟，同时分析的数据量可能达到几十万条；有价值的变化规律可能隐藏在较短时间段内的数据中；多场监测数据之间可能存在关联性。因此，为了满足试验测试分析的需要，进行了以下优化：

1) 数据结构优化：系统数据存储结构与应用均参照《土石坝安全监测技术规范》(SL551-2012)等标准设计，结合大坝溃决试验物理特性，减少了数据结构转换步骤，缩短了数据库查询时间。

2) 图形分段绘制：系统在生成相应的数据分析图形时，大量数据会对系统造成巨大压力，对系统响应时间、正常运行造成影响，故在图形绘制时，按数据量将绘制过程分成多段，每段取数、绘图完成后进行相应的内存清理操作，有效避免了因数据量大造成的内存不足等问题。

3) 数据筛选算法优化：图形绘制等资料整编操作都需对数据库中的数据进行按需筛选，为了加快数据分析过程，在不影响分析结果的前提下，结合数据所处试验周期特点和所选分析时长自动选择数据筛选密度。

8 结语

大坝溃决试验测试分析系统解决了试验全周期下数据采集、存储、整编等问题，能够满足大坝溃决试验期观测和后期数据分析的需要，在大坝原体溃决试验应用中取得了良好效果。

该系统遵循相关行业规范，监测项目多，数据分析量大，对今后大坝安全监测自动化系统设计与研发具有借鉴意义。

[1] 周克发,李雷. 我国已溃决大坝调查及其生命损失规律初探[J]. 大坝与安全,2006,(5):14-18.

[2] 李云,李君. 溃坝模型试验研究综述[J]. 水科学进展,2009,20(2):304-310.

[3] 王立辉,胡四一. 溃坝问题研究综述[J]. 水利水电科技进展,2007,27(1):80-85.

[4] 杨海云. 大坝安全监测自动化系统设计要求探讨[J]. 水电自动化与大坝监测,2004,28(5):30-32.

[5] 杨光,彭林,何秀凤,等. 新技术在大坝安全监测中的应用[J]. 人民黄河,2003,25(12):43-45.

[6] Peters E T, Malet J P, Bogaard T A. Multi-sensor monitoring network for real-time landslide forecasts in early warning systems[C]//Proceeding conference on mountain risks: bringing science to society, Florence. 2010: 335-340.

[7] 王德厚. 大坝安全与监测[J]. 水利水电技术,2009,40(8):126-132.

Design and Implementation of Test and Analysis System for Experimental Dam-break

YAN Jihao, GE Congbin

(Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029,China)

According to the physical characteristics and the data analysis requirements, a test and analysis system for experimental dam-break based on Web technology is designed and implemented. The system is used to solve the data collection, storage, compilation during the whole cycle of the test, and achieve data maintenance and statistical analysis based on heterogeneous and offsite data integration with the data mapping and GPRS. It also can be used to monitor sensor data in real time, and compare and analyze the multi-field evolution and relevance by graphics rending, dynamic presentation of saturation line, report printing. The data storage structure, graphics rendering algorithm and data filtering algorithm are optimized for the intensive and large-capacity data of the dam-break test.

dam-break test; test and analysis system; data management; real-time monitoring; data compilation

国家国际科技合作专项项目 (2011DFA72810);南京水利科学研究院院基金项目(Y713007)

严吉皞(1987-)，男，江苏南京人 ，助理工程师，硕士，研究方向为大坝安全监测。

TP274

B

1671-5276(2015)05-0228-03

2014 -10-16