基于大坝监测软件集成的大坝安全管理计划

[西班牙]　S.奥佩 等

运行与管理

基于大坝监测软件集成的大坝安全管理计划

[西班牙]S.奥佩 等

摘要：为了高效利用大坝监控系统，需要将监控数据转换成有用的信息，从而为业主提供能够反映大坝安全等级的准确信息。这些信息需要更新，并能供所有工程技术人员和大坝安全责任人访问。研发了一款基于网页的监控数据综合管理应用软件，并可满足不同业主的需求。介绍了该软件在西班牙埃布罗河流域管理局管控的55座大坝超过6 a的应用情况及所积累的经验。

关键词：大坝；大坝安全；监控系统；系统应用；埃布罗河流域管理局

监测作为大坝安全监控的一部分，在大坝安全架构中起到了关键的作用，大坝安全监测旨在管控风险，并通过早期识别可能导致大坝失事的安全隐患而降低失事风险发生的概率，包括定期读取监测数据并对其进行评估，通常情况下是根据国家和国际导则形成定期安全报告。在西班牙，年度报告和地震或洪水等特殊事件报告必须详尽。同时，还需对大坝性状进行不间断观测。

监测系统提供了许多不同的解决方案。然而，即使监控系统的监测性能很完美，如果不对监测数据进行评估，也不能有效降低风险。因此，采集数据并进行有效的数据评估就显得尤为重要。目的是将原始数据转换为反映大坝状态的有效信息，同时让参与大坝安监的人员都可以使用。为优化这一过程，推荐这款集成了监控任务各个方面的应用软件工具(见图1)。

图1　集成数据管理

本文介绍了DAMDATA软件工具的主要功能，并使用该软件对西班牙埃布罗(Ebro)河流域55座大型大坝的管理进行研究。

1管理工具的要求及主要功能

近年来，信息工程的发展为大坝安全监控领域的发展提供了新的可能性，早在6 a前埃布罗河流域管理局就决定开发1款综合管理工具。

为满足对大坝安全管理的需求，选择了1款基于网页的解决方案，该方案可以在传统网页浏览器上运行，不需要安装其他软件，因此可以避免与其他系统和软件的兼容性问题。程序的更新和修改在服务器端进行，不需要在用户的电脑上进行安装。

因此，用户可以实现如下多种功能。

(1) 所有的数据均存储在中央数据库，可避免老版本和不可处理或者无效数据带来的困扰。

(2) 所有用户，包括业主、大坝安全工程师、监控专家、技术人员以及外部专家，都可同一时间访问相同的数据。通过密码和预先定义的用户资料来控制对不同工具和数据的访问，同时还可以设置多种读写权限控制。

(3) 所有拥有必要权限的用户均可对系统设置进行更改。

(4) 可通过移动终端自动上传人工读取的数据。反过来，可采用互联网浏览器手动插入数据，在中央数据库可以马上使用上传的数据。

(5) 主管工程师可以随时从办公室或通过任何有互联网入口的设备来访问最新数据，这项功能在一些特殊情况下非常有用。

图2　系统配置原理

2传感器设置

因每种传感器提供的信息不同，其设置的主要目标就集中在由原始数据所计算出的变量上面。例如，使用振弦式渗压计的情况下，原始数据为频率，用来计算孔隙压力、测压管高度及压力和水库水位之比。

可以用公式编辑器为每种变量单独建立公式，允许融入常数项，例如材料常数或其他参考变量。采用此方法，几乎可以配置各种厂家出产的任何类型及品牌的传感器。对于需要复杂评估的传感器，提供了特殊的算法。例如，混凝土结构中的2D和3D变形单元的数据不仅用来表示变形，还可以用来计算迭代过程中主应力的大小和方向。

可以设置各个变量在运行、安全和紧急情况下的阈值，包括:

(1) 常数值。最大和最小阈值。

(2) 梯度。与先前读数相关的变化。

(3) 函数。通过公式编辑器，可对方程进行定义以加入温度和水库水位等其他变量的影响。

图2为系统配置图。

3数据采集

数据可以通过自动或手动录入。在自动系统中，软件同本地采集系统中的软件通信，依据预先确定的准则更新数据。人工记录的数据可以通过应用中预定义的菜单手动输入，或者通过移动设备导入。这也包括不同厂家，不同测量仪器的输出文件，如倾斜仪、地形设备或加速仪的数据。为了简化人工读取，可将日报、周报或者月报读取结果打印出来，并将按指定顺序读取的传感器数据列表排出。为了在现场直接确认读取结果，结果中包含了最后一次的读数值。

4图形可视化

对监控数据的图形可视化是评估监控数据的重要工具。因此，系统需要具备一定的灵活性以清楚地呈现数据，同时也能够在不同参数及其演变中做细致比较。

DAMDATA允许在每次绘图中进行独立设置。除将数据作为时间的函数这一传统方式以外，也可显示同一路线沿大坝空间分布的数据。此外，将两种不同变量的关系绘制成散点图，用于分析外部变量(如温度和库水位)对控制变量的影响。

此外，可以将不同图像排列在一张页面上。因此，管控区域内的所有传感器可以相互比较或者单独显示来自某个传感器的信息。除了图表，其他草图和符号规则等信息也可以添加到图中。这种类型的图表可对安全报告进行清晰的解读。

最新的数据可以在SCADA上可视化展现。除了实际值，也显示了日期、时间和报警级别等附加信息。

5统计评估

在采用统计学方法对监控数据进行评估时，获取数据的完整时间序列非常有用。此外，还需获取对控制变量有影响的水位、温度和冰雹等外部变量。统计分析工具完全集成在DAMDATA软件中，并可直接访问最新的数据库。

统计模型的思路是找到外部值和监控数据间的关系。就像在其他模型中一样，该方法是基于以下3个基本部分考虑的： ①随时间累积的影响； ②库水位的影响；③年热循环的影响。

模型允许用户分割上述各个部分的影响，同时对主要变量特性的影响量化。此外，可以通过确定不同时间、温度和库水位组合的期望值来预报其行为。图3为量水堰建模的例子。

图3　重力拱坝在SCADA上的可视化(高程单位：m)

6在埃布罗河流域的应用

全世界范围内已有超过150座大坝使用DAMDATA对监测数据进行管理。该软件在埃布罗河流域的应用和运行存在技术上和组织管理上的双重挑战。需要合并多种监测系统且可供不同地区的技术人员和工程师们使用。

在埃布罗河流域管理局的本地服务器上，DAMDATA是作为一个监测大坝(SIGAP)的集成化监控系统使用，在超过55座大型大坝的安全平台中(GEISER)嵌入该系统，包括拱坝、重力坝、土坝，一些大坝的使用年限超过了100 a，另外一些于过去10 a完工，还有少数大坝尚在建造。

6.1研发和配置

拟用该软件来完成监测任务中的所有工作，在研发中需要很多不同的专家参与其中，包括大坝安全工程师、现场技术人员、设备和通信专家。必须综合考虑他们的专业知识和工作方法，以达到良好的用户体验。

除了完善软件开发，还必须结合已安装的监测系统来设计1套特殊的方法。如前所述，埃布罗河流域各种不同类型的大坝都值得关注，其反映了已安装的监测系统的多样性。有一些安装设备非常简单且陈旧，其他则更新升级了数代，安装了一些新传感器使其可以完全自动运行。同时，还要考虑到，这些设备来自国内外不同的生产厂家。

根据对监测系统的仔细检查和分析，对应用程序进行了配置。重新调试了传感器，并对所有的系统进行了功能性分析，建立所有传感器的控制箱。由此，可以对安装细节、技术文档和图纸进行分析并与大坝的现有情况对比，同时对用于大坝数据采集系统变量计算的公式和常量作出修正。

对7 000个传感器和25 000个变量进行了设置。处理了近30 a的监控数据并规范了符号规则。数据可以通过电子格式和纸质表格形式呈现，同时导入或者传送到系统中。在设置过程中，要保证数据的透明性和可追溯性。这样做是为了保存原始数据和所有必要的公式，便于计算数据库中的工程数据，并供用户浏览和编辑数据。因此，可以对之后的计算进行修改，同时有原始数据可供调用。有些大坝通过系统保留了几十年的数据，且经过了数次升级和重校。这就需要对公式进行重新设置，综合考虑各种参考值和常量。

此外，准备了650张SCADA系统视图并上传了所选传感器的平面图和主视图，以及每座大坝的断面图，展示了实时监测数据和可视化传感器的报警状态。

在安全报告中，经过调整后，3 800幅不同的图像及其输出，以清晰且有序的方式对数据进行了呈现，为数据的评估提供了必要信息。可以以PDF格式批量输出，能标明一个预先设定的时段，并与大坝的年度安全报告相结合。

通过在整个流域使用该软件，可在同一数据库中对所有与大坝监测相关的数据进行更新、添加和分组。

6.2实施与运行

系统实施的关键在于能否被不同用户接纳。应方便所有参与大坝安全监测的专家使用，第一步是让他们参与到整个开发过程中，第二步是介绍该系统的不同特点并激励用户使用它。因此，需要组织理论和实际培训会来说明监测工作的重要性以及每个参与者在评估过程中的作用。从每个用户的不同功能需求着手，组织有针对性的培训课程并制订用户手册。

数据库安装在流域管理局的本地服务器上。通过VPN(虚拟个人网络)连接，可同时使用各种外部地址对系统进行配置和更新。

自动化系统的数据都是实时更新并可用的。因此，采用了为自动水利信息系统(SAIH)安装的网络作为通信网络，编写了DAMDATA与SAIH间的接口程序。

人工采集数据通过大坝本地工作人员的自定义菜单直接插入到中央数据库中。因此，在系统中为每座大坝设置了自定义列表和数据读取方式(日、周、月和年)，并按照所要求的顺序对传感器监测结果进行读取。

根据每个用户的责任和任务功能建立了用户档案。例如：主管工程师可以访问所有的大坝并拥有所有读写权限。负责读取数据的技术员只拥有其所工作范围的访问权限和数据上传的功能权限。

为实现连续控制，对运行手册和紧急动作计划中的很多阈值都进行了设置，并不断与自动和手动采集的数据作比较。超过阈值的数据作好标记，系统通过电子邮件或者短信(SMS)通知管理人员,所有系统发出的报警都由报警管理员管理。

当前，超过100位参与大坝安全管理的工程师、技术人员和其他工作人员都可访问数据，在过去的4 a中，该系统输出超过200份年报以及50多份专题报告。

在2010年的地震以后，大坝业主和外部专家都可以及时、方便地访问最新数据。在很短时间内，受影响大坝监控系统的数据被读取并上传到系统中。可以快速生成专题报告，并对可能采取的应对措施进行决策。

7结论

DAMDATA是一款功能完善的监测数据评估和管理工具。采用集中式监测数据管理，并通过互联网轻松且灵活访问监测系统的所有信息，能以更为有效且安全的方式管理大坝。通过提供多样的数据表现形式，可以有针对性地对大坝性状进行阐释和展现。

该软件在埃布罗河流域的应用表明，从数据采集过程到输出安全报告，监测数据的评估过程明显优化，加强了对大坝状况的连续监测与掌控。通过在整个流域内应用该工具，可以在单一数据库内对所有与大坝监测相关的信息进行更新和整理。

然而，还需要有一个良好的维护计划，对所有部件进行有效维护，才能建立一个高效实用的大坝监测系统，为大坝安全监测提供高质量的数据。

张卓然邹瑜译

(编辑:李慧)

长江经济带将建生态保护补偿机制

国家发展和改革委员会、环境保护部近日联合印发了《关于加强长江黄金水道环境污染防控治理的指导意见》，明确将充分发挥市场机制作用，建立长江经济带生态保护补偿机制。

在加强长江黄金水道环境污染防控治理中，将充分发挥市场机制的作用，加大对重点生态功能区转移支付力度，逐步提高转移支付系数和生态保护支出标准。建立以干流跨界断面水质为主、向中上游地区倾斜的补偿资金分配标准，形成长江干流补偿制度。支持重要支流上下游采取资金补助、产业扶持、人才培训、共建园区等方式开展横向生态保护补偿试点。

(本刊摘编)

收稿日期：2016-02-15

文章编号：1006-0081(2016)04-0031-04

中图法分类号：TV698.1

文献标志码：A