大坝安全监测信息管理系统设计及应用

胡 波，陈 军，李 新，滕 敏，凌 骐

[1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏省南京市 210003；2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏省南京市 210003；3. 中国水利水电第八工程局有限公司湖南省长沙市 410000；4.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆乌鲁木齐 830000]

0 引言

大坝工程建设通常规模大、面临的工程力学问题复杂，工程一旦失事，后果不堪设想，因此确保大坝安全显得尤为重要。大坝安全监测是监视工程结构安全的重要技术手段，监测数据是结构性态分析和安全状态评价的重要基础资料[1，2]。

随着科技及管理观念的发展，人们的治水理念正从传统的重土建逐渐向数字化、信息化、智能化、实现水资源综合利用过渡。在大坝安全监测领域，利用自动化测控技术、网络通信技术、计算机技术、水工分析等技术，研发一套大坝安全监测信息管理系统，对大坝及其他水工结构物的安全实测数据进行统一管理、及时分析、辅助决策，更加及时、准确、高效的评估工程结构物安全状况，提高工程安全的管理和决策水平，已是当今社会和技术发展的大势所趋。信息管理及分析系统能够提供一种很好的数据管理和分析手段，是整个安全监测系统的大脑和灵魂。好的管理系统不仅能充分发挥监测系统在监视工程安全方面的作用，而且可以极大地提高工程安全管理的效率和质量[3]。

本文以马来西亚第二能源计划的重要工程沐若水电站为依托，介绍该电站大坝安全监测信息管理系统的设计及建设情况。拟从系统设计原则、系统结构及系统功能等几个方面展开讨论。

1 工程概况

沐若水电站地处马来西亚砂捞越州，坝址位于拉让河流域源头的沐若河，距下游的巴贡水电站约70km，电站总装机容量944MW，控制流域面积约2750km2，是拉让河上游四级梯级开发中的第二个电站[4]。

工程主要由碾压混凝土重力坝、坝身表孔溢洪道、引水发电系统、发电厂房、生态流量引水发电系统等部分组成。碾压混凝土重力坝轴线为曲线形式，坝顶长度473m，最大坝高141m。水库正常蓄水位540m，死水位515m，总库容120.43亿m3，调节库容54.75亿m3。

鉴于工程的重要性，设计并建设了一套大坝安全监测信息管理系统，以保障工程安全运行、充分发挥效益，工程采用了南京南瑞集团公司研发的大坝安全信息管理系统。

2 系统设计原则

系统设计以业务需求为根本出发点，明确目标，突出重点，兼顾实用性和先进性，主要设计原则有：

（1）目标明确，需求驱动。系统的设计和建设应以大坝安全管理的业务需求为根本出发点，按照需求来进行系统架构、功能及性能、操作流程等设计。

（2）技术的可靠性、实用性和先进性。系统在总体结构设计、软硬件平台选型、应用系统开发等多方面首先要做到可靠、实用，确保系统在多种环境下正常、可靠地运行；同时应力求先进，充分利用当前先进的平台技术，使系统在技术上保持一定的超前[5]。

（3）统一标准、规范设计。采用国内外现行标准，构建涵盖数据采集、通信、存储、管理、业务应用等各个环节的全面的技术体系，以提高系统的兼容性和可扩展性[6]。

（4）开放通用、实用合理。尽量采用通用和开放的接口，提升各模块间的信息共享和协同互动能力，同时保障不同厂家之间的业务应用能够高效集成，使得系统具备良好的开放性、可扩展性和易维护性。

（5）恰当的经济合理性。在满足业务需求的前提下，优化设计，力求以最少的投入取得最好的应用效果[7]。

3 系统结构

大坝安全监测信息管理系统由软件和相应的硬件构成。硬件通常由服务器（数据库服务器、应用服务器、Web服务器等）、客户机（采集客户机、专业客户机、Web客户机等）、网络通信设备（交换机、防火墙等）、电源设备、通信线路、电源线路等设备构成。典型的物理拓扑结构如图1所示。

图1 典型物理结构示意图Fig．1 Typical physical structure diagram

沐若大坝安全监测自动化系统共布置了9个测站，其中8个测站位于大坝内，1个位于电站后缘边坡，共接入13个DAU2000数据采集单元，振弦式、智能信号模块25块。大坝坝体和坝肩边坡内外部的电测传感器通过敷设的观测电缆，采取就近原则接入到各测站内。所有测站内传感器电缆与数据采集单元相连，经数据控制总线连接等方式，引至布设在生态电站里的监测管理站内，再通过现场机电通信光缆引至电站地面厂房的监测中心站，接入信息管理系统。电站后缘边坡的测站，直接引至电站地面厂房的监测中心站，接入信息管理系统。监测中心站布设在厂房内，配置数据库服务器、决策分析及应用服务器、Web服务器、通信服务器各1台，客户机5台以及相应的外部设备（网络交换机、UPS、打印机、扫描仪等）。系统结构如图2所示。

信息管理系统软件结构根据工程规模及业务需求可选用C/S结构、B/S结构或C/S、B/S混合结构。沐若大坝安全监测信息管理系统采用三层结构的C/S、B/S混合结构，即数据平台层、业务服务层、人机界面层三层结构。

数据平台层主要负责数据的定义、维护、访问及管理等，响应业务服务层的请求，通过数据总线对数据存储单元实现统一和标准的数据访问。数据库服务器部署在数据层。业务服务层主要负责联系人机界面层和数据平台层，响应用户发来的请求，执行数据采集、数据通信、数据计算统计分析、事件报警、执行工作任务等业务处理。应用服务器、Web服务器部署在业务层。人机界面层负责提供人机交互接口，主要用于数据输入和表示信息。客户机部署在表示层。

信息管理系统采用分布式的面向服务的组件模式，提供统一的服务容器管理，具有良好的开放性，能很好地满足系统集成和应用不断发展的需要；层次化的功能设计，能有效对数据及软件功能模块进行良好的组织，为应用开发和运行提供理想环境。

4 系统功能

沐若大坝安全监测信息管理系统基于对沐若水电站的原型监测，实现大坝、厂房等被测对象安全监测海量信息的全过程、统一集中管理，整合模型库、实时库、历史库、方法库等信息资源，以理论知识和专家实践经验为依据，以综合分析推理为手段，获得对被测对象的历史运行性态的基本认识，进而对这些监测对象当下的安全状况做出评估，对未来的（或特定条件下的）安全状况做出预测，并将上述认识、评估和预测结果予以反馈，为工程施工、运行调度和维护管理提供决策支持。

系统功能主要包括：数据自动化采集与存储、人工数据录入与存储、成果计算和处理、图表绘制及定性分析、建模分析及定量解析、结构物安全状况评价、安全状况预测、预警及应急管理、移动应用、基础信息管理、信息发布、用户权限管理等，主要功能模块如图3所示。

4.1 数据自动化采集与存储

大坝安全监测信息管理系统作为监测自动化的控制中枢，需具有自动化设备资源管理、测量控制和数据采集等功能，主要包括：①自动化采集装置测控参数设置和查询，包括时钟、定时测量周期、测点群、测量方式等；②分布式远程测量控制；③传感器及数据采集装置故障检查诊断；④发送测控指令，多测点巡测或单测点重复测量等；⑤从自动化数据采集装置收取测量数据并存储到数据库；⑥数据采集过程中的数据检验，对越限数据进行报警。

图2 沐若大坝安全监测自动化系统结构示意图Fig．2 Structure map of automation system for Murum dam safety monitoring

图3 系统主要功能模块Fig．3 System function modules

4.2 人工数据录入与存储

沐若水电厂部分重要的测点已经实现自动化监测，但仍设计有一定的人工监测项目作为补充或校验。系统具备人工观测数据录入功能，能将人工观测数据通过键盘录入、文件导入、专用程序读取等方式采集并存储到数据库。

4.3 成果计算和处理

沐若水电厂监测项目、监测手段和监测仪器众多，因而将原始电测值读数转换为目标物理量的过程也较为复杂。系统设计了固定公式、自定义公式、查表计算、相关点计算等复杂计算程序实现成果的转换。

原始数据中难免会存在各种原因造成的误差或错误。设计了误差检验和处理功能，采用自动与人工干预相结合的方式对误差或错误数据进行识别、修正或剔除。

能够实现对监测成果的查阅、编辑、保存、按标准格式导出、删除、备份、还原等功能。

4.4 图表绘制及定性分析

直接对监测数据本身进行观察、分析和判断是十分困难的，需借助图表化、数理统计等功能对数据进行加工，以便从海量、枯燥的数字中提炼出直观展示结构物基本性态和安全状况的信息，帮助分析人员做出正确的分析和判断。

系统设计了包括时间演化过程线图、空间分布图、相关图、等值线图以及特征值统计表、成果报表等各类图表在内的监测成果加工展示功能，可依据相关规范格式要求自动生成，或依不同个性化需要自订制，为监测成果定性分析提供坚实的支撑手段。

4.5 建模分析及定量解析

在对监测数据进行统计、绘图、制表并进行定性分析，初步了解掌握了水工结构物的变形、渗流和应力应变等的基本状况后，还需进行更深入的模型分析和定量解析工作，以准确定量地描述各种不同的影响因素（如水位、气温、雨量等）对结构的影响方式和作用大小。这种定量化分析是结构物安全评估和预测预报的重要依据。

系统设计了丰富的回归算法和建模方法，包括多元线性逐步回归法、偏最小二乘回归法、统计模型、混合模型、确定性模型等。通过从方法库中调用合适的回归和建模方法，可以产生大量描述监测成果基本规律、反映结构物基本性态的监测物理量模型方程，它们被存储在模型库中，供对结构物进行安全评估或预测预报时使用。

4.6 结构物安全状况评价

系统设计了结构物安全状况评价功能。在对各工程结构物的历史监测成果进行定性和定量分析的基础上，充分运用坝工和岩土理论知识及专家实践经验，建立监测成果异常评判、结构物局部异常评判以及工程整体安全状况评价三级评价体系。

根据工程实际情况、依据理论知识和实践经验建立起来的评价标准体系具有开放性，可以随着对水工结构物认知的不断深入完善以及内外部条件的变化而适当调整。应用初拟的评价标准体系包括：基于监测量成果的各类一级评价准则综合加权标准，评价准则包括历史极值准则、监控指标准则、监控模型准则等，评价结论为“正常”和“异常”；基于一级评价结论的二级评价综合加权标准，评价结论为“正常”“轻度异常”“中度异常”“重度异常”；基于二级评价结论的整体评价综合加权标准，评价结论为“正常”“基本正常”“局部异常”“严重异常（险情）”。

评价标准的具体内容和参数在建立系统时通过对工程勘测、设计、施工、运行中所表现出的各种特征的认识，对业已获得的各类监测成果数据的分析判断予以拟定。

4.7 结构物安全状况预测

系统设计了对工程结构物在未来或特定工况条件下安全状况的预测预警功能。

利用存储在系统模型库中的历史监测成果模型对结构物性态的发展趋势或特定条件下结构物的安全状况做出预测，并根据预测结果给出必要的预警信息，为工程运行维护提供决策支持。

4.8 预警及应急管理

系统具有建模分析和预测功能，能够基于监测数据建立分析预警模型，并制定相应的应急机制，为掌握监测部位的趋势性变化或异常状态提供辅助判断工具，为事故应急提供决策支持。

当工程安全性状、气象水文条件等出现超限险情或异常时，由现地系统触发报警，提醒用户当前所需要重点关注的情况，并给出相应的应急预案响应等级与响应措施。参照工程险情处理预案、工程安全趋势分析进行决策，提供自动化测点复测、人工交互确认等方式来确认和处理险情。

4.9 移动应用

在预警功能的基础上，开发移动互联终端应用，进一步提高监测信息发布和响应的效率，使有关人员更加便捷、快速获取监测预警关键信息，便于工程人员及时开展隐患排查、预警发布、应急处置等工作，也可利用移动互联终端系统承担部分应急知识培训功能。

4.10 基础信息管理

基础信息管理主要是针对水工结构物、附属建筑物及水工机械设施的基本信息管理，具体内容包括：①坝高、坝型、库容、装机、工程级别、大坝等级、调节性能、注册状态等工程属性；②大坝建设情况、重要节点信息、工程日志；③大坝结构、泄洪建筑、水工机械及启闭设施的组成、尺寸、运行方式；④各电站枢纽区的水工建筑物重要设计、施工、竣工图、鸟瞰图、二维、三维效果图等图纸资料；⑤各电站大坝运行管理组织机构信息，主要安全管理人员、水工监测人员信息；⑥地震、防洪等设计复核资料。主要功能包括：GIS地图浏览、基础信息编辑查询、信息输入输出等。

4.11 信息发布

按照预设的信息发布方案，将与大坝安全管理有关的文本、图片、视频、音频、数据、表格等各类信息，通过网页或短信等方式向相关人员报送发布。信息内容主要包括国家新颁布的法律法规、制度标准、流域水情信息、大坝安全重点监测信息、分析和性态评价结论、通知公告等。

4.12 用户权限管理

系统提供灵活的用户管理与授权机制，能够根据用户所在单位以及角色不同分别授权，实现多层级、多粒度的权限控制，确保系统访问和应用按照用户各自的权限进行。

5 结束语

本文首先简要地介绍了大坝安全监测信息管理系统的作用和地位，然后以马来西亚特大水电工程沐若大坝为依托，介绍了系统的设计和建设情况，重点介绍了监测成果计算和处理、图表绘制及定性分析、建模分析及定量解析、结构物安全状况评价、安全状况预测、预警及应急管理、移动应用、信息发布等功能模块。该系统能够对特大工程安全监测信息实施有效地管理，为后续的深入分析和辅助决策提供了有力的技术支撑。

[1] 吴中如，沈长松，阮焕祥．水工建筑物安全监控理论及其应用[M]．南京:河海大学出版社，2003．WU Zhongru，SHEN Changsong，RUAN huanxiang．Safety monitoring theory & its application of hydraulic structures [M]．Nanjing: Hohai University Press，2003．

[2] 杨杰，吴中如．大坝安全监控的国内外研究现状与发展[J]．西安理工大学学报，2002，18（1）:33-35．YANG Jie，WU Zhongru．Present conditions and development of dam safety monitoring and control researches home and abroad [J]．Journal of Xi’an University of Technology，2002，18（1）:33-35．

[3] 胡波，刘观标，吴中如．工程安全监测信息管理及分析系统研究及其在特大工程中的应用[J]．水电自动化与大坝监测，2013，37（5）：1-7．HU Bo，LIU Guanbiao，WU Zhongru．Research on engineering safety monitoring information management & analysis system and its application in large project [J]．Hydropower Automation and Dam Monitoring，2013，37（5）：1-7．

[4] 南瑞集团公司．沐若水电站安全监测自动化系统方案[R]．南京，2014．NARI Group Corporation．Scheme of Murum dam safety automatic monitoring system[R]．Nanjing，2014．

[5] 刘红艳．水利工程信息管理系统的设计与实现[D]．吉林大学硕士学位论文:2008．10:7-15．LIU Hongyan．Design and realization of hydraulic engineering information management system [D]．Jilin university :2008．10:7-15．

[6] 国网电力科学研究院，南京南瑞集团公司．智慧流域技术方案 [R]．南京，2015．State grid electric power research institute，NARI group corporation．Technical scheme for intelligent basin[R]．Nanjing，2015．

[7] 胡波，赵斌．基于原型监测的特高拱坝坝肩接触带蓄水期安全性态评价 [J]．水电自动化与大坝监测，2010，34（4）：48-51．HU Bo，ZHAO Bin．Safety evaluation on replacement reinforcement quality at abutment contact zones of ultra-high arch dam in first impound period based on prototype monitoring [J]．Hydropower Automation and Dam Monitoring，2010，34（4）：48-51．