黄河坝岸险情监控报警报险系统研究与改进

邢天明 郭炜 李艳 吕海洋

摘要：2015年9月至2017年5月，焦作黄河河务局在大玉兰控导工程开展了黄河坝岸险情监控报警报险系统研究工作，旨在实现坝岸险情实时监测及工程现场信息采集。在推广与应用过程中，对供电系统和传感系统进行了改进。该系统提供了黄河坝岸险情的监控、查险、报险一体化解决方案，使当前黄河出险情况、抢险现场、工程运行状况尽在掌握，改变了“巡查靠人眼、决策靠电话”的防汛工作局面，推动了信息化与治黄业务的深度融合。

关键词：报警；报险；监控；险情；坝岸；黄河

中图分类号：TV877；TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.007

1 概述

防汛是最根本的治黄业务之一，坝岸险情是目前防汛中最常见的险情。为及时、有效地采集、传输黄河防洪工程数据，实现管理界面的高度可视化，使坝岸险情的发生、发展可被感知，工程运行情况可被掌控，同时探索“互联网+防汛”模式，并有效降低人工查险的劳动强度和工作风险，提高信息采集的准确性和及时性，2015年9月—2017年5月，焦作黄河河务局（简称焦作局）在大玉兰控导工程开展了黄河坝岸险情监控报警报险系统（简称坝岸监测系统）项目的研究，研发了基于高分子聚合物的传感系统，可将数据实时上传至监测系统，实现对防洪工程险情的远程实时监测，险情发生后，可持续保持险情监测能力；研发了坝岸监测系统，可实现不同部位出险的自动报警，并与视频监控系统联动进行远程险情确认，能自动生成出险时间、地点、部位、现场图片等相关信息的险情数据包，且具备多级审核功能；研制了新型移动信息采集装置，可针对突发险情进行实时监测，实现了现场环境信息采集、数据传输、音视频转播等功能。

坝岸监测系统在推广与应用过程中对坝岸监测供电传感系统关键技术改进项目进行了探索。在太阳能供电系统中，使用智能型MPPT太阳能控制器和纯正正弦波逆变器，通过黄河专网无线传输，实现了对太阳能供电系统的实时监测和远程控制；通过对太阳能供电系统安装支架的改进，使设备易于安装，确保了黄河防洪工程监测、监控等系统的稳定运行；采用聚脂塑钢线作为传感线，用冲击钻在根石上打孔，使采样点的布设、拆卸和安装更加方便，传感器安放在玻璃钢表箱内可保护传感器，改进后的传感系统更便于坝岸监测系统推广，确保了坝岸监测系统的稳定运行。

2 研究的主要内容

大玉兰控导工程位于黄河左岸温县祥云镇滩区，是黄河下游重要的节点整治工程之一。2010年至今，大玉兰控导工程出现两段畸形河势，分别为2010-2013年大溜顶冲1-7坝以及2014-2016年大溜顶冲29-34坝。项目组选取大玉兰控导工程30-34坝作为试验地点。

2.1 黄河防洪工程信息网络覆盖系统

（1）沿河固定网络覆盖系统。依托2013年河南黄河防洪工程信息网络覆盖系统项目，大玉兰工程班组网络带宽达到60Mb/s。无线覆盖设备选用5.8G频段微波传输设备，搭配18dBi增益覆盖天线，实现覆盖半径3km、夹角120°的扇形覆盖面，最大带宽为100Mb/s。使用两台覆盖设备在大玉兰控导工程25坝工程班组驻地采用“背靠背”安装方式，东-西向安装在特制的高21m水泥杆上，实现了大玉兰控导工程信息网络的覆盖。

（2）移动信息采集系统。近几年，焦作局2次对移动信息采集系统进行升级。2014年4月，依托改造后的基层黄河专网，利用现有车体及部分车载设备，完成了移动信息采集系统的升级改造，实现了现场数据采集、数据传输、网络覆盖、临时基站、干路中继等功能。为适应新的防汛及基层信息化需要，减少投资，需要对移动信息采集系统进行再次升级改造。2016年4月，焦作局研制了一种新型储备应急信息采集传输装置，该装置由便携式升降杆、设备集装箱和数据处理终端三部分组成。河南黄河防洪工程信息网络覆盖系统为坝岸监测系统数据的安全、稳定传输提供了有效途径和有力保障。

2.2 坝岸视频监控

（1）监控设备布局。在30-34坝圆头圆心附近，埋设高12m的线杆并安装设备支架，为控导工程每道坝安装3台摄像机，采用多角度枪机、球机混合安装方式，实现固定角度及3600可控两种监控方式，可同时满足险情巡查及现场视频转播的需求。

（2）数据传输。使用河南黄河防洪工程信息网络覆盖系统将视频数据回传至一线班组，实现了防洪工程—班组—县局—市局的远程实时访问。2.3坝岸险情报警报险系统

（1）坝岸险情传感系统及改进。坝岸险情传感系统由拉力传感器、传感线、采样点三部分组成，以传感线连接采样点，用拉力传感器监测传感线拉力，并将数据上传至YRAP-D型一体化采集设备，实现实时坝岸险情监测。传感系统的传感线、采樣点在险情抢护或每年根石加固前后均需要进行拆卸和安装，拆卸和安装次数较多且在传感系统运行过程中发现了若干问题，因此于2016年10月对传感系统进行了改进，包括传感线的选择、采样点的布设和拉力传感器的安放三部分。传感线最终选定直径2.0mm、抗拉能力≥2200N的聚醋塑钢线作为传感线；经多次试验后，选择用冲击钻打孔，用带羊眼圈的304钢材质的M10型膨胀螺栓（该膨胀螺栓表面光滑、不生锈）固定传感线，可满足传感系统要求的低阻力拉力传导能力，拆卸和安装方便；传感器的安放改进为在60cm×80cm×20cm（长×宽×高）玻璃钢表箱内埋置的石头上用冲击钻打孔，用相同型号的膨胀螺栓固定传感器，最后用土覆盖表箱，施工简便且可保护传感器。

（2）数据采集。在丁坝背水面设置设备井，内部安放YRAP-D型一体化采集设备，该设备为项目组自行研发，具备数据采集、协议转换、远程供电等功能，可根据需要安装多种类型传感器，采集气候、水情等信息。

（3）数据传输。YRAP-D型一体化采集设备通过网线连接至坝圆头处的线杆上，使用河南黄河防洪工程信息网络覆盖系统实现数据回传至工程班接入黄河专网，具备防洪工程—班组—县局—市局—省局—黄委六级远程实时访问能力。

（4）控制系统。自行研发坝岸监测系统用于接收YRAP-D采集的相关数据，经过智能在线评估模块、案例对比分析模块进行数据处理，可判断具体出险部位、传感系统运行状态等工况，并实现语音、短信、邮件报警及视频监控系统联动等功能。系统首页见图1。

2.4 供电系统改进

供电系统是坝岸监测系统的子系统，是确保坝岸监测系统稳定运行的基础。2016年11月，在大玉兰控导工程30坝安装的风光互补供电系统受连续雾霾天气影响，出现了不能连续供电的现象，急需对供电系统进行改进，拟用太阳能供电系统代替风光互补供电系统。

太阳能供电系统是独立的子系统，主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池和逆变器组成。控制器本次改进为智能型MPPT太阳能控制器，该控制器可远程查看控制器各项数据，实时监测太阳能充电情况；逆变器本次采用纯正正弦波逆变器代替传统的修正正弦波逆变器；为便于安装，增强支架的稳定性，结合太阳能供电系统在12m水泥线杆上的安装高度，用适配的U形抱箍固定支架，支架下端最外侧角铁由整体变为螺栓铰连接，设计出一种使用小型电动葫芦不使用吊车的便于安装的支架。改进后的供电系统见图2。

3 推广应用及效益分析

3.1 推广应用情况

2015年10月，在大玉兰控导工程安装5套坝岸监测系统设备，之后进行了多次模拟险情试验，并对系统进行了优化。2016年3月31日7时50分，大玉兰控导工程34坝迎水面发生较大险情，系统监测到34坝迎水面出险并自动报警，首次实现了在真实防汛环境中的险情报警，并自动录制了出险及抢险视频，这是黄河上首次以视频方式完整记录出险全过程；2016年6月5日20时3分，大玉兰控导工程出现降雨量50mm以上的暴雨，系统监测到33坝迎水面及圆头出现险情并自动报警，在恶劣天气下实现了险情报警。系统运行至今还监测到以下险情：2016年4月1日33坝圆头的根/坦石坍塌、34坝迎水面的根石坍塌，4月7日34坝拐头迎水面的根石坍塌，4月8日33坝迎水面的根石坍塌、33-34坝拐头迎水面至上跨角的根石坍塌，5月13日、5月26日、6月1日34坝迎水面以及8月12日33坝迎水面的根石坍塌。

2016年6-7月，黄河报、黄河电视台记者先后对大玉兰控导工程坝岸监测系统进行了采访报道；2016年7月15日，温县人民武装部组织民兵基干分队和71762部队官兵共330余人，在大玉兰控导工程26坝举行了温县军民防汛抢险演练，期间使用黄河坝岸险情监控报警报险系统的移动视频监控模块，对模拟抢险演练进行了现场直播，并录制了抢险演练视频，为防汛抢险现场指挥提供了有力保障；2017年4月，该项目参加了第十四届国际水利先进技术（产品）推介会，受到了与会专家的好评及同行的关注；2017年4月，该系统在武陟第一黄河河务局沁河老龙湾险工7垛完成推广，同年5月推广到兰考黄河河务局蔡集控导工程9坝及长垣黄河河务局大留寺控导24坝。目前所有系统运行正常。

3.2 效益分析

3.2.1 经济效益

该系统单道坝建设成本为10万元左右，与同类系统相比具有明显的价格优势。表1为大玉兰控导工程2010-2017年出险情况统计。

由表1可以看出，2016年安装坝岸监测系统后由于发现险情及时，做到了“抢早抢小”，因此抢险用石较少，节约了一定投资。

3.2.2 社会效益

坝岸监测系统采用无线网络连接方式，能更好地适应复杂多变、基础条件较差的滩区环境，系统由技术简单、保证率高的单元模块组成，维护、保养、操作简便。该系统自动化程度高，数据通信稳定，一方面可及时有效地实时获得黃河防洪工程运行情况及黄河汛情发展情况，并远程进行抢险指挥；另一方面可有效降低人工查险的劳动强度和工作风险，提高监测的准确性和及时性以及河务工作的管理水平和效率。

4 结语

坝岸监测系统的研究与应用使黄河出险情况、抢险现场、工程运行状况尽在掌握，并用“互联网+”的理念实现了基础数据资源共享，改变了“巡查靠人眼、决策靠电话”的防汛工作局面，推动了信息化与治黄业务深度融合。项目紧密结合治黄实际，经过两年来对系统的调试、优化、运行和推广，能更好地适应复杂多变、基础条件较差的滩区环境，推广应用前景广阔，实现了坝岸险情的监控、查险、报险一体化解决方案。系统具备高度可视化界面，易于使用管理，可实现多级联动等功能。基层黄河防汛信息化是信息化与治黄工作深度融合的必然趋势，是“智慧黄河”的一种体现。焦作局将更好地发挥自身优势，以基层信息化建设、黄河防洪工程信息化项目为基础，推进治黄事业的“互联网+”进程。