坝群综合安全监测与评估预警系统的设计与实现

周锡琅，蔡 杰，向 南，吴 骏

[南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏省南京市 210003]

0 引言

目前国内外的大坝安全监控系统虽然具有了一定的水平，但这些系统还是存在一定的局限性。老式系统的软件层次结构都还滞留在传统二层C/S模式，没有采用面向服务这个新的软件架构，而且这些系统只能管理单个大坝，对多个大坝的集成管理显得无能为力，有些集成方案是将多座大坝的数据简单汇总到一个数据库中，并用老式的单个坝管理系统来进行集成地管理，这种集成方式需要形成各个坝的信息到集成中心库的映射关系，其内部逻辑复杂，维护成本极高。

随着大坝及工程安全监测自动化程度越来越高，对于相应软件应用系统的需求也越来越复杂，基于多个电站的统一安全管理也是目前提高大坝安全监测效率的迫切要求，为了实现多个电站安全监测的统一管理，以及大坝及工程安全监测可靠、优质、经济运行的目标，需要有满足现今需求的软件自动化控制系统，以解决目前系统存在的缺陷[1]。

坝群综合安全监测与评估预警系统的建设，为各水电站大坝与工程安全监测自动化数据提供了一个采集、处理、保存、分析的统一平台，系统灵活的部署方式可以实现分布式多座大坝的服务集成，硬件设备通过该平台接入计算机系统进行控制，同时系统能够对采集的数据进行分析与处理，是安全监测实际运行的平台，该平台的性能很大程度上决定了安全监测运行的状况与效率，是流域大坝与工程安全监测中重要的平台之一。

1 系统设计

坝群综合安全监测与评估预警系统采用了SOA结构，解决了在的大范围内对坝群安全监控的集中管理，该系统将坝群系统打造成高度自动化、升级维护方便、可伸缩、可扩展、界面简洁美观、功能齐全的强大系统，系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图Figure 1 Overall structure of the system

每个大坝子系统内部由采集计算机、传感器、测量装置组成，其拓扑结构也是分布式，系统中可以包括多个采集计算机，每个采集计算机可以连接多个测量模块，每个测量模块可以连接多个传感器，由于采用分布式的结构，某个节点的故障不会造成整个系统的崩溃。虽然系统内部的结构很复杂，但由于采用了面向服务架构进行分层的处理，已成功化解了系统的复杂性[2]。系统拓扑图如图2所示。

图2 系统拓扑图Figure 2 System Topology

2 系统功能及结构

如图3所示，坝群综合安全监测与评估预警系统由采集、报表、图形、评估与预警、测点管理、数据管理和任务管理7个部分组成。

图3 软件设计框图Figure 3 Software design block diagram

2.1 采集系统设计

数据采集是完全分布式的，一个管理中心要面对多座大坝子系统，一个大坝子系统中可能包括多个采集计算机，每个采集计算机可以连接多个测量模块，每个测量模块可以连接多个传感器，系统拓扑结构如图4所示。

图4 采集系统拓扑结构Figure 4 Topology of acquisition system

要实现现场少人值守就需要能在管理中心操控各子系统的数据采集。本系统采用分层面向服务的方法，逻辑上将管理中心和子系统分在一层上，子系统中的采集计算和采集测量装置分为另外一层；管理中心根据服务注册信息在各子系统找到执行远程控制的代理计算机并向它的采集服务接口发出控制命令，该代理计算机再在子系统中根据拓扑信息找到指定的目标采集计算机并向它的采集服务接口发出控制，至于采集计算机到采集测量装置的通信路由则由具体的采集计算机负责；通过分层处理的方式，化解了通信结构的复杂性，可靠地解决了分布式采集通信。

2.2 通信编解码设计

系统需要在管理中心实现对第三方系统的远程控制，在实现此需求的过程中各个厂家系统采用的硬件设备和模块采集通信协议各不相同，想直接进行操控是很难的，需要设计一个统一的远程采集控制协议，各采集系统实现该协议，从而实现对所有系统的远程采集与控制。

坝群系统中采用了XML来描述这些信息，不仅对测点设计代号、测量装置名称可以轻松描述外，对于难以同一的标量信息，各厂家可以将各自的释义用文字信息返回，这样就轻松规避了厂家间的信息差异。

例如：模块自检的返回信息的XML数据如图5所示。

虽然XML编解码因其冗余度较高会影响速度，但这种通信方式非常适用于大坝子系统之间的信息通信，由于简化了通信编解码的难度，使得该技术更利于推广。

图5 命令格式Figure 5 Command format

2.3 支持多协议

数据采集系统提供与硬件系统的通信和控制功能，支持在同一工程混合使用不同协议的测量模块。

2.4 使用采集向导来监测

系统提供采集命令向导来引导用户配置要发送的命令，所有的采集命令都可以采用向导，使用上更加简便。通过采集向导执行配置好的采集命令，并将结果展示出来。

2.5 快捷采集窗口监测

系统提供快捷采集界面，可以直接选择模块或者测点，选择工具条上的控制命令，执行后根据命令类型将结果显示在不同的界面上。

在资源窗口中，系统在测点和模块的鼠标上下文菜单中加入了常用采集命令，可方便对模块和测点的采集控制。

2.6 报表系统设计

提供报表和表格设计工具制作生成各类常规报表、表格及报告，包括日报、周报、月报、季报、年报及各类统计表等，也可按自定义格式定制报表和表格，在生成的报表和表格中提供转换为Excel文档、打印输出等功能接口。

系统中用户可以自由的定制需要的大坝信息报表。

2.7 图形系统设计

2.7.1 布置图定制

能够将多种类型的图形文件（如bmp、jpg、emf、wmf等）作为布置图背景，在布置图上能够放置测点、DAU，模块作为操作的热点对象，实时观察最新采集到的数据，利用快捷功能菜单，可以获取相测点的历史数据、过程线和属性，可以对图中的测点和模块进行采集控制。

2.7.2 过程线图定制

可以定制单个过程线的显示，可以实现多个过程线同时显示；过程线可以直方图、曲线、折线图；滑动杆拖动操作，无级放大；在过程线上设置数据评估；数据显示有筛选功能；过程线能粗差分析；具有收藏功能。

2.7.3 分布图定制

可以定制和输出各种类型分布图（如张线分布图，扬压力分布图，静力水准分布图，浸润线、锚索测力计圈图等各种分布图）。

根据查询数据时间，分布图可动态演示数据变化的过程。

2.7.4 相关图定制

利用相关图的定制功能，可以直观地比较出测量数据的相关性，同时可显示相关系数，及相关性拟和曲线。

2.8 安全评估系统设计

安全评估模块功能如图6所示。

图6 安全评估模块的总体功能Figure 6 Functional structure of safety assessment

2.8.1 监测数据异常并告警：

异常测值的判别方法是采用若干检验准则对监测数据进行检验，判定数据是否越限。通常可使用的检验准则有：

其中，ymax和ymin分别为历史最大测值和最小测值（粗差等错误测值除外）。ε中为监测量的观测中误差。

当监测成果大于上限或小于下限时，则该准则检验结果为测值异常。

（2）监控指标准则。该准则的上、下限为已经存在的监测量的监控指标，监控指标应选用设计控制值，没有设计控制值时，可根据工程基本情况，结合多年运行经验进行拟定，并需通过专家论证。

（3）监控模型准则。对监测量进行相关分析，建立监控的物理模型。每次检验时，先根据模型公式和因子实测数据计算对应的模型值，再以该模型值为标准，考虑模型方程的剩余标准差，生成数据检验上、下限：y+Kσ、y-Kσ。

其中，y为模型值，K是一个可调系数，通常取2～3，σ为模型的剩余标准差。

（4）变化速率准则。该准则用来检验监测量是否存在趋势性变化。

根据《混凝土大坝安全监测技术规范》附录六第四节，该模块主要功能为：对需要进行变化速率准则评判的测值序列，对其每一个测值，在保证历史监测数据系列可靠的基础上，首先统计观测系列的最大日升降速率，通过本次日升降速率和最大日升降速率的比较，完成测值性质的识别—正常、异常。

2.8.2 监测断面、监测部位异常并告警

监测断面、部位综合评判结论来自项目中监测量的异常百分率。在统计监测量异常百分率过程中，要考虑到关键监测项目中各监测量之间有可能存在主次之分，它们在判定监测项目有无异常的过程中所起的作用可能是不同的。通过准则权重计算数据异常率，如超过预设的限制标准，则该断面或部位发生异常，并给以告警[3]。

2.8.3 工程安全综合分析评估

根据不同项目分配权重值。设置工程安全评判的两个评价参数B1、B2，这两个参数用于对工程安全状态进行分级评价，最后设置相同测次最大时间间隔，每个时间间隔中将只产生一个工程评价结果。

3 工程应用

某坝群综合安全监测与评估预警系统是一个由多个水电站工程安全监测系统作为支点组成的综合性信息系统，主要包括工程安全监测、实时监控、安全运行评估、决策支持、水电站大坝安全信息报送等各种应用的综合系统。该系统的基础是分布在各地的各水电站工程安全监测系统，它们是系统原始数据的主要来源。为了实施全面的管理，并在此基础上做全局性的高级分析决策，将各水电站的监测信息有机地集成，形成综合性管理中心。

系统选取船闸、左岸边坡、右岸边坡3个重点部位，采用基于原型观测成果设计，实现自动检索和判别异常测值，异常率统计，综合评估与报警等功能。

表1 评判项目Table 1 Judgement ltems

开发过程中，首先是针对各地的各水电站工程安全监测系统的设计与开发，数据采集、数据传输采用分布式结构，在此架构基础之上实现采集，数据传输、粗差处理、成果计算、数据查询、数据整编、图表输出、系统维护等基本功能，保证各水电站单个系统的应用功能。在各水电站安全监测系统正常运行后，利用各系统的分布式系统结构提供远程采集、数据查询服务，设计统一的平台集成各系统数据与采集功能，以各水电站为节点分站，公司总部为管理中心，进行安全远程集控集成，设计多工程安全监控管理综合系统，以同一的平台共同管理流域中个水电站的设备与监测数据，通过远程服务调用，实现各子系统功能，同时进行综合应用设计与开发，如流域导航、综合过程线、综合报表等设计开发。在远程分布式结构安全监控系统设计开发的基础之上，进行资料分析功能设计与开发，为安全运行提供决策辅助，主要包括监测量的粗差检验与处理，监测量的初步分析（特征值统计分析、过程线和时间变化规律分析、相关图和相关分析、分布图和空间变化规律分析等），监测量的定量分析和物理模型的建立（分析因子、回归方法、建模方法、分布模型、模型的建立和检验、监测数据精度分析、模型的图表分析、模型检验准则等）等。

4 项目关键技术及创新

（1）实现了总线插拔式的大区域工程群系统的集成。坝群安全管理系统软件则可以将不同的地理位置上的多个不同工程系统通过标准的服务接口轻松集成在一起，当需要增加某个子工程系统时，无需任何额外编程，只要将该系统的接口注册到软件服务总线即可。如此总线插拔式的集成方式方便了大区域监控中心集成，突破了此类传统软件只能应用于一个工程地点的局限。

（2）对不同厂家现场数据采集系统的远程控制。为了实现在区域监控中心实现对不同厂家现场数据采集系统的远程控制，研发人员专门设计了的“通用远程采集控制协议”（其中数据编解码采用了XML技术），并在工程应用中成功地实现了对第三方厂家系统的远程采集和控制，该控制技术开放性强，为在坝群区域监控中心成功集成不同厂家的系统创造了条件。

（3）系统具备了自动化任务机制。用户可根据自己的需要为工程安全监测定制各类自动化任务，任务可手动、定时、事件触发方式运行，从而确保了系统的高度智能化和自动化。

（4）系统可完全组态。可组态方面有通信、输入输出、系统定义、自动化任务及触发条件，用户通过组态功能可创造他们所需要的各种功能。

5 结束语

坝群综合安全监测与评估预警系统目前已经成功地应用于多个坝群管理中心，技术上已经完全成熟，由于在业界创造性地使用了面向服务的架构，在实际应用中体现了结构简洁和集成便捷的优点，在国内处于非常领先的地位。系统中实现的“通用远程采集控制协议”成功地实现了对第三方采集系统集成，因为一个流域中的采集系统不可能是一家提供商，该技术实现了对流域内坝群系统的集成。系统所有的功能都是可以定制的，软件做到了与工程无关，只要在不同的工程中做不同的定制就可以适应不同工程的需求，降低了系统的维护成本，经济效益显著[4]。该系统的成功投运为发电集团公司、流域水电开发公司等实施水电站坝群综合安全监测管理与评估预警具有借鉴作用。