水电站安全监测系统多平台整合设计

王斌斌

（甘肃省水务投资有限责任公司，甘肃 兰州 743000）

0 引言

随着计算机技术、传感器技术、网络通讯技术及数据库技术的飞速发展，大坝安全监测自动化技术也得到了较大的发展和广泛的应用。目前国内很多水利水电工程均已实现自动化安全监测，很多重大水利水电工程同时具备多套监测系统，如同时部署有大坝监测自动化系统、地震监测系统、GNSS 卫星测量系统、三维激光扫描系统和外观自动测量系统等。海量的监测数据和多平台难以管理的现状，促使将多种监测系统纳入工程远控平台进行统一管理是一种趋势［1］。当前大多数工程项目的现状是各套系统工作各自为政，无法做到密切配合、协同工作，需要一种低成本，能实现对各种测点全面控制，可互操作的监测系统［2］。为此，本文借某水电站安全监测系统自动化改造之机，设计一个能够在突发事件和特殊工况下，实现不同监测子系统协同工作，及时测量，及时预警的系统整合方案。

1 监测系统现状

该水电站安装有大坝安全监测系统，用于混凝土坝坝体的变形、温度、应力应变和渗流渗压等项目的自动化监测；大坝坝顶安装有一套测量机器人系统，用于近坝边坡变形的测量；库区滑坡体布设有 GNSS 变形监测系统，用于滑坡体变形的测量；在大坝的各层廊道安装有强震仪，用于测量记录地震波。目前大坝安全监测系统、测量机器人系统、GNSS 变形监测系统和地震监测系统分别安装在 4 台不同的服务器上，4 个系统所采用的数据结构完全不同，各系统之间的数据没有进行共享，系统之间也没有进行任何通信，不具备协同工作的能力。如能将现有 4 个监测系统整合起来，形成一套高效的数据共享和联动协调的工作机制，必然可以有效地提高安全监测自动化的工作效率和监测效果。

2 需求分析

2.1 项目特点

该水电站位于地震、滑坡和泥石流等地质灾害的高发区，为了保障水电站的安全运行和及时预警，目前运行的安全监测系统有大坝安全监测系统、自动测量机器人系统、GNSS 卫星监测系统和地震监测系统。考虑到地震和各类地质灾害影响的突发性，定时定点的常规安全监测工作无法满足突发灾害的及时预警，需要根据工程特点整合出一套能够快速有效的预警监测系统。为满足工程需要，本项目的监测系统以事件触发为核心需求，其主要特点有以下几点。

1）不仅仅是常规的周期性数据采集，同时对各类突发事件进行侦测，当某个子系统收到突发事件信号时，整个系统进行联动监测。

2）对监测系统的实时性要求高，需要在突发事件发生时，整个系统能在尽可能快的时间内做出响应。

3）需要尽可能利用和集成现有监测设施，通过软件将各子系统整合为一个协作联动的监测系统。

2.2 项目难点

经现场对大坝安全监测系统、自动测量机器人系统、GNSS 卫星监测系统和地震监测系统的工作平台进行研究，4 个系统存在显著的差异，难以进行完全的整合。

1）各系统监测的数据采集频次、采集要求和数据处理方式完全不同，产生了监测数据的数据结构和管理模式的完全不同，导致没有一个平台具备可以管理所有监测数据的能力，无法做到监测数据的完全共享。

2）各系统监测的通讯和数据接口完全不同，难以做到完全的互操作。

3）各系统的实时性和精度不同，地震监测系统为实时监测，GNSS 卫星监测系统实时监测精度差，大坝安全监测系统和自动测量机器人系统为定时测量。

3 系统联动设计

3.1 地震事件联动

1）联动大坝安全监测系统。地震事件为突发事件且持续事件较短，地震事件联动大坝安全监测系统的难点在于快速响应，需要在地震持续的短时间内完成对大坝的监测传感器的测量。

调用 2019 年本项目地震系统监测到的 3 次地震信号（见图 1），发现本地区地震的持续时间均在 80 秒左右；经现场试验，本项目大部分的大坝自动化安全监测 MCU 采集一次的时间约为 30 秒。如能在地震发生的同时，有一套高效的通讯机制，可以由地震系统将地震发生的信号发送给安全监测软件，大坝安全监测软件完全可以在地震持续的过程中测得各项关键的监测数据，对研究坝体在地震中的受力情况有极大的帮助。

图1 本地区 2019 年地震记录

为达到地震监测系统和大坝安全监测系统的联动目标，本项目设计了一套强震触发大坝实时监测系统的方案。当强震仪接收到烈度大于 4 度的地震信号时，由强震监测系统向大坝安全监测系统发送一个触发信号，大坝监测系统收到信号后，立刻开始对监测系统中的重点测点进行一次测量，并将测量中发现的超限数据通过手机短信报送管理人员，达到第一时间了解坝体安全性的效果。

2）联动测量机器人系统。测量机器人系统由国外厂家开发，涉及到知识产权和商业机密问题，无法做到对其进行完全的控制。经现场分析，测量机器人系统和地震监测系统无法建立有效的连接和触发机制。为了解决二者无法直接连接的问题，本项目设计利用大坝安全监测系统作为中间平台，只需实现大坝安全监测系统能够将测量命令发送至测量机器人系统，测量机器人系统在收到开始测量的信号后，立即进行一次观测即可。根据地震监测系统联动大坝安全监测系统的机制，当地震系统将地震烈度信息发送给大坝安全监测系统，如烈度达到预设阈值，大坝安全监测系统将开始测量命令发送至测量机器人系统，测量机器人收到信号后开始测量，以此实现强震系统和测量机器人系统的联动。测量机器人完成测量后，将测量数据同步传送到大坝安全监测系统中，并由大坝安全监测系统判断数据是否超限，并将异常数据及时通过短信报送管理人员。

3）联动 GNSS 卫星监测系统。GNSS 卫星监测系统的解算精度受采集到数据量影响很大，实时解算精度差，一般需要1个小时以上的卫星定位数据才能解算出一个可靠的监测数据。故将地震监测系统联动 GNSS 卫星监测系统的意义不大，GNSS 卫星监测系统只需按照预设的每小时进行一次解算的任务工作即可，当滑坡体的累计变形值达到预设阈值时发出报警信号。

3.2 特殊工况事件联动

水电站在运行过程中会遇到强降雨、泄洪、高水位运行和库水位急涨急落等特殊工况，在这些特殊工况下，需要加强对大坝、库区滑坡体和消能结构物等位置加强观测和及时预警。这些特殊工况对实时性要求不高，其特点如下。

1）泄洪、高水位运行和库水位急涨急落等工况基本是按预设工作计划进行，可以提前做好监测系统工作的准备工作。

2）强降雨虽有一定的突然性，但其持续时间长，且根据气象信息，也可有一定的预见性，具备提前做好监测系统工作的准备工作的条件。

3）特殊工况产生的后果一般也不是突发事件，其对大坝、库区滑坡体和消能结构物的影响和破坏也是一个发展的过程。

4）对大坝及消能等附属结构物的测量精度要求高，除了库水位外的大部分指标的精度要求都在毫米级以上，达不到精度要求的测量都是没有意义的。

大坝及消能等附属结构物、降水量和库区边坡等监测项目的大部分传感器都是由大坝安全监测系统负责采集和管理，且监测数据的采集精度和可信度都较高，能够达到各预设项目的精度要求。根据地震联动机制的办法，大坝安全监测系统已与测量机器人系统和 GNSS 监测系统建立联动，特殊工况下的联动由大坝安全监测系统发起最为合适。大坝安全监测系统周期性地采集降雨量、库水位、滑坡变形和裂缝等监测数据，当侦测到数据超过预设阈值时，立刻联动测量机器人系统和 GNSS 监测系统，以预设方案加强对关键部位的观测，并将测量数据同步到大坝安全监测系统中，并由大坝安全监测系统判断数据是否超限，并将异常数据及时通过短信报送管理人员。

4 子系统间通讯方案

4.1 通讯特点

根据本项目需求及监测设施系统，各子系统联动的通讯主要有两个特点。

1）通讯的效率和及时性要求高，如地震等事件属于突发事件，且事件的时间窗口期很短，需要监测系统之间能快速建立联系，迅速做出响应。

2）通讯数据量小，由于各系统的数据结构的巨大差异，本次设计不进行监测数据之间的传输，而只是由侦测到触发事件的系统告诉其他系统启动某个预设应对方案，通讯数据量非常小。

3）点对点的单向通讯，根据联动设计方案，本项目的通讯只需要建立对一些特定的主机进行单向通信，而不是整个局域网上的所有主机的双向连接。

4.2 通讯方案设计

鉴于响应快和数据量小的特点，各子系统间的网络通信协议采用 UDP。消息包分为帧头、包头、包内容和帧校验码。帧头作用主要用于抗干扰，对非系统信号进行过滤。包头由包长度、包编号和包头校验码组成，用于表示内容长度和信息重组。包内容为实际数据，内容为告诉其他系统启动某个预设监测方案，考虑到信息中可能包含汉字，编码需要使用 unicode。帧校验码是对报文中自包头开始至包内容（包含包内容）为止的所有内容按网际校验和算法产生的校检字节。

5 结语及展望

随着对水电站安全的重视、少人值守要求的提高和数字信息技术的发展，对安全监测自动化系统的要求将进一步提升。本次水电站安全监测系统改造工作中的各监测平台联动方案的设计，可以极大提高水电站在突发灾害和极端工况下的应急能力，间接提高了整个安全监测系统的自动化程度，各子系统能够在较短的时间内进行联动测量，给运行人员及时提供关键的监测数据。

由于该水电站 4 个系统之间巨大差异的实际现状，本次项目设计其实是针对不同厂家、不同系统和不同数据结构难以整合的一次妥协，各系统之间的不通用和不兼容问题已成为束缚安全监测自动化工作进一步发展的枷锁，标准化的接口成为解除这道枷锁的关键。随着安全监测自动化行业的发展，如能着手建立一套标准，各厂家均能按照标准预留通用的通讯数据和数据接口，从而便于各系统的整合和集成，安全监测自动化技术必能得到进一步的发展。