浅析洪泽湖大堤安全监测系统

潘鑫 许诺 张杰 张志来

摘  要：随着信息化技术不断发展，水利工程管理趋向高效化、智能化，传统的人工监测已不能满足堤防工程现代化、精细化管理的需求。该文从系统组成、工作原理、误差比较等方面分析了洪泽湖大堤工程安全监测系统，希望对类似的工程管理能起到一定的借鉴作用。洪泽湖大堤工程安全监测系统通过用遥测、通信和计算机技术对洪泽湖大堤工程实行全天候远程自动监测，实时观测堤身渗流压力及浸润线分布状况，统计分析测压管数据变化过程，对保证洪泽湖大堤工程安全运行，发挥工程效益有着十分重要的意义。

关键词：洪泽湖大堤;安全监测;自动化;测压管

Abstract：With the continuous development of information technology，the management of water conservancy projects tends to be efficient and intelligent，and the traditional artificial monitoring can not meet the needs of modern and refined management of embankment projects. This paper analyzes the safety monitoring system of Hongze Lake levee project from the aspects of system composition，working principle and error comparison，hoping that it can be used for reference for similar project management. Through telemetering，communication and computer technology，the safety monitoring system of Hongze Lake levee project can realize all-weather remote automatic monitoring，real-time observation of seepage pressure and distribution of saturation line of the levee，and statistical analysis of the change process of piezometric data，which is of great significance to ensure the safe operation of Hongze Lake levee project and bring the project benefits into play.

Keywords：Hongze Lake levee;safety monitoring;automation;piezometer

0  引  言

在自动化安全监测系统未建成前，洪泽湖大堤工程一直采用人工方式进行检查、观测，费时费力，测量精度低。为提高洪泽湖大堤工程观测效率和观测水平，确保工程安全，2014年建设洪泽湖大堤自动化安全监测系统并开始运行。本文将对系统软、硬件构成及运行状况进行分析，通过过程线分析人工、自动化测值差异，对近年来的系统运用效果进行评价。

1  工程概況

洪泽湖大堤位于洪泽湖东岸，北起淮阴区码头镇，南至盱眙张庄高地，全长67.25 km，另加北端码头镇以北至废黄河高地3.38 km，总长70.63 km。洪泽湖大堤年代久远，历史上多次决口、填堵，堤身填筑材料复杂，堤身内留有许多乱石、埽工等隐患，堤身时有渗水、窨潮等现象，虽然经过多次加固，但堤身内部结构没有根本改变。

2  洪泽湖大堤安全监测系统构成及功能

洪泽湖大堤安全监测系统主要由视频监控系统和测压管安全监测系统组成。监测系统覆盖洪泽湖大堤34K+900～ 60K+646省管段25.00 km堤防，通过该系统可及时掌握堤防工程的动态工况，提升工程自动化、信息化管理水平，为上级部门决策提供科学依据，为洪泽湖大堤工程安全运行提供保障。

2.1  视频监控系统

视频监视系统由前端设备、传输设备、视频主机和显示设备四部分组成。

在省管段洪泽湖堤防共设置13套SCM-NF718GR室外高清红外智能球型摄像机，分别设置在35K+850、36K+020、36K+050、36K+550、37K+050、41K+100、45K+400、47K+630、49K+475、52K+210、54K+377、56K+570、59K+200堤段。视频信号通过光缆和光端机将视频信号传输到监测系统中心站，同时通过复用技术传输反向控制摄像机信号。视频监控光端机选用点对点式光端机，将13对光端机连接到光纤上进行视频信号传输。

监控系统采用CR-GS416网络高清视频主机接收各类信号，具有控制云台、切换搜索图像、联动报警、网页浏览等一系列功能，图像传输的实时性及其响应速度满足工程管理需要。

2.2  测压管安全监测系统

系统通过渗压计对堤身渗透压力进行测量，能够准确反映堤身渗透压力，实现数据自动采集，较人工观测操作简便、迅捷。系统在历史险工段和可能存在隐患的堤防布设16个断面进行观测，共计75根测压管。

2.2.1  渗压计工作原理

洪泽湖大堤安全监测系统使用的是BGK4500ALV通气型渗压计，大部分部件采用特殊钢材制造，适合在各种恶劣环境使用，用于测量空隙中水压力或液位。采用专用通气电缆连接，可有效减少大气压力对测值的影响，更适合用于水位测量。渗压计含有一块灵敏的不锈钢膜片，由它连接着振弦，当弹性膜片发生变形，其形变将引起振弦应力变化，并改变振动的频率，最终通过电缆传输将信号送至读数装置并转化成压力值。

2.2.2  系统组成及运行方式

测压管安全监测系统由传感器、测量单元（MCU）及监测中心站组成。传感器主要由75只渗压计组成，测量单元用于对传感器数据进行采集和储存，并与监测中心站计算机连接通讯，实现实时监测。监测中心站设在洪泽湖堤防管理所办公楼内，它与测量控制单元通过GPRS信号进行无线传输，实现从设备到软件系统之间的无线、双向数据通信[1]。电源采用太阳能供电方式。

2.2.3  测压管安全监测系统功能

（1）监测数据采集功能。监测系统可对渗压计传感器信号进行巡回测量、定时测量、单点选测等。巡回测量用于测量某一时间段内多个测点数据的连续变化情况;定时测量主要用于测取定时数据，每隔一段时间采集一次数据;单点选测主要是针对某一测点进行的测量方式。（2）数据通讯与资源共享功能。测量控制单元与监测中心站之间具有双向通讯功能，监测中心站可以接收测量控制模块收集的数据，并且可以向该模块发出操作命令，中心站与外界通过多种途径实现双向通讯，达到资源分级共享[2]。（3）数据管理与分析功能。监测系统具有数据的录入、删除、修改、查询、备份等功能，从而保证数据的连续完整性。系统可将选取的监测数据制成图表，并结合工程需要建立数据图模型，为洪泽湖大堤工程安全检查提供信息。

2.3  軟件系统

软件系统采用基康公司研发的BGK-Logger.Net数据分析系统，系统网络结构共分三层：采集层、服务器层和用户层。

采集层：包括采集电脑、采集模块和传感器部分。在采集电脑配置管理系统，通过管理系统对监控信息和数据进行管理，同时将数据传输到服务器层的数据库。

服务器层：包括数据库和网页端服务器。监测信息及数据保存在数据库服务器;监测信息及数据发布于网页端服务器。

用户层：由内网（局域网）和外网（广域网）用户计算机组成。内网计算机通过安装信息管理系统管理数据库中的信息和数据，可以远程进行测量、下载数据等操作;同时用户计算机均可以连接网页服务器，查询到数据库中的监测信息和数据。

系统可管理众多的电脑、串口、支持多种通讯协议，有较好的扩展性能。

3  安全监测系统技术要点

3.1  采集端安装

本系统传感器现场的零点读数要在修正后与原厂读数一致。采集端传感器安装先要设定零读数，将渗压计电缆放入测压管内指定位置，同时在电缆上做好标记，使得渗压计顶端到达预定地点，在测压管上端固定电线，以防仪器丢入测井造成读数存在较大差异。

3.2  资料的整编分析

洪泽湖大堤安全监测系统资料整编分为报表打印、图形绘制等模块，包括资料数据查询修改、监测数据添加、备份恢复等内容。本文随机采用了2019年1月21日测值数据，监测系统根据该断面6根测压管的水位情况绘制出浸润线图，如图1所示，较为直观地反映了堤防断面浸润线的变化情况。

3.3  安全监测系统自动测值与人工测值的比对

自动测值与人工测值比对一般是通过过程线进行比较，过程线是根据相同时间段、相同测次的人工测值与自动测值比对，分别绘制出人工测值过程线及自动测值过程线[3]。洪泽湖大堤工程人工测量主要是按照观测日来进行观测，每个月人工观测2次，平均每15天观测一次，观测时间控制在当天的8点至11点之间。本文选取了2019年1月至3月上午8点时间段一组断面部分测压管的人工测值与自动化测值绘制成的过程线图进行比较，如图2所示。

洪泽湖大堤工程自动化监测系统所使用的渗压计量程为350 kPa，标称精度为0.5%F.S，约在0.175 m以内[4]。通过测压管人工测值与自动化测值数据的对比，计算出同一时间点两个数值的差，比较发现人工测值与自动测值过程线基本吻合，绝大多数数据差值均在 8 cm之内，少部分数据差值超限，误差值过大的数值可以通过设置系统操作软件修改校正系数减小误差，用实际测量值和自动化采集值比较，以实际测量值为准，大则减，小则加，数值修改过之后将新的数据下载到采集模块从而提高自动化测量准确度。

4  应用效果

（1）提高堤防工程管理效率。视频监测系统覆盖了13个堤段，对各堤段进行24小时实时监控，有利于防汛的实时调度，能迅速及时发现处理堤防突发事件，实时监控各险工段人员活动情况，提高了工程信息传递的准确性、高效性。（2）提升堤防工程观测自动化水平。通过安全监测系统，实现对洪泽湖大堤16个断面测压管水位数据的自动采集，大大降低了人工测量的成本，节省人力物力，并通过与人工测值的比较发现：自动测值变化稳定，监测数据连续、可靠，与人工测值变化规律基本一致，能够准确地反映出测压管水位线变化状况。（3）实现数据分析模型化。监测中心站的软件系统可及时处理采集数据，并生成直观的浸润线、柱状图、过程线等数据模型，通过对数据模型的分析，可随时了解到各监测断面的工程安全状况，为洪泽湖大堤工程的安全预警提供了信息基础。

5  结  论

洪泽湖大堤安全监测系统自运行已有5年时间，累计采集数据80万余次。该系统具有实用、高效、高精度自动化等特点，自运行以来，其功能、运行稳定性、可靠性、测量精度等满足工程设计及规范要求。安全监测系统的应用大大减轻了人工工作量，提高了观测频率和观测精度，为各种资源的优化配置发挥了重要作用，取得了显著的经济效益和社会效益，对洪泽湖大堤工程的安全运行起到不可或缺的作用。

参考文献：

[1] 张宇.龙凤山水库大坝测压管安全监测系统设计的探讨 [J].黑龙江水利科技，2014，42（4）：116-117.

[2] 程洪波.大坝安全监测自动化系统应用探讨 [J].水利建设与管理，2010，30（5）：60-62.

[3] 张志银.大坝安全监测自动化系统在黄金坪水电站的应用 [J].四川水利，2018，39（1）：98-100+110.

[4] 卢飞，胡明罡.密云水库大坝渗流监测数据的比对和校正 [J].北京水务，2015（6）：41-44.

作者简介：潘鑫（1991.11—），男，汉族，江苏淮安人，助理工程师，本科，研究方向：水利工程管理。