新疆和田地区小型水库大坝自动化安全监测系统建设

赵卫东，吕明明

(1.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.山脉科技股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

1 引言

随着科技水平的不断发展，自动化监测已经逐渐成为可能[1-2]。通过各项自动化监测系统的建设，可大幅度降低人工工作强度，提高工作效率，具有十分重要的意义[3-4]。新疆和田地区水资源时空分布不均匀，为改善这一现象，修建了大量的小型水库，水库安全对当地经济、社会影响极大。但大量的大坝安全监测需要耗费大量的人力、物力，实施难度较高，因此，建设自动化安全监测系统是十分必要的。

2 系统概况

工程监测自动化系统采用分布式监测自动采集系统，分布式监测数据自动采集系统由自动化监测仪器、数据自动采集单元和监测主机组成。其中数据自动采集单元布设在现场，各类自动化监测仪器通过专用电缆就近接入采集单元，再由采集单元按照采集程序进行数据采集、A/D转换、存储并通过数据通信网络发送至监控中心的主机做深入分析和处理。

水库自动化系统架构按四层考虑：①感知层；②采集层；③传输层；④应用层。其中，感知层主要包括：由渗流、应变、位移类等差阻式、振弦式、电位器式、标准信号式监测仪器和环境量采集传感器；采集层主要包括：电测仪器自动采集单元、人工采集读数仪等；传输层主要包括：光端机、三层交换机、通讯电缆、通讯光缆等；应用层主要指监控中心的监控主机、服务器等。系统框架见图1。

图1 系统架构图

3 系统建设

3.1 现场测站分布与配置

(1)配置原则

现场测站在配置数据自动采集单元时，应注意差阻式、振弦式、电位器式等各类型仪器的数量，并应根据各类仪器的接入数量合理配置采集模块数量。配置原则如下：

1)在进行MCU测站布置时，应综合考虑仪器电缆、通讯设备等情况，并以数据采集单元(MCU)尽量集中布置的原则，优化测站的位置。

2)原观测系统中已损坏且不能补埋的仪器可不接入自动化系统中。

3)每座现场测站内配置一台光端机，采用总线结构将多个自动采集单元接入，自动采集单元之间的连接采用屏蔽双绞线。

4)每个自动采集单元均应考虑蓄电池供电，蓄电池数量一般情况下，2台及以下自动采集单元可配一组蓄电池。

5)监测系统一般设专门的接地系统，测站柜内自动采集单元(MCU)的接地系统应与其所在建筑物的电气接地系统可靠连接。

6)环境量监测是监测资料分析的基础，对于本工程来说，主要是气温和降雨量。因此，在大坝合适位置建立集成气象站1座，并将监测数据接入自动化系统。

(2)测站分布及配置

现场测站的分布位置及自动化配置信息根据和田31座小水库的设计报告进行优化布设。

系统整体分为两个层次。

1)一般监测站

现场传感器通过信号电缆将模拟信号传送至现场采集单元模块，采集单元模块安装在数据采集机箱内，整体构成数据采集前端单元。1个或多个数据采集前端单元构成一个一般监测测站。

2)监测管理站

各个子系统的监测管理站通过局域网相连，构成自动化系统的主网络。为便于各个子系统的管理及整个自动化系统的操作及数据处理，在环境较好、适合工作的地方设立监测管理站，用于整个系统的管理、操作、数据处理。监测中心站内一般布设有数据服务器、工作站(计算机)、电源系统、防雷系统、接口等设备，满足对系统内及对外通讯。

(3)自动化设备清单

根据以上配置原则，每个小水库测站自动化采集设备主要包括：自动采集单元(MCU)，每个MCU至少具备8个数据采集通道，采集点位较多时可在MCU中增加传感器接入数据通道扩展板、1套交换机、1套稳压电源、1套电源防雷设备、1套系统接地、1套尾纤及保护盒等，自动采集单元(MCU)根据现场实际情况采取挂壁安装或者机柜内安装，适当利用已有的建筑物，或者自建观测房。

3.2 监测管理站配置

监测管理站设在坝后工程管理房内，根据数据采集、工程安全信息管理等功能需求，结合网络条件，主要配置的硬件设备包括：服务器、工作站、打印机、UPS、光端机、网络交换机等。另配置一台移动工作站，该计算机作为系统安装调试时临时网络监控站。

监测管理站配置的软件有：系统操作软件、数据采集处理软件、安全监测信息管理系统等。

监测管理站配置必要的系统操作软件如Windows Server2012以上版本，必要的Office组件以及常用的数据库以及工具软件；

监测管理站配置数据采集软件进行系统的编程、通讯网络管理、数据采集、数据处理以及数据输出等。

监测管理站配置工程安全监测信息管理分析系统对工程资料档案输入、对监测数据检验分析、用多种数据模型对水工建筑物安全进行在线监控分析、安全评估以及各种需要的信息存储输出等。

3.3 通讯网络设计

(1)设计原则

由于各监测站分布较分散，且大坝变形监测网及数据采集站覆盖的范围较大，而以电信号为基础的以太网不能满足系统信号传输的需要，在通信网络方案的选择上，考虑光纤通信方式或者无线通信方式。

本方案通信网络采用485总线结构，即每个现地测站并行独立接入光纤主干网络，光纤主干网络连接至监测管理站，实现光信号与电信号的解调。设计原则如下：

1)为保证长距离传输时信号的衰减，现场测站在接入主干网络前，所有网络数据信号全部转换为光信号；

2)自动化采集站内部MCU与MCU之间采用485总线进行通信。

3)主干网络光缆芯数按实际芯数并留有20%冗余，以备其他系统设备或后期自动化系统扩容时使用。

4)RS-485通讯总线不得走强电洞或是强电线管。如因环境所限，要平行走线，则要远离50 cm以上。

(2)网络结构型式

现场测站之间网络采用光纤485通信方式，各测站内部MCU之间采用屏蔽双绞线485通信方式。光纤采用单模光缆。

各系统之间通讯方式如下：

1)MCU与传感器之间，采用各类型传感器的专用信号电缆，满足有效传输本工程各类监测传感器的信号。

2)MCU与MCU之间，通过MCU的485接口采用屏蔽双绞线RS-485方式进行级联，直至连接最后一台MCU配置的光端机，然后由光缆连接至监控中心的光端机。测量单元上的通讯口进行级联，测量单元通485总线必须采用标准的屏蔽双绞线，这样可有效防止和屏蔽干扰。总线长度不超过1200 m(建议在1000 m以内)。

3)监测管理站和现场测站之间，采用总线结构+光纤RS-485方式或者无线方式进行通信。其中有线测站采取总线方式，现场测站光纤熔接入主干光纤网络，直至监测管理站，之后通过监测管理站的光端机接入网络交换机，实现光信号与电信号的解调，从而接入现有自动化系统的数据管理体系；无线测站则通过无线电台，采取并行方式单独连接监测管理站。

通讯网络拓扑图见图2、图3。

图2 通讯网络拓扑图

图3 监测站点通讯网络拓扑图

3.4 电源供电方式

(1)一般测站

就近引设供电方式，每座监测站根据MCU数量配置免维护蓄电池组做为备用电源，蓄电池组容量按150 Ah/12 V配置，停电时为MCU、通信设备供电。所有设备接入厂用供电系统，应通过稳压电源。

(2)独立测站

对于独立测站来说，采用太阳能供电系统和蓄电池组合的浮充供电系统为无线通信设备、数据采集单元(MCU)等设备供电。太阳能供电系统按60 W、蓄电池组容量按120 Ah/12 V考虑，输出电压12 V，蓄电池应采用铅酸胶体蓄电池，应满足通讯和采集设备的需要。

图4 系统工作方式

太阳能供电系统由太阳能阵、汇流盒、太阳能控制器等组成，太阳能阵采用单晶硅。大部分太阳能阵放置在观测房上，太阳能阵应能与其结构物可靠连接，并能在7级(含)以下的大风环境内正常工作。

(3)监测管理站

监测中心站不设独立的电源系统，直接接入整个建筑物的供电系统。

3.5 系统工作方式

(1)中央控制方式

由监测中心站采集机或主站管理计算机，命令所有数据采集单元同时巡测或指定单台、单点进行选测，测量完毕将数据列表显示，并根据需要存入采集数据库。

(2)自动控制方式

由各台测控单元自动按设定时间进行巡测、存储，并将所测数据送至监测中心站的采集机备份保存。

(3)远程控制方式

由经过允许协议的远程计算机，通过网络对现场中心站进行全过程操作或对现场测控单元进行连接控制、检测和管理。

3.6 系统冗余要求及运行方式

在监测中心设置1台数据库服务器、2台工作站，可实现系统的冗余要求。

利用数据库服务器本身多硬盘结构，在系统内设置硬盘RAID备份，达到多机镜像备份，满足系统平均维修时间≤24 h的相关要求。

系统运行为24 h实时在线方式，可在线随时进行测量。

4 结论

结合新疆和田地区小型水库大坝安全监测系统建设工程，介绍自动化安全监测系统的概况及主要功能，并从现场测站配置、监测管理站配置、通讯网设计、供电设计、系统工作及安全运行等多个方面分析和田地区大坝自动化安全监测系统建设过程。和田地区通过建设该系统，大大降低了小型水库大坝安全监测的工作难度，丰富了监测数据成果，从而为大坝安全监测及预报预警提供了可靠的数据，取得了丰硕的成果。