怀柔水库渗压监测自动化升级改造研究

杜云龙 陈含 刘利 张明跃 齐纪 史天明

摘要：传统的人工监测方法已不能满足水工监测智能化发展的需要，因此对北京市怀柔水库主坝进行了渗压监测自动化升级改造。在大坝中安装了渗压计自动监测渗压数据，采用数据传输模块将监测数据通过4G网络传送至云服务器，开发了渗压监测分析平台，实现了监测数据实时汇总展示、规范格式报表导出、监测数据形象化展示、数据编辑及人工监测数据录入等功能。结果表明：通过此次升级改造，提高了怀柔水库渗压监测的自动化和信息化程度，有助于管理人员及时掌握大坝运行状态，加强了大坝安全运行管理水平。

关键词：水库渗压监测;云服务器;分析平台;怀柔水库

中图法分类号：TV698.1文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.011

文章编号：1006 - 0081（2021）07 - 0054 - 05

1 研究背景

怀柔水库位于北京市怀柔区西南处，是向北京市供水的关键水利枢纽。怀柔水库建成以来，在防洪、城市供水等方面发挥了巨大的效益，对北京市的供水起到了重要作用。怀柔水库主坝为黏土斜墙坝，坝顶高程68.0 m，最大坝高23.0 m。工程规模为大（2）型，工程等级属于II等[1-2]。主坝共布设25处渗流压力监测点，均采用测压管进行监测，其中坝体渗流压力监测点12处，绕坝渗流监测点3处，坝基渗流压力监测点3处，西溢洪道监测点6处，东溢洪道监测点1处。每月日期逢5逢0时对所有渗压监测点的数据进行人工观测，工作人员使用水尺对各测压管内的水位进行测量，遇有特殊情况时（比如汛期），会加大监测的频次。

20世纪90年代以来，大坝安全监测技术飞速发展[3-4]，随着大坝管理水平提升和信息化发展要求的提高，监测自动化已成为水工安全监测的发展方向[5-6]。相比之下，怀柔水库目前采用的人工监测仍存在如下不足：①观测精度低、周期长，数据分析成果滞后，不能及时了解坝体的渗流状况;②观测工作易受雨、雪等不利天气的影响;③在汛期加大监测频次，增加了观测人员的工作强度。

由此可见，传统的人工监测手段效率低、成本高，已不能满足水利工程管理自动化、信息化和智能化的需要，因此对大坝监测系统进行自动化改造具有重要意义，不仅可以及时获取高精度监测数据，还能对数据进行汇总分析，为大坝的安全运行提供有力保障。本文介绍了怀柔水库渗压监测自动化升级改造的技术路线以及渗压监测分析平台的架构、模块和核心功能，并分析了改造效果。

2 技術路线

2.1 改造总体思路

此次对怀柔水库主坝渗压监测点进行自动化改造的技术路线如图1所示：在各测压管安装渗压计实时监测渗压数据（即测压管内水位数据），每个渗压计连接一个数据传输模块，采用数据传输模块将监测数据通过4G网络传送至云服务器，利用太阳能供电装置对渗压计和数据传输模块进行供电，在云服务器上开发渗压监测分析平台，在计算机、手机等客户端可以通过Web网页登录该软件，对渗压数据进行实时监测、汇总显示、分析处理，并可进行形象化展示。

2.2 仪器设备及关键技术

2.2.1 渗压计

此次改造采用的渗压计为北京天玑科技有限公司生产的TJS01型压阻式渗压计（图2），每个测压管内水面以下固定一支渗压计，如图1所示，渗压计测得的数据为所在位置处的水深（渗压计内部有芯片，根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，可自动将测量的水压力转换为水深），再加上该渗压计所在位置的高程，即为测压管内的水位高程。渗压计水深测量范围为0～30 m，监测精度为±0.1% F.S（F.S是指传感器的指标相对于传感器满量程误差的百分数），工作湿度不大于95%，工作温度为

-30～+70℃。为消除温度变化对仪器测量精度的影响，在渗压计内部设置热敏电阻，通过温度修正提高测量精度。使用中若渗压计工作异常，应首先检查数据传输模块或者串口服务器，重点检查SIM卡是否欠费。若网络通讯正常，则通过向设备发短信的方式进一步检测;如果短信发出后没有收到回应，则为设备损坏或者接线变松，这时应携带备用渗压计到现场，若检查发现非线路问题则需要更换设备。

2.2.2 数据传输模块

数据传输模块又称DTU（Data Transfer Unit），是将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据，并通过无线通信网络为用户提供无线数据传输的终端设备[7]。此次选用北京天玑科技有限公司生产的型号为TJ0435的G785型4G-DTU（图3），同时具有数据采集及传输功能，主要由CPU控制模块、4G无线通信模块以及电源模块构成，同时提供RS232和RS485接口，可直接连接串口设备，实现数据透明传输功能，该DTU数据传输速率快、容量大、通信费用较低，且不受地理位置和环境的限制，具有较好的实时性[8-10]。每个DTU设置唯一设备编号，可保证数据上传云服务器时被识别，在DTU中插入4G SIM卡，构建出DTU-4G无线通信网络的无线传输通道，将渗压计监测的数据采集出来通过4G无线通信网络传输至云服务器。

2.2.3 太阳能供电装置

采用北京天玑科技有限公司生产的TJ40-100型太阳能供电系统，由单晶硅太阳能板、铅酸蓄电池和支架组成，通过线缆连接，给渗压计和数据传输模块供电，可保证在阴雨天气连续使用20 d。图4为怀柔水库主坝下游坡面上已安装的太阳能供电装置。

2.2.4 云服务器

云服务器（Elastic Compute Service， ECS）是云计算服务的重要组成部分，是面向各类互联网用户提供综合业务能力的服务平台，平台整合了传统意义上的互联网应用三大核心要素：计算、存储、网络。面向用户提供公用化的互联网基础设施服务，可以让用户像使用水、电、天然气等公共资源一样便捷、高效地使用服务器，实现计算资源的即开即用和弹性伸缩。云服务器的管理方式比物理服务器更简单高效，用户无需购买硬件实体，即可迅速创建或释放任意一台或多台云服务器，具有快速供应和部署能力，且当用户业务需求增加时，可快速实现性能扩展[11]。

此次改造通过购买阿里云服务器，提供了性能卓越、稳定可靠、弹性扩展的IaaS（Infrastructure as a Service，基础设施即服务）级别的云计算服务[12]。开发的渗压监测分析软件在云服务器上运行，DTU将渗压监测数据通过4G网络传输到云服务器并存储在渗压监测数据库中，水库管理人员可利用电脑、手机等终端通过互联网登录渗压监测分析软件，采用人机交互的方式对云服务器上的渗压监测数据进行查询、处理及导出。

3 渗压监测分析平台开发

3.1 平台架构

渗压监测分析平台由中国水利水电科学研究院基于B/S三层架构设计开发，如图5所示，由显示层、业务层、数据层组成。平台在基础设施上运行，数据层提取数据库中的数据，业务层对数据进行逻辑处理，处理完成后返回给显示层，显示层再展示给用户。

（1）显示层。对用户进行身份验证并将请求传输到业务层，可实现GIS展示、渗压分析、人工监测、用户管理等人机交互操作以及图表展示。

（2）业务层。负责处理所有业务逻辑。它由服务类组成，并使用数据层提供的服务实现显示层所需业务数据的处理，为工程监测应用提供支持，如安全服务、接口服务、数据分析、数据处理、日志消息、状态信息等。

（3）数据层。实现对原始数据的存储，对数据库的读写操作、数据缓存处理、文件存储等功能，为业务层或其他应用提供底层数据。

3.2 平台核心功能

3.2.1 监测数据实时汇总展示

平台的“大屏”功能将怀柔水库基本信息，各渗压监测设备运行状态，各渗压监测点的实时监测数据汇总在同一个页面显示（渗压监测数据滚动显示），如图6所示，便于在LED大屏等显示设备展示。“数据分析”模块的“综合数据”功能可以汇总显示全部渗压监测点的实时监测数据，如图7所示。

3.2.2 规范格式报表导出

通过“数据分析”模块的“报表导出”功能，用户可以选定渗压监测点和时间段，查询该测点此时段内的渗压监测数据，图8为某测点“孔1”2011年全年的渗压监测数据查询界面。还可以按照预先定义好的格式和样式对数据进行导出，导出的报表为Excel格式，样式如图9所示。

3.2.3 监测数据形象展示

在25个渗压监测点中，12个坝体渗流压力监测点设置在3个典型断面上，每个断面均設置4个渗压监测点，通过“渗压监测”模块“浸润线”功能，用户选择其中1个断面和日期，可以将此断面上4个测压管的水位高程以及库水位以断面图的形式展示，如图10所示。

通过“渗压监测”模块“时程曲线”功能，用户选择一个测点和时间段，软件可自动绘制出该测点的测压管水位时程曲线，如图11所示，可以直观地看到水位随时间的变化。

3.2.4 数据编辑及人工监测数据录入

遇到一些特殊情况时，需要对自动监测的数据进行编辑，在每条查询的数据后都有数据编辑接口，可以对自动监测的数据进行修改或者删除。此外，如果需要添加测点或者给已有测点添加数据，可以使用“人工监测”模块，在“测点管理”中添加测点，在“监测数据”中选定已添加或者原有测点，手动添加监测数据。

4结 语

通过对怀柔水库主坝的渗压监测设备进行自动化升级改造，达到了以下几个方面的效果。

（1）提高了渗压监测的精度和频次。自动化监测避免了人工监测产生的操作误差，数据采集频率可人为设定，目前设定的数据采集频率为每6 h一次。

（2）节省监测成本。只需定期对监测设备进行维护，便能持续接受渗压监测数据，减少了人工监测工作量。

（3）提高数据应用能力。通过软件的各项数据分析功能（报表导出、时程曲线等），便于实施监测资料的整编分析，而且数据存储在云服务器，稳定安全，不易丢失。

（4）加强大坝运行管理。通过开发渗压监测分析平台实现了渗压监测数据的动态监测，相关人员通过网络即可随时掌握大坝的渗压监测情况，真正实现远程管理与现场检查相结合的现代化工程运行管理模式。

（5）可扩展性强。渗压监测分析平台给后续添加变形监测、水情监测等留有接口，云服务器的性能也可以随时扩展，以便于后续继续完善其他安全监测项目，进一步提高大坝安全监测自动化、智能化程度和科学管控水平。

同时，渗压监测自动化升级改造的推广与应用还存在一些制约因素。例如在通讯方面，偏远地区的大坝通讯覆盖较为困难;在供电方面，太阳能供电的方式依赖于天气。可以预见，这些制约因素会随着通讯、电池等相关技术的发展而逐渐解决，也会给水工建筑物自动化升级改造的推广创造出更有利的条件。

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（编辑：江 文）

Automation upgrading of seepage pressure monitoring of Huairou Reservoir

DU Yunlong1， CHEN Han2，3， LIU Li1， ZHANG Mingyue1， QI Ji1， SHI Tianming4

（1. Beijing Jingmi Water Diversion Management Office， Beijing 101400， China;   2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation

of  Water  Cycle  in  River Basin， China  Institute  of  Water  Resources  and  Hydropower  Research，  Beijing 100038， China;   3. Key     Laboratory of Construction and Safety of Hydraulic Engineering of Ministry of Water Resources， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China;   4.Beijing Tongchengda Water Construction Co.， Ltd.， Beijing 100028， China）

Abstract： The seepage pressure monitoring of Huairou Reservoir Dam was upgraded to automatic monitoring because traditional manual monitoring has been unable to meet the needs of intelligent development of hydraulic monitoring. The osmometer was installed to monitor the osmolality data automatically. The Data Transfer Unit was used to transmit the monitoring data to cloud servers through 4G network. The seepage pressure monitoring and analysis platform was developed. The platform has the functions of real-time display of monitoring data， report forms exportation， visualization display of monitoring data and data editing and manual monitoring data entry. Through this upgrading， the automation and information level of seepage pressure monitoring of Huairou Reservoir has been significantly improved， which helps to grasp the dam operation status in time and improve the dam safety operation management level.

Key words： seepage pressure monitoring; cloud server; analysis platform; Huairou Reservoir