大坝安全监测自动化技术应用现状及发展思考

朱位隆

(上饶市国控水利水电工程建设监理有限公司，江西 上饶 334000)

水库作为我国重要的水利工程，发挥着调节水流、灌溉、防洪等作用。大坝属于水库建筑构件中的一部分，大坝的监测管理直接影响到水库的安全性能，是水库实现经济效益的基本保障。当前处于智能化发展时代，各行各业都跟随时代脚步，积极改革。水库大坝安全监测同样也需要注入新的“血液”，把握时代赋予的机遇，利用自动化技术提高大坝安全监测的水平，避免不必要的风险，保障大坝安全稳定运行。

1 意义

水库大坝安全监测是水电站重要的基础工作，若没有达到大坝安全监测的要求，则会遗漏重要的安全问题，进而引发大坝安全事故，造成难以预估的损失。现有的水库大坝安全监测主要还是以人工监测为主，工作强度较大且易受人为因素的影响，使得监测数据缺乏可靠性，不能反映建筑物实际变化情况，尤其是在洪水、地震等异常条件下，无法实施动态监测。因此，必须完善大坝安全监测系统，将部分关键监测项目转变为自动化监测方式，无论是对大坝所在地区，还是国家都具有积极的意义。对于水库大坝工作人员而言，自动化安全监测减轻了他们的工作量，使工作内容分工更加具有针对性和效率，对于国家来看，大坝的安全问题与国家的民生问题密不可分，水电大坝的自动化安全监测提高了监测性能，使得监测结果更加科学和准确。比如我国龙羊峡水电站大坝在应用自动化监测技术后，工程运转更加高效，数据监测更加准确，为水电站现代化安全监测做出了典范。可见，大坝自动化安全监测是行业发展的要求，也是水利工程运行管理工作的要求，是水利工程信息化建设的重要组成部分。

2 应用现状及问题

2.1 应用现状

大坝安全监测自动化技术可以及时精确地检验出大坝设计是否符合实际需求，大坝建设与运行是否正常，对提高设计方案的合理性和大坝的安全监测水平具有重要的意义[1]。大坝安全监测自动化技术的应用可以满足现代化大坝高标准、稳定性强等的监测要求，为大坝的安全长效运行提供了基础保障[2]。20世纪60年代，我国多次出现大坝失事事故，对国家社会造成严重损失，例如石漫滩水库的垮坝事件[3]。经过这些事件，人们开始逐渐重视大坝安全监测工作，加上计算机技术的快速发展，为监测设备向自动化方向发展提供了有利的条件[4]。20世纪90年代初，我国部分大坝安装了遥测仪器，能完成单项或多项自动化监测项目，但因受到技术性能和设备质量的限制，系统易出现故障，监测数据缺乏可靠性，导致监测自动化技术无法普及使用。目前，我国大坝安全自动化监测技术已相对成熟，并取得较好的效果，但随着我国用电量需求的不断增加，水库大坝的建设步伐逐步加快，对大坝安全自动化监测也提出了更高的要求，因此，必须加快提升自动化监测技术，解决自动化技术应用中的瓶颈问题，推动大坝现代化发展进程。

2.2 存在的问题

一些水电站依旧利用人力监测技术，这种传统方法可靠性较低，若在恶劣的环境条件中还容易发生危险，所以不应再被沿用。自动化检测技术相对传统人力监测方法，具有更高的准确性和安全性，还能降低劳动强度，提升安全监测的效率，因此，被许多水库大坝广泛应用，但在自动化技术普及过程中，依旧存在一些问题急需解决，比如设备故障频发、维修复杂等，针对这些问题，我们要及时找到解决措施，从而保证大坝自动化监测的可行性和全面性，提高大坝整体建设质量，避免安全事故的发生，保障人员的人身安全和企业的最大效益。

3 应用策略分析

3.1 加强巡视检查与设备检测，优化项目设计布置

大坝安全监测的监测内容主要包括巡视检查和设备检测，设备检测分为渗流、温度等多个监测项目[5]，巡视检查是指直观查看大坝的运行状态。据相关调查可知，大部分水库在垮坝之前会出现相应征兆，若能及时进行巡视检查，就可以尽量减少或避免发生垮坝事件，因此应加大对病险水库的巡视力度，以保障水库的安全运行。而通过应用隐患探测技术等自动化监测系统，可以实现对水库大坝中主要建筑物及设施设备进行实时图像监控[6]，极大地提高监测质量和效率。大坝安全监测项目的设计，直接影响到工程监测的最终效果。因此，大坝安全监测项目不仅要符合相关技术规范要求，还应重视影响工程安全的关键环节，对其进行重点监测，以保证监测点结构设置优化合理，与相关监测项目密切配合，便于后期分析与应用。

3.2 采用自动化采集方式，提高系统抗干扰能力

大坝安全监测信息的采集主要针对设置的监测点，采集方式可分为人工采集和自动采集两种，当前随着信息化技术的发展，监测信息采集方式已逐渐趋于自动化。一般情况下，自动化系统包括配套设置的传感器和测量控制装置两部分。其中，传感器是自动化监测系统中的核心部件，直接影响到数据的准确性和系统的可靠度。测量控制装置的主要任务是进行工程现场的数据采集，并控制采集信息时所涉及的相关设备，具有数据测量及存储、防雷、自动供电和停电保护等功能。数据采集软件是与控制装置相配套的软件，其主要具备初始化、单点测量、定时测量及数据维护等功能。伴随着自动化技术的发展与普及，测量控制单元板块逐渐实现智能化和标准化，更有利于系统的操作与维护。自动化采集系统一般分为传感器和测量控制装置两部分，但应用自动化控制技术后，能将系统与计算机相连接，提高系统抗干扰能力，例如GPS监测系统、智能传感器等。在原有的监测点式基础上，已开始推广使用分布式光纤温度、激光扫描等监测技术，解决了点式监测的难点问题，实现了长距离分布式监测。并随着监测技术水平的提高，已能将一种监测仪器应用于多个监测项目中，例如可以用应用差阻仪进行变形监测和温度监测等。

3.3 组织专业技能培训，切实解决安全问题

大坝实现安全自动化监测并不代表完全不需要人员进行监测，而是减少了安全监测人员的大部分工作量，依然需要安全监测人员投入到实地分析和信息处理的工作岗位中。因此，这些大坝工作人员兼具着更加严峻的任务，首先应对他们进行自动化、智能化的技能培训，掌握常见的设施设备，如智能传感器、中央控制设备等，这些设备的学习有些需要外出参加系统的培训，通过专业学习后，将设备使用技术传授给需要实地采集的人员，并教会他们简单的数据处理方法。还需要培训专业技术人员，将采集的数据信息和智能分析后的数据，进行完善的汇总与分析，从而掌握水库大坝的使用效能，并对出现的问题提供良好的预判依据。这种模式下，不仅能保障水库工作人员的生计问题，还有利于提高水库大坝安全监测的质量与效率，实时掌握水库的运行情况，以及运行问题的防范，进一步体现了水库安全监测的现代化发展水平。

3.4 构建网络管理平台，实现信息资源共享

利用通信设备、计算机网络以及数据库共同完成监测的信息传输与管理。其中，通信设备是为信息传输设备和监控主机之间提供的通信通道，起到采集与传输系统指令的作用，组成部分为传输介质(如光缆等)和信号传输设备(如无线电台等)。计算机网络系统的主要组成部分是传输介质、集线设备、服务器及其他相关的应用软件等，系统能为大坝安全监测工作提供一个高效的网络管理平台，其具备人工控制、远程控制等多种数据管理模式，加快实现了信息资源共享的功能。数据库主要是在满足相关标准的条件下，负责汇总信息采集系统的管理数据，并进行数据的集成、分类和备份，以确保共享信息的数据安全。

3.5 运用科学监测手段，提升服务与应用水平

监测信息的服务与应用是大坝安全监测体系应用自动化技术的直接体现[7]。基于B/S结构，借助计算机、数据库等相关软件工程开发公共服务系统，实现对数据信息的查询、统计等服务功能。通过互联网或手机实时采集与监控设置测点的监测数据，为大坝安全监控与管理提供了便利条件。监测信息的具体应用需通过自动采集信息方式，运用现代数学手段分析挖掘监测信息，建立数据分析评价模型，再按照安全评价导则与技术专家建议，完善大坝安全评判标准与细则，为预测预警工作提供的技术条件。除此之外，还可以将大坝自动化技术中现行的智能传感技术与人工智能技术相结合，因为智能传感主要是由3个传感器构成，完成传感后需进行数据分析，而人工智能在数据处理方面更具有优势，因此其与自动化技术的相互衔接，能最大程度上减小大坝的人工投入，并能利用人工智能庞大的数据库条件和高效的分析手段，对大坝结构进行精确监测，对出现问题的预判和分析数据的能力整体是优于人工的，促进了大坝自动化进程，大坝发展具有重要意义。

4 大坝安全监测自动化技术的发展趋势

随着科学技术的发展和软件工程的兴起，加速建立了大坝安全监测自动化系统，并逐步朝向智能化、实用化以及规模化方向发展。结合目前水库大坝安全监测自动化技术发展情况，预判未来的发展趋势如下：

(1)设备接口的标准化和通用化。目前国内外的大多数监测仪器生产厂家都存在设备接口和系统不通用的情况，以及缺乏专业的安装调试人员，使得大坝安全监测自动化系统的推广应用进程十分缓慢，因此，后期需加强研究关于通讯接口、电源接口等设备接口的标准，健全相应的技术规程，为系统设备与模块间的集成提供技术支持。

(2)远程控制与实时诊断。由于基层管理工作人员的知识水平相对较低，因此，大坝安全监测系统的远程控制与实时诊断，能协助维护人员获取准确的维护维修信息，以便及时处理存在的问题。比如，通过无线网络，用手机进行远程数据的采集及系统的维护与升级等工作，并设置大坝安全报警提示，从而第一时间发现故障，保障大坝安全自动监测系统的正常运行[9]。

(3)整合自动化系统。当前我国许多水库大坝均安装了水情预测、视频监控等自动化系统，但只有将这些系统进行有机整合，才能优化系统的整体性能，在保证大坝安全的前提条件下，提升水库经济效益。并能在汛期提供充裕的防洪库容，优化调度管理体系，达到防汛抗灾的目的。利用云计算技术集成大坝群信息系统，采用大数据统计方法整合大坝群数据资源，其中还涉及到GIS、远程通讯等技术。建立相关监测数据库，集中处理监测数据，找出变化规律，以合理利用数据资源，提升大坝运行与管理水平。通过云平台统一管理所获得的监测数据、远程监控等信息。当前我国集成大坝信息系统工作已全面开展，其中在杭州大坝中心对电力系统的安全监测数据进行了集中管理，湖南省大坝中心也已将部分水库的监测信息进行集中发布与管理。今后在数据共享利用、分析以及大数据方面还需要深度研究。

(4)运行管理移动化和便捷化。移动互联网技术的快速发展，使得移动基础设施设备数量逐渐增加，其中智能手机以被广泛普及使用。通过移动互联网手段可以解决在空间、时间上的管理问题，及时发现和处理现场的突发性事件。比如可以利用手机APP线上进行大坝安全巡视检查工作，配合使用GPS定位、摄像等方法达到实时巡查的要求，及时上报监测情况，通过此类方式，能有效减轻巡查工作量，保证巡查路线及流程的规范性。

(5)虚拟现实技术。近年来，水利工程中开始逐渐应用虚拟现实技术，该技术的使用需与GIS、GPS以及RS技术相互结合[10]。其中在大坝安全监测自动化中的应用主要分为3个方面，一是可记录大坝动态模拟的产生、发展过程，包括大坝变形、裂缝等现象，最终呈现可视化三维动态。二是通过模拟溃坝、泄洪等变化类型对大坝安全的影响，进行损失综合评价。三是利用虛拟现实环境，结合当地数据资源优势，开发大坝安全诊断系统。

5 结语

大坝安全监测自动化的发展是一项长期且较为艰巨的工程，当前该项技术的应用还有待完善与进步，后期应培训专业的技术人员，加强对自动化技术的研究与应用，不断提高水利工程自动化建设水平，为水库大坝安全监测工作提供有力支持。同时，还需要把握好监测重点，完善大坝安全监测体系，提升大坝的安全性能，降低事故发生风险的概率，进一步发挥工程的综合效益。