□聶洪江 □高春林（許繼電氣股份有限公司）

□孫紀華（沈丘縣東城辦事處水利站）

振弦式儀器自20世紀30年代發(fā)明以來，以其結構簡單、精度高、抗干擾能力強及對電纜的要求低等優(yōu)異性能受到工程界的廣泛關注。隨著現(xiàn)代電子技術、材料和制造技術的進步，振弦式儀器技術得到了完善并大量運用到實際工程中。我國擁有1.8萬座不同類型的大壩，大部分運行時間超過了30年，限于建造時的設計水平和施工技術，多數(shù)大壩都存在不同程度的安全隱患，給當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展帶來很大的不確定性。因此，預防安全事故的發(fā)生顯得尤為重要，近年來國家加大了對水庫除險加固的投入，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)是水庫除險加固的重要組成部分，是確保大壩安全的重要措施，本文對基于振弦式傳感器的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的分析和研究。

一、振弦式儀器的工作原理及類型

（一）工作原理

振弦式儀器的主要部分是定在端塊或被測元件之間的鋼弦，通過測量張緊鋼弦的頻率變化來表示應變量等物理量，鋼弦的振動頻率與弦的張力之間的關系為：

其中：F為鋼弦的自振頻率；L為鋼弦的長度；M為單位長度鋼弦的質量；T為鋼弦的張力。

實踐證明，振弦式儀器的技術難點在與長期穩(wěn)定性，高質量的振弦式傳感器應具備良好的設計工作特性和較低的長期漂移。

（二）類型

不同結構的振弦技術可以形成不同的傳感器類型，主要分為應變計、壓力傳感器、位移傳感器、測縫計和水位計等。振弦技術可以應用于極端惡劣的環(huán)境，也常用于高輻射條件下。

二、監(jiān)測系統(tǒng)設計及功能要求

（一）設計原則

基于Internet-Internet的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)應對壩體安全狀況作出客觀數(shù)據(jù)監(jiān)測、安全評價和預測預報。因此監(jiān)測系統(tǒng)的設計原則是要達到如下要求：精確性、可靠性、穩(wěn)定性；先進性和實用性；友好的人機界面。

（二）監(jiān)測系統(tǒng)結構

基于振弦式傳感器的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)主要由3部分組成，包括采集層、傳輸層和管理層，采集層由各類傳感器、采集終端等采集設備組成，這是整個系統(tǒng)的基礎，在整個系統(tǒng)建立的時候必須要保證所有的傳感器安裝到位，保證質量。否則影響后期的觀測結果；傳輸層，這是系統(tǒng)的連接層，是連接現(xiàn)地層和管理層的紐帶，主要由協(xié)議轉換器、光端機、光纖、無線網(wǎng)絡等構成；管理層是整個系統(tǒng)的核心部分，是整個系統(tǒng)的大腦，主要由監(jiān)控主機、其他輸入輸出設備等組成。

（三）監(jiān)測系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能包括各類傳感器的數(shù)據(jù)采集功能和信號越限報警功能；本系統(tǒng)能按運行要求，對所有接入系統(tǒng)中的各類監(jiān)測儀器進行一定方式的自動化測量，存儲所測數(shù)據(jù)，并傳送到中央控制裝置集中儲存或處理，在中央控制裝置故障、總線故障或情況下，各臺現(xiàn)地采集終端可以獨立工作，自動按設定時間進行巡測，自動存儲數(shù)據(jù)等待提取。每臺采集儀應具備常規(guī)巡測、巡測、定時巡測、常規(guī)選測、檢查選測、人工測量。

一是監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能。具有可任意設置各通道的采集頻率，能夠實時查看每只儀器的動態(tài)測值曲線；二是數(shù)據(jù)通信功能。數(shù)據(jù)采集終端與監(jiān)測中心的管理主機之間的能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通訊方式可以通過局域網(wǎng)IP地址訪問連接；三是數(shù)據(jù)管理功能。完成原始數(shù)據(jù)測值的計算、存儲等；可進行各類儀器的測值瀏覽，并為人工觀測儀器提供入庫接口；四是系統(tǒng)具有防雷、抗干擾措施。保證在雷電感應和電源波動等情況下能正常工作；五是系統(tǒng)可靠性要求。按數(shù)據(jù)采集缺失率（或完整性）考核：要求每周測量一次，年數(shù)據(jù)采集缺失率應＜2%，或數(shù)據(jù)采集率≥98%；按系統(tǒng)平均無故障工作時間考核：要求在試運行一年內(nèi)按自動控制方式運行，數(shù)據(jù)采集終端的平均無故障時間應〉8000h；六是安全監(jiān)測儀器的分布決定了自動化監(jiān)測網(wǎng)絡的規(guī)模，必須滿足接入上述自動化儀器的要求，并有10%以上的余量，以保障增加10%的自動化儀器時，不需增加自動化監(jiān)測網(wǎng)絡設備。

三、軟件功能設計

根據(jù)水庫大壩日常管理的要求，需建立實用的、網(wǎng)絡化的大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，因此，在實現(xiàn)大壩監(jiān)測系統(tǒng)自動數(shù)據(jù)采集后，應根據(jù)工程的實際情況專門開發(fā)大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)，以便掌握大壩的運行狀況。系統(tǒng)具有大壩安全監(jiān)測與綜合評價、大壩安全監(jiān)測資料查詢、大壩安全監(jiān)測圖表制作、大壩安全監(jiān)測報表制作、大壩安全監(jiān)測資料換算、大壩安全監(jiān)測資料管理、大壩安全監(jiān)測資料分析、大壩安全監(jiān)測資料轉入等功能。

各模塊具備的基本功能為：

（一）自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)自動轉入

該模塊具有自動將自動化監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中的原始和成果監(jiān)測數(shù)據(jù)轉入到SQLServer整編數(shù)據(jù)庫中的功能。

（二）監(jiān)測資料管理

主要用于監(jiān)測資料的輸入、刪除和修改，可以在網(wǎng)絡的任一計算機上由授權用戶完成。該模塊對用戶的輸入有既嚴格又靈活的控制，各種輸入量（如日期、時間、整數(shù)、實數(shù)等）一旦輸入就立即進行有效性校驗，并將校驗結果告知用戶。

（三）監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢

本模塊通過設置快速導航樹形測點結構、測點表、儀器類型表等方式，首先能在空間上快速定位待查監(jiān)測量、測點或測點組，在此基礎上只要指定查詢時間區(qū)段，即可立刻查到所需的數(shù)據(jù)資料。還可把查詢結果存為文本文件，打印查詢結果。

（四）圖表曲線制作

大壩安全監(jiān)測資料的圖形化表示是監(jiān)測資料最直觀、最常用的處理方式。本模塊可以繪制出符合工程習慣、圖面整潔美觀的各類大壩安全監(jiān)測常用曲線圖形，如監(jiān)測量的過程線、分布線、相關線等。

（五）數(shù)據(jù)報表制作

通過該模塊，可以制作符合工程習慣的報表?？梢噪S意增減監(jiān)測量，可以設置版面的紙張大小和頁邊距，可以設置報表的欄目數(shù)、行高、列寬、行列分隔方式，可以設置所有圖形元素的屬性，如顏色、字體、線型等。

（六）建模分析

本模塊按照有關要求，對觀測資料進行分析，分析項目包括所有監(jiān)測項目。分析模型以統(tǒng)計模型為主，模型的候選因子包括溫度、水位、降雨量等，因子可以任意選擇。建模方式可以對一個測點，也可以同時對一批測點同時建模，顯示建模結果，包括模型方程、模型參數(shù)（如復相關系數(shù)、剩余標準差、F檢驗值等）、各個分量的分解結果及過程線，并利用建模結果對各個測點的測值進行預報，選擇。

（七）系統(tǒng)管理

主要用于測點管理、監(jiān)測量評判標準管理、用戶及其權限管理、數(shù)據(jù)庫備份和恢復。增或刪除用戶、更改口令、更改用戶級別。

（八）Web方式查詢

監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢：可以查詢出任意測點的各個監(jiān)測分量的測值，時間段可以由用戶自己任意設定。

四、工程實例

（一）工程概況

龍?zhí)端畮煳挥趶V西南寧市江南區(qū)沙井鎮(zhèn)西南面，坐落在珠江流域西江水系邕江支流龍?zhí)逗由嫌?。壩址以上集雨面積75.94km2，總庫容1380萬m3，水庫100年一遇設計洪水位102.38m，1000年一遇校核洪水位 113.16m，正常蓄水位99.90m，死水位84.90m。工程1957年10月動工興建，1958年12月建成運行，是一座以灌溉為主，兼顧城鎮(zhèn)供水、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。于2008年開始進行除險加固。

（二）監(jiān)測系統(tǒng)布置結構

龍?zhí)端畮齑髩伟踩O(jiān)測系統(tǒng)布置3個斷面：0+073,0+116.5,0+159.9，每個斷面設置4個測壓管，每個測壓管安裝壩基和壩體2支振弦式傳感器，共計24支。在放水塔處安裝浮子式水位計1個，共設置壩首、那匹、那審和綠壇4個雨量站。

2009年10月，進行傳感器、水位計和雨量計的安裝，由于水庫除險加固工程未完工，水庫未蓄水，壩體滲流監(jiān)測斷面的測壓管還未形成滲流水壓力，用BGK-408讀數(shù)儀讀取了初始值。傳感器接入位于大壩中間的MCU房中的3個數(shù)據(jù)采集終端（MCU）上，從MCU房到中控室的監(jiān)控主機采用光纖通訊。雨量站的數(shù)據(jù)采用GPS網(wǎng)絡傳輸?shù)街锌厥业臄?shù)據(jù)采集前置機上，然后進入監(jiān)控主機。整個系統(tǒng)試運行良好。

五、結語

振弦式傳感器技術已日趨完善，儀器的種類基本可以滿足大多數(shù)工程的需要，通過選擇適當?shù)膬x器，建立穩(wěn)定的系統(tǒng)，振弦式傳感器在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中將扮演越來越重要的角色。

基于振弦式傳感器的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)確定了系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容，闡述了系統(tǒng)的結構及功能要求，明確了硬件選擇和軟件開發(fā)的原則，開發(fā)了基于Internet-Internet的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構穩(wěn)定、可靠，實用性強，為大壩安全監(jiān)測和預警系統(tǒng)的研究開發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗。

［1］趙志仁，張曉東.大壩滲流壓力監(jiān)測設計優(yōu)化研究［J］.水利水電工程設計，1998年04期.

［2］胡軍.土石壩自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.水電能源科學，2010年第4期.