劉長征，趙衛(wèi)國，王立君，魏建明

(河北省滄州市水利科學(xué)研究所，河北 滄州 061000)

楊埕水庫圍堤安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的建立

劉長征，趙衛(wèi)國，王立君，魏建明

(河北省滄州市水利科學(xué)研究所，河北 滄州 061000)

楊埕水庫圍堤安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)通過對(duì)水庫壩體、壩基及圍堤建筑物的長期準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和原始數(shù)據(jù)采集，及時(shí)掌握和評(píng)價(jià)水庫大壩的動(dòng)態(tài)工況，有力保障了水庫的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，為解決滄州東部地區(qū)飲水安全提供了有效的技術(shù)支撐。本文詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、軟硬件平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)的功能。

水庫;安全監(jiān)測(cè);自動(dòng)化

1 概況

楊埕水庫位于河北省海興縣東部15 km，是滄州東部地區(qū)供水工程的重要組成部分，Ⅲ級(jí)水工建筑物，概算投資8.638億元。水庫圍堤長約12 km，采用均質(zhì)土壩，堤高8 m，壩頂高程 10.5 m，設(shè)計(jì)水位 9.0 m，蓄水深度 6.5 m，庫區(qū)面積10.9 km2，總庫容 6 568萬 m3。為確保大壩的安全運(yùn)行，于2009年5月建立了圍堤安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，用于及時(shí)而迅速地掌握和評(píng)價(jià)水庫大壩的動(dòng)態(tài)工況，作出評(píng)判并進(jìn)行仿真分析;對(duì)突發(fā)性災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)，提供輔助決策及應(yīng)急措施，對(duì)大壩安全運(yùn)行提出指導(dǎo)性意見。

2 建設(shè)目標(biāo)及內(nèi)容

充分利用現(xiàn)有的技術(shù)條件，優(yōu)選先進(jìn)、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，在信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上依靠光纖通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持，實(shí)現(xiàn)大壩各項(xiàng)監(jiān)測(cè)信息的自動(dòng)采集、傳輸、匯總累計(jì)、及時(shí)上報(bào)，同時(shí)為水庫運(yùn)行、防洪調(diào)度和搶險(xiǎn)抗災(zāi)提供準(zhǔn)確的、科學(xué)的依據(jù)。

自動(dòng)化系統(tǒng)主要對(duì)大壩滲流監(jiān)測(cè)(包括壩基揚(yáng)壓力、壩基和壩體的滲流壓力、壩體的孔隙水壓力)、建筑物的基礎(chǔ)揚(yáng)壓力、水庫上下游水位的監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)站布置

根據(jù)土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(SL 60－94)，在水庫大壩共布設(shè)6個(gè)大壩斷面監(jiān)測(cè)站和供水泵站、泄水閘、進(jìn)水涵洞3個(gè)建筑物監(jiān)測(cè)站，共安裝88支振弦式滲壓計(jì)，全部選用北京基康公司生產(chǎn)的BGK－4500S系列儀器。斷面安裝剖面布置圖如圖1所示。

圖1 斷面安裝剖面布置圖

3.1 壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)

據(jù)地質(zhì)條件和古河道影響，采用直接埋設(shè)振弦式滲壓計(jì)的方式于1+400、10+000設(shè)置2個(gè)壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)斷面，各布設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.2 壩基滲流狀態(tài)監(jiān)測(cè)

采用直接埋設(shè)振弦式滲壓計(jì)的方式于1+100(供水泵站和大壩接合處)、3+800(進(jìn)水口處，古河道位置)、5+200(泄水閘處)、7+500(典型斷面，大壩的拐角處)、11+000(進(jìn)水泵站)斷面設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，各布設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.3 壩體滲流狀態(tài)監(jiān)測(cè)

采用直接埋設(shè)振弦式滲壓計(jì)的方式在1+100、3+800、5+200、7+500、11+000斷面布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，各布設(shè)8支滲壓計(jì)。

3.4 壩體孔隙水壓力監(jiān)測(cè)

采用直接埋設(shè)振弦式滲壓計(jì)的方式于1+400、10+000布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

3.5 建筑物揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)

在供水泵站0+000和泄水閘5+200設(shè)置兩個(gè)圍堤建筑物監(jiān)測(cè)站。

3.6 庫水位監(jiān)測(cè)

在進(jìn)水泵站、供水泵站分別設(shè)置兩處水位監(jiān)測(cè)站。

4 系統(tǒng)組成

監(jiān)測(cè)中心(CCU)布設(shè)在水庫管理處的調(diào)度中心，監(jiān)測(cè)服務(wù)器上運(yùn)行著龐大的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，和各監(jiān)測(cè)站的通訊采用環(huán)形拓?fù)涔饫w通訊網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)站間通過信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備采用RS485光纖連接，監(jiān)測(cè)站采用多功能監(jiān)測(cè)箱來構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)各采集單元MCU，MCU直接和傳感器相連，電源由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)供電。

4.1 總體結(jié)構(gòu)

圍堤安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如下(圖2):

圖2 總體組成結(jié)構(gòu)圖

4.1.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備

傳感器:振弦式滲壓計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、液位計(jì)。

供電設(shè)備:智能開關(guān)電源、UPS、蓄電池、太陽能板。

信號(hào)轉(zhuǎn)換器及測(cè)量單元:測(cè)量單元 MCU、通道轉(zhuǎn)換器、防雷抗干擾設(shè)備。

光信號(hào)傳輸設(shè)備:光端機(jī)、收發(fā)器、轉(zhuǎn)換器、中繼器。

中心端設(shè)備:工控計(jì)算機(jī)、串口服務(wù)器。

4.1.2 數(shù)據(jù)采集接口

系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集硬件部分用采集接口相連，將從現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表自動(dòng)采集到的數(shù)據(jù)存入采集接口，系統(tǒng)從采集接口讀取自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)。

4.1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫包括設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行期間的所有數(shù)據(jù)和資料，以及正分析和反分析的成果。包括:工程概況庫、監(jiān)測(cè)儀器考證庫、原始監(jiān)測(cè)庫(又分為自動(dòng)采集庫和人工采集庫)、整編庫、參數(shù)庫(包括大壩的監(jiān)控指標(biāo))、生成庫(存儲(chǔ)分析成果)、巡視檢查庫等。

4.1.4 預(yù)處理系統(tǒng)

通過疑點(diǎn)判別，把各類整編后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)資料與上述評(píng)判準(zhǔn)則作比較，以識(shí)別監(jiān)測(cè)資料的性質(zhì)正常或異常，為判斷大壩安全性狀提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.1.5 資料整編系統(tǒng)

把各種原始數(shù)據(jù)和文字、圖表(含影像、圖片)和分析成果、專家系統(tǒng)的意見等材料經(jīng)過審查、考證、編輯，綜合整理成系統(tǒng)化、圖表化的成果。

4.1.6 圖形/圖像系統(tǒng)

將圖形、圖像、視頻、動(dòng)畫等各種多媒體信息，保存在圖形/圖像庫中，方便各類圖形圖表的存儲(chǔ)和查詢，功能包括讀取資料、生成圖形、增加、修改、刪除、查詢和打印圖形等。

4.1.7 模型庫系統(tǒng)

提供建模程序所需的統(tǒng)計(jì)模型、確定性模型、灰色理論模型和模糊數(shù)學(xué)模型。用來擬合與說明大壩工作性狀并預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)大壩的未來狀況?；緝?nèi)容包括:統(tǒng)計(jì)模型、確定性模型、灰色理論模型和模糊數(shù)學(xué)模型。

4.1.8 分析/算法庫系統(tǒng)

包括系統(tǒng)可能用到的各種分析/算法。分析程序如:TOSS分析程序、BISS分析程序、滲流分析程序、穩(wěn)定分析程序等;算法如:多元回歸分析法、逐步回歸分析法、差值回歸法、時(shí)間回歸法、極限平衡計(jì)算法、有限元分析法、反饋分析法等，通過接口訪問分析/算法代理，實(shí)現(xiàn)計(jì)算的分布化。

4.1.9 預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)系統(tǒng)

調(diào)用模型庫子系統(tǒng)和分析/算法庫子系統(tǒng)中的各種模型，應(yīng)用各種計(jì)算分析方法，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析或灰色理論分析或模糊信息分析，建立模型，并統(tǒng)計(jì)分析、灰色理論分析、結(jié)構(gòu)分析、反饋分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析或進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

4.2 數(shù)據(jù)流程

根據(jù)監(jiān)測(cè)中心命令，自動(dòng)采集系統(tǒng)(硬件)自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)接口進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的自動(dòng)采集數(shù)據(jù)庫，人工采集數(shù)據(jù)、巡視檢查數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)儀器考證數(shù)據(jù)和工程概況數(shù)據(jù)，用人工輸入各自的數(shù)據(jù)庫。

整編數(shù)據(jù)可以輸出，也可以運(yùn)行圖形/圖像代理，將整編數(shù)據(jù)形象地用圖形表示輸出或存入圖形/圖像庫。調(diào)用知識(shí)庫、模型庫、分析/算法庫中的知識(shí)、模型和分析/算法進(jìn)行各項(xiàng)分析，包括:疑點(diǎn)成因分析、統(tǒng)計(jì)分析、灰色理論分析、結(jié)構(gòu)分析(包括滲流分析、穩(wěn)定分析和應(yīng)力分析)和反分析，然后運(yùn)用專家知識(shí)、判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合分析，提供輔助決策。

5 系統(tǒng)軟、硬件平臺(tái)

5.1 軟件平臺(tái)

軟件總體框架如下圖(圖3)所示。

圖3 軟件總體框架圖

軟件總體設(shè)計(jì)考慮采用微軟的Windows DNA應(yīng)用模型，在Windows2000/IIS/SQL2005平臺(tái)上構(gòu)造整個(gè)評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，運(yùn)行層次可以描述為:底層→中層→高層→最高層。

最底層運(yùn)行底層單片機(jī)/工控制程序，提供系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)儀器(滲壓計(jì)、液位計(jì)等)的直接控制。

在中層，運(yùn)行高級(jí)控制程序和部分代理，提供途徑來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收/傳遞/反饋控制。

在高層，運(yùn)行著預(yù)處理、圖形/圖像、分析/算法、綜合分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)代理，提供各種對(duì)象和服務(wù)的隱形實(shí)現(xiàn)，提供系統(tǒng)安全和控制。以COM/MTS實(shí)現(xiàn)，包括用戶管理、數(shù)據(jù)訪問(ADO)等。

最高層運(yùn)行用戶界面，用來維護(hù)人機(jī)交互界面，提供各種功能的系統(tǒng)分析、統(tǒng)計(jì)、圖形/圖像、決策支持表示。

5.2 硬件平臺(tái)

系統(tǒng)硬件總體框架如下圖(圖4)所示。

圖4 系統(tǒng)硬件總體框架圖

各測(cè)量控制單元MCU自動(dòng)控制各種監(jiān)測(cè)儀器自動(dòng)檢測(cè)滲流、壓力、水位等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，將采集到地實(shí)際數(shù)據(jù)格式化，通過光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳給實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)，顯示異常數(shù)據(jù)和異常情況。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)自動(dòng)通過中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，訪問后臺(tái)的分析/算法代理、綜合分析代理和其他代理，產(chǎn)生分析結(jié)果和判斷結(jié)果，形成知識(shí)庫中的新知識(shí)，并通過數(shù)據(jù)代理將數(shù)據(jù)保存到后臺(tái)SQL數(shù)據(jù)庫中，便于后臺(tái)分析/判斷/圖像程序完成其他工作。

6 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能是將監(jiān)測(cè)儀表數(shù)據(jù)采集、光纖傳輸、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)入監(jiān)測(cè)資料整編數(shù)據(jù)庫，并可以直接輸出;同時(shí)可以調(diào)用圖形/圖像庫代理，將監(jiān)測(cè)信息圖形化表示，便于了解大壩各種性狀及變化趨勢(shì);也可以進(jìn)入安全分析評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、綜合分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，全面了解大壩安全性狀、變化規(guī)律及其產(chǎn)生原因，提供輔助決策，指導(dǎo)大壩安全運(yùn)行，提高大壩運(yùn)行水平，最大發(fā)揮楊埕水庫的工程效益。

6.1 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換傳輸功能

1)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集功能。無須親臨現(xiàn)場(chǎng)即可對(duì)測(cè)量模塊和監(jiān)測(cè)儀器儀表(滲壓計(jì)、液位計(jì)等)的控制并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

2)現(xiàn)場(chǎng)操作功能。測(cè)量模塊預(yù)留有與便攜式微機(jī)接口，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定、調(diào)試以及數(shù)據(jù)采集等功能。

3)實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理。設(shè)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，為定時(shí)測(cè)量、自動(dòng)存儲(chǔ)等功能提供時(shí)間基準(zhǔn)。

4)掉電保護(hù)。參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于專用非易失性存儲(chǔ)器中，確保掉電后數(shù)據(jù)安全。

5)抗雷擊、瞬變干擾功能。在電源系統(tǒng)、通信線路接口、模擬輸入引線等環(huán)節(jié)設(shè)置了抗雷擊電路。

6)抗電磁干擾。金屬盒封裝并采用光電隔離技術(shù)。

7)智能化測(cè)量功能。分別實(shí)現(xiàn)選點(diǎn)測(cè)量、定時(shí)測(cè)量和即時(shí)測(cè)量等多種測(cè)量功能。

8)多種供電方式、不間斷電源。供電方式:6～18VDC，220VAC交流任選。

9)光纖高效傳輸功能。數(shù)據(jù)傳輸誤碼率低、效率高。

10)擴(kuò)展功能。測(cè)量模塊和擴(kuò)展模塊可組合并方便地組建測(cè)量單元，每個(gè)測(cè)量單元可容納多個(gè)模塊，設(shè)有通信接口，可方便地組建網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)。

6.2 統(tǒng)計(jì)分析預(yù)測(cè)功能

6.2.1 數(shù)據(jù)管理

1)錄入人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);

2)導(dǎo)入其它來源的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);

3)監(jiān)測(cè)成果計(jì)算，包括滲流計(jì)算等;

4)監(jiān)測(cè)成果檢驗(yàn)評(píng)判，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常結(jié)果;

5)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和成果保存到數(shù)據(jù)庫;

6)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和成果的查閱、編輯、刪除、備份等;

7)監(jiān)測(cè)成果的誤差處理和整編規(guī)化;

8)數(shù)據(jù)的預(yù)處理功能。數(shù)據(jù)異常處理、誤差識(shí)別、數(shù)據(jù)校正。

6.2.2 報(bào)表制作

可定制包括監(jiān)測(cè)結(jié)果的年、季、月、旬、周、日等各種周期報(bào)表，風(fēng)格隨意多樣，能適應(yīng)任意復(fù)雜的格式，表格中數(shù)據(jù)的定義豐富齊全，包括普通測(cè)值、條件測(cè)值和各種特征值在內(nèi)的幾乎所有的報(bào)表需要的數(shù)據(jù)都能輕松獲得。報(bào)表樣式圖如下(圖5)。

6.2.3 圖形圖像制作

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析圖形的繪制:包括過程線圖、分布圖、相關(guān)圖、方塊圖、浸潤線圖等，圖形都可隨意定制，設(shè)置和生成實(shí)時(shí)繪制各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)曲線圖和歷史曲線圖。曲線圖如下(圖6)。

圖形坐標(biāo)的范圍、比例可根據(jù)繪圖數(shù)據(jù)自動(dòng)確定，還可依需要手動(dòng)設(shè)定和更改;圖形具有無級(jí)放大功能;具有多種可供選用的線條線型、數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)記，字體、顏色等也可隨意設(shè)置。

6.2.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理

提供有多種監(jiān)測(cè)資料定量分析計(jì)算方法:如多元線性逐步回歸、全回歸、偏最小二乘回歸等;可建立監(jiān)測(cè)量的物理模型:包括統(tǒng)計(jì)模型、混合模型和確定性模型，可建立變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分布模型;可分解監(jiān)測(cè)量物理模型中的各組成成分，分析分量間的對(duì)比關(guān)系，揭示監(jiān)測(cè)量的變化規(guī)律和原因。

6.2.5 分析評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)大壩進(jìn)行綜合分析，對(duì)存在的不安全因素進(jìn)行輔助決策，對(duì)大壩的整體安全度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。調(diào)用各種模型，應(yīng)用各種計(jì)算分析方法，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析或灰色理論分析或模糊信息分析，對(duì)大壩的安全性狀作出評(píng)判，進(jìn)行仿真分析，為輔助決策提供技術(shù)支持，或進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

圖5 軟件報(bào)表樣式圖

圖6 軟件曲線圖圖

6.2.6 文檔管理

根據(jù)《土石壩安全監(jiān)測(cè)資料整編規(guī)程》(SL 169－96)進(jìn)行資料成冊(cè)整編。大壩安全冊(cè)管理;人工巡查記錄及評(píng)判結(jié)果管理;設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行的文件、圖紙、報(bào)告及其它圖文聲像資料管理。

6.2.7 系統(tǒng)維護(hù)

備份、恢復(fù)系統(tǒng)架構(gòu)信息。能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能添加、擴(kuò)充。快速檢查瀏覽系統(tǒng)問題，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)通訊、配置、計(jì)算等錯(cuò)誤。可查閱和維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行日志。具有用戶管理功能，用戶操作權(quán)限的劃分豐富細(xì)致。

［1］何勇軍，等.大壩安全監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化.北京:中國水利水電出版社.2008.

［2］趙衛(wèi)，等.工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù).2006.北京:中國水利水電出版社.2006.

［3］酈能惠.土石壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)系統(tǒng).北京:中國水利水電出版社.2002.

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1004－1184(2012)05－0161－03

2012－05－16

劉長征(1978－)男，河北海興人，工程師，主要從事水利科研和水利自動(dòng)化工作。