嚴吉皞，葛從兵

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

大壩潰決試驗測試分析系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

嚴吉皞，葛從兵

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

根據(jù)大壩潰決試驗物理特性及數(shù)據(jù)分析需求設計并實現(xiàn)了基于Web技術的大壩潰決試驗測試分析系統(tǒng)，解決了試驗全周期下數(shù)據(jù)采集、存儲、整編等問題。系統(tǒng)結合數(shù)據(jù)映射及GPRS技術，基于異構、異地數(shù)據(jù)集成實現(xiàn)了數(shù)據(jù)維護、統(tǒng)計分析等功能。系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控傳感器數(shù)據(jù)，并通過圖形繪制、浸潤線動態(tài)演示、報表打印等資料整編功能對比分析多場演變規(guī)律及關聯(lián)性。針對密集、大容量潰壩試驗數(shù)據(jù)特點，優(yōu)化了數(shù)據(jù)存儲結構、圖形繪制算法、數(shù)據(jù)篩選算法等。

潰壩試驗；測試分析系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理；實時監(jiān)控；資料整編

大壩潰決作為大壩安全性破壞的極端事件，因其對人民生命財產(chǎn)造成的巨大威脅，越來越受到人們的關注[1]。大壩潰決試驗基于物理模型的建立，通過自動化監(jiān)測手段采集大壩蓄水、潰決全過程多場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究大壩潰決機理、挖掘大壩潰決警兆，對大壩潰決早期預警等具有重要意義[2,3]。

傳統(tǒng)的大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)基于日常的大壩安全監(jiān)測與管理工作設計[4]，無法適應大壩潰決試驗監(jiān)測項目多、數(shù)據(jù)量大、密集程度高的特點，缺少對探索性試驗資料分析的支撐功能，不能與光纖傳感技術[5]、進口多參數(shù)傳感器[6]等新技術、新設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

文中設計并實現(xiàn)了一種大壩潰決試驗測試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、功能的擴展集成、性能的優(yōu)化提升，為研究人員實時掌握大壩潰決試驗進展、深入挖掘試驗數(shù)據(jù)提供了有效的平臺。

1 需求分析

大壩潰決試驗是現(xiàn)實潰壩過程的試驗模擬，與實際大壩安全監(jiān)測密切相關，故大壩潰決試驗分析系統(tǒng)基于大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設計[7]，針對潰壩試驗特點進行功能上的擴展和優(yōu)化。研究人員通過系統(tǒng)在統(tǒng)一的平臺上實現(xiàn)對潰壩試驗數(shù)據(jù)的管理、分析。

2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用C/S架構，其他子系統(tǒng)采用B/S框架，基于dot net平臺，部署在網(wǎng)絡環(huán)境中，所有用戶均可通過登錄服務器地址訪問系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析工作。數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Sql Server，數(shù)據(jù)文件格式為XML或TXT。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 大壩潰決試驗測試分析系統(tǒng)結構

大壩潰決試驗測試分析系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層和系統(tǒng)實現(xiàn)層。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從MCU獲取傳感器數(shù)據(jù)存入大壩潰決試驗數(shù)據(jù)庫中；光纖測溫、進口多參數(shù)傳感器等獨立采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)文件或數(shù)據(jù)庫存儲)通過數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)轉換后納入統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理；數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)維護、統(tǒng)計分析等功能，實時監(jiān)控子系統(tǒng)提供監(jiān)測實時測值曲線，資料整編子系統(tǒng)提供圖形報表繪制、數(shù)據(jù)分析對比等功能。

3 數(shù)據(jù)庫設計

大壩潰決試驗數(shù)據(jù)庫表結構如圖2所示，監(jiān)測項目表以測點編號為主鍵存放各監(jiān)測項目測點的考證信息，如測點高程、軸距、樁號等；監(jiān)測物理量表以測點編號及測量時間為主鍵存放對應監(jiān)測項目的測量數(shù)據(jù)。大壩潰決試驗監(jiān)測項目包括壩體表面變形、壩體內(nèi)部變形(傾度)、滲流壓力、滲流量、墑情、壩體溫度、上下游水位、氣溫、氣壓等。

圖2 數(shù)據(jù)庫表結構示意圖

4 數(shù)據(jù)管理與分析子系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)維護

系統(tǒng)提供考證資料添加修改刪除、監(jiān)測資料查詢、監(jiān)測資料添加、監(jiān)測資料刪除、異常數(shù)據(jù)處理等維護功能。

1) 考證資料添加修改刪除：結合大壩潰決試驗儀器埋設情況添加、修改、刪除各監(jiān)測項目各測點的考證資料。

2) 監(jiān)測資料查詢：選擇相應的監(jiān)測項目、測點范圍、時間范圍查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)，以表格形式顯示測點編號、測量時間、測量數(shù)據(jù)，并可直接對顯示出的數(shù)據(jù)進行刪除和修改。

3) 監(jiān)測資料添加：批量添加一個測點的多次測量數(shù)據(jù)或在某時間點同一監(jiān)測項目多個測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4) 監(jiān)測資料刪除：通過選擇監(jiān)測項目、測點范圍、時間范圍實現(xiàn)監(jiān)測資料多測點、同時間段的批量刪除。

5) 異常數(shù)據(jù)處理：根據(jù)試驗物理模型，選定各監(jiān)測項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)可信區(qū)間，在數(shù)據(jù)庫中使用作業(yè)設置定時任務，自動對超過監(jiān)測區(qū)間的數(shù)據(jù)進行定期刪除(變化平穩(wěn)的蓄水期監(jiān)測數(shù)據(jù)根據(jù)所屬監(jiān)測項目設置自動剔除異常數(shù)據(jù)的上下限值，波動較大的潰決期數(shù)據(jù)只刪除線纜斷開及停止測量后的數(shù)據(jù))；在異常數(shù)據(jù)分析過程線中突出顯示疑似異常數(shù)據(jù)，供研究人員進一步確認、分析。

4.2 數(shù)據(jù)集成

大壩潰決試驗采用了如光纖測溫、進口多參數(shù)傳感器等多種新技術、新設備，這些技術和設備具備獨立的測控單元，數(shù)據(jù)分治于多個異構系統(tǒng)中。因此，數(shù)據(jù)集成管理是研究人員對試驗數(shù)據(jù)進行高效分析的前提。

a) 異構數(shù)據(jù)集成

系統(tǒng)將光纖測溫數(shù)據(jù)、多參數(shù)傳感器測量數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)存儲格式轉換導入大壩潰決測試分析數(shù)據(jù)庫中，納入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理體系；提供數(shù)據(jù)報表和數(shù)據(jù)庫存儲結構兩種導出方式，用于數(shù)據(jù)備份及進一步分析。

多參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)存放在同一張表中，存儲結構如下：

傳感器編號監(jiān)測項目監(jiān)測日期監(jiān)測時間原始數(shù)據(jù)X原始數(shù)據(jù)Y原始數(shù)據(jù)Z

利用以下規(guī)則轉換為圖2的數(shù)據(jù)庫結構。

1) 溫度傳感器數(shù)據(jù)實測原始數(shù)據(jù)X即傳感器溫度。

2) 傾角數(shù)據(jù)轉換公式：

S=artg(Z/X)

F=artg(Y/X)

3) 滲流壓力轉換公式：

BM=(XM-XBAR)/9.8+LM

b)異地數(shù)據(jù)集成

異地系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成聯(lián)系了試驗現(xiàn)場與服務器主機，實現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控。如圖1所示，MCU獲取測量數(shù)據(jù)后，通過GPRS將信息發(fā)送到具有固定IP地址的服務器，服務器作為數(shù)據(jù)中心為研究人員提供更多的服務。

4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

根據(jù)原始測量數(shù)據(jù)換算成各分析物理量，包括滲流壓力水位計算滲流量、傾角數(shù)據(jù)計算內(nèi)部水平位移等。

基準時間測量的傾角數(shù)據(jù)計算傾角實際累計值的公式為：Q=Qm-Q0(Qm為傳感器實際測量出的傾角值，Q0為該傳感器在設置的基準時間點下的傾角值)。

傾角數(shù)據(jù)計算內(nèi)部水平位移的公式如下：

S1=f(Q1)

S2=S1+f(Q2)

S3=S2+f(Q3)

…

其中，f(Q)是依賴該測點傾角測量數(shù)據(jù)的函數(shù)，測點高程L1

5 實時監(jiān)測子系統(tǒng)

常用大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)以小時、天為間隔采集數(shù)據(jù)，大壩潰決試驗為了盡可能在可控的、相對較短的監(jiān)測周期中模擬大壩潰決的演進過程，采集間隔被設置為以分鐘、秒為單位。因此需要研究人員能夠?qū)崟r觀察數(shù)據(jù)變化，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集異常及各監(jiān)測物理量變化趨勢。

實時監(jiān)測系統(tǒng)采用MS Chart控件與ASP.NET Ajax技術：前者提供了各傳感器數(shù)據(jù)實時過程線繪制功能，支持坐標、線型等的設置；后者實現(xiàn)了異步回傳與頁面局部刷新，減少了頁面與服務器的通信壓力，提高了程序性能，并通過Timer控件實現(xiàn)了刷新時間的控制。

“三農(nóng)”問題關系著國計民生的根本性問題，沒有現(xiàn)代化的農(nóng)村就沒有現(xiàn)代化的國家。2018年中央發(fā)布了關于鄉(xiāng)村振興的一號文件，提出了鄉(xiāng)村振興的七大基本原則。自改革開放以來一些地區(qū)由于自生優(yōu)勢和政策優(yōu)勢搭上快車得到了快速的發(fā)展，但是一些偏遠農(nóng)村地區(qū)卻逐漸掉了隊。近幾年來國家通過一些列的政策來幫助農(nóng)村地區(qū)的發(fā)展，從而達到真正的脫貧。通過這一列的政策，也對農(nóng)村經(jīng)濟產(chǎn)生巨大的影響。

實時監(jiān)測過程線根據(jù)當前監(jiān)測數(shù)據(jù)實時、自動調(diào)整坐標軸范圍，顯示了試驗中各類測點在當前一定時間內(nèi)的變化趨勢，為研究人員實時掌握監(jiān)測設備運行狀態(tài)、實時分析各監(jiān)測項目變化規(guī)律、實時比對各種類監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了重要依據(jù)。

6 資料整編子系統(tǒng)

6.1 圖形繪制

系統(tǒng)可根據(jù)歷時監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制各監(jiān)測項目、不同時段的各種分析圖形，包括過程線、相關線、斷面分布圖、平面分布圖等。其中，過程線的繪制涵蓋了表面豎向位移、表面水平位移、傾度、滲流壓力、滲流量、上游水位、壩體溫度、墑情等監(jiān)測項目，并可在同一張圖中通過定制對比不同監(jiān)測項目、不同測點的過程線。

6.2 浸潤線繪制與動態(tài)演示

根據(jù)考證資料及選定的斷面、滲流壓力測點、時間繪制該斷面該時間的斷面輪廓圖、壩體浸潤線。同斷面下可選擇多個時間點繪制浸潤線進行對比，并通過選擇時間區(qū)間、刷新間隔，自動演示在該時間區(qū)間內(nèi)的浸潤線演變過程。

6.3 報表打印

根據(jù)相關規(guī)范格式，顯示年報表、月報表、日報表，并支持打印功能。

7 性能優(yōu)化

大壩潰決試驗系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)容量、密集程度遠遠大于普通大壩監(jiān)測，每個數(shù)據(jù)也具備更高的研究價值；數(shù)據(jù)分析時段長至一個多月，短至幾分鐘，同時分析的數(shù)據(jù)量可能達到幾十萬條；有價值的變化規(guī)律可能隱藏在較短時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)中；多場監(jiān)測數(shù)據(jù)之間可能存在關聯(lián)性。因此，為了滿足試驗測試分析的需要，進行了以下優(yōu)化：

1) 數(shù)據(jù)結構優(yōu)化：系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲結構與應用均參照《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》(SL551-2012)等標準設計，結合大壩潰決試驗物理特性，減少了數(shù)據(jù)結構轉換步驟，縮短了數(shù)據(jù)庫查詢時間。

2) 圖形分段繪制：系統(tǒng)在生成相應的數(shù)據(jù)分析圖形時，大量數(shù)據(jù)會對系統(tǒng)造成巨大壓力，對系統(tǒng)響應時間、正常運行造成影響，故在圖形繪制時，按數(shù)據(jù)量將繪制過程分成多段，每段取數(shù)、繪圖完成后進行相應的內(nèi)存清理操作，有效避免了因數(shù)據(jù)量大造成的內(nèi)存不足等問題。

3) 數(shù)據(jù)篩選算法優(yōu)化：圖形繪制等資料整編操作都需對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行按需篩選，為了加快數(shù)據(jù)分析過程，在不影響分析結果的前提下，結合數(shù)據(jù)所處試驗周期特點和所選分析時長自動選擇數(shù)據(jù)篩選密度。

8 結語

大壩潰決試驗測試分析系統(tǒng)解決了試驗全周期下數(shù)據(jù)采集、存儲、整編等問題，能夠滿足大壩潰決試驗期觀測和后期數(shù)據(jù)分析的需要，在大壩原體潰決試驗應用中取得了良好效果。

該系統(tǒng)遵循相關行業(yè)規(guī)范，監(jiān)測項目多，數(shù)據(jù)分析量大，對今后大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設計與研發(fā)具有借鑒意義。

[1] 周克發(fā),李雷. 我國已潰決大壩調(diào)查及其生命損失規(guī)律初探[J]. 大壩與安全,2006,(5):14-18.

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[4] 楊海云. 大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設計要求探討[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測,2004,28(5):30-32.

[5] 楊光,彭林,何秀鳳,等. 新技術在大壩安全監(jiān)測中的應用[J]. 人民黃河,2003,25(12):43-45.

[6] Peters E T, Malet J P, Bogaard T A. Multi-sensor monitoring network for real-time landslide forecasts in early warning systems[C]//Proceeding conference on mountain risks: bringing science to society, Florence. 2010: 335-340.

[7] 王德厚. 大壩安全與監(jiān)測[J]. 水利水電技術,2009,40(8):126-132.

Design and Implementation of Test and Analysis System for Experimental Dam-break

YAN Jihao, GE Congbin

(Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029,China)

According to the physical characteristics and the data analysis requirements, a test and analysis system for experimental dam-break based on Web technology is designed and implemented. The system is used to solve the data collection, storage, compilation during the whole cycle of the test, and achieve data maintenance and statistical analysis based on heterogeneous and offsite data integration with the data mapping and GPRS. It also can be used to monitor sensor data in real time, and compare and analyze the multi-field evolution and relevance by graphics rending, dynamic presentation of saturation line, report printing. The data storage structure, graphics rendering algorithm and data filtering algorithm are optimized for the intensive and large-capacity data of the dam-break test.

dam-break test; test and analysis system; data management; real-time monitoring; data compilation

國家國際科技合作專項項目 (2011DFA72810);南京水利科學研究院院基金項目(Y713007)

嚴吉皞(1987-)，男，江蘇南京人 ，助理工程師，碩士，研究方向為大壩安全監(jiān)測。

TP274

B

1671-5276(2015)05-0228-03

2014 -10-16