王在艾

（1.湖南省水利水電科學(xué)研究所長(zhǎng)沙市410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術(shù)研究中心長(zhǎng)沙市410007）

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王在艾1，2

（1.湖南省水利水電科學(xué)研究所長(zhǎng)沙市410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術(shù)研究中心長(zhǎng)沙市410007）

文章簡(jiǎn)要回顧了大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的發(fā)展歷程，客觀評(píng)價(jià)了大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的應(yīng)用現(xiàn)狀，并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息化技術(shù)、通信技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，總結(jié)展望了監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的若干發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展方向。旨在為水利工程安全監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、智能化技術(shù)應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化智能化軟硬件

引言

大壩作為一種大型水工建筑物，因其自身結(jié)構(gòu)、所處環(huán)境和外力作用的復(fù)雜性，以及可預(yù)期的大壩失事后造成的嚴(yán)重災(zāi)難，必須對(duì)大壩進(jìn)行穩(wěn)定可靠、精確、持續(xù)的安全監(jiān)測(cè)工作。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)可有效提升大壩的安全監(jiān)測(cè)能力，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。但監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行能力、安全監(jiān)測(cè)資料分析有待加強(qiáng)。

1 國(guó)內(nèi)外大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化發(fā)展歷程

大壩安全監(jiān)測(cè)工作起始于19世紀(jì)90年代，即1891年德國(guó)在埃施巴赫重力壩進(jìn)行變形觀測(cè)活動(dòng)，這是人類歷史上首次開(kāi)展大壩安全監(jiān)測(cè)工作。隨后美國(guó)布恩頓重力壩于1903年進(jìn)行了溫度監(jiān)測(cè)，澳大利亞巴倫杰克溪拱壩于1908年開(kāi)展了變形監(jiān)測(cè)工作。

雖然大壩安全人工監(jiān)測(cè)工作開(kāi)展得很早，但是安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化卻到20世紀(jì)60年代才逐步開(kāi)始，直至20世紀(jì)90年代，分布式大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到普及，意大利ISMES公司的分布式系統(tǒng)測(cè)控裝置采用光纜作為通信總線，因此防雷抗干擾能力十分突出。

美國(guó)和法國(guó)較早地實(shí)現(xiàn)了大壩監(jiān)測(cè)資料的集中自動(dòng)處理，但大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化發(fā)展較晚。1981年美國(guó)墾務(wù)局首先在Monticello拱壩上安裝了集中式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，1982年起在Flaming Gorge等4座混凝土壩上安裝了可靠性更高的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1989年加拿大開(kāi)始在魁北克水電大壩上安裝安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，1992年Waleach大壩安裝部署了安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄嚯x大壩200多公里的溫哥華大壩安全監(jiān)測(cè)資料分析中心。

我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)工作開(kāi)始于20世紀(jì)50年代，采用光學(xué)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行變形觀測(cè)，利用進(jìn)口的差阻式儀器進(jìn)行混凝土壩內(nèi)部觀測(cè)。

70年代末成功研制了遙測(cè)垂線坐標(biāo)儀和引張線儀，研發(fā)了用五芯測(cè)法實(shí)現(xiàn)差動(dòng)電阻式儀器監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的集中式測(cè)量裝置。80年代中期研制成功了差動(dòng)電容式和步進(jìn)式的遙測(cè)坐標(biāo)儀和引張線儀，用于混凝土壩水平位移和撓度的監(jiān)測(cè)。利用靜力水準(zhǔn)原理測(cè)量垂直位移的遙測(cè)儀器設(shè)備也相繼研制成功，并在大壩上逐步得到應(yīng)用。

為滿足高混凝土壩和高土石壩的安全監(jiān)測(cè)需要，國(guó)家先后組織了“六五”和“七五”兩次科技攻關(guān)。到20世紀(jì)90年代初，研制成功了一批新型監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備。同時(shí)為了提高大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平，能夠接入變形、滲流和應(yīng)力應(yīng)變等多種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及在線或離線處理的監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)和計(jì)算分析軟件成功研發(fā)。

到20世紀(jì)90年代初期，我國(guó)已有20多座水庫(kù)大壩安裝了安全監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集，但由于儀器設(shè)備性能和質(zhì)量還存在欠缺，系統(tǒng)穩(wěn)定性不足，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精確度不夠，大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化尚未達(dá)到實(shí)用化程度。

20世紀(jì)90年代中期，葛洲壩二江泄水閘安裝的分布式變形和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)順利通過(guò)了水利部主持的驗(yàn)收和鑒定，由此揭開(kāi)了采用國(guó)產(chǎn)分布式大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的序幕，標(biāo)志著大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化進(jìn)入了實(shí)用化階段，能夠有效保障大壩的安全運(yùn)行。

2 大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化現(xiàn)狀

2.1 標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

由于大壩安全監(jiān)測(cè)在掌握大壩運(yùn)行性態(tài)、發(fā)現(xiàn)安全隱患、確保大壩安全方面的重要性，必須通過(guò)法律法規(guī)和規(guī)程規(guī)范來(lái)明確各方的權(quán)利和義務(wù)。我國(guó)已先后頒布了差阻式儀器、振弦式儀器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及巖土工程儀器系列型譜，《水電站大壩安全檢查實(shí)施細(xì)則》、《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》、《水庫(kù)大壩安全管理?xiàng)l例》、《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》、《土石壩資料整編規(guī)程（規(guī)范）》、《大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)條件》等。2001年6月，水利部發(fā)布了《大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)條件》（SL 268-2001），這是我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)的第一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，于2001年12月開(kāi)始實(shí)施。自此大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)逐步走上標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的發(fā)展軌道。隨后有關(guān)單位發(fā)布的《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5211-2005）、《大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)收規(guī)范》（GB/T 22385-2008）、《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)用化要求及驗(yàn)收規(guī)程》（DL/T 5272-2012）等規(guī)程規(guī)范更是指導(dǎo)和推動(dòng)了大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的發(fā)展，同時(shí)也對(duì)安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化提出了具體的要求和約束。

2.2 硬件

2.2.1 監(jiān)測(cè)儀器

大壩上多采用正、倒垂線為基準(zhǔn)來(lái)自動(dòng)監(jiān)測(cè)大壩的豎向和水平位移，包括混凝土大壩的撓度。觀測(cè)儀器多采用垂線坐標(biāo)儀、引張線儀、靜力水準(zhǔn)儀等。近年來(lái)，這些傳統(tǒng)的觀測(cè)儀器得到了很大的發(fā)展，在大量程、高精度和高可靠性上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。引張線儀由單向?qū)崿F(xiàn)了向雙向的發(fā)展和應(yīng)用。遙測(cè)垂線坐標(biāo)儀和引張線儀已經(jīng)從接觸式發(fā)展到非接觸式，非接觸式儀器包括步進(jìn)式和CCD式。

遙測(cè)靜力水準(zhǔn)儀近年來(lái)得到了較快的發(fā)展，以前多是采用進(jìn)口儀器，近年來(lái)國(guó)內(nèi)已有多種原理的靜力水準(zhǔn)儀。靜力水準(zhǔn)儀是應(yīng)用連通管原理測(cè)量測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)位移。一側(cè)沉降將引起浮子升降，通過(guò)各種量測(cè)技術(shù)來(lái)測(cè)量浮子的升降，從而觀測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)位移。目前主要有差動(dòng)變壓器式、電感式和CCD式等靜力水準(zhǔn)儀。

光纖傳感器是新近發(fā)展起來(lái)的體積小、精度高、不受電磁干擾、抗腐蝕性環(huán)境的傳感器，可用于測(cè)量溫度、位移、應(yīng)變、壓力等物理量。該新型儀器最大的優(yōu)點(diǎn)是不受電磁干擾，目前防雷抗干擾已經(jīng)成為我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化中最為棘手的問(wèn)題。光纖傳感器的使用為徹底解決防雷抗干擾問(wèn)題創(chuàng)造了極為有利的條件。盡管光纖傳感器在國(guó)內(nèi)水利工程上的應(yīng)用尚處于起步階段，但由于有其他傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)越性，將使其具有十分廣泛的應(yīng)用潛力，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷幾十年的發(fā)展前景可能成為不遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)。國(guó)內(nèi)這方面的研究和研制也已起步，四川大學(xué)、長(zhǎng)江科學(xué)院、武漢大學(xué)的有關(guān)研究論文近年來(lái)已在各專業(yè)期刊中發(fā)表。

差動(dòng)電阻式傳感器近年來(lái)解決了長(zhǎng)導(dǎo)線電阻、導(dǎo)線電阻變差對(duì)測(cè)值的影響，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遙測(cè)，得到了很大發(fā)展。目前差阻式儀器由4線制改為5線制測(cè)量方式，儀器電阻、電阻比測(cè)量精度、遙測(cè)距離、抗干擾能力均優(yōu)于國(guó)外廠家，處于國(guó)際先進(jìn)水平。更為重要的是，差阻式儀器已經(jīng)完成了大量程、高彈模量和耐高壓產(chǎn)品的研制并能批量生產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)研發(fā)鋼弦式儀器已有40多年的歷史，隨著大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的發(fā)展，鋼弦式傳感器近年來(lái)也得到了一些發(fā)展。至2001年，鋼弦式儀器精度、性能、外觀都有較大的改觀。同時(shí)，大多傳感器已增加測(cè)溫功能，對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，率定精度也有所提高。在單支儀器性能方面與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，仍有一定的差距，但是在振弦式儀器測(cè)量方面，國(guó)內(nèi)技術(shù)比較高，測(cè)量電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口兩種不同激振電壓的兼容。

傳感器的智能化程度不斷提高。目前國(guó)內(nèi)已有多家傳感器廠家（包括振弦式和壓阻式）將率定曲線、傳感器出廠編號(hào)等直接固化在傳感器內(nèi)部的IC中，這樣既提高了測(cè)量精度，又可以方便在電纜截?cái)嗷螂娎|編號(hào)丟失的情況下，對(duì)儀器編號(hào)的確認(rèn)和恢復(fù)。另外，這種儀器還提供RS-485或RS-232接口，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在外部變形監(jiān)測(cè)儀器方面，如水準(zhǔn)儀、電子經(jīng)緯儀和全站儀等，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始批量生產(chǎn)并占有一定的市場(chǎng)份額，但在穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性方面還需要提高。采用電子經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀可使傳統(tǒng)的外部變形監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，電子水準(zhǔn)儀+全站儀實(shí)現(xiàn)水工建筑物安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化已經(jīng)在多個(gè)工程獲得應(yīng)用。GPS具有土建工程量小、可以測(cè)量三維變形等優(yōu)點(diǎn)，比較適合高土石壩的外部變形監(jiān)測(cè)。GPS技術(shù)已經(jīng)在清江隔河巖大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。另外，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于地震形變、地表沉降和滑坡監(jiān)測(cè)，如果能進(jìn)一步提高精度，實(shí)現(xiàn)地表連續(xù)變形測(cè)量，這對(duì)于大壩，尤其是高土石壩，將具有明顯優(yōu)勢(shì)。雙向引張線自動(dòng)測(cè)量技術(shù)能夠通過(guò)一條引張線同時(shí)測(cè)量水平和垂直位移，相當(dāng)于同時(shí)安裝了原引張線和靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，且針對(duì)老引張線改造不需要增加任何土建工作，施工方便，特別適合我國(guó)廣大已安裝引張線項(xiàng)目的更新改造。

在環(huán)境量監(jiān)測(cè)儀器方面，水位、雨量等常規(guī)測(cè)量?jī)x器近年來(lái)隨著水文、氣象等部門的大量需求得到了快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)儀器設(shè)備的市場(chǎng)占有率非常高，其精度、設(shè)備種類、穩(wěn)定性都相對(duì)優(yōu)于其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備。

隨著合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）和差分干涉測(cè)量（D-InSAR）技術(shù)發(fā)展，其在地表沉陷監(jiān)測(cè)中應(yīng)用已經(jīng)全面展開(kāi)，如D-InSAR技術(shù)已經(jīng)在煤礦開(kāi)采沉陷變形監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用并用于礦區(qū)DEM數(shù)據(jù)更新。由于該技術(shù)的大尺度和面監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，在大壩及邊坡的表面變形監(jiān)測(cè)中將具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

在新型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面，國(guó)外也有很多成功的技術(shù)，如英國(guó)的高精度微震監(jiān)測(cè)技術(shù)就已經(jīng)在多個(gè)邊坡工程獲得成功運(yùn)用。該技術(shù)克服了目前常規(guī)點(diǎn)監(jiān)測(cè)代表性不足、預(yù)警能力不強(qiáng)、資料分析困難等缺點(diǎn)，對(duì)水庫(kù)的高邊坡與地基監(jiān)測(cè)具有很強(qiáng)的針對(duì)性。

聲發(fā)射技術(shù)的原理是當(dāng)巖體的應(yīng)力發(fā)生改變并超過(guò)歷史水平時(shí)，巖體就會(huì)發(fā)出一種振動(dòng)波向四方傳播，應(yīng)力改變愈大，這種波就愈強(qiáng)。在巖體中埋設(shè)傳感器采集這些振動(dòng)波的信號(hào)，利用專門的軟件包加以處理分析，就可以測(cè)定出振動(dòng)波源的空間位置和振源強(qiáng)度，從而揭示出巖體內(nèi)部可能發(fā)生大變形的部位，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施。目前在澳大利亞、美國(guó)、加拿大等都有應(yīng)用這種監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行大壩監(jiān)測(cè)的案例。

2.2.2 自動(dòng)采集設(shè)備

自動(dòng)采集設(shè)備包括測(cè)量控制單元（MCU）、水雨情遙測(cè)終端等。隨著大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)采集設(shè)備也得到了跨越式發(fā)展。不僅可以實(shí)現(xiàn)傳感器的在線式單點(diǎn)測(cè)量、巡測(cè)，還可實(shí)現(xiàn)定時(shí)、變幅測(cè)量上報(bào)。同時(shí)還具有存儲(chǔ)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)、校時(shí)、可配置及支持多種通信方式等功能，能夠滿足各種環(huán)境條件下的自動(dòng)采集測(cè)量需求。

2.3 軟件

2.3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的研究工作是從20世紀(jì)80年代初起步的，經(jīng)歷了從集中式系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)發(fā)展的歷程。從近年國(guó)內(nèi)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的工程實(shí)例來(lái)看，主要還是采用國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)，因?yàn)閲?guó)內(nèi)系統(tǒng)在適用性、售后服務(wù)和價(jià)格等方面都占有很大優(yōu)勢(shì)。分布式系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是：

（1）體系分布化。采用分布式結(jié)構(gòu)，測(cè)量控制單元可以安裝靠近傳感器的地方，傳感器的信號(hào)可以不需要傳輸較遠(yuǎn)的距離，信號(hào)的衰減和外界的干擾可以大大減輕，系統(tǒng)既適合于傳感器分布廣，分布不均勻，傳感器數(shù)量多、種類多、總線距離長(zhǎng)的大中型工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，也適合于傳感器數(shù)量少的小型工程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

（2）結(jié)構(gòu)模塊化。系統(tǒng)由以前的專用型變成了通用型。根據(jù)功能的不同，開(kāi)發(fā)不同的功能模塊。系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量傳感器的類型的不同，開(kāi)發(fā)了振弦式、電感式、步進(jìn)式、差動(dòng)電阻式等測(cè)量模塊，系統(tǒng)可以通過(guò)搭積木的方式，組建滿足要求的系統(tǒng)；系統(tǒng)采用內(nèi)部功能模塊化、傳感器接口模塊化的思想，將系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊化，開(kāi)發(fā)了弦式功能模塊、模擬量功能模塊、通信功能模塊等，接口模塊根據(jù)傳感器的類型，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的接口模塊，接口模塊不具有測(cè)量功能，這樣保持系統(tǒng)測(cè)量的一致性。

（3）接口多樣化。通信方式一般包括有線、無(wú)線、衛(wèi)星、電話線、光纖、GSM/GPRS/3G/4G等。一般系統(tǒng)提供兩種或兩種以上的通信接口方式，為系統(tǒng)的組網(wǎng)提供了比較大的便利，目前很多工程采用光纖通信，不僅提高了通信速率，也提高了系統(tǒng)抗電磁干擾能力和抗雷擊能力。

（4）供電多樣化。系統(tǒng)致力于提高性能，設(shè)計(jì)了各種電源管理電路，最大限度地降低功耗，可以利用交流電、直流電、蓄電池以及太陽(yáng)能供電等各種方式供電。在特殊場(chǎng)合下，儀器設(shè)備可直接采用電池供電，運(yùn)行時(shí)間可達(dá)數(shù)月之久。

（5）性能可靠化。自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的初期，很多系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定、損壞，甚至癱瘓都是由于抗干擾能力不過(guò)關(guān)，防雷擊性能不夠造成的，通過(guò)近些年的研究和經(jīng)驗(yàn)的積累，系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、布局、元器件的篩選、通信、電源、電纜埋設(shè)等多個(gè)方面得到了改善，系統(tǒng)的可靠性得到了提高。

（6）平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用各種網(wǎng)絡(luò)資源平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息共享和發(fā)布，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種類型的基于.NET或Java平臺(tái)的B/S型大壩安全信息系統(tǒng)。

目前，我國(guó)自主研發(fā)的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然有了較大的提高，某些方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，但是系統(tǒng)總體性能和國(guó)際先進(jìn)產(chǎn)品相比，還存在一定的差距，特別是在可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面有待進(jìn)一步的提高。

2.3.2 系統(tǒng)軟件

大壩安全監(jiān)測(cè)軟件一般包括數(shù)據(jù)采集軟件、信息管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析軟件。

（1）數(shù)據(jù)采集軟件。數(shù)據(jù)采集軟件是基于C/S模式、在Windows環(huán)境下可視化的窗口軟件，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)均可顯示在布置圖上，每個(gè)測(cè)點(diǎn)都與數(shù)據(jù)庫(kù)相連接，同時(shí)布置圖上的每一個(gè)測(cè)點(diǎn)又與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置的對(duì)應(yīng)儀器通道相連，操作和選擇屏幕布置圖上的測(cè)點(diǎn)或采集模塊就可以完成對(duì)該測(cè)點(diǎn)或模塊的數(shù)據(jù)采集、換算、處理、入庫(kù)等全部過(guò)程。對(duì)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫(kù)；對(duì)人工測(cè)量的數(shù)據(jù)，提供一個(gè)人機(jī)界面窗口，可鍵盤輸入進(jìn)庫(kù)。

采集軟件功能模塊主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)通訊和系統(tǒng)管理等。

（2）信息管理軟件。信息管理軟件負(fù)責(zé)對(duì)大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、工程文檔、巡查信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行綜合管理。對(duì)于具有網(wǎng)絡(luò)要求的用戶，可以采用基于WEB的信息管理軟件。

基于.NET或Java平臺(tái)開(kāi)發(fā)的WEB發(fā)布軟件可安裝在局域網(wǎng)的服務(wù)器上，客戶端無(wú)需額外安裝任何其它軟件，直接通過(guò)IE瀏覽器訪問(wèn)和查詢大壩的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、文檔和圖表。

（3）計(jì)算分析軟件。計(jì)算分析軟件負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差檢驗(yàn)、模型建立和計(jì)算分析。ANSYS、FLAC3D、MARC、ABAQUS、ADINA等數(shù)值計(jì)算軟件在國(guó)內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用，利用上述軟件和大壩安全監(jiān)測(cè)資料將為確定性模型和混合監(jiān)控模型的建立、參數(shù)反演和大壩安全分析評(píng)價(jià)提供方便。

發(fā)達(dá)國(guó)家在信息管理系統(tǒng)方面非常重視，如法國(guó)電力公司開(kāi)發(fā)了PANDA的大壩監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)各種類型的自動(dòng)化或人工采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用Internet/Intranet進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)信息的分層管理（包括上層的專家分析中心及下設(shè)的各級(jí)控制中心）。系統(tǒng)中對(duì)監(jiān)測(cè)量的分析評(píng)價(jià)采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型，模型中僅用11個(gè)因子描述各分量。該系統(tǒng)除用于法國(guó)的250多座大壩的監(jiān)測(cè)之外，還在阿根廷、多哥等多個(gè)國(guó)家得到應(yīng)用。

意大利是最早將人工智能技術(shù)引入大壩監(jiān)測(cè)信息處理領(lǐng)域的國(guó)家。20世紀(jì)90年代，意大利開(kāi)發(fā)了DAMSAFE的決策支持系統(tǒng)，系統(tǒng)包括提供數(shù)據(jù)的信息層，用于管理、解釋和顯示數(shù)據(jù)的工具層，以及基于Internet技術(shù)的綜合層。該系統(tǒng)采用定性因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)各類監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行綜合分析，并采用了專家系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)了針對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在線檢查的MISTRAL子系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)得到了較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用。

3 大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們觀念的不斷轉(zhuǎn)變，科學(xué)技術(shù)特別是信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化提出了更高更深的要求，大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)展望如下：

（1）傳感器智能化。智能儀器是自帶微型計(jì)算機(jī)或者微型處理器的測(cè)量傳感器，儀器自身具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、邏輯運(yùn)算判斷及自動(dòng)化操作等功能。隨著人工智能技術(shù)和電池技術(shù)的迅猛發(fā)展，逐步具備自檢、自校、自診斷功能、物理量直接展示、結(jié)果數(shù)字化輸出、無(wú)線傳輸和人機(jī)交互等功能特性。

（2）接口的標(biāo)準(zhǔn)化和即插即用。國(guó)內(nèi)外多個(gè)監(jiān)測(cè)儀器生產(chǎn)廠家的儀器設(shè)備，由于各家接口和系統(tǒng)不通用、需要專業(yè)安裝調(diào)試隊(duì)伍等問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的推廣，為此需要研究通用的通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、通訊接口、傳感器接口和電源接口標(biāo)準(zhǔn)，建立健全相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程規(guī)范，從而方便各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備、模塊之間的集成。

（3）遠(yuǎn)程操作與實(shí)時(shí)診斷。因基層維護(hù)管理人員技術(shù)知識(shí)和素養(yǎng)較低，實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)診斷，為運(yùn)行維護(hù)人員提供維護(hù)維修信息具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、參數(shù)設(shè)置、故障診斷等操作。如利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，只要在手機(jī)能上網(wǎng)的地方，通過(guò)3G/4G即可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)維護(hù)、軟件升級(jí)和維護(hù)、故障原因和修復(fù)方法以及測(cè)值成因分析等，同時(shí)通過(guò)短消息實(shí)現(xiàn)大壩安全報(bào)警和故障提示，從而極大的方便大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)。

（4）系統(tǒng)整合。目前許多水電站與水庫(kù)大壩均安裝部署了大壩安全監(jiān)測(cè)、水情測(cè)報(bào)、閘門監(jiān)控、視頻監(jiān)控等自動(dòng)化系統(tǒng)。我們必須依靠科技進(jìn)步，將以上各系統(tǒng)有機(jī)地整合起來(lái)，應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)以達(dá)到在平常確保大壩安全的前提下，盡量多蓄水、多發(fā)電、多供水，從而創(chuàng)造更多的效益；在汛期有較多的防洪庫(kù)容，又能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)水庫(kù)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，從而最大限度達(dá)到防災(zāi)（減災(zāi)）和興利的目的。

（5）大壩群信息系統(tǒng)集成。利用云計(jì)算技術(shù)集成流域乃至管理單位所屬大壩群的信息系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)收集整合大壩群通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)需要用到GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘、遠(yuǎn)程通訊等技術(shù)。通過(guò)建立大壩群安全監(jiān)測(cè)海量數(shù)據(jù)庫(kù)，集中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，對(duì)充分利用數(shù)據(jù)資源，提高大壩設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)水平將起到十分重要的作用。安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、分析評(píng)價(jià)、遠(yuǎn)程操控等由云平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理。水庫(kù)大壩主管部門和管理單位以政府購(gòu)買服務(wù)的方式向云平臺(tái)管理單位尋求需求的滿足。目前將大壩信息系統(tǒng)進(jìn)行集成的工作正在展開(kāi)，如國(guó)家能源局杭州大壩中心正將電力系統(tǒng)大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中管理，湖南省大壩安全監(jiān)測(cè)中心正將省內(nèi)部分大中型水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行集中管理和發(fā)布。從目前情況來(lái)看，全環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)共享利用、數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析評(píng)價(jià)，特別是大數(shù)據(jù)深度挖掘方面還有許多工作要做。

（6）運(yùn)行管理移動(dòng)化。近年來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，智能手機(jī)大量普及，移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)可以克服運(yùn)行管理工作在空間、時(shí)間上的阻隔，滿足現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)性、不確定性的日常工作要求。例如大壩安全巡視檢查工作可以通過(guò)手機(jī)APP完成，通過(guò)GPS定位、拍照、攝像等手段，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)巡查情況的上報(bào)，能減輕巡查工作量，規(guī)范巡查路線和流程。

（7）虛擬現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是數(shù)字水利、數(shù)字流域的必然要求，是與GIS、GPS和RS技術(shù)相配套的技術(shù)。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又有了很大的發(fā)展，在大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化方面的應(yīng)用可以包括：①動(dòng)態(tài)模擬大壩變形、滲流、裂縫等的產(chǎn)生、發(fā)展和相互耦合過(guò)程，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)可視化；②利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模擬上下游潰壩、泄洪和其他荷載變化對(duì)大壩安全的影響，進(jìn)行淹沒(méi)和損失評(píng)估；③利用分布式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在因特網(wǎng)環(huán)境下，充分利用各地人才和數(shù)據(jù)資源的優(yōu)勢(shì)，協(xié)同開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)的大壩健康診斷系統(tǒng)等。

[1]趙志仁，等.國(guó)內(nèi)外大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2010，（05）.

[2]沈省三，等.大壩安全監(jiān)測(cè)儀器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.大壩與安全，2015，（05）.

[3]黃文鈺.淺析水電站大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.廣東科技，2008，（11）.

[4]趙花城.水電站大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化現(xiàn)狀與發(fā)展目標(biāo)［J］.大壩與安全，2007，（04）.

[5]張文飛.淺述水電站大壩安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及其自動(dòng)化動(dòng)態(tài)［J］.廣東科技，2013，（10）.

2016-10-12）

王在艾（1984-），男，湖南新化人，大學(xué)本科，工程師，主要從事大壩安全相關(guān)軟硬件研究開(kāi)發(fā)工作，手機(jī)：15387599699。