滕世敏 崔何亮 張 猛

(國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 311122)

1 概述

安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)已在水電水利工程領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用，為進(jìn)一步掌握當(dāng)前大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)情況，了解監(jiān)測(cè)自動(dòng)化應(yīng)用中存在的問題，采用問卷調(diào)查和數(shù)據(jù)分析等方式，對(duì)35座大壩的有關(guān)情況進(jìn)行了調(diào)研。調(diào)查分析的內(nèi)容包括大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化接入范圍、監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)施的類型、儀器設(shè)備的運(yùn)行效果、人工比測(cè)工作開展等各方面情況和存在問題。

本次調(diào)研的35座大壩，電力系統(tǒng)的有34座，水利系統(tǒng)的有1座，主要分布于華南、華中和西部地區(qū)；壩型主要包括混凝土重力壩、碾壓混凝土重力壩、混凝土拱壩；壩高在100 m以下的有7座，在100 m～200 m的有22座，在200 m以上的有6座；庫容在1億m3以內(nèi)的有2座，在1億m3～10億m3的有11座，庫容在10億m3～100億m3的有18座，庫容在100億m3以上的有4座；首次蓄水時(shí)間在2000年以前的有17座，在2000年以后的有18座。

2 大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用范圍

本次調(diào)研，對(duì)35座大壩的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行了細(xì)分，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1，分析可知：

1)壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)的重要性高、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)施較簡(jiǎn)單，因此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的比例最高，達(dá)到97%。

2)壩體水平位移的自動(dòng)化比例也較高，為91%，相比之下，壩體垂直位移的自動(dòng)化程度則僅有63%。其主要原因有兩方面：一是從自動(dòng)化系統(tǒng)角度，相比垂直位移監(jiān)測(cè)，水平位移可選儀器設(shè)備多、運(yùn)行可靠性和維護(hù)難易度相對(duì)也較好；二是從人工觀測(cè)角度，垂直位移(主要是水準(zhǔn))的監(jiān)測(cè)難度較小，精度也更容易得到控制。

3)滲流量和繞壩滲流的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)比例均在70%左右，總體不高。

3 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)

3.1 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備來源

目前大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，較常見的自動(dòng)化設(shè)備廠家(型號(hào))主要有國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院(DAMS-IV)、南京水利水文自動(dòng)化研究所(DG-2000)、國(guó)電南自(FWC2000)、北京/西安木聯(lián)能工程科技有限公司(LN1018II)、北京基康儀器有限公司(BGK-MICRO)、東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、長(zhǎng)春市朝陽監(jiān)測(cè)技術(shù)有限公司、湖南遠(yuǎn)程電子有限公司等。本次調(diào)研的35座大壩中，建設(shè)采用的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)最多的是國(guó)網(wǎng)電科院的DAMS，有26家(76%)使用該系統(tǒng)；采用其他廠家的有9家。

3.2 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用數(shù)量

調(diào)研對(duì)象大壩接入自動(dòng)化系統(tǒng)的儀器數(shù)量、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)管理站、監(jiān)測(cè)管理中心站數(shù)量等統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：

2.4 CT掃描輻射劑量 所有病例單次低劑量CT掃描層數(shù)為7-15層，其影像質(zhì)量與常規(guī)劑量CT影像對(duì)比差異不大，能夠滿足穿刺定位要求。單次容積掃描CT劑量：容積CT質(zhì)量指數(shù)（CTDI vol）4.09-8.06mGy，長(zhǎng)度乘積（DLP）20.75-80.33mGy/cm；總有效劑量（Total Exam DLP）：62.25-240.99mGy，與常規(guī)120mA掃描參數(shù)相比，每次掃描輻射降低幅度達(dá)41.7%-58.3%。

1)各座大壩的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)均布置有1個(gè)監(jiān)測(cè)管理中心站。

2)多數(shù)大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)未設(shè)置監(jiān)測(cè)管理站，僅個(gè)別電廠設(shè)有監(jiān)測(cè)管理站。從功能上看，監(jiān)測(cè)管理站主要作用是接收數(shù)據(jù)采集裝置的數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換、按規(guī)定的格式統(tǒng)一存放在數(shù)據(jù)庫中，并接收監(jiān)測(cè)管理中心站上位機(jī)的相關(guān)指令及對(duì)數(shù)據(jù)采集裝置下達(dá)控制指令，與監(jiān)測(cè)管理中心站功能有所重復(fù)；而目前的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已經(jīng)能夠滿足監(jiān)測(cè)管理中心站直接接受、管理數(shù)據(jù)采集裝置，因此多數(shù)電廠不設(shè)監(jiān)測(cè)管理站。

3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站數(shù)量與工程規(guī)模有關(guān)，大多數(shù)大壩的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站在30個(gè)以下，最多的達(dá)到了100個(gè)。

4)大多數(shù)大壩使用的自動(dòng)化模塊數(shù)量在100個(gè)以內(nèi)，但最多的達(dá)到了687個(gè)模塊。

5)絕大多數(shù)大壩接入自動(dòng)化系統(tǒng)的儀器數(shù)量在101支～2 000支之間，最多的達(dá)到8 360支。

3.3 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化傳感器的類型

調(diào)研的35座大壩中，所有大壩都使用了振弦式傳感器，30座使用了差阻式的傳感器。使用電容式、光電式儀器的各有約20座，此外還有少數(shù)大壩使用電位器式、變送器電流/電壓式等儀器。

4 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行情況

4.1 自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵指標(biāo)考核

本次調(diào)研，共有15座調(diào)研對(duì)象大壩反饋了自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行考核指標(biāo)計(jì)算成果，年平均無故障時(shí)間(MTBF)、數(shù)據(jù)缺失率、平均維修時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表1和圖2，結(jié)果表明：

1)所有大壩的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)年平均無故障時(shí)間均大于規(guī)范要求的6 300 h，其中大多超過8 000 h，說明多數(shù)大壩維護(hù)較好；

2)除1座大壩因數(shù)據(jù)傳輸線路老化等原因，數(shù)據(jù)缺失率較高外，其他大壩均小于規(guī)范要求的3%；

3)規(guī)范要求的平均維修時(shí)間為2 h，指的是現(xiàn)場(chǎng)維修工作的時(shí)間，但從反饋的數(shù)據(jù)看，各電廠可能理解為了發(fā)生故障到修復(fù)的時(shí)間，除龍開口0.5 h、百龍灘5 h外，其他均填的12 h，24 h，36 h，48 h等，基本是按0.5 d或1 d為單位。從運(yùn)用上考慮，發(fā)生故障到修復(fù)的時(shí)間更能反映自動(dòng)化系統(tǒng)的維護(hù)情況，以此作為平均維修時(shí)間更加合理；

4)由圖2可見，平均無故障運(yùn)行時(shí)間和數(shù)據(jù)缺失率無明顯的相關(guān)性，作為獨(dú)立的考核指標(biāo)是合適的。

表1 自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行考核指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

4.2 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題

選擇垂線坐標(biāo)儀、引張線儀、真空激光儀、靜力水準(zhǔn)儀、雙金屬標(biāo)儀、量水堰儀、采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)作為儀器故障調(diào)研的對(duì)象，各類儀器設(shè)備的故障條數(shù)、類型的統(tǒng)計(jì)見表2，表3，分析可知：

1)各類儀器的故障既有儀器本身的原因，也有維護(hù)不到位的原因，兩種原因數(shù)量接近，儀器原因略多于維護(hù)原因；

2)從不同監(jiān)測(cè)目的的儀器來看，垂線坐標(biāo)儀因維護(hù)原因造成的故障條數(shù)有16條，維護(hù)保養(yǎng)不到位的問題比較突出，其中9條為潮濕環(huán)境影響，而引張線和靜力水準(zhǔn)儀因裝置原因損壞造成的故障相對(duì)較多；

3)電容式設(shè)備的問題中，關(guān)于中間極損壞的故障有14條，在儀器原因的故障中相對(duì)較多；

4)采集系統(tǒng)的故障主要是模塊損壞，采集模塊由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，各種組件多，容易發(fā)生故障。

表2 自動(dòng)化測(cè)量裝置故障統(tǒng)計(jì)表

表3 自動(dòng)化采集和通信設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)表

4.3 自動(dòng)化系統(tǒng)的人工比測(cè)工作

對(duì)自動(dòng)化儀器設(shè)備進(jìn)行人工比測(cè)時(shí)，一般分為三種方式：一是利用“人工設(shè)備”，諸如引張線的人工讀數(shù)尺、垂線的讀數(shù)盤或光學(xué)垂線坐標(biāo)儀等；二是采用“比測(cè)儀表”，如差阻式、振弦式儀器的讀數(shù)儀；三是“其他監(jiān)測(cè)方法”，如通過視準(zhǔn)線對(duì)垂線進(jìn)行校測(cè)、人工引張線對(duì)真空激光進(jìn)行校測(cè)等方式。根據(jù)本次35座大壩的調(diào)查結(jié)果，單獨(dú)或結(jié)合采用了人工設(shè)備的有29座，比測(cè)儀表的有20座，其他監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比的有10座。

另據(jù)統(tǒng)計(jì)，在對(duì)自動(dòng)化的測(cè)控單元進(jìn)行比測(cè)時(shí)，采用便攜式檢測(cè)儀表的有24座(69%)，采用便攜式計(jì)算機(jī)的有18座(51%)。有10座電站(29%)反饋，在人工比測(cè)時(shí)，需要插拔傳感器的接頭，給人工比測(cè)帶來不便。

絕大多數(shù)被調(diào)研的電站，都對(duì)人工數(shù)據(jù)和自動(dòng)化測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析。從比測(cè)分析的方法看：有27座(77%)采用的是“過程線定性判斷”，其中10座還同時(shí)采用了“限差或方差分析”；有4座僅采用了限差或方差的定量分析方法；4座未分析或未填寫。

5 結(jié)論和建議

根據(jù)本次調(diào)研的結(jié)果，為進(jìn)一步優(yōu)化大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提升自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用效果，提出以下建議：

1)隨著自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的演變和電腦軟硬件性能的提升，監(jiān)測(cè)管理站和監(jiān)測(cè)管理中心站的界限越來越模糊，建議取消監(jiān)測(cè)管理站和監(jiān)測(cè)管理中心站，如合成為監(jiān)測(cè)管理站。

2)規(guī)范要求的平均維修時(shí)間為2 h，指的是現(xiàn)場(chǎng)維修工作的時(shí)間，不能反映由此導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失情況，建議在新規(guī)范中，規(guī)定以發(fā)生故障到修復(fù)的時(shí)間作為平均維修時(shí)間。

3)維護(hù)不到位屬于監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)故障問題中比較普遍的問題，因此加強(qiáng)《監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》的宣貫，提高電廠運(yùn)維人員的培訓(xùn)，以及促進(jìn)電廠提高維護(hù)的意識(shí)和水平均很有必要。

4)儀器設(shè)備的問題中，電容式儀器中間極損壞的問題較為突出，廠家宜針對(duì)這一問題提出解決方案；人工比測(cè)比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，廠家也需對(duì)此作出專門的改進(jìn)。