王斌斌

（甘肅省水務投資有限責任公司，甘肅 蘭州 743000）

0 引言

隨著計算機技術、傳感器技術、網絡通訊技術及數據庫技術的飛速發(fā)展，大壩安全監(jiān)測自動化技術也得到了較大的發(fā)展和廣泛的應用。目前國內很多水利水電工程均已實現自動化安全監(jiān)測，很多重大水利水電工程同時具備多套監(jiān)測系統(tǒng)，如同時部署有大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)、地震監(jiān)測系統(tǒng)、GNSS 衛(wèi)星測量系統(tǒng)、三維激光掃描系統(tǒng)和外觀自動測量系統(tǒng)等。海量的監(jiān)測數據和多平臺難以管理的現狀，促使將多種監(jiān)測系統(tǒng)納入工程遠控平臺進行統(tǒng)一管理是一種趨勢［1］。當前大多數工程項目的現狀是各套系統(tǒng)工作各自為政，無法做到密切配合、協同工作，需要一種低成本，能實現對各種測點全面控制，可互操作的監(jiān)測系統(tǒng)［2］。為此，本文借某水電站安全監(jiān)測系統(tǒng)自動化改造之機，設計一個能夠在突發(fā)事件和特殊工況下，實現不同監(jiān)測子系統(tǒng)協同工作，及時測量，及時預警的系統(tǒng)整合方案。

1 監(jiān)測系統(tǒng)現狀

該水電站安裝有大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，用于混凝土壩壩體的變形、溫度、應力應變和滲流滲壓等項目的自動化監(jiān)測；大壩壩頂安裝有一套測量機器人系統(tǒng)，用于近壩邊坡變形的測量；庫區(qū)滑坡體布設有 GNSS 變形監(jiān)測系統(tǒng)，用于滑坡體變形的測量；在大壩的各層廊道安裝有強震儀，用于測量記錄地震波。目前大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、測量機器人系統(tǒng)、GNSS 變形監(jiān)測系統(tǒng)和地震監(jiān)測系統(tǒng)分別安裝在 4 臺不同的服務器上，4 個系統(tǒng)所采用的數據結構完全不同，各系統(tǒng)之間的數據沒有進行共享，系統(tǒng)之間也沒有進行任何通信，不具備協同工作的能力。如能將現有 4 個監(jiān)測系統(tǒng)整合起來，形成一套高效的數據共享和聯動協調的工作機制，必然可以有效地提高安全監(jiān)測自動化的工作效率和監(jiān)測效果。

2 需求分析

2.1 項目特點

該水電站位于地震、滑坡和泥石流等地質災害的高發(fā)區(qū)，為了保障水電站的安全運行和及時預警，目前運行的安全監(jiān)測系統(tǒng)有大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、自動測量機器人系統(tǒng)、GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)和地震監(jiān)測系統(tǒng)?？紤]到地震和各類地質災害影響的突發(fā)性，定時定點的常規(guī)安全監(jiān)測工作無法滿足突發(fā)災害的及時預警，需要根據工程特點整合出一套能夠快速有效的預警監(jiān)測系統(tǒng)。為滿足工程需要，本項目的監(jiān)測系統(tǒng)以事件觸發(fā)為核心需求，其主要特點有以下幾點。

1）不僅僅是常規(guī)的周期性數據采集，同時對各類突發(fā)事件進行偵測，當某個子系統(tǒng)收到突發(fā)事件信號時，整個系統(tǒng)進行聯動監(jiān)測。

2）對監(jiān)測系統(tǒng)的實時性要求高，需要在突發(fā)事件發(fā)生時，整個系統(tǒng)能在盡可能快的時間內做出響應。

3）需要盡可能利用和集成現有監(jiān)測設施，通過軟件將各子系統(tǒng)整合為一個協作聯動的監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 項目難點

經現場對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、自動測量機器人系統(tǒng)、GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)和地震監(jiān)測系統(tǒng)的工作平臺進行研究，4 個系統(tǒng)存在顯著的差異，難以進行完全的整合。

1）各系統(tǒng)監(jiān)測的數據采集頻次、采集要求和數據處理方式完全不同，產生了監(jiān)測數據的數據結構和管理模式的完全不同，導致沒有一個平臺具備可以管理所有監(jiān)測數據的能力，無法做到監(jiān)測數據的完全共享。

2）各系統(tǒng)監(jiān)測的通訊和數據接口完全不同，難以做到完全的互操作。

3）各系統(tǒng)的實時性和精度不同，地震監(jiān)測系統(tǒng)為實時監(jiān)測，GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測精度差，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)和自動測量機器人系統(tǒng)為定時測量。

3 系統(tǒng)聯動設計

3.1 地震事件聯動

1）聯動大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。地震事件為突發(fā)事件且持續(xù)事件較短，地震事件聯動大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的難點在于快速響應，需要在地震持續(xù)的短時間內完成對大壩的監(jiān)測傳感器的測量。

調用 2019 年本項目地震系統(tǒng)監(jiān)測到的 3 次地震信號（見圖 1），發(fā)現本地區(qū)地震的持續(xù)時間均在 80 秒左右；經現場試驗，本項目大部分的大壩自動化安全監(jiān)測 MCU 采集一次的時間約為 30 秒。如能在地震發(fā)生的同時，有一套高效的通訊機制，可以由地震系統(tǒng)將地震發(fā)生的信號發(fā)送給安全監(jiān)測軟件，大壩安全監(jiān)測軟件完全可以在地震持續(xù)的過程中測得各項關鍵的監(jiān)測數據，對研究壩體在地震中的受力情況有極大的幫助。

圖1 本地區(qū) 2019 年地震記錄

為達到地震監(jiān)測系統(tǒng)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的聯動目標，本項目設計了一套強震觸發(fā)大壩實時監(jiān)測系統(tǒng)的方案。當強震儀接收到烈度大于 4 度的地震信號時，由強震監(jiān)測系統(tǒng)向大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送一個觸發(fā)信號，大壩監(jiān)測系統(tǒng)收到信號后，立刻開始對監(jiān)測系統(tǒng)中的重點測點進行一次測量，并將測量中發(fā)現的超限數據通過手機短信報送管理人員，達到第一時間了解壩體安全性的效果。

2）聯動測量機器人系統(tǒng)。測量機器人系統(tǒng)由國外廠家開發(fā)，涉及到知識產權和商業(yè)機密問題，無法做到對其進行完全的控制。經現場分析，測量機器人系統(tǒng)和地震監(jiān)測系統(tǒng)無法建立有效的連接和觸發(fā)機制。為了解決二者無法直接連接的問題，本項目設計利用大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)作為中間平臺，只需實現大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠將測量命令發(fā)送至測量機器人系統(tǒng)，測量機器人系統(tǒng)在收到開始測量的信號后，立即進行一次觀測即可。根據地震監(jiān)測系統(tǒng)聯動大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的機制，當地震系統(tǒng)將地震烈度信息發(fā)送給大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，如烈度達到預設閾值，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)將開始測量命令發(fā)送至測量機器人系統(tǒng)，測量機器人收到信號后開始測量，以此實現強震系統(tǒng)和測量機器人系統(tǒng)的聯動。測量機器人完成測量后，將測量數據同步傳送到大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中，并由大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)判斷數據是否超限，并將異常數據及時通過短信報送管理人員。

3）聯動 GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)。GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)的解算精度受采集到數據量影響很大，實時解算精度差，一般需要1個小時以上的衛(wèi)星定位數據才能解算出一個可靠的監(jiān)測數據。故將地震監(jiān)測系統(tǒng)聯動 GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)的意義不大，GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)只需按照預設的每小時進行一次解算的任務工作即可，當滑坡體的累計變形值達到預設閾值時發(fā)出報警信號。

3.2 特殊工況事件聯動

水電站在運行過程中會遇到強降雨、泄洪、高水位運行和庫水位急漲急落等特殊工況，在這些特殊工況下，需要加強對大壩、庫區(qū)滑坡體和消能結構物等位置加強觀測和及時預警。這些特殊工況對實時性要求不高，其特點如下。

1）泄洪、高水位運行和庫水位急漲急落等工況基本是按預設工作計劃進行，可以提前做好監(jiān)測系統(tǒng)工作的準備工作。

2）強降雨雖有一定的突然性，但其持續(xù)時間長，且根據氣象信息，也可有一定的預見性，具備提前做好監(jiān)測系統(tǒng)工作的準備工作的條件。

3）特殊工況產生的后果一般也不是突發(fā)事件，其對大壩、庫區(qū)滑坡體和消能結構物的影響和破壞也是一個發(fā)展的過程。

4）對大壩及消能等附屬結構物的測量精度要求高，除了庫水位外的大部分指標的精度要求都在毫米級以上，達不到精度要求的測量都是沒有意義的。

大壩及消能等附屬結構物、降水量和庫區(qū)邊坡等監(jiān)測項目的大部分傳感器都是由大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)負責采集和管理，且監(jiān)測數據的采集精度和可信度都較高，能夠達到各預設項目的精度要求。根據地震聯動機制的辦法，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)已與測量機器人系統(tǒng)和 GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)建立聯動，特殊工況下的聯動由大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)起最為合適。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)周期性地采集降雨量、庫水位、滑坡變形和裂縫等監(jiān)測數據，當偵測到數據超過預設閾值時，立刻聯動測量機器人系統(tǒng)和 GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)，以預設方案加強對關鍵部位的觀測，并將測量數據同步到大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中，并由大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)判斷數據是否超限，并將異常數據及時通過短信報送管理人員。

4 子系統(tǒng)間通訊方案

4.1 通訊特點

根據本項目需求及監(jiān)測設施系統(tǒng)，各子系統(tǒng)聯動的通訊主要有兩個特點。

1）通訊的效率和及時性要求高，如地震等事件屬于突發(fā)事件，且事件的時間窗口期很短，需要監(jiān)測系統(tǒng)之間能快速建立聯系，迅速做出響應。

2）通訊數據量小，由于各系統(tǒng)的數據結構的巨大差異，本次設計不進行監(jiān)測數據之間的傳輸，而只是由偵測到觸發(fā)事件的系統(tǒng)告訴其他系統(tǒng)啟動某個預設應對方案，通訊數據量非常小。

3）點對點的單向通訊，根據聯動設計方案，本項目的通訊只需要建立對一些特定的主機進行單向通信，而不是整個局域網上的所有主機的雙向連接。

4.2 通訊方案設計

鑒于響應快和數據量小的特點，各子系統(tǒng)間的網絡通信協議采用 UDP。消息包分為幀頭、包頭、包內容和幀校驗碼。幀頭作用主要用于抗干擾，對非系統(tǒng)信號進行過濾。包頭由包長度、包編號和包頭校驗碼組成，用于表示內容長度和信息重組。包內容為實際數據，內容為告訴其他系統(tǒng)啟動某個預設監(jiān)測方案，考慮到信息中可能包含漢字，編碼需要使用 unicode。幀校驗碼是對報文中自包頭開始至包內容（包含包內容）為止的所有內容按網際校驗和算法產生的校檢字節(jié)。

5 結語及展望

隨著對水電站安全的重視、少人值守要求的提高和數字信息技術的發(fā)展，對安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的要求將進一步提升。本次水電站安全監(jiān)測系統(tǒng)改造工作中的各監(jiān)測平臺聯動方案的設計，可以極大提高水電站在突發(fā)災害和極端工況下的應急能力，間接提高了整個安全監(jiān)測系統(tǒng)的自動化程度，各子系統(tǒng)能夠在較短的時間內進行聯動測量，給運行人員及時提供關鍵的監(jiān)測數據。

由于該水電站 4 個系統(tǒng)之間巨大差異的實際現狀，本次項目設計其實是針對不同廠家、不同系統(tǒng)和不同數據結構難以整合的一次妥協，各系統(tǒng)之間的不通用和不兼容問題已成為束縛安全監(jiān)測自動化工作進一步發(fā)展的枷鎖，標準化的接口成為解除這道枷鎖的關鍵。隨著安全監(jiān)測自動化行業(yè)的發(fā)展，如能著手建立一套標準，各廠家均能按照標準預留通用的通訊數據和數據接口，從而便于各系統(tǒng)的整合和集成，安全監(jiān)測自動化技術必能得到進一步的發(fā)展。