李仲雄

（大唐甘肅發(fā)電有限公司碧口水力發(fā)電廠，甘肅 隴南 746412）

引言

安全監(jiān)測是大壩能夠安全穩(wěn)定工作的重要保障之一，能夠起到全面監(jiān)護、綜合分以及實時監(jiān)測的作用，是大壩在生命周期安全管理過程中必不可少的手段之一。我國的大壩安全監(jiān)測由來已久，已經(jīng)擁有了數(shù)百年的發(fā)展歷史，當前已經(jīng)能夠運用多種手段和方式實現(xiàn)監(jiān)測評價大壩安全性狀的基本目標。當前伴隨大數(shù)據(jù)、機器學習、故障診斷等多項技術飛速發(fā)展，大壩安全監(jiān)測也不斷朝著信息化、智能化的角度靠攏，通過建立智能模型的方式對于大壩安全進行動態(tài)分析、實時評價以及智能決策。監(jiān)測自動化也是上述目標能夠順利實現(xiàn)的必不可少的手段之一，能夠提升數(shù)據(jù)采集、處理以及存儲的自動化程度，為數(shù)據(jù)的分析和結果的轉化提供相應的載體。本文首先對當前監(jiān)測自動化發(fā)展的關鍵技術進行展開，包括采集控制技術、通訊傳輸技術以及管理系統(tǒng)技術，從具體技術的角度介紹了當前我國該領域的實際發(fā)展情況和存在的不足之處，其次與國外該領域使用效果較好的測量控制單元進行橫向比較，最后根據(jù)上述問題針對性地提出了安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和研究方向。

1 監(jiān)測自動化關鍵技術

監(jiān)測自動化系統(tǒng)主要依托于計算機輔助運算、傳感技術以及信息采集處理技術等，能夠對大壩數(shù)據(jù)進行實時采集和自動處理，并將處理結果進行比較判斷，分析出當前大壩是否處于安全狀態(tài)，并設置有報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)核心技術包括采集控制技術、通訊傳輸技術以及管理系統(tǒng)技術[1-2]。

1.1 采集控制

測量控制單元屬于整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心組成部分，起主要作用包括：傳感器信號采集、測量點選取、模擬量轉換、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲和電源管理等等。因此測量通道的測量穩(wěn)定性、數(shù)值準確性、采集頻率和采集手段等相關內容會給系統(tǒng)的正常運行帶來顯著影響。當前較為流行南瑞的DAU3000數(shù)據(jù)采集單元可以同電測傳感器相連接，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實時采集，系統(tǒng)架構為全并行，能夠實時監(jiān)測設備運行狀態(tài)、供電電源以及運行環(huán)境等。

1.2 通訊傳輸

通訊傳輸模塊的主要作用是連接測量控制單元以及管理系統(tǒng)，根據(jù)是否需要傳輸線能夠分為有線傳輸以及無線傳輸兩種方式。前者的傳輸介質主要為雙絞線和光纖，后者則主要通過移動網(wǎng)絡和通訊衛(wèi)星等方式實現(xiàn)信號傳輸。具體到實際工程而言通常需要多種通信手段有機結合，形成完整的通訊網(wǎng)絡。

1.3 管理系統(tǒng)

管理系統(tǒng)也是監(jiān)測自動化系統(tǒng)和用戶之間進行人機交互的關鍵方式，用戶借助監(jiān)測管理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集、管理控制、模型分析以及預測報警等。當前，每個機構乃至每項工程都擁有自己的監(jiān)測管理系統(tǒng)。在工程的不同階段，監(jiān)測管理系統(tǒng)的功能需求也略有差異。可以將管理系統(tǒng)總結為以下功能：實時采集、自動處理、輔助決策、模型分析和預測報警等。

2 應用現(xiàn)狀

監(jiān)測自動化借助檢測技術實現(xiàn)實時監(jiān)測的目標，能夠為監(jiān)測對象的安全穩(wěn)定運行，工程安全的輔助決策提供相應的數(shù)據(jù)，此外還具有經(jīng)濟成本較低、智能化程度較高以及工作效率較高等優(yōu)勢，契合信息化時代的新要求和新環(huán)境。所以，完善優(yōu)化監(jiān)測自動化系統(tǒng)也是水利發(fā)電工程安全保障的必然要求。安全檢測對于準確性、穩(wěn)定性以及效率的要求都比較高，因此自動化系統(tǒng)設計過程中應當精益求精，在確保系統(tǒng)調試完畢后方能用于實際監(jiān)測之中。系統(tǒng)設計完畢后應當采用試點的方式，先將系統(tǒng)用于部分區(qū)域的自動化檢測，并對實際監(jiān)測結果進行評估和分析，在確保系統(tǒng)的各項要求都符合相關標準和實際需求后在推廣到整個工程部。

在我國的十三大流域水電基地中，不同流域的水電站建設時間存在一定差異，監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應用程度也有所不同。當前，黃河流域絕大多數(shù)水電站已經(jīng)配備有自動化監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括拉西瓦、公伯峽水電站等等，其中建成時間較早的水電站已經(jīng)進行了一輪的自動化更新。相比較而言長江流域當前的自動化監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋面較小，只有部分規(guī)模較大，設備配置較為先進的水電站安裝了自動化監(jiān)測系統(tǒng)，主要有三峽、葛洲壩等等。伴隨長江流域諸多大型水電站的陸續(xù)投入和使用，加之監(jiān)測自動化技術的不斷完善和發(fā)展，不難預測日后自動化系統(tǒng)將會逐漸覆蓋長江流域的各個水電站。

2.1 內觀監(jiān)測自動化系統(tǒng)

從接入傳感器數(shù)量來說，當前我國建成規(guī)模最大的水電站內觀監(jiān)測自動化系統(tǒng)當屬錦屏一級、二級水電站，接入傳感器數(shù)量共計超過12000支，拉西瓦水電站以及小灣水電站等大型水電站的介入傳感器數(shù)量也在6000支以；建設過程中規(guī)模最大的水電站內觀監(jiān)測自動化系統(tǒng)當屬白鶴灘水電站，預計介入傳感器數(shù)量將會超過14000支，當前整個系統(tǒng)正處于方案建設和系統(tǒng)調試階段。糯扎渡水電站接入傳感器數(shù)量雖然僅有5000余支，但是系統(tǒng)整體還配置了測量機器人測點110余個，GPS測點50余個，是當前我國綜合規(guī)模最大的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。南水北調中線工程監(jiān)測自動化系統(tǒng)接入傳感器共計31343支，也是當前世界上接入傳感器數(shù)量最多的自動化系統(tǒng)，但是由于系統(tǒng)整體工程量過大，因此無法通過單一的管理系統(tǒng)實現(xiàn)有效管理，最終將整個工程分為3個標段實施，共設立35個管理處進行管理。

2.2 外觀監(jiān)測自動化系統(tǒng)

伴隨國內各項技術水平的飛速發(fā)展，國產(chǎn)設備也逐漸在表面變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設項目中得到了廣泛的應用，其中以溪洛渡水電站等為代表的大型水電站均在自動化監(jiān)測系統(tǒng)中引入了大量的智能技術提升了數(shù)據(jù)的處理效率。根據(jù)當前外觀監(jiān)測自動化系統(tǒng)設備的實際應用情況而言，徠卡公司生產(chǎn)的測量機器人最符合實際應用需求。

3 自動化儀器廠家

自動化儀器廠家也是推進監(jiān)測自動化技術不斷發(fā)展和完善的重要力量，其生產(chǎn)制造的產(chǎn)品性能直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性等相關指標。

當前我國較為知名的自動化儀器廠家主要有南瑞集團公司，該公司生產(chǎn)的DAMS系列產(chǎn)品市場占有率較高，廣泛應用于諸多大型水電站建設工程之中，比如說三峽水利樞紐等等。此前大型水電站存在系統(tǒng)分布不規(guī)律、數(shù)據(jù)傳輸距離較遠等問題，為了解決上述問題南瑞集團公司研發(fā)出一款網(wǎng)絡管理單元（NMU）技術，能夠將系統(tǒng)整體劃分為數(shù)個子區(qū)域，通過信號傳輸?shù)姆绞綄⒆訁^(qū)域信號通過主干網(wǎng)傳輸至上層管理站。此外北京木聯(lián)能公司研制的LN1018-II系統(tǒng)等也在部分工程中有所應用。當前，長江科創(chuàng)CK-MCU系列產(chǎn)品已經(jīng)在白鶴灘、向家壩等大型水電站廣泛投入使用，系統(tǒng)整體采用B/S結構，相關技術在世界范圍內處于領先地位。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展完善，我國的自動化產(chǎn)品同世界先進水平的差距正在不斷縮小，相關技術逐步完善，當前數(shù)據(jù)采集端已經(jīng)具備了穩(wěn)定性較強、可靠性較高以及采集時長較短等優(yōu)勢，能夠采用有線傳輸或者無線傳輸兩種方式同采集設備相連接，適用于不同種類的傳感器，具備穩(wěn)定性較好、抗干擾能力較強以及能夠適應惡劣的工作環(huán)境等優(yōu)勢。

國際范圍內知名度較高的自動化儀器廠家當屬美國Campbell Scientific公司，其公司生產(chǎn)的CR1000主機和LNX200振弦式采集模已經(jīng)成為了當前世界范圍內監(jiān)測儀器系統(tǒng)制造過程中的主流采集單元，在我國的南水北調工程和糯扎渡水利樞紐工程也有所應用。此外澳洲TheretoFishe公司生產(chǎn)的DTMCU系列產(chǎn)品用于其產(chǎn)品適應性較好、信號隔離效果較好，在我國市場中的占有比例也在逐漸提升。雖然我國在20世紀曾經(jīng)引進過一批美國Geomation 2380系列產(chǎn)品并應用于部分水利工程之中，但是由于產(chǎn)品的防潮性較差因此當前已經(jīng)無法滿足實際需求。相較于國產(chǎn)設備而言，國外大型企業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)測設備雖然穩(wěn)定性較好，但是在實際應用過程中仍然存在諸多問題。其一是國外產(chǎn)品維修成本較高且維修周期長，一旦出現(xiàn)故障將會影響監(jiān)測效率；其二是數(shù)據(jù)采集軟件兼容性較差，不利于后續(xù)模塊的集成；其三是當前國外已經(jīng)停止生產(chǎn)差阻式傳感器，因此數(shù)據(jù)采集設備引進我國后需要進行相應改裝，會對采集精度和效率產(chǎn)生一定影響。

4 監(jiān)測自動化系統(tǒng)展望

大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展，在系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)硬件以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婢讶〉昧速|的飛躍。當前學術界對于安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)軟硬件相關方面的優(yōu)化和完善展開了諸多研究并對未來的發(fā)展趨勢進行了預測。

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理智能化

物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)成為了當前最為流行的信息技術之一，傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)信息采集的必要設備，也在為信息時代的發(fā)展和普及做出貢獻。大壩安全監(jiān)測具有周期較長的特點，尤其是埋入式儀器，工作周期通常能夠達到30年，所以，對于此類儀器的使用壽命和穩(wěn)定性均有較高要求。當前工程中常用的傳感器為傳統(tǒng)的振弦式以及差阻式兩類，具有使用壽命較高、穩(wěn)定性較好等特點，但是智能化程度較低使得其采集效率難以提升。因此未來的傳感器研發(fā)應當在現(xiàn)有傳感器的基礎上增加其智能化程度和采集效率。

傳感器智能化發(fā)展提升也就意味著采集系統(tǒng)智能化程度的提升，采集系統(tǒng)可以結合傳感器的實際特點進行智能化的數(shù)據(jù)處理，監(jiān)測過程中一旦發(fā)現(xiàn)物理量超出許可范圍，則系統(tǒng)將會自動報警，減少了系統(tǒng)工作過程中的人工參與量，提升了數(shù)據(jù)采集效率。

4.2 基于BIM技術的監(jiān)測成果可視化

伴隨特大型水利水電工程建設的逐步開展，新型材料和創(chuàng)新的設計方案也逐漸得到推廣和應用。為了確保大壩等大型復雜結構的穩(wěn)定性、安全性和使用壽命滿足實際需求，對于安全監(jiān)測系統(tǒng)和可視化功能的融合也提出了更高的要求。絕大多數(shù)大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)既能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和處理，并未加入可視化的設計和相關的功能模塊，由此導致監(jiān)測系統(tǒng)難以對監(jiān)測結果進行實時評估。隨著BIM技術的逐漸普及，選取工程相關信息作為數(shù)據(jù)基礎，建立相應的三維數(shù)字化模型，使得行業(yè)主體能夠通過共享的數(shù)據(jù)信息平臺進行數(shù)據(jù)處理。通過BIM技術能夠實現(xiàn)監(jiān)測信息的可視化，使得監(jiān)測結果更為直觀地呈現(xiàn)在操作人員面前，提高人機交互性和監(jiān)測效率。

4.3 智能診斷與決策支持

監(jiān)測自動化系統(tǒng)的主要功能包括：數(shù)據(jù)處理、預測報警、智能診斷和輔助決策等。當前我國監(jiān)測信息管理系統(tǒng)雖然發(fā)展較為迅速，但是系統(tǒng)結構標準化程度較低，難以將成果進行泛化，也并未行業(yè)中形成統(tǒng)一的規(guī)范和模式。主要原因是監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的實踐性較強，需要結合工程實際參數(shù)進行綜合分析，難以通過建模預測的方式有效解決。此外完整綜合的數(shù)據(jù)管理軟件除必要的數(shù)學模型外，還需要依托于強大的專家?guī)?，建立健全相應的評估標準。

4.4 變形監(jiān)測智能化

大壩外部變形監(jiān)測自動化技術當前已經(jīng)逐步在土石壩中進行使用，常見的數(shù)據(jù)處理方式主要有：極坐標法、單基線向量法等等，采集的數(shù)據(jù)精度能夠滿足實際需求、符合相關標準，但是部分情況下混凝土壩及巖質邊坡變形監(jiān)測過程中對于數(shù)據(jù)采集的精度要求相對較高，因此此類設備的采集精度仍然有一定的提升空間。因此當前的研究趨勢主要集中在采集精度方法的優(yōu)化以及數(shù)據(jù)處理智能化程度的提升等仿麥呢，力求達到混凝土壩、巖質邊坡等監(jiān)測對象高精度變形監(jiān)測的實際需求。

4.5 規(guī)范規(guī)程修訂

伴隨計算機技術以及通信技術的不斷發(fā)展，當前安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的組成設備也在不斷更新?lián)Q代。根據(jù)當前我國多個水利水電工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的實施情況，本文的觀點是需要對《大壩安全監(jiān)測自動化技術規(guī)范》的相關規(guī)范做出修訂，對于當前實際工程過程中存在的問題進行完善優(yōu)化，比如說明確自動化傳感器的配置要求，對于系統(tǒng)中的儀器的比測方法以判斷指標進行細化。

5 結語

本文首先對于監(jiān)測自動化系統(tǒng)的相關技術進行了分類總結，對于當前我國安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設備廠家、系統(tǒng)在工程中的實際使用情況以及運行維護情況進行了調查分析。其次對我國安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行了展望，主要包括提升數(shù)據(jù)采集的智能化程度、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?、融合三維可視化技術、引入人工智能輔助決策技術以及提高外部變形監(jiān)測自動化技術的數(shù)據(jù)采集精度等。伴隨信息技術的飛速發(fā)展，智能傳感技術、測量機器人技術的深度融合，未來安全監(jiān)測系統(tǒng)將能夠實現(xiàn)全部流程的自動化智能化管理。