（機械電子工程專業(yè)論文）基于gprs的大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)研究與實現(xiàn).pdf

中文摘要 中文摘要 我國大壩尤其是土石壩眾多，而土石壩最常見的破壞就是滲流破壞，滲流破 壞對大壩危害極大甚至造成潰壩，為了盡早監(jiān)測到大壩性態(tài)的異常情況，有必要 進行大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)。 本文詳細分析了國內(nèi)外大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與優(yōu)缺點，對無線通信 技術(shù)及現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)進行了深入的研究，提出了基于g p r s 的大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng) 研究方案。該系統(tǒng)主要由單片機終端和監(jiān)控中心兩部分組成，具有遠程監(jiān)測的功 能，有利于大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)擴容。 針對大壩滲流監(jiān)測特點和要求選取了監(jiān)測參數(shù)，開發(fā)了基于振弦式滲壓計的 大壩滲流監(jiān)測終端，完善了各功能模塊之間的硬件接口設(shè)計。深入研究了g p r s 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，搭建了g p r s 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)方案，設(shè)計了相關(guān)g p r s 通訊模塊，制定相應(yīng)通訊協(xié)議，設(shè)計并實現(xiàn)了監(jiān)測終端與g p r s 模塊之間的通信 連接。 論文設(shè)計了大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件，利用v b 和s q ls e r v e r2 0 0 0 實現(xiàn) 了上位機遠程監(jiān)控，通過建立s o c k e t 通信連接實現(xiàn)上位機軟件與g p r s 終端之間 的通信，達到了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集顯示。設(shè)計和制作了大壩模型，搭建了系 統(tǒng)測試平臺，利用平臺對監(jiān)測系統(tǒng)進行了測試調(diào)試，對系統(tǒng)可行性進行了驗證。 最后，利用大壩滲流安全計算方法，確定了滲流安全計算的研究內(nèi)容，建立大壩 理論模型并對采集到的數(shù)據(jù)進行計算分析，作出安全評價。 關(guān)鍵詞：大壩滲流；滲流監(jiān)測；g p r s 通信；頻率檢測；安全校核 分類號：t p 2 7 4 + 2 a bs t r a c t t h e r ea r en u m e r o u so fd a me s p e c i a l l ye a r t h r o c kd a mi n c h i n a , a n dt h em o s t c o n l n l o nd e s t r u c t i o nf o re a r t h - r o c kd a mi ss e e p a g ed a m a g e ，i td o e sg r e a th a r mt od a m a n de v i lc a u s ed a m b r e a k ，i no r d e rt od e t e c tt h ea b n o r m a ls i t u a t i o no ft h ed a ma se a r l y a sp o s s i b l e ，i tm a k e si tn e c e s s a r yt od e v e l o pd a m s e e p a g em o n i t o r i n gs y s t e m t h et h e s i si n t r o d u c e st h ee x t e r n a la n di n t e r n a lr e s e a r c h i n ga c t u a l i t ya n da d v a n t a g e s o rd i s a d v a n t a g e so ft h ed a ms e e p a g em o n i t o r i n gs y s t e m ，a l s oc a r r i e so u tf u r t h e r r e s e a r c hw i t ht h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm o d e r n m o n i t o r i n g t e c h n o l o g y a n dt h ed a ms e e p a g em o n i t o r i n gs y s t e mw i t hr e m o t em o n i t o r i n gf u n c t i o n o ng p r si sp r o p o s e d t h es y s t e mm a i n l yc o n s i s t so fs i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r t e r m i n a la n dt h em o n i t o r i n gc e n t e r , w h i c hp r o v e dt o c a r r yo u tt h ef u n c t i o no fl o n g r e m o t ec o n t r o la n dt ob eb e n e f i c i a lt oe x p a n s i o nf o rm o n i t o r i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h es e e p a g em o n i t o r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t e n t ，t h em o n i t o r i n g p a r a m e t e r si ss e l e c t e d ，a n dak i n do fd a ms e e p a g em o n i t o r i n gt e r m i n a lb a s e do n v i b r a t i n gw i r es e t t l e m e n ts e n s o ri sd e v e l o p e d ，m o r e o v e r , t h ef u n c t i o nm o d u l eo ft h e h a r d w a r ei n t e r f a c ei sp e r f e c t e d t h e nt h eg p r sn e t w o r kt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e da n d d e s i g n e do n ek i n do fg p r sd a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r k i na d d i t i o n , n e t w o r k i n go ft h e m o n i t o r i n gi sd e s i g n e da n dt h eg p r sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei sd e s i g n e da n d ，a n dt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em o n i t o r i n gt e r m i n a la n dt h eg p r sm o d u l ei sr e a l i z e db y f o r m u l a t i n gc o m m u n i c a t i o na g r e e m e n t i nt h i st h e s i s ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ep cs o f t w a r ei sd e s i g n e db ym o d i f y i n gv b a n ds q ls e r v e r2 0 0 0 ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np cs o f t w a r ea n dg p r sm o d u l ei s r e a l i z e db ys e t t i n gu pt h es o c k e tc o n n e c t i o n ，f o rt h i sc o n n e c t i o n ，t h em o n i t o rr e a l - t i m e d a t aa c q u i s i t i o ni sr e a l i z e d i na d d i t i o n ，d e s i g na n dp r o d u c t i o no ft h ee x p e r i m e n tm o d e l i n d o o rd a m ，a n dt h es y s t e mt e s t i n gp l a t f o r mi ss e tu pb y u s i n gt h i sk i n do fd a mm o d u l e a l s o ，t h et e s t i n ga n dd e b u g g i n go ft h em o n i t o r i n gs y s t e mi sc a r r i e do u ti nt h ep l a t f o r m ， t h ef e a s i b i l i t yi s p r o v e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a tl a s t ，t h ec o n t e n to ft h es e e p a g e r e s e a r c h i n gc a l c u l a t i o ni sc o n f o r m e db yu s i n gt h ed a ms e e p a g ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，a n d a l s o ，t h et h e o r e t i c a ld a mm o d e lf o rt h es y s t e mi ss e tu pa n dh a v eac a l c u l a t i n gf o rt h e c o l l e c t e dd a t ac o m ef r o mt h es y s t e m ，i na d d i t i o n ，t h es a f e t ye v a l u a t i o ni sm a d e t h r o u g h t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t v a b s t r a c t k e y w o r d s ：d a ms e e p a g e ；s e e p a g em o n i t o r i n g ；g p r sc o m m u n i c a t i o n ；f r e q u e n c y d e t e c t i o n ；s e c u r i t yc h e c k c l a s s n o ：t p 2 7 4 + 2 致謝 經(jīng)過一年多的努力，論文得以順利完成，在這之中，始終伴隨著各位老師和 同學(xué)的指導(dǎo)及幫助。 首先衷心感謝我的導(dǎo)師陳科山教授。陳老師在論文選題、文獻閱讀、開題報 告、論文設(shè)計和論文撰寫過程中給予了我悉心的指導(dǎo)和無微不至的關(guān)懷，并為論 文的順利研究和開展創(chuàng)造了良好的條件。陳老師在論文研究過程中提出了許多寶 貴的意見和建議，使得本論文得以j l r 頁n 完成。同時陳老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，豐富 的實踐經(jīng)驗，勤奮認(rèn)真的工作態(tài)度為我做出了榜樣，也會對我今后的學(xué)習(xí)和工作 中產(chǎn)生積極影響，在此謹(jǐn)向陳老師表示深深的謝意! 課題研究期間，得到了陳廣華老師的許多幫助和指導(dǎo)，陳老師在開題和論文 撰寫方面給予了許多寶貴的意見，在此向陳老師表示誠摯的謝意! 另外感謝齊紅 元、萬里冰、史紅梅等老師在開題和課題研究期間給予的意見和建議! 我的同學(xué)陶東、崔興斌、王媛在我課題研究期間對論文的研究進展以及排版 給予了不少的意見和幫助，徐智虹和薛超師弟在實驗平臺搭建方面也給予了很多 幫助，課題的順利完成也有他們的功勞，在此對他們表示感謝! 感謝要在百忙之中抽出時間對我論文進行評審、評議以及論文答辯評審的各 位老師! 最后感謝我的父母和家人在我兩年研究生期間給我的支持和關(guān)心，是你們無 私的厚愛和殷切的希望激勵著我不斷進步。 圖表清單 圖表清單 圖2 1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖8 圖3 1 系統(tǒng)硬件組成示意圖11 圖3 2 振弦式滲壓計結(jié)構(gòu)圖1 2 圖3 3 振弦式傳感器原理圖1 3 圖3 4 監(jiān)測儀硬件構(gòu)成圖15 圖3 51 2 c 總線接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖17 圖3 6 間歇激振示意圖18 圖3 7 傳感器激振信號示意圖19 圖3 8 激振信號電路圖1 9 圖3 9 濾波放大電路圖2 0 圖3 10 遲滯比較器電路圖21 圖3 1 l 頻率信號檢測電路圖2 1 圖3 1 2 精密恒流源電路圖2 2 圖3 1 3 溫度信號調(diào)理電路圖2 2 圖3 1 4 實時時鐘電路圖2 3 圖3 15 外部存儲器電路圖2 4 圖3 1 6 液晶單元接口電路圖2 5 圖3 1 7 按鍵電路圖2 5 圖3 18 按鍵復(fù)位電路圖2 6 圖3 1 9 電壓轉(zhuǎn)換電路圖2 6 圖3 2 0m c 3 9 i 結(jié)構(gòu)功能模塊圖2 9 圖3 2 1m c 3 9 i 與m s p 4 3 0 f 1 4 9 接口電路圖3 0 圖3 2 2s i m 卡物理結(jié)構(gòu)圖3 0 圖3 2 3s i m 卡接口電路圖一3l 圖3 2 4g p r s 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)工作流程圖3 2 圖3 2 5g p r s 組網(wǎng)方式一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D3 2 圖3 2 6g p r s 組網(wǎng)方式二網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D3 3 圖3 2 7g p r s 組網(wǎng)方式三網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D3 3 圖表清單 圖3 2 8 動態(tài)域名解析結(jié)果圖3 5 圖3 2 9 端口映射示意圖3 6 圖4 1 系統(tǒng)軟件總體流程圖一3 7 圖4 2 單片機智能終端數(shù)據(jù)連接流程圖3 8 圖4 3 單片機主程序功能流程圖4 0 圖4 4 頻率信號采集流程圖4 1 圖4 5 激振脈沖產(chǎn)生流程圖4 2 圖4 6 測頻方法示意圖4 2 圖4 7 測頻系統(tǒng)程序流程圖。4 3 圖4 8a d 轉(zhuǎn)換時序流程圖4 4 圖4 9 溫度采集流程圖4 4 圖4 1 0a t 2 4 c 5 1 2 讀寫操作流程圖4 5 圖4 11 通信軟件整體結(jié)構(gòu)圖4 6 圖4 1 2g p r s 模塊會話動作流程圖4 8 圖4 13p p p 幀格式4 9 圖4 1 4p p p 協(xié)商過程圖- 5 0 圖4 1 5p p p 協(xié)議實現(xiàn)程序流程圖5 1 圖4 1 6t c p 數(shù)據(jù)報封裝過程5 2 圖4 1 7 監(jiān)控中心功能模塊圖5 5 圖4 18 監(jiān)控中心流程圖5 6 圖4 19 監(jiān)控中心主界面圖5 9 圖4 2 0 數(shù)據(jù)實時采集界面6 0 圖4 2 1 傳感器參數(shù)設(shè)置界面6 0 圖5 1 系統(tǒng)測試平臺構(gòu)成圖6 l 圖5 2a t 指令測試結(jié)果6 2 圖5 3g p r s 模塊發(fā)送短消息測試。6 2 圖5 4g p r s 連接測試示意圖6 3 圖5 5 監(jiān)控中心服務(wù)器測試圖。6 5 圖5 6 實驗數(shù)據(jù)采集。6 6 圖5 7 大壩模型示意圖一6 7 圖5 8 無排水設(shè)施不透水均質(zhì)壩滲流計算模型。6 7 圖5 9 浸潤線實驗值與計算值比較7 0 圖表清單 表3 1v w p 0 2 5 振弦式滲壓計規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)1 2 表3 2m c 3 9 i 模塊特性表2 8 表4 1 主要源程序及其功能3 9 表4 21 2 c 總線相關(guān)函數(shù)4 5 表4 3m c 3 9 i 模塊驅(qū)動函數(shù)一4 8 表4 4 兩種通信模式下數(shù)據(jù)幀格式5 4 表4 5 滲流數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)5 4 表4 6 用戶表5 7 表4 7 傳感器信息表一5 8 表4 8 單片機終端信息表5 8 表4 9 測量參數(shù)表5 8 表5 1 單片機終端與監(jiān)控中心通信穩(wěn)定性測試6 4 表5 2 壩體正常蓄水位2 0 c m 時浸潤線各點坐標(biāo)值6 9 表5 30 + o 1 7 斷面滲壓計壓力水頭值6 9 x l v 緒論 1 1 研究背景 1 緒論 水庫大壩是國民經(jīng)濟中的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施，在社會經(jīng)濟生活和建設(shè)中起 著重要的作用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的水利事業(yè)得到不斷的發(fā)展，并且取得了 十分矚目的成就。建國以來，我國共修建堤壩8 6 萬多座，水庫總蓄水量約為5 0 0 0 億立方米，相當(dāng)全國總徑流量的六分之一，水庫大壩數(shù)量及其堤壩長度均居世界 之首，這些堤壩保護著3 億多人口，4 億多畝良田和上百座城市的防洪及供水安全， 同時在航運、發(fā)電養(yǎng)殖等方面也發(fā)揮了巨大的效益【l 】。 隨著水資源的深入開發(fā)，壩址的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，大壩的規(guī)模也向高、 大方向發(fā)展。例如三峽、小浪底、二灘等水庫大壩，這些工程不僅對我國的經(jīng)濟 建設(shè)做出了巨大的貢獻，也使我國的壩工技術(shù)水平達到了一個新的高度。但是由 于水文、大壩類型、地質(zhì)、施工質(zhì)量、材料老化、運行管理落后等諸多原因，我 國的堤壩安全存在許多問題，病險水庫大量存在，大壩老齡化問題特別突出。 根據(jù)2 0 0 4 年年底統(tǒng)計，在水利系統(tǒng)管理的8 5 2 0 0 座大壩中，9 0 的水庫都是土 石壩，土石壩是用松散的土、砂、石料及其混合料填筑而成的擋水建筑物，由于 水庫蓄水形成上、下游水頭差，必然在壩體和壩基中形成自上游向下游的滲透水 流，并產(chǎn)生滲透變形控制問題。滲透水流除浸濕土體降低其強度指標(biāo)外，當(dāng)滲透 壓力達到一定程度時將導(dǎo)致壩坡滑動、防滲體被擊穿、壩基管涌、流土等重大滲 流事故，直接影響大壩的運行安全。 據(jù)國內(nèi)統(tǒng)計，從2 4 1 座大型水庫發(fā)生的1 0 0 0 多次事故分析，由于滲流破壞而造 成事故的，占總事故數(shù)的3 2 ；從2 3 9 1 座水庫失事分析，由于上述原因而造成垮壩 的占2 9 t 2 1 。從以上兩個方面統(tǒng)計分析說明，土石壩由于滲流破壞而造成的事故或 垮壩的占3 0 左右。據(jù)世界各國統(tǒng)計，如美國對2 0 6 座土石壩失事分析，由于滲流 破壞而造成失事的占3 9 ；日本對土石壩失事分析調(diào)查，由于滲流破壞造成失事的 占4 4 ：瑞士對土石壩調(diào)查分析，由于上述原因造成失事的占4 0 。僅從這三個國 家的統(tǒng)計分析說明，土石壩由于滲流破壞發(fā)生事故的占4 0 左右。國際上相繼發(fā)生 了馬爾巴塞( 法國，1 9 5 9 年) 、瓦伊昂特( 意大利，1 9 6 3 年) 、提堂( 美國，1 9 7 5 年) 等垮壩事件，我國也先后發(fā)生了板橋、石漫灘洪水漫項( 1 9 7 5 年) 、貴州威 寧縣長海小型水庫滲流破壞潰壩( 1 9 9 5 年) 以及溝后水庫滲透破壞( 1 9 9 3 年) 等 垮壩事件，給相關(guān)國家?guī)砹藨K重的災(zāi)害和巨大的經(jīng)濟損失?？傊瑥膰鴥?nèi)外統(tǒng) 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 計分析來看，由于滲流破壞發(fā)生的事故或垮壩占總數(shù)的3 0 秈o 【3 】，由此可見， 滲流監(jiān)測對土石壩安全的重要性。要確保大壩滲流安全，除了保證工程質(zhì)量以外， 更重要的就是對大壩的實際運行狀態(tài)進行監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，采取有效措 施。因此，必須加大對大壩實施滲流監(jiān)測的力度。 國內(nèi)外大量的工程實踐表明，對已建的大壩進行滲流監(jiān)測是保證大壩安全運行 的重要措施之一。大壩滲流監(jiān)測是通過儀器觀測和巡視檢查對大壩壩體、壩基、 壩肩、近壩區(qū)岸坡及壩周圍環(huán)境所作的測量和觀察。根據(jù)觀察結(jié)果掌握大壩在水 壓力下、揚壓力及溫度等環(huán)境量的作用下的滲透規(guī)律，了解大壩在施工和運用期 間是否穩(wěn)定和安全，一遍采取正確的運行方式或進行必要的處理和加固，保證工 程安全。同時將觀測成果與設(shè)計成果進行對比，以檢驗理論計算結(jié)果及提高將來 的設(shè)計水平。 1 2 大壩滲流主要監(jiān)測項目 大壩安全監(jiān)測項目有應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、變形監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測和滲流檢測等項 目。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測包括：應(yīng)力、應(yīng)變、混泥土溫度、壩基溫度等；變形監(jiān)測包括： 壩體位移、傾斜、壩基位移等；環(huán)境量監(jiān)測包括：上下游水位、庫水溫、歷史降 雨量。大壩滲流監(jiān)測對大壩的安全運行極其重要，滲流監(jiān)測主要包括壩體滲流壓 力監(jiān)測、壩基滲流壓力監(jiān)測、滲流量監(jiān)測等。 ( 1 ) 壩體滲流壓力監(jiān)測：壩體滲流壓力觀測包括觀測斷面上的壓力分布和浸 潤線位置的確定。壩體滲流壓力監(jiān)測觀測橫斷面宜選在最大壩高處、合攏段、地 形或地址條件復(fù)雜壩段，一般不少于3 個，并盡量與變形、應(yīng)力觀測斷面相結(jié)合。 觀測橫斷面的測點設(shè)置，應(yīng)根據(jù)壩型結(jié)構(gòu)、斷面大小和滲流場特征，設(shè)3 4 條觀 測鉛直線。壩體滲流壓力觀測儀器，應(yīng)根據(jù)不同的觀測目的、土體透水性、滲流 場特征以及埋設(shè)條件等，選用測壓管和滲壓計。一般是作用水頭小于2 0 m 的壩， 滲流壓力變化幅度小的部位、監(jiān)測防滲體裂縫等，適宜采用測壓管。作用水頭大 于2 0 m 的壩，觀測不穩(wěn)定滲流過程以及不適宜埋設(shè)測壓管的部位，適宜用埋設(shè)滲 壓計，其量程應(yīng)與測點實有壓力相適應(yīng)。 ( 2 ) 壩基滲流壓力監(jiān)測：壩基滲流壓力觀測包括壩基天然巖土層、人工防滲 和排水設(shè)施等關(guān)鍵部位滲流壓力分布情況的觀測。壩基滲流壓力觀測橫斷面的選 擇，主要取決于地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造情況，斷面數(shù)一般不少于3 個，并宜順流線 方向布置或與壩體滲流壓力觀測斷面相重合。觀測橫斷面上的測點位置，應(yīng)根據(jù) 建筑物地下輪廓形狀、壩基地質(zhì)條件以及防滲和排水型式等確定，一般每個斷面 上的測點不少于3 個。 2 緒論 ( 3 ) 滲流量監(jiān)測：大壩滲流量由三部分組成：壩體的滲流量、壩基的滲流量、 通過兩岸山體繞滲或兩岸地下水補給的滲流量。為了監(jiān)測各部分滲透穩(wěn)定性，各 分區(qū)的滲流量應(yīng)盡量分別進行觀測，應(yīng)特別重視壩基淺層、心墻和斜墻的滲流量 觀測。在進行測量觀測時，應(yīng)結(jié)合進行上下游水位、氣溫、水溫及降水量的觀測。 大壩滲流的監(jiān)測主要是通過在壩身和壩基適當(dāng)部位，有計劃地布置一些測壓 管或滲壓計，以及在其下游適當(dāng)部位設(shè)置觀測滲流量的量水堰，對大壩滲流情況 進行觀測，根據(jù)對觀測資料的統(tǒng)計分析，及時了解壩身、壩基的運行狀況，存在 的問題和壩坡的穩(wěn)定性。為有效地根據(jù)大壩的原型觀測資料來分析壩體和壩基中 存在的滲流問題，國內(nèi)一些大壩安全研究人員結(jié)合滲流理論和工程實際，考慮水 位、降雨量、壩基排水以及時效等因素對滲流的影響，建立了土石壩壩體和壩基 測壓管以及通過大壩滲流量等觀測資料的統(tǒng)計分析模型和方法，在浙江省青山和 河口水庫等工程的實際應(yīng)用中，取得了令人滿意的效果。 1 3 國內(nèi)外大壩滲流監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀 近年來，隨著監(jiān)測儀器的發(fā)展，國內(nèi)外大壩監(jiān)測的范圍和項目越來越多，監(jiān) 測系統(tǒng)總體上呈現(xiàn)出大規(guī)模化、智能化等特點。 + 1 3 1 國外大壩滲流監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀 隨著現(xiàn)代科技的快速進步，特別是計算機和微電子技術(shù)的巨大發(fā)展，世界各 國大力發(fā)展遙控儀器，并逐漸推廣監(jiān)測系統(tǒng)自動化。目前國外大壩滲流監(jiān)測普遍 采用分布式監(jiān)測系統(tǒng)，即在監(jiān)測現(xiàn)場布置多臺小型化獨立測量裝置，分別對所監(jiān) 控領(lǐng)域內(nèi)的儀器進行自動采集監(jiān)測，測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后通過多種方式傳送 到監(jiān)控中心計算機進行處理。目前代表性的國外分布式系統(tǒng)產(chǎn)品有加拿大r o c t e s t 公司的s e n s l o g1 0 0 0 x 安全監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，美國g e o m a t i o n 公司 的2 3 0 0 系統(tǒng)和s i n c o 公司的i d a 系統(tǒng)。 加拿大r o c t e s t 公司的s e n s l o g1 0 0 0 x 安全監(jiān)測系統(tǒng)是一種集成化系統(tǒng)，提 供多種內(nèi)外觀監(jiān)測傳感器通用接口，該系統(tǒng)每一個測控模塊( m c m ) 可最多擴展 2 5 5 個采集通道，系統(tǒng)配置了一系列用于用戶操作、系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、存儲、處理和 資料分析的軟件包，系統(tǒng)程序由r s 2 3 2 直接接入，采集到的數(shù)據(jù)也由現(xiàn)場總線傳 到現(xiàn)場監(jiān)控主機，再由主機通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到遠程中心。 美國g e o m a t i o n 公司的2 3 0 0 系統(tǒng)是將標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的硬件、軟件、微控制 器組成由用戶自己設(shè)置參數(shù)的遙測智能化的分布式監(jiān)測控制系統(tǒng)，它將數(shù)據(jù)采集、 3 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 通訊、處理集成到一個m c u 遙控單元，每一個m c u 都是一個獨立的監(jiān)測單元， 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測站、測控單元與傳感器之間可實現(xiàn)雙向通訊，一般可通過電纜、光纜、 電話線、無線電等實現(xiàn)信息共享。美國s i n c o 公司的i d a 系統(tǒng)與2 3 0 0 系統(tǒng)大致 原理相同，它主要采用調(diào)制解調(diào)器與遠程p c 機進行數(shù)據(jù)傳輸，能存儲時間、測量 數(shù)據(jù)不超過5 0 0 個監(jiān)測傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)總共1 0 0 0 0 個數(shù)據(jù)且【4 。 s e n s l o g1 0 0 0 x 、2 3 0 0 、i d a 系統(tǒng)等國外成熟系統(tǒng)多采用有線通訊的方式將 數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，由于水庫大壩監(jiān)測點比較分散，監(jiān)測點到監(jiān)控中心距離較 遠，采用有線通訊不僅施工成本高，而且也不易于新監(jiān)測點的擴展。 1 3 2 國內(nèi)大壩滲流監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀 我國水庫大壩滲流監(jiān)測起步較晚，從2 0 世紀(jì)5 0 年代開始經(jīng)歷了人工觀測、 集中監(jiān)測、半自動監(jiān)測、分布式自動監(jiān)測等階段。目前運用比較成熟的有南京南 瑞集團的d a m s 系統(tǒng)和南京水文自動化研究所的d g 系統(tǒng)【5 】。 d a m s 系統(tǒng)由d a u2 0 0 0 型模塊化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)控主機、管理計算 機等構(gòu)成。由于標(biāo)準(zhǔn)型模塊化智能數(shù)據(jù)采集單元d a u2 0 0 0 內(nèi)部采集模塊的獨立性 和智能化，使得d a m s 能夠滿足分布式安全監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用。d a u 2 0 0 0 采用標(biāo)準(zhǔn) r s 4 8 5 現(xiàn)場總線與監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)傳輸，支持3 2 個節(jié)點，傳輸距離與速率分別 為：1 2 0 0 b p s 3 k r n 9 6 0 0 b p s 1 2 k m 。d g 系統(tǒng)以m c u 3 0 3 0 a 型測控裝置為節(jié)點組成 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，中央控制裝置與管理主機之間由調(diào)制解 調(diào)器通過電話通訊線路實現(xiàn)連接，控制裝置與測控裝置之間采用r s - 4 2 2 4 8 5 總線 實現(xiàn)連接，同時也可采用光纖和微波傳輸數(shù)據(jù)。 1 4 研究必要性 目前我國大壩滲流監(jiān)測主要采用分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中多以有 線方式進行監(jiān)測，有線數(shù)據(jù)傳輸雖然在數(shù)據(jù)傳輸完整性、抗干擾性上有一定的優(yōu) 勢，但是存在一些缺陷：( 1 ) 有線方式傳輸，系統(tǒng)對于線路的依賴性較強，存在 布線困難的情況；( 2 ) 有線傳輸方式的大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)某段線路出現(xiàn)故障， 就會導(dǎo)致監(jiān)測區(qū)域內(nèi)局部地方失去監(jiān)測功能；( 3 ) 有線傳輸擴展性比較差，不利 于線路根據(jù)開采進展的靈活改變；( 4 ) 施工成本高、維修代價高，經(jīng)濟性不好。 采用一種成熟的技術(shù)代替有線傳輸，同時能夠彌補有線傳輸?shù)木窒扌允俏磥?大壩滲流監(jiān)測發(fā)展的趨勢。中國移動公司的g p r s 業(yè)務(wù)的發(fā)展以及相關(guān)g p r s 數(shù) 據(jù)采集終端產(chǎn)品的應(yīng)用使得未來大壩滲流監(jiān)測有了新的發(fā)展前景，現(xiàn)有成熟的 4 緒論 g p r s 技術(shù)完全能夠滿足監(jiān)測的需要，得以實現(xiàn)用無線方式來遠程監(jiān)測，而且監(jiān)測 點分散對無線傳輸方式影響很小，便于現(xiàn)場操作，可靠度較高。本文針對大壩滲 流監(jiān)測，設(shè)計和實現(xiàn)了一套基于g p r s 的大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)，以利于對大壩實現(xiàn) 遠程監(jiān)測與管理。 1 5 研究目的及研究內(nèi)容 課題研究主要是設(shè)計大壩的滲流檢測模塊，并把一種無線通信技術(shù)應(yīng)用大壩 滲流監(jiān)測中去，通過該技術(shù)實現(xiàn)滲流的數(shù)據(jù)檢測與遠程傳輸，最后對數(shù)據(jù)進行分 析與評價。 1 5 1 課題研究目的 本課題研究目的是把g p r s 技術(shù)應(yīng)用到大壩滲流監(jiān)測中去，用g p r s 這種成 熟的無線傳輸方式代替有線傳輸方式，為目前傳統(tǒng)的大壩監(jiān)測系統(tǒng)提供一種低成 本、高效、可靠的遠程監(jiān)測方案。其主要優(yōu)勢在于： 1 無線上網(wǎng)，目標(biāo)終端可移動； ” 2 覆蓋面廣，適應(yīng)監(jiān)測點分散的情況； 3 適用于復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，抗干擾能力強； 4 傳輸可靠，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，傳輸速率高，使用成本低； 5 易維護升級，擴展性較好。 1 5 2 課題研究主要內(nèi)容 為了解決有線方式監(jiān)測系統(tǒng)所存在的問題，同時使得大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù) 據(jù)傳輸性能和效率都得到大大的提高，本文在以下方面展開研究： 1 調(diào)研分析大壩滲流監(jiān)測中的問題，設(shè)計合理的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和方案； 2 研究g p r s 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其通信方式的可行性，針對大壩滲流監(jiān)測現(xiàn)狀探討 現(xiàn)階段無線監(jiān)測系統(tǒng)模型及設(shè)計方法，確定g p r s 系統(tǒng)組網(wǎng)方案、分析和選用合 適的監(jiān)測傳感器、g p r s 通訊模塊，制定通訊協(xié)議，單片機功能接口實現(xiàn)，外圍元 器件接口實現(xiàn)，硬件測試平臺的搭建； 3 g p r s 無線通訊模塊的通信指令測試，利用單片機實現(xiàn)簡化的p p p 協(xié)議以 及t c p i p 協(xié)議內(nèi)嵌，用單片機控制無線通信模塊接入g p r s 網(wǎng)絡(luò)，并連接i n t e m e t 5 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心建立可靠連接； 4 監(jiān)控中心軟件設(shè)計，主要是接受和發(fā)送數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)g p r s 終端通信，采 用v i s u a lb a s i c6 0 軟件和s q ls e r v e r 2 0 0 0 數(shù)據(jù)庫編程實現(xiàn)； 5 系統(tǒng)調(diào)試，測試相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合土石壩滲流計算分析方法判定是否滲流安 全。 6 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，首先要以我國現(xiàn)有的大壩滲流監(jiān)測設(shè)計原則為依 據(jù)，選擇合適有效的監(jiān)測參數(shù)并結(jié)合g p r s 無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，研究 以g p r s 技術(shù)為基礎(chǔ)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對大壩滲流變化參數(shù)的實時監(jiān)測。 2 1 大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原則 大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)是工程安全、高效運行的重要保證，其功能、觀測設(shè)備和 技術(shù)都應(yīng)遵循以下原則【6 】。 ( 1 ) 系統(tǒng)設(shè)計滿足現(xiàn)行大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范的要求； ( 2 ) 按照工程或?qū)嶒炑芯啃枰?、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特點和觀測項目，選擇有代表 性的部位布置儀器； ( 3 ) 先進性：系統(tǒng)在了解國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)的基礎(chǔ)上，吸收其經(jīng)驗和成果進行方 案設(shè)計，使系統(tǒng)的技術(shù)性能和水平具有明顯的先進性； ( 4 ) 可靠性：系統(tǒng)運行安全可靠，性能穩(wěn)定，可以在惡劣環(huán)境下長期工作，要 求系統(tǒng)具有較強的防雷和抗干擾能力； ( 5 ) 擴展性：系統(tǒng)的設(shè)計容量要足夠大，滿足系統(tǒng)今后的擴充需要； ( 6 ) 經(jīng)濟性：系統(tǒng)的造價經(jīng)濟合理，性價比高； ( 7 ) 兼容性：由于系統(tǒng)規(guī)模大，監(jiān)測傳感器種類多，輸出信號形式不同，要求 系統(tǒng)具有較好的適應(yīng)能力，系統(tǒng)能兼容多種不同類型傳感器，能夠測量多種參數(shù)； ( 8 ) 操作維護方便：在軟件方面，要求人機界面友好，操作簡單，在硬件方面， 要求維護檢修方便。 2 2 大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)基本功能 ( 1 ) 日常觀測數(shù)據(jù)的自動化采集：在上位機的管理下，監(jiān)控系統(tǒng)中各區(qū)域控制 檢測單元( m c u ) 按指定的檢測方式和測量次數(shù)自動采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù) 據(jù)經(jīng)串口發(fā)送到g p r s 模塊，監(jiān)控中心通過i n t e r n e t 網(wǎng)與g p r s 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)操作從 7 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 i n t e m e t 網(wǎng)獲取采集數(shù)據(jù)包； ( 2 ) 對大壩滲流監(jiān)測的實施監(jiān)控：實時監(jiān)測大壩將重點部位滲流監(jiān)測值，并用 數(shù)據(jù)與設(shè)計允許值進行比較，判斷大壩的工作形態(tài)，發(fā)現(xiàn)險情實施分級報警； ( 3 ) 測量數(shù)據(jù)計算分析：對觀測資料進行有關(guān)檢測和必要修正，利用測量數(shù)據(jù) 對大壩進行滲流安全計算并作出安全評價。 2 3 大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)總體方案 通常大壩監(jiān)測項目可分為應(yīng)力、滲流、變形及環(huán)境量監(jiān)測。我國大壩9 0 為 土石壩，實際中大壩的滲流對大壩的危害是最大的。一般來說滲流監(jiān)測的觀測內(nèi) 容主要包括繞壩滲流、滲透流量、揚壓力、孔隙水壓力等，考慮實際情況，我們 需要在實驗室內(nèi)模擬測試，基于這一考慮，選取了大壩滲流壓力、大壩監(jiān)測點溫 度、上下游水位作為主要監(jiān)測參數(shù)。本系統(tǒng)根據(jù)需監(jiān)測的功能和監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的 一些基本原則，監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖2 1 所示。系統(tǒng)主要包括以下幾個模塊； 現(xiàn)場采集終端、數(shù)據(jù)傳輸單元和監(jiān)控中心計算機。 r 一一一一一一一一一一一l 圖2 1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖 f i g 2 1t h ed i a g r a mo fs y s t e md e s i g n ( 1 ) 現(xiàn)場監(jiān)測終端單元：包括監(jiān)測單元和數(shù)據(jù)采集單元，此單元主要由傳感器 組成監(jiān)測點網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器進行數(shù)據(jù)采集，采用單點測量、巡回測量、定時測 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 量多種方式數(shù)據(jù)采集，對數(shù)據(jù)進行指定封裝，然后發(fā)送至采集模塊( m c u ) 。采集 模塊與g p r s 模塊通過串口相連，數(shù)據(jù)由采集模塊傳送到g p r s 模塊，根據(jù)實際 情況，本系統(tǒng)對大壩壩基壩體滲流壓力、監(jiān)測點溫度和水庫上下游水位進行測量。 傳感器：負(fù)責(zé)把采集到的物理信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳送到采集模塊處理；采集模 塊：接受到傳感器的信號后，進行數(shù)據(jù)封裝和存儲，經(jīng)過串口發(fā)送到g p r s 模塊 中去。 ( 2 ) 數(shù)據(jù)傳輸單元：傳感器采集到數(shù)據(jù)后傳送到采集模塊進行處理，采集模塊 接著對數(shù)據(jù)進行封裝和存儲，通過串口發(fā)送到g p r s 模塊中去，g p r s 模塊把數(shù)據(jù) 通過g p r s 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控中心從設(shè)定網(wǎng)絡(luò)端口讀取數(shù)據(jù)包，解 析后存儲到數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)選用g p r s 通信方式在其覆蓋范圍內(nèi)，傳輸距離和監(jiān)測 點布置不受限制，這種組網(wǎng)方式可以實現(xiàn)高效、低成本的數(shù)據(jù)傳輸；另外選用g p r s 模塊作為傳輸終端，無需考慮其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需進行設(shè)置、撥號后就可實現(xiàn)透明 傳輸。 ( 3 ) 計算機監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理單元：監(jiān)控中心接收到傳輸過來的數(shù)據(jù)后，開始分 析處理數(shù)據(jù)，同時發(fā)出采集指令到數(shù)據(jù)采集模塊。在這個單元中一是對采集到的 數(shù)據(jù)進行接收、查詢、修改、分析、存儲等操作；二是發(fā)送各種采集命令，包括 采集方式、采集點、采集時間間隔、停止采集等命令，實現(xiàn)雙向操作命令。 2 4 本章小結(jié) 本章主要介紹了大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計。首先闡述了大壩滲流監(jiān)測 系統(tǒng)設(shè)計的基本原則，由此分析了監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備的功能，接著詳細介紹了監(jiān)測 系統(tǒng)總體設(shè)計方案，該方案對比現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)具有功能完善、安全穩(wěn)定、運行 靈活，能實現(xiàn)遠程監(jiān)控等特點。 9 北京交通大學(xué)碩+ 學(xué)位論文 1 0 滲流監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計 3 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 3 滲流監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計 大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為：通過傳感器( 振弦式傳感器) 采集數(shù)據(jù)，然后經(jīng) 過信號調(diào)理電路將采集到的模擬信號放大、濾波等處理，再轉(zhuǎn)換成單片機能處理 的數(shù)字信號，單片機與g p r s 模塊串口相連，數(shù)據(jù)經(jīng)過g p r s 模塊發(fā)送到g p r s 網(wǎng)絡(luò)中去，通過i n t e r a c t 網(wǎng)與g p r s 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)操作，數(shù)據(jù)流向i n t c r n c t 網(wǎng)，最后 監(jiān)控中心服務(wù)器在目的通道提取數(shù)據(jù)進行存儲分析?？傮w結(jié)構(gòu)如下圖3 1 所示： 圖3 1 系統(tǒng)硬件組成示意圖 f i g 3 1i l l u s t r a t i o no fh a r d w a r es y s t e mc o m p o s i t i o n 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖包括第二章中監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，可以看出整個系統(tǒng)硬件包括三個 部分：監(jiān)測傳感器單元、監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)傳輸單元。 3 2 監(jiān)測傳感器單元設(shè)計 監(jiān)測傳感器單元是面向監(jiān)測現(xiàn)場的最直接部分，監(jiān)測傳感器單元設(shè)計主要是 滲流監(jiān)測傳感器的選擇以及傳感器的使用以及相關(guān)計算。 3 2 1 滲流監(jiān)測傳感器的選擇 通?？梢酝ㄟ^對大壩內(nèi)部滲流場的變化判斷大壩滲流狀況，而滲流場的變化 就要靠傳感器來監(jiān)測。大壩滲流監(jiān)測傳感器是獲取大壩安全信息的關(guān)鍵手段，因 此，監(jiān)測傳感器應(yīng)具有足夠的精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性、強適應(yīng)環(huán)境性、安全可靠性和耐 北京交通人學(xué)碩士學(xué)位論文 久性。也就是說監(jiān)測傳感器的測量值必須滿足資料安全分析和評價大壩安全的需 要，另外傳感器原理、安裝條件、結(jié)構(gòu)特點、運行環(huán)境必須適應(yīng)復(fù)雜的水工環(huán)境， 并保證儀器能長期穩(wěn)定運行( 即儀器能在潮濕度大、溫差范圍大、水壓壓強高、電 磁干擾強以及容易出現(xiàn)各種事故狀況的條件下可靠運行) ，且能與自動化系統(tǒng)的完 全兼容。分析大壩監(jiān)測傳感器的發(fā)展及應(yīng)用情況，國內(nèi)外對大壩滲流狀況進行長 期監(jiān)測的傳感器主要為差動電阻式傳感器和振弦式傳感器，二者無論在測量精度 還是長期可靠性方面都處于領(lǐng)先地位，是大壩滲流監(jiān)測的重要組成部分。由于振 弦式滲壓計具有分辨率高、不受降雨干擾、無淤堵等優(yōu)點，所以近年來在大壩滲 壓監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用【7 】。 本設(shè)計考慮實際需求，選用南京葛南實業(yè)有限公司生產(chǎn)的v w p 0 2 5 型振弦式 滲壓計作為監(jiān)測傳感器，該型號傳感器適用于長期埋設(shè)在水工結(jié)構(gòu)物或其它混凝 土結(jié)構(gòu)物及土體內(nèi)，測量結(jié)構(gòu)物或土體內(nèi)部滲透( 孑l 隙) 水壓力，并可同步測量埋設(shè) 點溫度，它具有全不銹鋼結(jié)構(gòu)，2 4 x 1 2 0 m m 的靈巧結(jié)構(gòu)，可方便放置在需要測量的 狹小部位，具有智能識別功能。 表3 1 p 0 2 5 振弦式滲壓計規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù) t a b 3 1t h es p e c i f i c a t i o n sa n dt e c h n i c a ld a t ao fv w p - 0 2 5v i b r a t i n gw i r es e t t l e m e n ts e n s o r 規(guī)格代號 外徑( m m ) 長度測量范圍靈敏度k溫度測量 溫度修正系數(shù) ( r n m )( a )( 范闡( )b ( k p a 。c ) v 、 伊0 2 52 41 2 0 m 一2 5 0 卯1 1 4 m 一1 5 0 如1 2 3 2 2v w p 型傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理 1 傳感器結(jié)構(gòu) v w p 型振弦式滲壓計由透水板、感應(yīng)膜、密封殼體、信號輸出電纜、振弦及 激振電磁圈等組成。結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖3 2 振弦式滲壓計結(jié)構(gòu)圖 f i g 3 2t h ef r a m e w o r ko fv i b r a t i n gw i r es e n l e m e n ts e n s o r 2 工作原理【8 】 振弦式傳感器以張緊的鋼弦作為敏感元件，通過外部激勵使鋼弦作用頻率等 于其固有頻率的振動，鋼弦振動的固有頻率與張緊力有關(guān)，如下式所示： 1 2 滲流監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計 廠：上仁：1 犀絲 ( 3 1 ) 。 2 三p2 l p l 式中l(wèi) 為鋼弦的有效長度，o 為鋼弦所承受的應(yīng)力，p 為鋼弦的體密度，e 為 鋼弦材料的彈性模量，u l 為鋼弦受應(yīng)力作用后產(chǎn)生的應(yīng)變。由上式可知，當(dāng)鋼 弦的長度確定后，弦的振動頻率變化量即可表示張緊力的大小。 v w p 型振弦式滲壓計工作原理如圖3 3 所示。敏感元件2 是一根金屬絲，一 端固定在不動支承座1 上，另一端固定在可動部件4 上，可動部件4 上有一靜態(tài) 張力t o ，使弦2 張緊。3 是電磁鐵，5 是純鐵片，當(dāng)在電磁線圈兩端加一脈沖電流 時，鐵片由于受電磁作用，帶動金屬絲一起振動。 圖3 3 振弦式傳感器原理圖 f i g 3 3t h ep r i n c i p l eo fv i b r a t i