中小型水庫大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

1、中小型水庫大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)解決方案航天科工仿真技術(shù)有限責(zé)任公司經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用國家工程研究中心1 概述我國現(xiàn)有各類水庫84926，其中大型水庫415座，中型水庫2618座，小型水庫81893座。大多數(shù)中小型水庫建于六、七十年代，屬“三邊工程”，一方面大部分水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)低、工程質(zhì)量差、淤積嚴(yán)重，有效庫容萎縮，處于帶病運(yùn)行狀態(tài)，另一方面不少水庫已達(dá)到或超過設(shè)計服役年限，老化嚴(yán)重，水庫工程潛在的安全隱患突出。水庫安全度汛一直是我國防汛抗洪的難點(diǎn)和重點(diǎn)，中小型水庫的安全度汛已成為當(dāng)前全國防汛工作的一個薄弱環(huán)節(jié)，大部分水庫缺少必要的水雨情測報及大壩安全監(jiān)測等設(shè)施，檢查手段落后，隱患很大。一旦

2、發(fā)生局部暴雨洪水，極易引發(fā)潰壩事件，輕則造成財產(chǎn)損失，重則造成重大人員傷亡或毀滅性災(zāi)害，在這種情況下，水庫大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)水位、雨量、大壩的滲壓、滲流、應(yīng)變等實時監(jiān)測和預(yù)警就是非常必要的，可以實時動態(tài)的掌握水庫運(yùn)行信息并進(jìn)行預(yù)警，如果水庫的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常，水利部門的有關(guān)人員可以及時掌握情況并采取措施進(jìn)行應(yīng)急處理。所以在此，我們主要分析、提出中小型水庫大壩安全監(jiān)測的解決方案。大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)充分利用現(xiàn)代檢測技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，通過相應(yīng)傳感器感知大壩的變形、滲流、應(yīng)力、水文、氣象等數(shù)據(jù)，現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)測終端單元RTU通過無線或有線的方式采集前端傳感器的信號并進(jìn)行

3、預(yù)處理和存儲，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸體制要求，RTU自動上報或接收的管理中心的指令后將相關(guān)參數(shù)報送信息中心，在管理中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計、整編、分析、預(yù)警等，提高大壩安全監(jiān)測的實時性、可靠性和精度，及時預(yù)報大壩承受能力和可能發(fā)生的事件。同時可通過先進(jìn)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時觀測河道、水庫及涵閘等運(yùn)行情況，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供了直觀的圖像信息，系統(tǒng)的建立，可使水利部門的有關(guān)人員實時動態(tài)的掌握水庫運(yùn)行信息，為水利部門提供盡可能全面、準(zhǔn)確的信息。1.1 建設(shè)原則遵循“技術(shù)先進(jìn)、科學(xué)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實用”及“結(jié)構(gòu)化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化”的原則，做到結(jié)構(gòu)合理、界面清晰、接口標(biāo)準(zhǔn)、集成先進(jìn)。l 可靠性：選擇可靠性高的先進(jìn)

4、設(shè)備，特別要求保證惡劣環(huán)境下和突發(fā)事故情況下系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，合理配置硬件備份，充分考慮網(wǎng)絡(luò)安全；l 標(biāo)準(zhǔn)性：信息要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備結(jié)構(gòu)要標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化；l 實用性：滿足三防指揮和供水調(diào)度各個工作環(huán)節(jié)的需要；l 實時性：信息采集要滿足三防工作的需要和水利綜合任務(wù)信息的要求；l 連續(xù)性：充分利用歷史和現(xiàn)有的資源，保證建成后連續(xù)運(yùn)行；l 先進(jìn)性：盡量采用當(dāng)前最先進(jìn)的硬件、信道、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟件；l 共享性：各類信息源和信息傳輸都遵循現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和系統(tǒng)建設(shè)中制定的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定，盡量使資源共享；l 開放性：按開放式系統(tǒng)的要求選擇設(shè)備和設(shè)計網(wǎng)絡(luò)。1.2 建設(shè)依據(jù)l 土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范SL 60-94；l 土

5、石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)范SL69-96；l 大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范DL/T5211-2005；l 大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)條件SL268-2001；l 混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范DL/T 5178-2003；l 混凝土壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程（DL/T 5209-2005）；l 國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范GB12897-91；l 國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范（GB 12898-1991）；l 中、短程光電測距規(guī)范（GB/T 16818-1997）；l 國家三角測量規(guī)范（GB/T 17942-2000）；l 水位觀測標(biāo)準(zhǔn)GBJ138-90；l 水利水電工程施工測量規(guī)范SL 5293；l 水工建

6、筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范DL/T5148-2001；1.3 建設(shè)目標(biāo)和內(nèi)容完整的水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容和目標(biāo)包括：1、建成水情信息自動采集系統(tǒng)（包括大壩安全監(jiān)測、水雨情、環(huán)境、閘門監(jiān)控和視頻監(jiān)視等），在信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上依靠通信網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的自動傳輸、匯總累計、及時上報，同時為工程運(yùn)行、防洪調(diào)度和搶險抗災(zāi)提供準(zhǔn)確的、科學(xué)的依據(jù)。2、建成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。充分利用電信公網(wǎng)，優(yōu)選公網(wǎng)信道建成廣域網(wǎng)；提高信息采集的速度和質(zhì)量，擴(kuò)大信息種類和內(nèi)容，充分實現(xiàn)各級防汛部門互連互通、信息共享，并為其它部門提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。3、建成決策支持系統(tǒng)。它是三防指揮系統(tǒng)的核心，包括信息處理和輔

7、助決策兩大組成部分，分為信息管理、洪水預(yù)報、汛情監(jiān)視調(diào)度、決策會商管理等應(yīng)用子系統(tǒng)，為防汛指揮決策的各個工作環(huán)節(jié)提供一體化、可視化的及時有效的服務(wù)。2 系統(tǒng)組成大壩安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要由四部分組成：1）現(xiàn)場測量部分；2）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端單元；3）供電系統(tǒng)及防雷系統(tǒng)；4) 系統(tǒng)管理中心；大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)采用分層分布開放式結(jié)構(gòu)，運(yùn)行方式為分散控制方式，可命令各個現(xiàn)地監(jiān)測單元按設(shè)定時間自動進(jìn)行巡測、存儲數(shù)據(jù)，并向安全監(jiān)測中心報送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)監(jiān)測站的RTU與監(jiān)控中心之間的網(wǎng)絡(luò)通信采用GPRS通訊方式。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將各個監(jiān)測站內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集上來，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，上報至管理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、存儲、分析，并

8、將原始數(shù)據(jù)和處理結(jié)果存入主數(shù)據(jù)庫和備份數(shù)據(jù)庫中。2.1 現(xiàn)場測量部分大壩安全監(jiān)測傳感器是掌握大壩運(yùn)行狀態(tài)的重要的前端設(shè)備，要求能夠在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定可靠的檢測大壩微小的物理量變化，包括外部觀測的靜力水準(zhǔn)、正倒錘、激光準(zhǔn)直及內(nèi)部觀測的滲壓計、沉降計、測斜計、應(yīng)變計、土壓計等，根據(jù)實際需要及規(guī)范進(jìn)行選擇。大壩監(jiān)測儀器設(shè)備與系統(tǒng)關(guān)系概要圖2.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端單元用于監(jiān)測目的的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備（以下簡稱“采集器”）具備以下基本功能：l 模擬量數(shù)據(jù)采集；l 開關(guān)量數(shù)據(jù)采集；l 數(shù)據(jù)保存；l 數(shù)據(jù)保持；l 數(shù)據(jù)傳送。這里，數(shù)據(jù)保持是指數(shù)據(jù)的不可破壞性，即使遇到采集器掉電，采集器被破壞等情況時，數(shù)

9、據(jù)也不會丟失。數(shù)據(jù)傳送應(yīng)受到權(quán)限控制，一旦權(quán)限許可，采集器才會按一定格式向計算機(jī)或其它通信設(shè)備傳送數(shù)據(jù)。除了具備以上功能外，還具備超標(biāo)自動報警；允許遠(yuǎn)程設(shè)置、修改參數(shù)，以及遠(yuǎn)程控制功能等。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端內(nèi)置GPRS通訊模塊，設(shè)備上電后自動尋找并登陸到GPRS網(wǎng)絡(luò)，保證通訊自動保持在線，斷線自動連接?？筛鶕?jù)設(shè)定的上報周期上報系統(tǒng)存儲的各種測量數(shù)據(jù)，實時響應(yīng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)信息中心人工請求的各種命令，并及時回傳相應(yīng)數(shù)據(jù)。具有快速、準(zhǔn)確、維護(hù)方便、覆蓋面廣、性能可靠等諸多特點(diǎn)。2.3 供電系統(tǒng)及防雷系統(tǒng)對于監(jiān)測系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端，全部采用低功耗設(shè)計，功耗非常低。且每個單元自帶有的蓄電池，當(dāng)外部電源中

10、斷時，數(shù)據(jù)和參數(shù)也不丟失，可以靠本身電池自動上電，能維持自身約10天以上正常運(yùn)行（根據(jù)采集周期和上報周期的不同，電池供電時間略有不同）；對于傳感器及其它監(jiān)測設(shè)備，需提供外部供電系統(tǒng)。根據(jù)水庫的實際供電情況，就近引設(shè)電源或采用太陽能供電系統(tǒng)。現(xiàn)場設(shè)備工作于野外，根據(jù)系統(tǒng)具體情況將從接閃器、引下線、側(cè)擊雷防護(hù)、屏蔽、等電位連接、浪涌保護(hù)器安裝、接地裝置等現(xiàn)場情況入手，結(jié)合GB50057建筑物防雷設(shè)計規(guī)范和GB50343-2004建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范進(jìn)行防雷現(xiàn)狀分析。2.4 系統(tǒng)管理中心管理中心硬件設(shè)備主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工作站、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通訊設(shè)備、后備電源、大屏幕等組成。系統(tǒng)管理

11、中心是用戶接口,最終完成如下功能:l 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能:本系統(tǒng)能按運(yùn)行要求，對所有接入系統(tǒng)中的各類監(jiān)測儀器進(jìn)行一定方式的自動化測量，儲存所測數(shù)據(jù)，并傳送到中央控制裝置集中儲存或處理。l 數(shù)據(jù)通訊功能:中央控制裝置與所有測控裝置，中央控制裝置與數(shù)據(jù)管理主機(jī)均具有雙向通訊功能。l 系統(tǒng)外數(shù)據(jù)通訊功能。本系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程通信接口，可以上網(wǎng)與各級管理部門的信息系統(tǒng)之間實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊 l 數(shù)據(jù)管理功能：中央控制裝置集中儲存系統(tǒng)內(nèi)的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別按系統(tǒng)測點(diǎn)排列及時間序排列，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，供運(yùn)行人員瀏覽、檢查、繪圖、打印。中央控制裝置和信息管理系統(tǒng)聯(lián)機(jī)運(yùn)行時，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入信息管理系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫

12、以供入庫存檔和進(jìn)一步分析處理。l 系統(tǒng)自檢功能：系統(tǒng)具有自檢能力，當(dāng)系統(tǒng)中硬件設(shè)備或通訊線路發(fā)生故障時在中央控制裝置或信息管理主機(jī)顯示器上顯示故障信息，以便及時維修系統(tǒng)功能架構(gòu)圖3 系統(tǒng)主要特點(diǎn)l 可實現(xiàn)水庫大壩滲壓、滲流、應(yīng)變、水位、溫度，水庫周圍降雨量等數(shù)據(jù)的自動采集、發(fā)送、實時傳輸?？蓪崟r遠(yuǎn)程監(jiān)測大壩的各測試參數(shù)，可根據(jù)需要設(shè)定采集頻率、測點(diǎn)數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)可進(jìn)行各種計算。l 系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備采用低功耗設(shè)計，可采用太陽能結(jié)合電池供電形式，不受野外偏遠(yuǎn)山區(qū)等環(huán)境局限。l 具有高可靠性和耐惡劣環(huán)境能力，監(jiān)測設(shè)備和傳感器具有全防水的結(jié)構(gòu),，系統(tǒng)具有多級防雷擊及強(qiáng)電感應(yīng)荷載沖擊的能力。l 可對水庫大

13、壩的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)評估，按水利專業(yè)要求進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)的計算、評估與處理，以適應(yīng)各種評測模型的需要。l 數(shù)據(jù)能夠以各種數(shù)據(jù)庫形式保存并可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，還可以直接生成EXCEL或其他形式報表。同時數(shù)據(jù)可實時保存到網(wǎng)頁報表中，提供網(wǎng)頁遠(yuǎn)程瀏覽各種數(shù)據(jù)。l 數(shù)據(jù)可以以各種圖形方式顯示，包括時間歷程曲線圖、X/Y坐標(biāo)圖、模擬圖、直方圖等形式。l 具有數(shù)據(jù)越限報警功能，現(xiàn)場即時上傳報警信息時，主機(jī)會出現(xiàn)明顯的報警畫面和報警信息，同時還可提供各種聲光報警等多媒體提示。l 實現(xiàn)對系統(tǒng)信息打印的功能，支持對圖形、報表、曲線、報警信息、各種統(tǒng)計計算結(jié)果等的打印。4 視頻監(jiān)測系統(tǒng)水庫網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，是維護(hù)水庫安全生產(chǎn)運(yùn)行以及防汛工作的重要保障，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)與測試測量技術(shù)的發(fā)展，“數(shù)字水利”的時代已經(jīng)到來。通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實時直觀的觀測水庫的各種變化及涵閘的運(yùn)行情況，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供了直觀的圖像信息，