大壩安全系統體系結構研究

針對大壩安全監控系統設計中存在的問(wèn)題，提出了按照系統框架進(jìn)行設計的思路。闡述了大壩安全監控系統的五層體系框架，并詳細闡述了各層的功能。對項目設計和實(shí)施具有一定的現實(shí)意義。關(guān)鍵詞：大壩安全監控系統；水庫大壩；傳感器壩作為一種特殊建筑，其安全性與房屋等建筑完全不同。如果大壩安全出現問(wèn)題，會(huì )造成大壩下游一定范圍內的人員、財產(chǎn)和環(huán)境損失。在加強水利建設的大環(huán)境下，提高水工建筑物的安全性，特別是提高大壩安全監測水平，確保水庫大壩安全，是關(guān)系家利益和社會(huì )穩定的頭等大事。大壩安全監測系統主要由觀(guān)測傳感器、遙測數據采集模塊、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )和自動(dòng)監測管理軟件系統組成。通過(guò)計算機的工作，可以實(shí)現大壩觀(guān)測數據的自動(dòng)采集、處理、分析和計算，初步判斷大壩的行為是否正常，并為監測對象提供安全預警報告。建立大壩安全自動(dòng)監測系統，可以縮短數據采集周期，提高大壩觀(guān)測效率，降低勞動(dòng)強度；它可以充分利用水庫的調蓄能力，使防洪和供水效益較大化。同時(shí)，可以提高水庫管理水平，及時(shí)發(fā)現大壩隱患，為水庫安全運行提供有力保障。中已建成近8.5萬(wàn)座水庫，居世界較好。但是，由于歷史原因，這些水庫大多防洪標準較低，大多存在不同的質(zhì)量問(wèn)題。部分水庫大壩險情嚴重，影響水庫綜合效益，嚴重威脅人民生命財產(chǎn)安全。為了保證水庫大壩的安全運行，充分發(fā)揮水利工程的預期效益，對水庫大壩實(shí)施安全監測和科學(xué)管理已成為我各級水行政主管部門(mén)面臨的一個(gè)緊迫而重要的問(wèn)題。大壩監測自動(dòng)化經(jīng)歷了從單一儀器遙測、專(zhuān)用測量設備、集中式數據采集系統到分布式數據采集系統的發(fā)展過(guò)程。它的發(fā)展與基于儀器設備的監測系統的發(fā)展和進(jìn)步密切相關(guān)，監測系統的發(fā)展以所有監測元件的快速發(fā)展為標志，包括從相關(guān)傳感器和測量?jì)x器到轉換、處理、存儲、打印和分析設備的發(fā)展。在大量大壩安全工程的實(shí)際應用中，提出了研究大壩安全監控系統體系結構的方法，并通過(guò)確定每個(gè)工程的不同體系結構，對工程進(jìn)行了不同層次的設計。這種方法在項目設計和實(shí)施中是結構化和有組織的。1.系統架構根據實(shí)際情況，提出系統架構由采集層、通信層、網(wǎng)絡(luò )層、數據層和應用層五部分組成。1.采集層是信息源的基礎，通過(guò)不同的監測方法和技術(shù)來(lái)完成。主要監測項目為：1。)變形監測包括水平位移(水平和垂直)、垂直位移(垂直位移)、大壩和基礎傾斜、表面接縫和裂縫監測。除上述變形(稱(chēng)為表面變形)監測項目外，土石壩還設有內部變形監測。內部變形包括分層垂直位移、分層水平位移、界面位移和深部應變觀(guān)測。對于混凝土面板壩，還有混凝土面板的變形監測，包括表面位移、撓度、應變和接縫張開(kāi)度監測。此外，岸坡和基巖面及深層的位移監測也是變形監測。2)滲流監測混凝土壩滲流監測包括壩基和壩體揚壓力、壩基和壩體滲漏、壩周滲流和地下水位監測。土石壩滲流監測包括 #p#分頁(yè)標題#e#

土石壩壓力(應力)監測包括孔隙水壓力、土壓力、接觸土壓力和混凝土面板應力監測。4)環(huán)境監測或水文氣象監測壩址環(huán)境對大壩和基礎的工作性狀影響較大，需要進(jìn)行監測。監測項目包括庫區上下游水位、水溫、氣溫和降雨量。以上四類(lèi)監測項目涉及數十個(gè)物理量，每一個(gè)物理量監測都需要在設計時(shí)安排必要的測點(diǎn)和合適的監測儀器。兩個(gè)規范根據工程等級、建筑等級、壩型、壩基和基巖地質(zhì)門(mén)檻以及大壩設計和施工的特點(diǎn)，規定了監測項目的選擇和測點(diǎn)的設計和布置。監測項目和測點(diǎn)的布置不應過(guò)多也不應過(guò)少，并應保持在合理的水平?？梢詤⒖忌鲜鱿鄳碾H指標來(lái)確定，即監測設施和實(shí)施費用等于項目總費用的1%。大壩安全特別重要的大中型工程或小型工程應考慮現代化管理的需要，即實(shí)現主要監測項目的自動(dòng)化。2.通信層通信層是監控數據傳輸和通信的基礎，是數據傳輸的媒介。系統采集的數據可以通過(guò)有線(xiàn)數據通信(現場(chǎng)總線(xiàn))或無(wú)線(xiàn)數據通信傳輸到監控中心，其中有線(xiàn)數據通信的較遠距離可以達到十幾公里，無(wú)線(xiàn)數據通信的距離可以達到幾十公里。當采用有線(xiàn)數據通信子網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)數據通信的混合結構時(shí)，系統數據傳輸具有自動(dòng)路由判斷機制，可以提高數據傳輸的可靠性。3.網(wǎng)絡(luò )層網(wǎng)絡(luò )層主要是指監控中心或分中心的計算機網(wǎng)絡(luò )，是應用軟件系統運行的基本環(huán)境，是日常行政辦公、內部信息交流和信息共享的網(wǎng)絡(luò )基礎。4.數據層數據層是整個(gè)業(yè)務(wù)綜合數據的平臺，是業(yè)務(wù)應用軟件系統的基礎。它由幾個(gè)相對先立且相互關(guān)聯(lián)的數據庫組成，數據層主要是監控數據庫。主要包括基礎數據庫、監測數據庫、實(shí)時(shí)數據庫、歷史數據庫和空間地理數據庫。5.應用層應用層以大壩安全監測管理軟件為核心，主要完成接收、檢測、計算、處理、存儲、分析、安全評估預警、統計、重組、查詢(xún)等過(guò)程。大壩安全監測管理軟件包括信息采集與處理系統、數據編輯系統、統計分析與預警系統、WEB查詢(xún)系統和數據庫管理系統。二.信息流主要信息流包括信息收集、信息存儲、信息查詢(xún)、信息統計分析和預警、數據庫管理系統和信息展示。信息采集：主要是對所有接入系統中的各種監控儀表進(jìn)行一定方式的自動(dòng)測量，采集測量數據并傳輸至中央控制裝置

集中儲存或處理。信息存儲：主要通過(guò)信息采集系統對接收的數據進(jìn)行解碼、校驗、入庫、存儲。信息查詢(xún)：主要對入庫的自動(dòng)化測量數據根據任意時(shí)段和各點(diǎn)的數據進(jìn)行查詢(xún)。信息統計分析預警：主要對根據采集值和時(shí)間為軸，顯示信號的時(shí)間變化過(guò)程，時(shí)間軸可以定義，如秒、分、小時(shí)、天；數據庫可以隨時(shí)調出查看、編輯、另行存儲。對大壩監測數據進(jìn)行離線(xiàn)分析處理、為大壩安全評判和運行管理提供監控模型、監控數據圖表。如自動(dòng)采集的孔隙水壓力過(guò)程線(xiàn)的顯示頁(yè)面形式等等。數據庫管理：主要對根據監測數據進(jìn)行數據轉貯、數據庫查詢(xún)/修改、人工插補等。信息展示：主要對客戶(hù)提供報表顯示、圖形形式、電子地圖顯示、報警、視頻圖像等方式展示。三、系統組成大壩安全監測系統由信息采集系統、通信系統、網(wǎng)絡(luò )系統、綜合數據庫系統、應用軟件系統，包括自動(dòng)采集或人工觀(guān)測埋入壩體或安裝的傳感器(大壩的變形、滲流、應力應變、溫度、降雨、水位、氣溫和地震等)等、測控單元（MCU）上位機、監測中心、監測分中心組成，系統組成如圖3所示。系統結構采用分布式體系結構，數據采集工作分散到靠近較多傳感器的測控單元來(lái)完成，然后將所測數據傳送到主機。系統每個(gè)觀(guān)測現場(chǎng)的測控單元都是多功能智能型儀器，能對各種類(lèi)型的傳感器進(jìn)行控制測量。四、系統功能1.傳感器感應大壩變形、滲流、壓力（應力）、應變、溫度、環(huán)境量、水文、氣象等各種物理量，將模擬量、數字量、脈沖量、狀態(tài)量等信號輸入到測控單元。傳感器種類(lèi)可分為：電阻式、電感式、電容式、振弦式、光纖式、調頻式、壓阻式、干式變壓器式、電位式等。2.測控單元●根據確定的觀(guān)測參數、計劃和順序進(jìn)行實(shí)際測量、計算和存儲，并有自檢、自動(dòng)診斷功能和人工觀(guān)測接口?！窀鶕_定的記錄條件，將觀(guān)測結果及出錯信息與指定的監測中心或其他測控單元進(jìn)行通信。能選配不同的測量模塊或板卡，以實(shí)現對各種類(lèi)型傳感器的信號采集?！駲z測指點(diǎn)的報警條件，一旦報警狀態(tài)或條件改變則通知指定的監測中心?！駥⑺杏^(guān)測結果保存在存儲單元中，直到這些數據被監測中心準確接收完?！窆芾黼娔芟?，在斷電、過(guò)電流引起重啟動(dòng)或正常關(guān)機時(shí)保留所有配置設定的信息。并具有防雷、抗干擾、防塵、防腐，適用于惡劣溫濕環(huán)境?！癫杉到y的運行方式有應答式和自報式兩種，必要時(shí)也可采用任意控制。3.通信系統通信系統根據站點(diǎn)情況采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式。且可以采用兩種通信方式互為備用信道，建立一套雙信道互為備份的通信系統。4.業(yè)務(wù)應用系統業(yè)務(wù)應用系統主要為大壩安全管理軟件系統；可以在監測中心、分中心進(jìn)行數據接收、處理、存貯、分析、預警等功能。對接收的數據進(jìn)行容錯校驗、數據可靠性和準確度檢查及數學(xué)模型檢查，數據存儲、刪除、插入、記錄、顯示、換算、打印、查詢(xún)及儀器位置、參數工作狀態(tài)的顯示，建立、標定安全監控數學(xué)模型、并進(jìn)行影響因素分解及綜合性的分析、預報報警及安全性評價(jià)，以滿(mǎn)足對大壩安全監測的需要。綜合數據庫系統：可以對大壩安全監測信息建立統一數據平臺，統一數據格式，規范數據標準，可以有效地進(jìn)行數據共享，數據分析，為業(yè)務(wù)應用系統提供可靠基礎。也可以對其它相關(guān)系統的數據接入提供接口。結語(yǔ)大壩安全監測系統是集先進(jìn)的壩工、計算機、電子、通訊、管理技術(shù)為一體的符合現代社會(huì )發(fā)展、管理需要，是加強政府監督的有力工具，是企業(yè)大壩安全工作的目標，是提高我大壩安全管理工作的根本。作好系統設計及實(shí)施要根據規范結合具體大壩的具體情況和自動(dòng)化發(fā)展水平進(jìn)行，以便建立一個(gè)實(shí)用的自動(dòng)化系統。（由西安山脈科技發(fā)展有限公司供稿）參考文獻1趙志仁.大壩安全監測設計.黃河水利出版社,2003.7#p#分頁(yè)標題#e#