大坝安全系统体系结构研究

针对大坝安全监控系统设计中存在的问题，提出了按照系统框架进行设计的思路。阐述了大坝安全监控系统的五层体系框架，并详细阐述了各层的功能。对项目设计和实施具有一定的现实意义。关键词：大坝安全监控系统；水库大坝；传感器坝作为一种特殊建筑，其安全性与房屋等建筑完全不同。如果大坝安全出现问题，会造成大坝下游一定范围内的人员、财产和环境损失。在加强水利建设的大环境下，提高水工建筑物的安全性，特别是提高大坝安全监测水平，确保水库大坝安全，是关系家利益和社会稳定的头等大事。大坝安全监测系统主要由观测传感器、遥测数据采集模块、工业控制网络和自动监测管理软件系统组成。通过计算机的工作，可以实现大坝观测数据的自动采集、处理、分析和计算，初步判断大坝的行为是否正常，并为监测对象提供安全预警报告。建立大坝安全自动监测系统，可以缩短数据采集周期，提高大坝观测效率，降低劳动强度；它可以充分利用水库的调蓄能力，使防洪和供水效益较大化。同时，可以提高水库管理水平，及时发现大坝隐患，为水库安全运行提供有力保障。中已建成近8.5万座水库，居世界较好。但是，由于历史原因，这些水库大多防洪标准较低，大多存在不同的质量问题。部分水库大坝险情严重，影响水库综合效益，严重威胁人民生命财产安全。为了保证水库大坝的安全运行，充分发挥水利工程的预期效益，对水库大坝实施安全监测和科学管理已成为我各级水行政主管部门面临的一个紧迫而重要的问题。大坝监测自动化经历了从单一仪器遥测、专用测量设备、集中式数据采集系统到分布式数据采集系统的发展过程。它的发展与基于仪器设备的监测系统的发展和进步密切相关，监测系统的发展以所有监测元件的快速发展为标志，包括从相关传感器和测量仪器到转换、处理、存储、打印和分析设备的发展。在大量大坝安全工程的实际应用中，提出了研究大坝安全监控系统体系结构的方法，并通过确定每个工程的不同体系结构，对工程进行了不同层次的设计。这种方法在项目设计和实施中是结构化和有组织的。1.系统架构根据实际情况，提出系统架构由采集层、通信层、网络层、数据层和应用层五部分组成。1.采集层是信息源的基础，通过不同的监测方法和技术来完成。主要监测项目为：1。)变形监测包括水平位移(水平和垂直)、垂直位移(垂直位移)、大坝和基础倾斜、表面接缝和裂缝监测。除上述变形(称为表面变形)监测项目外，土石坝还设有内部变形监测。内部变形包括分层垂直位移、分层水平位移、界面位移和深部应变观测。对于混凝土面板坝，还有混凝土面板的变形监测，包括表面位移、挠度、应变和接缝张开度监测。此外，岸坡和基岩面及深层的位移监测也是变形监测。2)渗流监测混凝土坝渗流监测包括坝基和坝体扬压力、坝基和坝体渗漏、坝周渗流和地下水位监测。土石坝渗流监测包括 #p#分页标题#e#

土石坝压力(应力)监测包括孔隙水压力、土压力、接触土压力和混凝土面板应力监测。4)环境监测或水文气象监测坝址环境对大坝和基础的工作性状影响较大，需要进行监测。监测项目包括库区上下游水位、水温、气温和降雨量。以上四类监测项目涉及数十个物理量，每一个物理量监测都需要在设计时安排必要的测点和合适的监测仪器。两个规范根据工程等级、建筑等级、坝型、坝基和基岩地质门槛以及大坝设计和施工的特点，规定了监测项目的选择和测点的设计和布置。监测项目和测点的布置不应过多也不应过少，并应保持在合理的水平。可以参考上述相应的际指标来确定，即监测设施和实施费用等于项目总费用的1%。大坝安全特别重要的大中型工程或小型工程应考虑现代化管理的需要，即实现主要监测项目的自动化。2.通信层通信层是监控数据传输和通信的基础，是数据传输的媒介。系统采集的数据可以通过有线数据通信(现场总线)或无线数据通信传输到监控中心，其中有线数据通信的较远距离可以达到十几公里，无线数据通信的距离可以达到几十公里。当采用有线数据通信子网和无线数据通信的混合结构时，系统数据传输具有自动路由判断机制，可以提高数据传输的可靠性。3.网络层网络层主要是指监控中心或分中心的计算机网络，是应用软件系统运行的基本环境，是日常行政办公、内部信息交流和信息共享的网络基础。4.数据层数据层是整个业务综合数据的平台，是业务应用软件系统的基础。它由几个相对先立且相互关联的数据库组成，数据层主要是监控数据库。主要包括基础数据库、监测数据库、实时数据库、历史数据库和空间地理数据库。5.应用层应用层以大坝安全监测管理软件为核心，主要完成接收、检测、计算、处理、存储、分析、安全评估预警、统计、重组、查询等过程。大坝安全监测管理软件包括信息采集与处理系统、数据编辑系统、统计分析与预警系统、WEB查询系统和数据库管理系统。二.信息流主要信息流包括信息收集、信息存储、信息查询、信息统计分析和预警、数据库管理系统和信息展示。信息采集：主要是对所有接入系统中的各种监控仪表进行一定方式的自动测量，采集测量数据并传输至中央控制装置

集中储存或处理。信息存储：主要通过信息采集系统对接收的数据进行解码、校验、入库、存储。信息查询：主要对入库的自动化测量数据根据任意时段和各点的数据进行查询。信息统计分析预警：主要对根据采集值和时间为轴，显示信号的时间变化过程，时间轴可以定义，如秒、分、小时、天；数据库可以随时调出查看、编辑、另行存储。对大坝监测数据进行离线分析处理、为大坝安全评判和运行管理提供监控模型、监控数据图表。如自动采集的孔隙水压力过程线的显示页面形式等等。数据库管理：主要对根据监测数据进行数据转贮、数据库查询/修改、人工插补等。信息展示：主要对客户提供报表显示、图形形式、电子地图显示、报警、视频图像等方式展示。三、系统组成大坝安全监测系统由信息采集系统、通信系统、网络系统、综合数据库系统、应用软件系统，包括自动采集或人工观测埋入坝体或安装的传感器(大坝的变形、渗流、应力应变、温度、降雨、水位、气温和地震等)等、测控单元（MCU）上位机、监测中心、监测分中心组成，系统组成如图3所示。系统结构采用分布式体系结构，数据采集工作分散到靠近较多传感器的测控单元来完成，然后将所测数据传送到主机。系统每个观测现场的测控单元都是多功能智能型仪器，能对各种类型的传感器进行控制测量。四、系统功能1.传感器感应大坝变形、渗流、压力（应力）、应变、温度、环境量、水文、气象等各种物理量，将模拟量、数字量、脉冲量、状态量等信号输入到测控单元。传感器种类可分为：电阻式、电感式、电容式、振弦式、光纤式、调频式、压阻式、干式变压器式、电位式等。2.测控单元●根据确定的观测参数、计划和顺序进行实际测量、计算和存储，并有自检、自动诊断功能和人工观测接口。●根据确定的记录条件，将观测结果及出错信息与指定的监测中心或其他测控单元进行通信。能选配不同的测量模块或板卡，以实现对各种类型传感器的信号采集。●检测指点的报警条件，一旦报警状态或条件改变则通知指定的监测中心。●将所有观测结果保存在存储单元中，直到这些数据被监测中心准确接收完。●管理电能消耗，在断电、过电流引起重启动或正常关机时保留所有配置设定的信息。并具有防雷、抗干扰、防尘、防腐，适用于恶劣温湿环境。●采集系统的运行方式有应答式和自报式两种，必要时也可采用任意控制。3.通信系统通信系统根据站点情况采用有线或无线方式。且可以采用两种通信方式互为备用信道，建立一套双信道互为备份的通信系统。4.业务应用系统业务应用系统主要为大坝安全管理软件系统；可以在监测中心、分中心进行数据接收、处理、存贮、分析、预警等功能。对接收的数据进行容错校验、数据可靠性和准确度检查及数学模型检查，数据存储、删除、插入、记录、显示、换算、打印、查询及仪器位置、参数工作状态的显示，建立、标定安全监控数学模型、并进行影响因素分解及综合性的分析、预报报警及安全性评价，以满足对大坝安全监测的需要。综合数据库系统：可以对大坝安全监测信息建立统一数据平台，统一数据格式，规范数据标准，可以有效地进行数据共享，数据分析，为业务应用系统提供可靠基础。也可以对其它相关系统的数据接入提供接口。结语大坝安全监测系统是集先进的坝工、计算机、电子、通讯、管理技术为一体的符合现代社会发展、管理需要，是加强政府监督的有力工具，是企业大坝安全工作的目标，是提高我大坝安全管理工作的根本。作好系统设计及实施要根据规范结合具体大坝的具体情况和自动化发展水平进行，以便建立一个实用的自动化系统。（由西安山脉科技发展有限公司供稿）参考文献1赵志仁.大坝安全监测设计.黄河水利出版社,2003.7#p#分页标题#e#