基于振弦式傳感器的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

□聶洪江 □高春林（許繼電氣股份有限公司）

□孫紀(jì)華（沈丘縣東城辦事處水利站）

振弦式儀器自20世紀(jì)30年代發(fā)明以來(lái)，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、抗干擾能力強(qiáng)及對(duì)電纜的要求低等優(yōu)異性能受到工程界的廣泛關(guān)注。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、材料和制造技術(shù)的進(jìn)步，振弦式儀器技術(shù)得到了完善并大量運(yùn)用到實(shí)際工程中。我國(guó)擁有1.8萬(wàn)座不同類型的大壩，大部分運(yùn)行時(shí)間超過(guò)了30年，限于建造時(shí)的設(shè)計(jì)水平和施工技術(shù)，多數(shù)大壩都存在不同程度的安全隱患，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)很大的不確定性。因此，預(yù)防安全事故的發(fā)生顯得尤為重要，近年來(lái)國(guó)家加大了對(duì)水庫(kù)除險(xiǎn)加固的投入，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是水庫(kù)除險(xiǎn)加固的重要組成部分，是確保大壩安全的重要措施，本文對(duì)基于振弦式傳感器的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究。

一、振弦式儀器的工作原理及類型

（一）工作原理

振弦式儀器的主要部分是定在端塊或被測(cè)元件之間的鋼弦，通過(guò)測(cè)量張緊鋼弦的頻率變化來(lái)表示應(yīng)變量等物理量，鋼弦的振動(dòng)頻率與弦的張力之間的關(guān)系為：

其中：F為鋼弦的自振頻率；L為鋼弦的長(zhǎng)度；M為單位長(zhǎng)度鋼弦的質(zhì)量；T為鋼弦的張力。

實(shí)踐證明，振弦式儀器的技術(shù)難點(diǎn)在與長(zhǎng)期穩(wěn)定性，高質(zhì)量的振弦式傳感器應(yīng)具備良好的設(shè)計(jì)工作特性和較低的長(zhǎng)期漂移。

（二）類型

不同結(jié)構(gòu)的振弦技術(shù)可以形成不同的傳感器類型，主要分為應(yīng)變計(jì)、壓力傳感器、位移傳感器、測(cè)縫計(jì)和水位計(jì)等。振弦技術(shù)可以應(yīng)用于極端惡劣的環(huán)境，也常用于高輻射條件下。

二、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能要求

（一）設(shè)計(jì)原則

基于Internet-Internet的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)壩體安全狀況作出客觀數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、安全評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是要達(dá)到如下要求：精確性、可靠性、穩(wěn)定性；先進(jìn)性和實(shí)用性；友好的人機(jī)界面。

（二）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于振弦式傳感器的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3部分組成，包括采集層、傳輸層和管理層，采集層由各類傳感器、采集終端等采集設(shè)備組成，這是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在整個(gè)系統(tǒng)建立的時(shí)候必須要保證所有的傳感器安裝到位，保證質(zhì)量。否則影響后期的觀測(cè)結(jié)果；傳輸層，這是系統(tǒng)的連接層，是連接現(xiàn)地層和管理層的紐帶，主要由協(xié)議轉(zhuǎn)換器、光端機(jī)、光纖、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成；管理層是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，主要由監(jiān)控主機(jī)、其他輸入輸出設(shè)備等組成。

（三）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能包括各類傳感器的數(shù)據(jù)采集功能和信號(hào)越限報(bào)警功能；本系統(tǒng)能按運(yùn)行要求，對(duì)所有接入系統(tǒng)中的各類監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行一定方式的自動(dòng)化測(cè)量，存儲(chǔ)所測(cè)數(shù)據(jù)，并傳送到中央控制裝置集中儲(chǔ)存或處理，在中央控制裝置故障、總線故障或情況下，各臺(tái)現(xiàn)地采集終端可以獨(dú)立工作，自動(dòng)按設(shè)定時(shí)間進(jìn)行巡測(cè)，自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等待提取。每臺(tái)采集儀應(yīng)具備常規(guī)巡測(cè)、巡測(cè)、定時(shí)巡測(cè)、常規(guī)選測(cè)、檢查選測(cè)、人工測(cè)量。

一是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集功能。具有可任意設(shè)置各通道的采集頻率，能夠?qū)崟r(shí)查看每只儀器的動(dòng)態(tài)測(cè)值曲線；二是數(shù)據(jù)通信功能。數(shù)據(jù)采集終端與監(jiān)測(cè)中心的管理主機(jī)之間的能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通訊方式可以通過(guò)局域網(wǎng)IP地址訪問(wèn)連接；三是數(shù)據(jù)管理功能。完成原始數(shù)據(jù)測(cè)值的計(jì)算、存儲(chǔ)等；可進(jìn)行各類儀器的測(cè)值瀏覽，并為人工觀測(cè)儀器提供入庫(kù)接口；四是系統(tǒng)具有防雷、抗干擾措施。保證在雷電感應(yīng)和電源波動(dòng)等情況下能正常工作；五是系統(tǒng)可靠性要求。按數(shù)據(jù)采集缺失率（或完整性）考核：要求每周測(cè)量一次，年數(shù)據(jù)采集缺失率應(yīng)＜2%，或數(shù)據(jù)采集率≥98%；按系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間考核：要求在試運(yùn)行一年內(nèi)按自動(dòng)控制方式運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集終端的平均無(wú)故障時(shí)間應(yīng)〉8000h；六是安全監(jiān)測(cè)儀器的分布決定了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，必須滿足接入上述自動(dòng)化儀器的要求，并有10%以上的余量，以保障增加10%的自動(dòng)化儀器時(shí)，不需增加自動(dòng)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

三、軟件功能設(shè)計(jì)

根據(jù)水庫(kù)大壩日常管理的要求，需建立實(shí)用的、網(wǎng)絡(luò)化的大壩安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，因此，在實(shí)現(xiàn)大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集后，應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況專門開發(fā)大壩安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，以便掌握大壩的運(yùn)行狀況。系統(tǒng)具有大壩安全監(jiān)測(cè)與綜合評(píng)價(jià)、大壩安全監(jiān)測(cè)資料查詢、大壩安全監(jiān)測(cè)圖表制作、大壩安全監(jiān)測(cè)報(bào)表制作、大壩安全監(jiān)測(cè)資料換算、大壩安全監(jiān)測(cè)資料管理、大壩安全監(jiān)測(cè)資料分析、大壩安全監(jiān)測(cè)資料轉(zhuǎn)入等功能。

各模塊具備的基本功能為：

（一）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)入

該模塊具有自動(dòng)將自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中的原始和成果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入到SQLServer整編數(shù)據(jù)庫(kù)中的功能。

（二）監(jiān)測(cè)資料管理

主要用于監(jiān)測(cè)資料的輸入、刪除和修改，可以在網(wǎng)絡(luò)的任一計(jì)算機(jī)上由授權(quán)用戶完成。該模塊對(duì)用戶的輸入有既嚴(yán)格又靈活的控制，各種輸入量（如日期、時(shí)間、整數(shù)、實(shí)數(shù)等）一旦輸入就立即進(jìn)行有效性校驗(yàn)，并將校驗(yàn)結(jié)果告知用戶。

（三）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢

本模塊通過(guò)設(shè)置快速導(dǎo)航樹形測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、測(cè)點(diǎn)表、儀器類型表等方式，首先能在空間上快速定位待查監(jiān)測(cè)量、測(cè)點(diǎn)或測(cè)點(diǎn)組，在此基礎(chǔ)上只要指定查詢時(shí)間區(qū)段，即可立刻查到所需的數(shù)據(jù)資料。還可把查詢結(jié)果存為文本文件，打印查詢結(jié)果。

（四）圖表曲線制作

大壩安全監(jiān)測(cè)資料的圖形化表示是監(jiān)測(cè)資料最直觀、最常用的處理方式。本模塊可以繪制出符合工程習(xí)慣、圖面整潔美觀的各類大壩安全監(jiān)測(cè)常用曲線圖形，如監(jiān)測(cè)量的過(guò)程線、分布線、相關(guān)線等。

（五）數(shù)據(jù)報(bào)表制作

通過(guò)該模塊，可以制作符合工程習(xí)慣的報(bào)表?？梢噪S意增減監(jiān)測(cè)量，可以設(shè)置版面的紙張大小和頁(yè)邊距，可以設(shè)置報(bào)表的欄目數(shù)、行高、列寬、行列分隔方式，可以設(shè)置所有圖形元素的屬性，如顏色、字體、線型等。

（六）建模分析

本模塊按照有關(guān)要求，對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行分析，分析項(xiàng)目包括所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。分析模型以統(tǒng)計(jì)模型為主，模型的候選因子包括溫度、水位、降雨量等，因子可以任意選擇。建模方式可以對(duì)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，也可以同時(shí)對(duì)一批測(cè)點(diǎn)同時(shí)建模，顯示建模結(jié)果，包括模型方程、模型參數(shù)（如復(fù)相關(guān)系數(shù)、剩余標(biāo)準(zhǔn)差、F檢驗(yàn)值等）、各個(gè)分量的分解結(jié)果及過(guò)程線，并利用建模結(jié)果對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)值進(jìn)行預(yù)報(bào)，選擇。

（七）系統(tǒng)管理

主要用于測(cè)點(diǎn)管理、監(jiān)測(cè)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)管理、用戶及其權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫(kù)備份和恢復(fù)。增或刪除用戶、更改口令、更改用戶級(jí)別。

（八）Web方式查詢

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢：可以查詢出任意測(cè)點(diǎn)的各個(gè)監(jiān)測(cè)分量的測(cè)值，時(shí)間段可以由用戶自己任意設(shè)定。

四、工程實(shí)例

（一）工程概況

龍?zhí)端畮?kù)位于廣西南寧市江南區(qū)沙井鎮(zhèn)西南面，坐落在珠江流域西江水系邕江支流龍?zhí)逗由嫌?。壩址以上集雨面積75.94km2，總庫(kù)容1380萬(wàn)m3，水庫(kù)100年一遇設(shè)計(jì)洪水位102.38m，1000年一遇校核洪水位 113.16m，正常蓄水位99.90m，死水位84.90m。工程1957年10月動(dòng)工興建，1958年12月建成運(yùn)行，是一座以灌溉為主，兼顧城鎮(zhèn)供水、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)。于2008年開始進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

（二）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)

龍?zhí)端畮?kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置3個(gè)斷面：0+073,0+116.5,0+159.9，每個(gè)斷面設(shè)置4個(gè)測(cè)壓管，每個(gè)測(cè)壓管安裝壩基和壩體2支振弦式傳感器，共計(jì)24支。在放水塔處安裝浮子式水位計(jì)1個(gè)，共設(shè)置壩首、那匹、那審和綠壇4個(gè)雨量站。

2009年10月，進(jìn)行傳感器、水位計(jì)和雨量計(jì)的安裝，由于水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程未完工，水庫(kù)未蓄水，壩體滲流監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)壓管還未形成滲流水壓力，用BGK-408讀數(shù)儀讀取了初始值。傳感器接入位于大壩中間的MCU房中的3個(gè)數(shù)據(jù)采集終端（MCU）上，從MCU房到中控室的監(jiān)控主機(jī)采用光纖通訊。雨量站的數(shù)據(jù)采用GPS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街锌厥业臄?shù)據(jù)采集前置機(jī)上，然后進(jìn)入監(jiān)控主機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)試運(yùn)行良好。

五、結(jié)語(yǔ)

振弦式傳感器技術(shù)已日趨完善，儀器的種類基本可以滿足大多數(shù)工程的需要，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膬x器，建立穩(wěn)定的系統(tǒng)，振弦式傳感器在大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中將扮演越來(lái)越重要的角色。

基于振弦式傳感器的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，闡述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能要求，明確了硬件選擇和軟件開發(fā)的原則，開發(fā)了基于Internet-Internet的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠，實(shí)用性強(qiáng)，為大壩安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的研究開發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

［1］趙志仁，張曉東.大壩滲流壓力監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究［J］.水利水電工程設(shè)計(jì)，1998年04期.

［2］胡軍.土石壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.水電能源科學(xué)，2010年第4期.