中小型水庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

白振華

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

山西省中小型水庫大多建成于20世紀五六十年代，呈現(xiàn)出分布范圍廣、規(guī)模小、投入資金少、基礎(chǔ)設(shè)施少、病險隱患多、管理薄弱等特點。近年來，通過加強管理和開展大規(guī)模的病險水庫除險加固，水庫安全形勢總體有所好轉(zhuǎn)。為切實落實大壩安全管理責任，確保水庫安全運行，充分發(fā)揮水庫效益，必須要增強水庫管理和科學調(diào)度的手段和能力，不斷提高水庫管理的信息化和現(xiàn)代化水平。

水庫安全監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)水庫安全管理部門的實際工作需要為目標，按照現(xiàn)有的有關(guān)國家標準、行業(yè)標準和技術(shù)規(guī)范為設(shè)計依據(jù)的監(jiān)測系統(tǒng)，建立和完善雨情、水情、工情、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)施為基礎(chǔ)、通訊系統(tǒng)為保障、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托、安全預(yù)警為核心的水庫安全監(jiān)測的信息系統(tǒng)。

該系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計充分考慮了水利管理部門的工作特點和關(guān)鍵業(yè)務(wù)，合理劃分出不同功能的子系統(tǒng)，易于裝配定制。各子系統(tǒng)既能獨立運行，又能夠根據(jù)實際情況組合協(xié)同工作，大大提高了系統(tǒng)對不同需求的適應(yīng)能力。下文對各系統(tǒng)進行分別介紹。

1 信息采集系統(tǒng)

利用先進的自動監(jiān)測與遠程遙測技術(shù)、通信及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、將水庫的水雨情監(jiān)測、大壩安全監(jiān)測、水質(zhì)自動監(jiān)測、視頻監(jiān)視和人工巡視錄入等系統(tǒng)，構(gòu)成“五位一體”的水庫安全遠程監(jiān)測系統(tǒng)。下文對各系統(tǒng)具體情況進行介紹。

1.1 水雨情監(jiān)測系統(tǒng)

水雨情監(jiān)測系統(tǒng)包括雨量和水位的數(shù)據(jù)自動采集、固態(tài)存儲、數(shù)字化自動傳輸至站房，對流量信息或其他少量沒有自動采集的信息，利用標準水情編碼通過人工置數(shù)進行數(shù)字化自動傳輸。遠程分中心系統(tǒng)通過實時收集水雨情遙測站的全部數(shù)據(jù)。

1.2 大壩監(jiān)測系統(tǒng)

建立水庫大壩監(jiān)測與分析系統(tǒng)，可完成對水庫大壩浸潤線數(shù)據(jù)的實時準確采集，為大壩防險和調(diào)度提供可靠的依據(jù)，大大提高預(yù)見期和準確性，對水庫的防洪興利和優(yōu)化水調(diào)度是非常必要的。系統(tǒng)可定時采集發(fā)送監(jiān)測點安全監(jiān)測實時數(shù)據(jù)和設(shè)備工況信息，包括滲壓、滲流、位移等數(shù)據(jù)和設(shè)備工作電壓、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。采集終端機MCU采用定時發(fā)送和超閾值加密測量機制，定時周期及增量閾值可根據(jù)需要進行配置，以在滿足數(shù)據(jù)密度和精度要求情況下最大限度節(jié)約電源消耗。本地安全監(jiān)測中心還支持GPRS/SMS通訊方式將實時數(shù)據(jù)發(fā)送至多個遠程中心，并隨時接受遠程中心的數(shù)據(jù)召測。

1.3 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測子站和中心站組成。水質(zhì)自動監(jiān)測子站主要由自動采水、配水單元、分析單元、子站控制與數(shù)據(jù)采集單元、條件保證系統(tǒng)等組成，負責水樣的采集、水質(zhì)分析、數(shù)據(jù)整理與上報。中心站負責對各個子站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集、整理、報表、監(jiān)管及遠程控制。系統(tǒng)具備無人值守、自動運行、遠程監(jiān)控、自動校準，實時監(jiān)測水質(zhì)變化情況，超標報警。模塊化設(shè)計，具有高度可擴展性，可在基本單元的基礎(chǔ)上擴展重金屬、氰化物、砷等其它污染物監(jiān)測儀?？蓪崿F(xiàn)遠程異步多點采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。

1.4 人工巡視系統(tǒng)

人工巡視檢查和儀器監(jiān)測是分不開的，這是由大壩的特殊性和目前儀器監(jiān)測的水平所決定的。大壩邊界條件和工作環(huán)境較為復(fù)雜，同時，由于材料的非線性（特別是土石壩），使監(jiān)測的難度增大；另一方面，目前儀器監(jiān)測還只能作到“點（小范圍）監(jiān)測”，如測縫計只能發(fā)現(xiàn)通過測點的裂（接）縫開度的變化，而不能發(fā)現(xiàn)測點以外裂（接）縫開度的變化；變形（滲流）測點監(jiān)測到的是壩體（基）綜合反應(yīng)，因而很難進行具體情況的原因分析。巡視檢查目的是為了檢查水庫及附屬建筑物在運行期間的結(jié)構(gòu)完整性和安全可靠性，發(fā)現(xiàn)異?；虼嬖诘碾[患和缺陷及時提出補救措施和改進意見。按照時間間隔和特殊性質(zhì)，巡視檢查可分成以下三類，即：日常巡視檢查、年度巡視檢查和特殊情況下的巡視檢查。每次把人工巡視檢查的內(nèi)容和檢查頻次錄入遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，以便資料分析和巡視制度的管理，及大壩安全評定時查詢和輸出歷史巡視記錄。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

采用公網(wǎng)無線傳輸（3G）等先進通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)圖像監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時觀測水庫的各水工建筑物現(xiàn)場情況以及現(xiàn)場動態(tài)，為領(lǐng)導決策提供了直觀的圖像信息，視頻監(jiān)控系統(tǒng)可將被監(jiān)控現(xiàn)場的實時圖像和數(shù)據(jù)信息準確、清晰、快速地傳送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心能夠?qū)崟r、直接地了解和掌握各被監(jiān)控現(xiàn)場的實際情況，做出相應(yīng)的反應(yīng)和處理。同時可以改善觀測、測量工作人員的工作環(huán)境，減少工作人員，做到無人值守、少人值班。

本系統(tǒng)在各水庫重點部位設(shè)置視頻監(jiān)視點，監(jiān)視范圍包括泄洪閘門、大壩正常工作和穩(wěn)固程度、水庫水面情況的實時監(jiān)測、水庫水岸情況的實時監(jiān)測。小型水庫布設(shè)2臺、中型水庫布設(shè)4臺全天候云臺變焦一體化攝像機，具有受控轉(zhuǎn)動、變焦、自動聚焦等功能，以便監(jiān)控水庫大范圍場景。

3 通訊系統(tǒng)

水利數(shù)據(jù)遙測中通信組網(wǎng)方案大致有兩種類型，即單一通信方式和混合通信方式。常見的通信方式有：超短波、有線電話、衛(wèi)星、GSM，GPRS等幾種，它們都可以單獨組成水利數(shù)據(jù)遙測網(wǎng)絡(luò)?；旌贤ㄐ欧绞接梢陨喜煌ㄐ欧绞浇M合而成，可以衍生出很多種組網(wǎng)方案。由于水庫大壩等水利監(jiān)控點分布在較廣闊的范圍內(nèi)，與監(jiān)控中心的距離較遠，近年來依托移動通訊GPRS網(wǎng)絡(luò)的全方位覆蓋以及新近推出的3G（TDSCDMA）網(wǎng)絡(luò)，推動著移動遠程自動化信息傳輸技術(shù)在水利行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

根據(jù)水庫安全遠程監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測站所處的自然地理環(huán)境及信息傳輸需要，擬采用3G（TD-SCDMA）傳輸作為監(jiān)測系統(tǒng)的主信道，GPRS線路作為監(jiān)測系統(tǒng)的備用信道。

4遠程監(jiān)測中心系統(tǒng)

水利信息化軟件系統(tǒng)設(shè)計時就引入了平臺化的架構(gòu)，將水利信息化軟件系統(tǒng)構(gòu)架在兩個平臺上，即遠程監(jiān)控平臺與數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用平臺。兩個平臺使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中處理、集中存儲與統(tǒng)一共享。

4.1 遠程監(jiān)控平臺

遠程監(jiān)控平臺是一個通用的遠程遙測信息接收、處理、管理平臺，可廣泛應(yīng)用于水利信息化遙測信息采集系統(tǒng)。遠程監(jiān)控平臺支持多種通訊方式，內(nèi)置多種工作模式及工作體制，可接收并處理水位、雨量、滲流、滲壓、水質(zhì)、位移等各種信息，遠程監(jiān)控平臺整合了軟件系統(tǒng)與各種現(xiàn)場采集、控制設(shè)備的通訊協(xié)議與數(shù)據(jù)接口，負責各種信息的采集、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)、整編、入庫等基礎(chǔ)工作，使管理人員省卻了繁瑣而重復(fù)的數(shù)據(jù)收集工作專注于對信息的分析和業(yè)務(wù)決策。遠程監(jiān)控平臺為應(yīng)用系統(tǒng)提供對信息進行分析、統(tǒng)計、決策支持所需的數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)對水資源信息和水資源使用情況進行分析、統(tǒng)計，輔助業(yè)務(wù)管理流程，幫助水資源管理者進行業(yè)務(wù)決策。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)建立在通用的應(yīng)用平臺之上，與遠程監(jiān)控平臺共用一個統(tǒng)一的綜合數(shù)據(jù)庫?；谕ㄓ脩?yīng)用平臺的數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)，其功能模塊具有高度靈活性，可根據(jù)用戶類型及實際業(yè)務(wù)需要進行靈活調(diào)整。數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)采用CS與BS相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，可靈活部署，方便實施。

4.3 預(yù)警發(fā)布

預(yù)警系統(tǒng)對各類實時監(jiān)測信息進行判斷，當達到相關(guān)臨界警戒值后，系統(tǒng)按照預(yù)警級別分別向各級防汛職責單位相關(guān)人員進行預(yù)警信息的發(fā)布，信息發(fā)送方式分為自動預(yù)警與人工預(yù)警。

安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對內(nèi)部提供Web服務(wù)，有權(quán)限用戶可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)登錄該系統(tǒng)Web服務(wù)器訪問系統(tǒng)來進行汛情信息服務(wù)。

短信預(yù)警發(fā)布平臺提供短信群發(fā)功能，能向列表中的各級主管領(lǐng)導、責任人自動發(fā)送安全預(yù)警短信。

電話傳真預(yù)警發(fā)布平臺能自動向列表中的各個單位傳送水庫安全預(yù)警信息或調(diào)度指示文件等，克服人工撥號打電話、發(fā)傳真，費時易出差錯的問題。