鐵崗水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用分析

房靈常，張德平，顧雪冬，魏 廣

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；

2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；

3.深圳市鐵崗?石巖水庫管理處，廣東 深圳 518036；

4.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

鐵崗水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用分析

房靈常1,2，張德平3，顧雪冬1,2，魏 廣4

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；

2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；

3.深圳市鐵崗?石巖水庫管理處，廣東 深圳 518036；

4.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

為全面了解鐵崗水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的運行情況，對系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性等指標(biāo)進(jìn)行分析計算，總結(jié)系統(tǒng)運行過程中存在的問題，并就進(jìn)一步提高水庫的大壩安全監(jiān)測自動化水平提出建議，得到有益于提高水庫整體水利信息化水平的結(jié)論。

大壩安全監(jiān)測；功能；檢查；數(shù)據(jù)分析

0 引言

在國家和各級政府大力推進(jìn)水利信息化、現(xiàn)代化，并相繼出臺眾多水利信息化規(guī)劃的情況下，大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)（以下簡稱監(jiān)測系統(tǒng)）也得到了進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，監(jiān)測系統(tǒng)具有采樣頻次高、測量速度快等優(yōu)點，已成為大壩安全現(xiàn)代化管理的重要手段。但由于系統(tǒng)運行在野外較惡劣的環(huán)境中，系統(tǒng)建成后的運行管理，尤其對系統(tǒng)定期進(jìn)行應(yīng)用分析就顯得尤為重要。對自動化系統(tǒng)而言，科學(xué)的分析對水利管理部門的長期管理工作具有十分重要的理論價值和實踐指導(dǎo)意義。

所謂“三分建設(shè)七分管理”，說明了運行管理是確保系統(tǒng)可靠有效的重要環(huán)節(jié)，同時也是提高運行維護(hù)，特別是資料分析水平的必然要求，對總結(jié)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)自動化的成功經(jīng)驗和探討管理現(xiàn)代化手段具有非常重要的意義。通過對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的科學(xué)分析，管理者能及時了解系統(tǒng)的運行情況，為當(dāng)前的管理、后期的完善和大壩的安全分析提供依據(jù)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的分析方法

1.1 分析方法確定的原則

分析方法的科學(xué)性是客觀分析的基礎(chǔ)。科學(xué)的分析方法是指分析方法與分析內(nèi)容相適應(yīng)，能夠得出客觀、真實的分析結(jié)果。分析方法關(guān)系到系統(tǒng)的發(fā)展和使用，特別在大型水利信息化系統(tǒng)建設(shè)、管理和使用的過程中，選擇科學(xué)、合理的分析方法具有現(xiàn)實意義。

方法的選擇一般應(yīng)遵循以下原則：1）選擇分析方法時，分析人員應(yīng)考慮選擇自己最熟悉的方法；2）所選擇的方法必須簡潔明了，盡量降低算法的復(fù)雜性；3）所選擇的方法必須能夠正確反映分析對象和目的[1]。

1.2 分析方法的選擇

近年來，由于管理工作的需要，越來越多的其它學(xué)科領(lǐng)域的知識被應(yīng)用到自動化系統(tǒng)的應(yīng)用分析工作中來，形成了許多分析方法，從性質(zhì)分，主要有通用法、專業(yè)法、綜合分析法 3 類。

1）專業(yè)分析法主要是通過一些模型，設(shè)定一些邊界條件，采用多屬性的決策方法對大壩進(jìn)行綜合評定，通過推算結(jié)果與實測值之間的比對確定大壩的安全運行狀況。該方法利用了統(tǒng)計學(xué)的理論和反演模型，以原型觀測資料的正分析為依據(jù)，通過相應(yīng)的理論分析，反求大壩的物理力學(xué)參數(shù)。

2）綜合分析法具有簡單方便、易于使用的特點。缺點是主觀性較強，例如指數(shù)法、功效系數(shù)法和最優(yōu)值距離法都需要將指標(biāo)的實際數(shù)值和其標(biāo)準(zhǔn)值、最優(yōu)值或最差值進(jìn)行比較，以找出各實際數(shù)值在總體上所處的位置。

專業(yè)、綜合這 2 種分析法均以系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，對使用者在專業(yè)技術(shù)和統(tǒng)計學(xué)理論、邏輯數(shù)學(xué)方面的知識要求較高，且只能給信息化系統(tǒng)一個整體的評價，不具備良好的針對性與適用性，無法給當(dāng)前系統(tǒng)的管理及以后的完善等工作提供切實有力的依據(jù)。

考慮到水利信息化系統(tǒng)存在的不確定因素很多，不同的廠家、產(chǎn)品及運行時間的長短等都是影響系統(tǒng)運行情況的因素，通用分析法作為其它所有研究方法的前提，主要在國家相關(guān)部門制定的規(guī)范的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行逐一的檢查，主要包括系統(tǒng)的組成、功能等，同時通過規(guī)范中的計算方法，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行考核。該方法簡單方便，易于使用，最大的優(yōu)點是理論性、系統(tǒng)性和針對性較強，判斷結(jié)果清晰，能夠讓管理者對系統(tǒng)的各項性能有個比較清晰的認(rèn)識。

1.3 分析方法中的通用分析法

通用分析法的依據(jù)是有關(guān)規(guī)范和相關(guān)技術(shù)文件，主要從系統(tǒng)功能、可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等方面進(jìn)行分析。

1.3.1 系統(tǒng)功能

根據(jù) DL/T 5211-2005《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》、SL60-94《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和DL/T 5272-2012《大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實用化要求及驗收規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范的要求，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具備以下基本功能[2]：

1）監(jiān)測功能。系統(tǒng)應(yīng)具備多種數(shù)據(jù)采集和測量控制方式。

數(shù)據(jù)采集方式包括選點、選箱、巡回測量及定時檢測，并可在現(xiàn)場測控單元上進(jìn)行人工測讀。

測量控制方式有中央控制、自動控制（即無人值班方式）、特殊條件下的應(yīng)急控制、人工測量、網(wǎng)絡(luò)化測量、遠(yuǎn)程控制測量等方式采集各類傳感器數(shù)據(jù)，能夠?qū)γ恐鞲衅髟O(shè)置警戒值，當(dāng)測值超過警戒值時，系統(tǒng)能夠進(jìn)行自動報警。

中央控制方式由監(jiān)控主機或聯(lián)網(wǎng)計算機發(fā)出命令，測控單元接收命令，完成規(guī)定的測量，測量完畢將數(shù)據(jù)暫存，并根據(jù)命令要求將測量的數(shù)據(jù)傳輸至相關(guān)計算機中。

自動控制方式由現(xiàn)場測控單元自動按設(shè)定的時間和方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將所測的數(shù)據(jù)暫存，同時根據(jù)設(shè)定的要求將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至相關(guān)計算機。

2）顯示功能。可顯示大壩及監(jiān)測布置圖、過程曲線、監(jiān)測數(shù)據(jù)分布圖、監(jiān)測控制點布置圖、報警狀態(tài)顯示窗口等。

3）存儲功能。測控裝置具有存儲器和掉電保護(hù)模塊，具有二級存儲功能，能存儲所測數(shù)據(jù)，容量不小于 256 kB，并可以自動覆蓋，系統(tǒng)斷電后不會丟失保存數(shù)據(jù)；主機接收測控裝置的數(shù)據(jù)，能夠自動檢驗、存儲，對超差數(shù)據(jù)等問題數(shù)據(jù)自動報警，并將檢驗后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。

4）操作功能。從現(xiàn)場或監(jiān)控中心的計算機上可實現(xiàn)監(jiān)視、輸入/輸出、顯示打印、報告現(xiàn)有測值狀態(tài)、調(diào)用歷史數(shù)據(jù)等操作。

5）遠(yuǎn)程操作功能?？赏ㄟ^程控電話線路控制現(xiàn)場的測控單元進(jìn)行各項操作。

6）自檢功能。系統(tǒng)應(yīng)具有自檢功能，可對數(shù)據(jù)和程序存儲器、CPU、時鐘、供電情況、電路等進(jìn)行檢查，能在主機上顯示實時運行狀態(tài)等信息，以便及時了解系統(tǒng)的運行情況。

7）供電功能。系統(tǒng)所有設(shè)備可采用 220 V 交流電供電，MCU 自帶免維護(hù)的鉛酸充電電池作后備電源，在系統(tǒng)供電中斷的情況下，備用電源自動啟動，在每天測量 2 次的條件下，能保證測控裝置連續(xù)工作 1 周，保證數(shù)據(jù)測量的連續(xù)性。

8）較強的環(huán)境適應(yīng)性和耐惡劣環(huán)境性，能在潮濕、高雷擊、電磁等惡劣環(huán)境或干擾條件下連續(xù)穩(wěn)定正常運行。

9）穩(wěn)定可靠的防雷功能。

1.3.2 系統(tǒng)可靠性

系統(tǒng)的可靠性考核主要是對數(shù)據(jù)缺失率 FR 進(jìn)行統(tǒng)計。數(shù)據(jù)缺失率指在考核期內(nèi)未能測得的有效數(shù)據(jù)個數(shù)（缺失數(shù)據(jù)個數(shù)）與應(yīng)測得的數(shù)據(jù)個數(shù)的百分比。錯誤測值或超過一定誤差范圍的測值均屬于無效測值。對于因監(jiān)測儀器損壞且無法修復(fù)或更換而造成的數(shù)據(jù)缺失，以及系統(tǒng)受到不可抗力及非系統(tǒng)本身原因造成的數(shù)據(jù)缺失，不計入應(yīng)測數(shù)據(jù)個數(shù)[3]。

參照《大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實用化要求及驗收規(guī)程》和國家、行業(yè)及管理單位的標(biāo)準(zhǔn)，評定標(biāo)準(zhǔn)如下：FR ≤ 3% 為優(yōu)秀，3% ＜ FR ≤ 5% 為合格，F(xiàn)R ＞ 5% 為不合格。

1.3.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性

系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析主要通過短時間內(nèi)的重復(fù)性測試，根據(jù)重復(fù)測量結(jié)果中的誤差進(jìn)行分析。根據(jù)大壩的結(jié)構(gòu)和運行特點，假定在較短的時間內(nèi)庫水位、氣溫、水溫等環(huán)境量基本不變，那么相關(guān)監(jiān)測值也應(yīng)相應(yīng)不變，通過自動化系統(tǒng)在短時間內(nèi)連續(xù)測讀 n 次，讀數(shù) xi為（ x1，x2，…，xn），由 n 次讀數(shù)計算 n 次測值的平均值 x 及標(biāo)準(zhǔn)差 σm。

對短時間內(nèi)重復(fù)測試的數(shù)據(jù)，用貝塞爾公式計算出短期重復(fù)測試誤差 σm，再結(jié)合廠家標(biāo)稱的技術(shù)指標(biāo)，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，σm計算公式如下：

1.3.4 系統(tǒng)準(zhǔn)確性

系統(tǒng)準(zhǔn)確性分析采用常用的方差分析法進(jìn)行對比分析，方差分析是取某測點考核期內(nèi)自動化監(jiān)測和人工比測在相同或相近時間的測值，分別組成自動化和人工 2 種測值序列。設(shè)某一時刻的自動化測值為 xzi，人工測值為 xri，則兩者差值 δ 按公式（2）計算[3]：

兩者差值的方差 σ 按公式（3）計算：

兩者差值控制標(biāo)準(zhǔn)按公式（4）確定：

式中：σz為自動化測量精度；σr為人工測量精度。

2 工程實例

鐵崗水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)作為鐵崗?石巖水庫水利信息化的重要組成部分，水庫大壩屬于II 級水工建筑物，根據(jù)規(guī)范要求，主壩滲流監(jiān)測對象為壩體和壩基滲流監(jiān)測，采用壩體測壓管、壩基埋設(shè)法，5 個橫斷面共設(shè) 40 支滲壓計，壩基和壩體采用同一個鉆孔，在主壩下游設(shè) 1 個量水堰；鐵崗 1# 副壩采用測壓管法，3 個斷面設(shè) 9 支壩體滲壓計，壩后設(shè)量水堰 1 個。系統(tǒng)于 2010 年 12 月 17 日通過竣工驗收，正式投入使用[4]。

1）系統(tǒng)功能。通過對 MCU 和中心站功能的逐項檢查，鐵崗水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的功能滿足規(guī)范的要求。

2）系統(tǒng)可靠性。根據(jù)鐵崗水庫大壩安全監(jiān)測自動系統(tǒng)投入運行以來的數(shù)據(jù)情況，為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的有效性，在統(tǒng)計數(shù)據(jù)前，對系統(tǒng)中存在問題或測值存在異常的測點進(jìn)行了修復(fù)處理，數(shù)據(jù)統(tǒng)計時間自 2013 年 6 月 1 日起，考核期間沒有對系統(tǒng)設(shè)備做任何人工干預(yù)，每次考核周期為 1 周，獲得的數(shù)據(jù)缺失率考核表如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)缺失率考核表 %

從考核結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)自完全恢復(fù)正常運行狀態(tài)后，30 d 內(nèi)能夠保持正常的數(shù)據(jù)缺失率，達(dá)到規(guī)范要求；30 d 后的數(shù)據(jù)缺失率超過 5%，且逐步增大。

3）系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)穩(wěn)定性主要通過單點復(fù)測考核進(jìn)行，按照 10% 的取樣要求，共抽取了 5 支儀器進(jìn)行考核，分別為 M1-1B，M2-1B，M3-1B，M4-1B，M5-1B，根據(jù) n 測次平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計算公式，考核結(jié)果如表2 所示。

本系統(tǒng)采用的滲壓計量程為 50 m，線性度為0.5% F.S，則標(biāo)準(zhǔn)差為 0.25 m，考核結(jié)果表明，5 支傳感器在短時間內(nèi)重復(fù)測量的誤差在 3 個月內(nèi)能夠達(dá)到廠家標(biāo)稱的要求，3 個月后有 4 支超出標(biāo)準(zhǔn)差。

4）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。鐵崗水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中的傳感器的標(biāo)準(zhǔn)差為 0.25 m，即自動化測量精度 σz為 0.25 m，同時根據(jù)人工測量存在的誤差，人工測量精度 σr為 0.02 m，根據(jù)誤差傳遞理論，兩者差值的方差 σ 約為 0.25 m，根據(jù)系統(tǒng)人工比測的結(jié)果，系統(tǒng)中滲壓計基本能夠達(dá)到 δ ≤ 2 σ 的要求，但是存在部分?jǐn)?shù)據(jù)跳變，出現(xiàn)超差的情況。

3 結(jié)語

根據(jù)鐵崗水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的實際情況分析，結(jié)果如下：

1）系統(tǒng)的各項功能總體上能夠達(dá)到要求，滿足大壩安全監(jiān)測自動化的使用需求；

2）系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性在一定時間內(nèi)能夠達(dá)到規(guī)范的要求，需要維護(hù)人員定期進(jìn)行人工率定，根據(jù)本系統(tǒng)的實際情況，建議率定周期為 3 個月，即 3 個月內(nèi)須對設(shè)備進(jìn)行率定；

表2 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性考核表 m

3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性基本能夠滿足后期數(shù)據(jù)分析的要求，部分傳感器的數(shù)據(jù)存在不穩(wěn)定、跳變的現(xiàn)象，需要進(jìn)一步進(jìn)行檢查，并對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行修復(fù)或更換；

4）系統(tǒng)中的部分測壓管存在常年無水的情況，這將對后期的數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生一定的影響，建議對測壓管進(jìn)行全面檢查、修復(fù)，給儀器提供一個良好的工作環(huán)境。

鐵崗水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)作為鐵崗?石巖水庫水利信息化的重要組成部分，在水庫的現(xiàn)代化管理工作中發(fā)揮了重要的作用，為后期的數(shù)據(jù)分析提供了大量的原始數(shù)據(jù)。自動化系統(tǒng)是一個可維護(hù)的系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)目前的狀況，建議進(jìn)一步加大維護(hù)力度，總結(jié)其他水庫在日常維護(hù)管理方面的經(jīng)驗，在維護(hù)過程中對系統(tǒng)進(jìn)行逐步完善，提高水庫大壩安全監(jiān)測自動化水平，從而進(jìn)一步提高水庫的整體水利信息化水平。

[1] 陸馨.基于灰色層次分析理論的水利信息化評價體系及應(yīng)用研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2010: 21-22.

[2] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5211-2005大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2005.

[3] 國家能源局.DL/T 5272-2012 大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實用化要求及驗收規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2012: 16-17.

[4] 水利部珠江水利委員會技術(shù)咨詢中心，北京金水信息技術(shù)發(fā)展有限公司，水利部南京水利水文自動化研究所防汛設(shè)備廠.深圳市鐵崗與石巖水庫水務(wù)信息化系統(tǒng)初步設(shè)計[R].深圳：深圳市鐵崗?石巖水庫管理處，2008: 15-16.

Application Analysis of Safety Monitoring Automation System in Tiegang Reservoir

FANG Lingchang1,2, ZHANG Deping3, GU Xuedong1,2, WEI Guang4
(1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China
3 Shenzhen Tiegang-Shiyan Reservoir Administrative Department, Shenzhen 518036, China;
4.Jiangsu Naiwch Co.Ltd, Nanjing 210012, China)

To fully realize the operational aspect of the dam safety monitoring automation system in Tiegang reservoir, this paper analyzes and calculates reliability, stability, accuracy and other indicators of the system, summarizes the problems of the system operation and offers a proposal to further improve the level of the dam safety monitoring automation.It obtains the conclusion which is useful to improve the level of the reservoir's overall water resources informationization.

dam safety monitoring; function; inspection; data analysis

TV698

A

1674-9405(2014)04-0069-04

2014-04-30

房靈常（1964－），男，山東鄆城人，高級工程師，從事水利信息化系統(tǒng)的研發(fā)、建設(shè)和維護(hù)等工作。