水利工程安全監(jiān)測項目的自動化系統(tǒng)應(yīng)用

李佳宇

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣州510635)

0 前 言

水電站建設(shè)工程不僅工程量大，而且技術(shù)要求高，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，所以，在施工時除了控制好質(zhì)量之外，還要確保施工技術(shù)過關(guān)，才能保證水電站后期使用安全。

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)能夠及時有效掌握水電站施工現(xiàn)狀，并就施工全過程進行形狀演變，為管理人員提供關(guān)鍵信息，從而為施工決策提供依據(jù)。文澡就水電站工程安全監(jiān)測項目的自動化系統(tǒng)應(yīng)用進行如下分析。

1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)的測點選擇

1.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)測點選擇

在自動化系統(tǒng)測點選擇時，應(yīng)考慮到實現(xiàn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)的難易程度，以及自動化系統(tǒng)的使用規(guī)模，通常情況下應(yīng)有兩種選擇方案:

1)將實現(xiàn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)所需要的變形監(jiān)測儀器及滲流監(jiān)測儀器等接入到自動化系統(tǒng)中。

2)將不受施工干擾能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)自動化的全部儀器，如滲流監(jiān)測儀器、壩基揚壓力監(jiān)測、測縫計等，均接入自動化系統(tǒng)［1］。

1.2 接入自動化監(jiān)測系統(tǒng)的測點比選

兩種方案選定之后，就要從中選出比較適合的方案。選擇時，通常應(yīng)考慮到接入系統(tǒng)的總測點數(shù)量，MCU 的型號及配置等，此外還要對兩種方案的優(yōu)點和缺點進行全面分析，才能做決定。

1.2.1 方案一

方案一的優(yōu)點是能將測點數(shù)目及項目關(guān)鍵部分表現(xiàn)出來，也能很好的控制自動化系統(tǒng)的規(guī)模。

此外，由于其測點數(shù)量較少，使得運行速度較快，穩(wěn)定性也較高，前期投資也就相應(yīng)的低一些。另外，由于測點都是在系統(tǒng)的重點部分，使得針對性更高，更明確，并且這種測點布置特點符合國際公認的“變形和滲流監(jiān)測為重點，適當配置一些應(yīng)力應(yīng)變測點”的思路。該方案存在的不足之處是在運行過程中，需要的較大的測量工作，無形中增加了數(shù)據(jù)錄入量。

1.2.2 方案二

方案二的優(yōu)點主要表現(xiàn)在，有大量的測點被接入到監(jiān)測系統(tǒng)中，所以運行速度加快，有效的降低了人工測度工作。

不足之處表現(xiàn)在，前期投資較大，如果施工企業(yè)資金不充足，將會影響該方案的施工效果。

此外，運行過程復(fù)雜，運行的準確性及可靠性均較差，從而嚴重影響了其應(yīng)用范圍。

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元(MCU)的比選

監(jiān)測自動化系統(tǒng)的更新經(jīng)歷了從集中式到分布式的改變。集中式系統(tǒng)所采用的是模擬信號，具有大量的噪音，并且傳輸距離短，精確性不高，導(dǎo)致應(yīng)用受到限制。

而分布式系統(tǒng)傳輸?shù)男盘枮閿?shù)字型的，能夠接入智能化的數(shù)據(jù)采集單元，以完成數(shù)據(jù)的快速傳輸及轉(zhuǎn)換，并促進分布式系統(tǒng)的更新，使之升級成為節(jié)點驅(qū)動的運行方式。

分布式系統(tǒng)從根本上克服了集中式系統(tǒng)的穩(wěn)定性差、運行速度緩慢等不足，更加適應(yīng)現(xiàn)代測點較多、總線距離較長的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，從而促進了其應(yīng)用范圍［2］。

在數(shù)據(jù)采集單元選擇時，應(yīng)結(jié)合運行情況，選出適合自身特征的數(shù)據(jù)采集單元。

一般情況下，數(shù)據(jù)采集單元選擇時主要考慮以下幾點:

1)運行可靠性、先進性、運行的準確性及開放性。

2)是否具有自診斷功能、使用環(huán)境的能力及避雷效果好壞。

3)是否具有人工讀數(shù)接口及比測接口，以便于系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能夠繼續(xù)實施校對工作。

3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案比選

3.1 網(wǎng)絡(luò)信息特點及接口分布

根據(jù)施工特點，做好建筑物形式及監(jiān)測點分布特點，并將工程網(wǎng)絡(luò)接口進行合理規(guī)劃，網(wǎng)絡(luò)接口一般設(shè)置在高程廊道、通風或者排水通道之內(nèi)，還可以設(shè)置在船閘部位以及機房之內(nèi)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊方式的比選

通訊方式通常取決于數(shù)據(jù)采集單元的類型及組網(wǎng)的功能情況，目前，數(shù)據(jù)采集單元支持的通訊協(xié)議有以下幾種，如RS—485(串行接口)、CANRUS 工業(yè)總線及電話網(wǎng)絡(luò)接口等。

通過對不同通訊協(xié)議對比，發(fā)現(xiàn)RS—485 具有很好的優(yōu)越性，還具有快速的傳輸速度，傳輸距離及使用性都具有較好優(yōu)勢。所以，在通訊方式選擇時，可以考慮這種方式［3］。

3.3 網(wǎng)絡(luò)信息介質(zhì)比選

通常情況下，數(shù)據(jù)采集單元支持的通訊介質(zhì)有光纜、雙絞線、同軸電纜及電話線。它們各具優(yōu)點，在選擇時，應(yīng)考慮各自的綜合性能。

3.3.1 光纜

信息傳輸量大，傳輸距離遠，在信息傳輸時能夠很好的減少噪音干擾，并且具有寬帶功能，再加上初期投資較小等優(yōu)點，使得光纜具有寬廣的只用范圍。

3.3.2 雙絞線

它的主要優(yōu)點是信息傳輸速度快，傳輸錯誤率低，并且前期投資較小，所以，也具有一定的使用范圍。這種傳輸介質(zhì)的不足之處是，當信息傳輸距離增加之后，為了保證較高的傳輸率，宜設(shè)置中繼器，以提高信息傳輸正確率。

3.3.3 同軸電纜

該傳輸介質(zhì)的優(yōu)點也是信息傳輸速度高，傳輸準確性高，還具有較強的抗干擾能力等。不足之處是，前期投資較大。

3.3.4 電話線

這種傳輸介質(zhì)也具有信息傳輸速度高，傳輸距離遠及具有較強的抗干擾能力，不足之處是，信息傳輸準確性不夠高，并且在使用時通常還要配備其它設(shè)備如MODEM，所以提高了投資費用。

3.4 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)選擇

在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)選擇時，需要考慮到數(shù)據(jù)采集單元及網(wǎng)絡(luò)接口的分布情況，目前情況下，可以選擇的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要有總線型、星型、樹型、環(huán)型及這幾種類型的混合類型，總共有6 種。以下就這6種拓撲結(jié)構(gòu)一一簡述。

3.4.1 總線拓撲結(jié)構(gòu)類型

這種在數(shù)據(jù)采集單元的連接上呈現(xiàn)一條線的形式，也就是說在傳輸介質(zhì)上，每隔一段距離都會連接一個數(shù)據(jù)采集單元，采集單元和傳輸介質(zhì)是通過“T”字接頭連接的，這樣，不同的數(shù)據(jù)采集單元被有效的連接在一起，發(fā)揮信息采集功能。

這種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)緊湊，傳輸介質(zhì)少，施工投資小等，適合于資金少及工程規(guī)模小的水電站使用。

不足之處為，一旦發(fā)生中斷，整個網(wǎng)絡(luò)將會遭到嚴重破壞，維修時，需要采取精確度較高的維修工具，另外，當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點增加時，傳輸速度將會大幅度下降。

3.4.2 星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

這種機構(gòu)在數(shù)據(jù)采集單元的連接上和總線型有較大差異，它直接將采集單元和監(jiān)測管理站相連接，形成的結(jié)構(gòu)以管理站為中心，每個數(shù)據(jù)采集單元呈現(xiàn)放射形狀，星型拓撲結(jié)構(gòu)也由此而得來。

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在信息傳輸速度快，具有較強的抗外界干擾能力;當某一個數(shù)據(jù)采集單元出現(xiàn)故障之后，并不影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行情況。

不足之處表現(xiàn)在構(gòu)建拓撲結(jié)構(gòu)時，需要大量的傳輸介質(zhì)。

基于這幾方面的優(yōu)缺點，星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要適用于數(shù)據(jù)采集單元少，無法直接傳送到中控室的水利工程。

3.4.3 樹型拓撲結(jié)構(gòu)

和前兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比較，這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜性更高，從而在一般的水利工程中不常見。

但它也具有自身特點，如具有良好的連通性、靈活性，當網(wǎng)絡(luò)末端出現(xiàn)故障之后，也不影響數(shù)據(jù)采集單元的運行情況。

3.4.4 環(huán)型結(jié)構(gòu)

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點為材料使用量少，信息傳輸速度。

不足之處表現(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)接口只適合少量的數(shù)據(jù)采集單元。

3.4.5 星型和總線型混合拓撲結(jié)構(gòu)

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將星型和總線型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點給予集中，使得自身功能大幅度提高。

這種結(jié)構(gòu)最明顯的特征為，數(shù)據(jù)采集單元根據(jù)監(jiān)測部位分成不同區(qū)域，每一個區(qū)域設(shè)置一條總線，上面連接對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集單元。

由于集合了兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，所以使用范圍相對較廣。

3.4.6 環(huán)型多分支拓撲結(jié)構(gòu)

這種拓撲結(jié)構(gòu)不同于以上幾種結(jié)構(gòu)，它是以通過環(huán)型將不同的監(jiān)測部位連接起來，每個監(jiān)測部位都預(yù)留接口，接口部位連接總線，以形成分支，各條分支上依次連接對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集單位，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集單位的信息通過總線順利進入環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是施工量少，傳輸介質(zhì)使用量少，還具有信息傳輸速度快，信息處理靈活等特點。

3.5 網(wǎng)絡(luò)選擇方案

當對網(wǎng)絡(luò)通訊方式、通訊介質(zhì)及網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)近有全面了解之后，網(wǎng)絡(luò)選擇將不再有困難之處，這時，只需要將實際情況給予詳細考察，再對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)及通訊方式進行對比，進而選出適合運行的網(wǎng)絡(luò)方案。

如某水電站地理位置復(fù)雜多變，在構(gòu)建自動化監(jiān)測系統(tǒng)時，應(yīng)采用環(huán)型分支拓撲結(jié)構(gòu)，主網(wǎng)信息傳輸介質(zhì)應(yīng)采用光纜，分支介質(zhì)則采用雙絞線，分支線上的數(shù)據(jù)采集單元應(yīng)以總線控制的方式和光端機連接。監(jiān)測站內(nèi)的計算機通過雙絞線和交換機連接。當采用這種網(wǎng)絡(luò)方案之后，網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性將會進一步提高。

如當環(huán)網(wǎng)或者支線中任何一個部位出現(xiàn)斷開情況時，都不會影響整個網(wǎng)絡(luò)運行情況，并且這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)施工規(guī)模小，材料使用量也減少，在信息傳輸方面具有靈活性，也就是既可以傳輸數(shù)據(jù)，也可以傳輸圖片，從而提高了信息傳輸效率。

另外，支線接入方式也具有靈活性，可以根據(jù)監(jiān)測點及數(shù)據(jù)采集單元的分布情況，增設(shè)支線。此外，當這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一個支線被卸去之后，其它支線部分仍舊正常運行。

4 工程安全監(jiān)測控制與管理軟件

水利工程安全監(jiān)測控制與管理軟件主要包括信息管理軟件、工程評價軟件及決策支持軟件等。其中信息管理軟件的功能主要是檢查，主要對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信息進行詳細檢查，同時對檢查過的信息做進一步處理，最后輸入數(shù)據(jù)庫。另外，在信息檢查時，對所有信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。工程安全評估與決策的功能主要有，在充分了解建筑物的基礎(chǔ)上，通過使用多種數(shù)學(xué)模型，對采集到的信息進行定性及定量分析，同時對建筑物的安全性及穩(wěn)定性做出綜合判斷，從而表現(xiàn)出良好的綜合處理信息能力。

5 結(jié) 語

隨著水利工程施工規(guī)模不斷增加，施工要求也相應(yīng)提高，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對于提高水利工程施工安全具有重要意義。文章就水利工程安全監(jiān)測項目的自動化系統(tǒng)應(yīng)用進行分析，希望具有參考價值。

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