輸電鐵塔安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

劉偉誠(chéng)，李永堅(jiān)，劉文峰，何志剛

（1.廣東天信電力工程檢測(cè)有限公司，廣東 廣州510663；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，廣東 韶關(guān)512028）

安全監(jiān)測(cè)是對(duì)工程建（構(gòu)）筑物及設(shè)施等變形體的安全穩(wěn)定性做長(zhǎng)期、重復(fù)性的測(cè)量工作，以確定和分析這些變形體的變形情況及變形周期，從而對(duì)這些變形體的安全穩(wěn)定性做出正確的評(píng)估［1-2］，常用的測(cè)量方法有全站儀極坐標(biāo)法測(cè)量水平位移、水準(zhǔn)儀法測(cè)量垂直位移、測(cè)斜儀測(cè)量?jī)A斜等等，且發(fā)展了一系列的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理理論與方法［3-5］，但是這些常規(guī)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法工作效率較低，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)、快速、長(zhǎng)期的安全監(jiān)測(cè)需求，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)，可快速、實(shí)時(shí)、無(wú)接觸獲取大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高工作效率［6-8］。

BGK-Micro40自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀內(nèi)置先進(jìn)的混合式智能測(cè)量模塊，可測(cè)量振弦式、差阻式、電位計(jì)等幾乎所有主流類型的傳感器，若結(jié)合BGKLogger數(shù)據(jù)采集軟件可完成一般工程安全監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理等工作，并且通過BGK-Logger數(shù)據(jù)采集軟件可以查詢并導(dǎo)出各個(gè)測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)［9］。雖然BGK-Logger數(shù)據(jù)采集軟件功能較為完善，但是很難滿足某些特定工程項(xiàng)目的安全監(jiān)測(cè)需要，為此需要開發(fā)一款能對(duì)BGK-Micro40監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做深入分析和處理的安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)BGK-Logger數(shù)據(jù)采集軟件的不足，從而快速?gòu)拇罅勘O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，服務(wù)于工程，為此根據(jù)實(shí)際工程需要，我們基于VS2008.net（C＃）平臺(tái)［10］開發(fā)了輸電鐵塔基礎(chǔ)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)--SMWS（Safety Monitoring and Warning System）），該系統(tǒng)主要對(duì)BGK-Micro40自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀采集到的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，如數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出、數(shù)據(jù)預(yù)處理及穩(wěn)定性分析等［11-12］，對(duì)BKGLogger.Net信息管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)做一定的補(bǔ)充，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要［13-15］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)的環(huán)境為64位Win7操作系統(tǒng)、SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫(kù)、Microsoft Office 2007及以上版本（建議 Microsoft Office 2010）。系統(tǒng)主要目標(biāo)是對(duì)BGK-Micro40自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步管理和分析，涉及到傳感器類型有傾角計(jì)、測(cè)斜儀、靜力水準(zhǔn)儀、大量程位移計(jì)以及滲壓計(jì)等，要求軟件操作簡(jiǎn)單，界面友好，能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。SMWS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括算法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、模塊及界面設(shè)計(jì)等。

1.1 系統(tǒng)所采用的部分算法

1.1.1 傾角計(jì)重新校正算法

傾角計(jì)原始測(cè)量結(jié)果是不能直接使用的，需要根據(jù)傳感器的率定表重新進(jìn)行校正后才能使用，校正公式為：

其中，Gi為儀器系數(shù)；A和B代表垂直兩軸，由率定表給出（sinθ／V）；AResult和BResult為結(jié)果測(cè)值；ROA和ROB為初始讀數(shù)，由率定表給出；Ti和T0分別為當(dāng)前溫度和初始溫度值，0.0005為溫度對(duì)電壓的影響系數(shù)。

1.1.2 靜力水準(zhǔn)儀重新校正算法

靜力水準(zhǔn)儀屬于正弦式儀器，在數(shù)據(jù)采集時(shí)采樣頻率會(huì)受溫度影響較大，因此在使用頻率計(jì)算前，采樣頻率要進(jìn)行溫度修正，對(duì)此，要對(duì)溫度值和頻率值采用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，得出頻率對(duì)溫度的線性方程，然后再采用下面公式進(jìn)行校正：

其中，H1為該靜力水準(zhǔn)儀與儲(chǔ)液灌液面高差，Raw1為頻率值，t2為溫度值，R0為率定表里壓強(qiáng)為零時(shí)的初始值。

1.2 預(yù)測(cè)模型

系統(tǒng)所采用的預(yù)測(cè)模型之一為灰色模型，它是一種隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)模型，用微分方程描述時(shí)，就可得到x（1）（t）的一級(jí)線性微分方程［4-5］：

離散后得到：

利用一定量的監(jiān)測(cè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)根據(jù)式（4）和式（5）即可建立灰色預(yù)測(cè)模型。

1.3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

SMWS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫(kù)，共設(shè)計(jì)了6個(gè)表用于數(shù)據(jù)和有關(guān)信息的管理，包括：用戶表、傳感器表、原始數(shù)據(jù)表、工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)采集單元表以及用戶操作日志表等，其中傳感器信息表見表1。

表1 傳感器信息表

1.4 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)及功能簡(jiǎn)介

SMWS系統(tǒng)主要包括5大模塊：工程管理、數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)管理和幫助。

系統(tǒng)的整體框架見圖1，系統(tǒng)的登陸窗口和運(yùn)行主界面見圖2。

圖1 安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)整體框架

1.4.1 工程管理

工程管理模塊的主要功能是新建工程、打開工程及退出系統(tǒng)。

1.4.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理模塊的主要功能是導(dǎo)入數(shù)據(jù)、查詢?cè)紨?shù)據(jù)、項(xiàng)目信息查詢以及傳感器信息查詢。

導(dǎo)入數(shù)據(jù)的主要功能是將BGK-Logger數(shù)據(jù)采集軟件獲得的各類傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及有關(guān)信息導(dǎo)入SMWS系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)格式為Access數(shù)據(jù)庫(kù)，包括各類傳感器的序列號(hào)、原始觀測(cè)值以及相互關(guān)系等。查詢?cè)紨?shù)據(jù)的主要功能對(duì)各類傳感器的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，可以按照傳感器群組或傳感器的類型進(jìn)行查詢，也可以根據(jù)時(shí)間段進(jìn)行查詢。項(xiàng)目信息查詢主要功能是查詢傳感器群的平面圖及剖面圖并進(jìn)行修改。傳感器信息查詢主要功能是查詢傳感器信息，如序列號(hào)、率定表等信息并進(jìn)行有關(guān)信息修改，界面見圖3。

圖2 系統(tǒng)的登陸窗口和主界面

圖3 項(xiàng)目信息和傳感器信息查詢

1.4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析模塊是SMWS系統(tǒng)的核心，其主要功能是數(shù)據(jù)預(yù)處理、穩(wěn)定性分析及數(shù)據(jù)報(bào)表等。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要功能是對(duì)所有傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除粗差、數(shù)據(jù)修正等，包括：數(shù)據(jù)剔除、計(jì)算K值（靜力水準(zhǔn)儀重新校正使用）、數(shù)據(jù)修正、插入斷點(diǎn)、處理斷點(diǎn)、歷史數(shù)據(jù)的查詢、單曲線、多曲線以及數(shù)據(jù)輸出等。穩(wěn)定性分析的主要功能是計(jì)算各類傳感器的變形量，并進(jìn)行安全評(píng)估與預(yù)測(cè)，包括：計(jì)算變形量（或變化速率）、輸出變化速率、速率查詢、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)預(yù)警以及小波濾波等。數(shù)據(jù)報(bào)表的主要功能是按照傳感器群分別形成安全監(jiān)測(cè)報(bào)告，用于評(píng)估某一傳感器群的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性及所在建筑物的安全穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)預(yù)處理和穩(wěn)定性分析界面見圖4。

1.4.4 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊主要用于系統(tǒng)用戶管理、系統(tǒng)日志管理、報(bào)表管理以及數(shù)據(jù)庫(kù)備份／還原等功能。系統(tǒng)用戶管理用于增加或刪除用戶，以及修改用戶權(quán)限等。系統(tǒng)日志管理用于查詢所有用戶對(duì)系統(tǒng)所做操作。報(bào)表管理用于查詢及打印系統(tǒng)形成的監(jiān)測(cè)報(bào)表。數(shù)據(jù)庫(kù)備份／還原用于對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行備份或還原操作。系統(tǒng)用戶管理和報(bào)表管理界面見圖5。

1.4.5 幫助

幫助模塊功能是查詢軟件操作手冊(cè)等幫助以及系統(tǒng)的版權(quán)信息等。

SMWS系統(tǒng)的使用非常簡(jiǎn)單，按照系統(tǒng)的幫助文檔說明即可，一個(gè)簡(jiǎn)單的使用流程圖見圖6。

2 結(jié) 語(yǔ)

圖4 數(shù)據(jù)預(yù)處理和穩(wěn)定性分析界面

圖5 用戶管理和報(bào)表管理界面

圖6 SMWS系統(tǒng)使用簡(jiǎn)易流程圖

在工程項(xiàng)目安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步得到廣泛應(yīng)用，但隨之而來(lái)的海量數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)等均需要專用軟件的支持。我們結(jié)合輸電鐵塔安全監(jiān)測(cè)的科研項(xiàng)目，開發(fā)了能對(duì)BGK-Micro40自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀采集到的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理的輸電鐵塔安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)——SMWS，以彌補(bǔ)BGK-Logger數(shù)據(jù)采集軟件功能的不足，該系統(tǒng)的主要功能是對(duì)BGK-Micro40自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀采集到的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，以滿足輸電鐵塔安全監(jiān)測(cè)需要，該預(yù)警系統(tǒng)目前已經(jīng)使用，操作簡(jiǎn)單，能節(jié)省大量數(shù)據(jù)處理時(shí)間，自動(dòng)生成的圖表報(bào)告簡(jiǎn)潔明了，能有效提高效率和及時(shí)率。SMWS系統(tǒng)具有很好的拓展性，可進(jìn)一步考慮并行計(jì)算，以提高計(jì)算效率，或?qū)⒊Ｒ?guī)觀測(cè)技術(shù)納入該系統(tǒng)，以拓展其功能和應(yīng)用面，或?qū)⑵湟浦档焦ぷ髡净蚍?wù)器以滿足單位共享需求等。

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