基于大壩監(jiān)測(cè)軟件集成的大壩安全管理計(jì)劃

[西班牙]　S.奧佩 等

運(yùn)行與管理

基于大壩監(jiān)測(cè)軟件集成的大壩安全管理計(jì)劃

[西班牙]S.奧佩 等

摘要：為了高效利用大壩監(jiān)控系統(tǒng)，需要將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的信息，從而為業(yè)主提供能夠反映大壩安全等級(jí)的準(zhǔn)確信息。這些信息需要更新，并能供所有工程技術(shù)人員和大壩安全責(zé)任人訪問。研發(fā)了一款基于網(wǎng)頁的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)綜合管理應(yīng)用軟件，并可滿足不同業(yè)主的需求。介紹了該軟件在西班牙埃布羅河流域管理局管控的55座大壩超過6 a的應(yīng)用情況及所積累的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：大壩；大壩安全；監(jiān)控系統(tǒng)；系統(tǒng)應(yīng)用；埃布羅河流域管理局

監(jiān)測(cè)作為大壩安全監(jiān)控的一部分，在大壩安全架構(gòu)中起到了關(guān)鍵的作用，大壩安全監(jiān)測(cè)旨在管控風(fēng)險(xiǎn)，并通過早期識(shí)別可能導(dǎo)致大壩失事的安全隱患而降低失事風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，包括定期讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，通常情況下是根據(jù)國家和國際導(dǎo)則形成定期安全報(bào)告。在西班牙，年度報(bào)告和地震或洪水等特殊事件報(bào)告必須詳盡。同時(shí)，還需對(duì)大壩性狀進(jìn)行不間斷觀測(cè)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了許多不同的解決方案。然而，即使監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)性能很完美，如果不對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，也不能有效降低風(fēng)險(xiǎn)。因此，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)評(píng)估就顯得尤為重要。目的是將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為反映大壩狀態(tài)的有效信息，同時(shí)讓參與大壩安監(jiān)的人員都可以使用。為優(yōu)化這一過程，推薦這款集成了監(jiān)控任務(wù)各個(gè)方面的應(yīng)用軟件工具(見圖1)。

圖1　集成數(shù)據(jù)管理

本文介紹了DAMDATA軟件工具的主要功能，并使用該軟件對(duì)西班牙埃布羅(Ebro)河流域55座大型大壩的管理進(jìn)行研究。

1管理工具的要求及主要功能

近年來，信息工程的發(fā)展為大壩安全監(jiān)控領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的可能性，早在6 a前埃布羅河流域管理局就決定開發(fā)1款綜合管理工具。

為滿足對(duì)大壩安全管理的需求，選擇了1款基于網(wǎng)頁的解決方案，該方案可以在傳統(tǒng)網(wǎng)頁瀏覽器上運(yùn)行，不需要安裝其他軟件，因此可以避免與其他系統(tǒng)和軟件的兼容性問題。程序的更新和修改在服務(wù)器端進(jìn)行，不需要在用戶的電腦上進(jìn)行安裝。

因此，用戶可以實(shí)現(xiàn)如下多種功能。

(1) 所有的數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在中央數(shù)據(jù)庫，可避免老版本和不可處理或者無效數(shù)據(jù)帶來的困擾。

(2) 所有用戶，包括業(yè)主、大壩安全工程師、監(jiān)控專家、技術(shù)人員以及外部專家，都可同一時(shí)間訪問相同的數(shù)據(jù)。通過密碼和預(yù)先定義的用戶資料來控制對(duì)不同工具和數(shù)據(jù)的訪問，同時(shí)還可以設(shè)置多種讀寫權(quán)限控制。

(3) 所有擁有必要權(quán)限的用戶均可對(duì)系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行更改。

(4) 可通過移動(dòng)終端自動(dòng)上傳人工讀取的數(shù)據(jù)。反過來，可采用互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器手動(dòng)插入數(shù)據(jù)，在中央數(shù)據(jù)庫可以馬上使用上傳的數(shù)據(jù)。

(5) 主管工程師可以隨時(shí)從辦公室或通過任何有互聯(lián)網(wǎng)入口的設(shè)備來訪問最新數(shù)據(jù)，這項(xiàng)功能在一些特殊情況下非常有用。

圖2　系統(tǒng)配置原理

2傳感器設(shè)置

因每種傳感器提供的信息不同，其設(shè)置的主要目標(biāo)就集中在由原始數(shù)據(jù)所計(jì)算出的變量上面。例如，使用振弦式滲壓計(jì)的情況下，原始數(shù)據(jù)為頻率，用來計(jì)算孔隙壓力、測(cè)壓管高度及壓力和水庫水位之比。

可以用公式編輯器為每種變量單獨(dú)建立公式，允許融入常數(shù)項(xiàng)，例如材料常數(shù)或其他參考變量。采用此方法，幾乎可以配置各種廠家出產(chǎn)的任何類型及品牌的傳感器。對(duì)于需要復(fù)雜評(píng)估的傳感器，提供了特殊的算法。例如，混凝土結(jié)構(gòu)中的2D和3D變形單元的數(shù)據(jù)不僅用來表示變形，還可以用來計(jì)算迭代過程中主應(yīng)力的大小和方向。

可以設(shè)置各個(gè)變量在運(yùn)行、安全和緊急情況下的閾值，包括:

(1) 常數(shù)值。最大和最小閾值。

(2) 梯度。與先前讀數(shù)相關(guān)的變化。

(3) 函數(shù)。通過公式編輯器，可對(duì)方程進(jìn)行定義以加入溫度和水庫水位等其他變量的影響。

圖2為系統(tǒng)配置圖。

3數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)可以通過自動(dòng)或手動(dòng)錄入。在自動(dòng)系統(tǒng)中，軟件同本地采集系統(tǒng)中的軟件通信，依據(jù)預(yù)先確定的準(zhǔn)則更新數(shù)據(jù)。人工記錄的數(shù)據(jù)可以通過應(yīng)用中預(yù)定義的菜單手動(dòng)輸入，或者通過移動(dòng)設(shè)備導(dǎo)入。這也包括不同廠家，不同測(cè)量儀器的輸出文件，如傾斜儀、地形設(shè)備或加速儀的數(shù)據(jù)。為了簡化人工讀取，可將日?qǐng)?bào)、周報(bào)或者月報(bào)讀取結(jié)果打印出來，并將按指定順序讀取的傳感器數(shù)據(jù)列表排出。為了在現(xiàn)場(chǎng)直接確認(rèn)讀取結(jié)果，結(jié)果中包含了最后一次的讀數(shù)值。

4圖形可視化

對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的圖形可視化是評(píng)估監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的重要工具。因此，系統(tǒng)需要具備一定的靈活性以清楚地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)也能夠在不同參數(shù)及其演變中做細(xì)致比較。

DAMDATA允許在每次繪圖中進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置。除將數(shù)據(jù)作為時(shí)間的函數(shù)這一傳統(tǒng)方式以外，也可顯示同一路線沿大壩空間分布的數(shù)據(jù)。此外，將兩種不同變量的關(guān)系繪制成散點(diǎn)圖，用于分析外部變量(如溫度和庫水位)對(duì)控制變量的影響。

此外，可以將不同圖像排列在一張頁面上。因此，管控區(qū)域內(nèi)的所有傳感器可以相互比較或者單獨(dú)顯示來自某個(gè)傳感器的信息。除了圖表，其他草圖和符號(hào)規(guī)則等信息也可以添加到圖中。這種類型的圖表可對(duì)安全報(bào)告進(jìn)行清晰的解讀。

最新的數(shù)據(jù)可以在SCADA上可視化展現(xiàn)。除了實(shí)際值，也顯示了日期、時(shí)間和報(bào)警級(jí)別等附加信息。

5統(tǒng)計(jì)評(píng)估

在采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，獲取數(shù)據(jù)的完整時(shí)間序列非常有用。此外，還需獲取對(duì)控制變量有影響的水位、溫度和冰雹等外部變量。統(tǒng)計(jì)分析工具完全集成在DAMDATA軟件中，并可直接訪問最新的數(shù)據(jù)庫。

統(tǒng)計(jì)模型的思路是找到外部值和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)間的關(guān)系。就像在其他模型中一樣，該方法是基于以下3個(gè)基本部分考慮的： ①隨時(shí)間累積的影響； ②庫水位的影響；③年熱循環(huán)的影響。

模型允許用戶分割上述各個(gè)部分的影響，同時(shí)對(duì)主要變量特性的影響量化。此外，可以通過確定不同時(shí)間、溫度和庫水位組合的期望值來預(yù)報(bào)其行為。圖3為量水堰建模的例子。

圖3　重力拱壩在SCADA上的可視化(高程單位：m)

6在埃布羅河流域的應(yīng)用

全世界范圍內(nèi)已有超過150座大壩使用DAMDATA對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。該軟件在埃布羅河流域的應(yīng)用和運(yùn)行存在技術(shù)上和組織管理上的雙重挑戰(zhàn)。需要合并多種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)且可供不同地區(qū)的技術(shù)人員和工程師們使用。

在埃布羅河流域管理局的本地服務(wù)器上，DAMDATA是作為一個(gè)監(jiān)測(cè)大壩(SIGAP)的集成化監(jiān)控系統(tǒng)使用，在超過55座大型大壩的安全平臺(tái)中(GEISER)嵌入該系統(tǒng)，包括拱壩、重力壩、土壩，一些大壩的使用年限超過了100 a，另外一些于過去10 a完工，還有少數(shù)大壩尚在建造。

6.1研發(fā)和配置

擬用該軟件來完成監(jiān)測(cè)任務(wù)中的所有工作，在研發(fā)中需要很多不同的專家參與其中，包括大壩安全工程師、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員、設(shè)備和通信專家。必須綜合考慮他們的專業(yè)知識(shí)和工作方法，以達(dá)到良好的用戶體驗(yàn)。

除了完善軟件開發(fā)，還必須結(jié)合已安裝的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來設(shè)計(jì)1套特殊的方法。如前所述，埃布羅河流域各種不同類型的大壩都值得關(guān)注，其反映了已安裝的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多樣性。有一些安裝設(shè)備非常簡單且陳舊，其他則更新升級(jí)了數(shù)代，安裝了一些新傳感器使其可以完全自動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)，還要考慮到，這些設(shè)備來自國內(nèi)外不同的生產(chǎn)廠家。

根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的仔細(xì)檢查和分析，對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行了配置。重新調(diào)試了傳感器，并對(duì)所有的系統(tǒng)進(jìn)行了功能性分析，建立所有傳感器的控制箱。由此，可以對(duì)安裝細(xì)節(jié)、技術(shù)文檔和圖紙進(jìn)行分析并與大壩的現(xiàn)有情況對(duì)比，同時(shí)對(duì)用于大壩數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)變量計(jì)算的公式和常量作出修正。

對(duì)7 000個(gè)傳感器和25 000個(gè)變量進(jìn)行了設(shè)置。處理了近30 a的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并規(guī)范了符號(hào)規(guī)則。數(shù)據(jù)可以通過電子格式和紙質(zhì)表格形式呈現(xiàn)，同時(shí)導(dǎo)入或者傳送到系統(tǒng)中。在設(shè)置過程中，要保證數(shù)據(jù)的透明性和可追溯性。這樣做是為了保存原始數(shù)據(jù)和所有必要的公式，便于計(jì)算數(shù)據(jù)庫中的工程數(shù)據(jù)，并供用戶瀏覽和編輯數(shù)據(jù)。因此，可以對(duì)之后的計(jì)算進(jìn)行修改，同時(shí)有原始數(shù)據(jù)可供調(diào)用。有些大壩通過系統(tǒng)保留了幾十年的數(shù)據(jù)，且經(jīng)過了數(shù)次升級(jí)和重校。這就需要對(duì)公式進(jìn)行重新設(shè)置，綜合考慮各種參考值和常量。

此外，準(zhǔn)備了650張SCADA系統(tǒng)視圖并上傳了所選傳感器的平面圖和主視圖，以及每座大壩的斷面圖，展示了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和可視化傳感器的報(bào)警狀態(tài)。

在安全報(bào)告中，經(jīng)過調(diào)整后，3 800幅不同的圖像及其輸出，以清晰且有序的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了呈現(xiàn)，為數(shù)據(jù)的評(píng)估提供了必要信息?？梢砸訮DF格式批量輸出，能標(biāo)明一個(gè)預(yù)先設(shè)定的時(shí)段，并與大壩的年度安全報(bào)告相結(jié)合。

通過在整個(gè)流域使用該軟件，可在同一數(shù)據(jù)庫中對(duì)所有與大壩監(jiān)測(cè)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、添加和分組。

6.2實(shí)施與運(yùn)行

系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵在于能否被不同用戶接納。應(yīng)方便所有參與大壩安全監(jiān)測(cè)的專家使用，第一步是讓他們參與到整個(gè)開發(fā)過程中，第二步是介紹該系統(tǒng)的不同特點(diǎn)并激勵(lì)用戶使用它。因此，需要組織理論和實(shí)際培訓(xùn)會(huì)來說明監(jiān)測(cè)工作的重要性以及每個(gè)參與者在評(píng)估過程中的作用。從每個(gè)用戶的不同功能需求著手，組織有針對(duì)性的培訓(xùn)課程并制訂用戶手冊(cè)。

數(shù)據(jù)庫安裝在流域管理局的本地服務(wù)器上。通過VPN(虛擬個(gè)人網(wǎng)絡(luò))連接，可同時(shí)使用各種外部地址對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置和更新。

自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都是實(shí)時(shí)更新并可用的。因此，采用了為自動(dòng)水利信息系統(tǒng)(SAIH)安裝的網(wǎng)絡(luò)作為通信網(wǎng)絡(luò)，編寫了DAMDATA與SAIH間的接口程序。

人工采集數(shù)據(jù)通過大壩本地工作人員的自定義菜單直接插入到中央數(shù)據(jù)庫中。因此，在系統(tǒng)中為每座大壩設(shè)置了自定義列表和數(shù)據(jù)讀取方式(日、周、月和年)，并按照所要求的順序?qū)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行讀取。

根據(jù)每個(gè)用戶的責(zé)任和任務(wù)功能建立了用戶檔案。例如：主管工程師可以訪問所有的大壩并擁有所有讀寫權(quán)限。負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)的技術(shù)員只擁有其所工作范圍的訪問權(quán)限和數(shù)據(jù)上傳的功能權(quán)限。

為實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，對(duì)運(yùn)行手冊(cè)和緊急動(dòng)作計(jì)劃中的很多閾值都進(jìn)行了設(shè)置，并不斷與自動(dòng)和手動(dòng)采集的數(shù)據(jù)作比較。超過閾值的數(shù)據(jù)作好標(biāo)記，系統(tǒng)通過電子郵件或者短信(SMS)通知管理人員,所有系統(tǒng)發(fā)出的報(bào)警都由報(bào)警管理員管理。

當(dāng)前，超過100位參與大壩安全管理的工程師、技術(shù)人員和其他工作人員都可訪問數(shù)據(jù)，在過去的4 a中，該系統(tǒng)輸出超過200份年報(bào)以及50多份專題報(bào)告。

在2010年的地震以后，大壩業(yè)主和外部專家都可以及時(shí)、方便地訪問最新數(shù)據(jù)。在很短時(shí)間內(nèi)，受影響大壩監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)被讀取并上傳到系統(tǒng)中?？梢钥焖偕蓪ｎ}報(bào)告，并對(duì)可能采取的應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行決策。

7結(jié)論

DAMDATA是一款功能完善的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估和管理工具。采用集中式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理，并通過互聯(lián)網(wǎng)輕松且靈活訪問監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所有信息，能以更為有效且安全的方式管理大壩。通過提供多樣的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，可以有針對(duì)性地對(duì)大壩性狀進(jìn)行闡釋和展現(xiàn)。

該軟件在埃布羅河流域的應(yīng)用表明，從數(shù)據(jù)采集過程到輸出安全報(bào)告，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)估過程明顯優(yōu)化，加強(qiáng)了對(duì)大壩狀況的連續(xù)監(jiān)測(cè)與掌控。通過在整個(gè)流域內(nèi)應(yīng)用該工具，可以在單一數(shù)據(jù)庫內(nèi)對(duì)所有與大壩監(jiān)測(cè)相關(guān)的信息進(jìn)行更新和整理。

然而，還需要有一個(gè)良好的維護(hù)計(jì)劃，對(duì)所有部件進(jìn)行有效維護(hù)，才能建立一個(gè)高效實(shí)用的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為大壩安全監(jiān)測(cè)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

張卓然鄒瑜譯

(編輯:李慧)

長江經(jīng)濟(jì)帶將建生態(tài)保護(hù)補(bǔ)償機(jī)制

國家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部近日聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)長江黃金水道環(huán)境污染防控治理的指導(dǎo)意見》，明確將充分發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制作用，建立長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)保護(hù)補(bǔ)償機(jī)制。

在加強(qiáng)長江黃金水道環(huán)境污染防控治理中，將充分發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制的作用，加大對(duì)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)轉(zhuǎn)移支付力度，逐步提高轉(zhuǎn)移支付系數(shù)和生態(tài)保護(hù)支出標(biāo)準(zhǔn)。建立以干流跨界斷面水質(zhì)為主、向中上游地區(qū)傾斜的補(bǔ)償資金分配標(biāo)準(zhǔn)，形成長江干流補(bǔ)償制度。支持重要支流上下游采取資金補(bǔ)助、產(chǎn)業(yè)扶持、人才培訓(xùn)、共建園區(qū)等方式開展橫向生態(tài)保護(hù)補(bǔ)償試點(diǎn)。

(本刊摘編)

收稿日期：2016-02-15

文章編號(hào)：1006-0081(2016)04-0031-04

中圖法分類號(hào)：TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A