紅山嘴引水樞紐大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)

王玫麗

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 830000)

紅山嘴引水樞紐大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)

王玫麗

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 830000)

本文介紹了瑪納斯紅山嘴引水樞紐大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，指出該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大壩內(nèi)部滲流與外部變形的自動化監(jiān)測，闡述了大壩安全監(jiān)測的成果，認(rèn)為該系統(tǒng)在提高大壩安全管理水平的同時，還大大降低了人員的勞動強(qiáng)度。

引水樞紐;大壩安全監(jiān)測;安全監(jiān)控系統(tǒng);自動化

紅山嘴引水樞紐(以下簡稱渠首站)位于石河子市東南18 km的瑪納斯河出山口的位置，于1959年完工，是灌區(qū)的核心控制性引水樞紐，渠首樞紐分為上游整治段、溢流側(cè)堰、進(jìn)水閘、泄洪沖沙閘、下游整治段，及總干渠和曲線沉沙池等幾大部分。功能多樣，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)灌溉、防洪、發(fā)電、水庫引水，同時還能承擔(dān)城市供水功能。然而在運(yùn)行過程中，因?yàn)橐蔬^高，沖沙水比較少，以致閘后出現(xiàn)嚴(yán)重的淤積，對引水能力造成了一定影響，并威脅到引水安全。為了徹底改變這種現(xiàn)狀，必須進(jìn)行除險(xiǎn)加固工作，使渠首樞紐引水能力得以恢復(fù)，提高渠首樞紐安全運(yùn)行能力和信息化管理能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測站布設(shè)

內(nèi)部觀測系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)地監(jiān)測采集設(shè)備共計(jì)60支，其中進(jìn)水閘及泄洪沖沙閘配置無應(yīng)力計(jì)3支、兩向應(yīng)變計(jì)8支、鋼筋計(jì)26支、滲壓計(jì)4支、測縫計(jì)1支；泄洪閘配置兩向應(yīng)變計(jì)5支、鋼筋計(jì)10支、滲壓計(jì)2支、測縫計(jì)1支。見圖1。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分析

經(jīng)過對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與論證，歸納出系統(tǒng)功能主要由三部分組成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理及大壩可靠性監(jiān)測，這些功能主要依靠系統(tǒng)對于各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理來實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)功能

數(shù)據(jù)的采集與管理是本系統(tǒng)最基礎(chǔ)也是最核心的功能，同時可以實(shí)現(xiàn)對大壩安全性能的監(jiān)測，對監(jiān)測模型數(shù)據(jù)采集之后進(jìn)行分析，并將產(chǎn)生的分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)時發(fā)布。

2.1 數(shù)據(jù)采集與管理

此次研究突破了采集計(jì)算機(jī)通過RS232串口與采集單元進(jìn)行連接時，只能一臺采集計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)采集控制的局限性，創(chuàng)新性的利用網(wǎng)絡(luò)解決了這一難題。采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對各個分站系統(tǒng)進(jìn)行管理，同時以實(shí)際情況為基礎(chǔ)，對通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，使工作人員的采集控制更加便捷。該系統(tǒng)不僅可以將各個監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)際情況以視頻的形式顯示出來，還能精準(zhǔn)的收集各個監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，保證樞紐管理中心與監(jiān)測點(diǎn)之間具有良好的通信功能。相關(guān)工作人員只要按照要求就可以隨時獲得各個監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而為數(shù)據(jù)分析與記錄奠定基礎(chǔ)，同時也可以將重要數(shù)據(jù)備份，進(jìn)而為日后監(jiān)測工作的開展提供了可能。為進(jìn)一步做好數(shù)據(jù)采集與管理，高清平臺也被應(yīng)用進(jìn)來，有效強(qiáng)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，該平臺的應(yīng)用在一定程度上提高了數(shù)據(jù)采集與管理能力，滿足了實(shí)際應(yīng)用需求[1]。因此，應(yīng)重視該問題的分析與應(yīng)用，只有這樣才能做好數(shù)據(jù)采集與管理。

圖1 內(nèi)部觀測系統(tǒng)示意圖

2.2 組網(wǎng)設(shè)置

在本系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)置中，主要采用了分中心站組網(wǎng)與通信組網(wǎng)兩種方式。對于中心站組網(wǎng)來說，是一種以快速以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的局域網(wǎng)絡(luò)，具有良好的實(shí)時傳輸能力，該網(wǎng)不僅可以實(shí)時采集數(shù)據(jù)，還能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測。主要是通過設(shè)置服務(wù)器完成數(shù)據(jù)存儲平臺構(gòu)建，這樣就為數(shù)據(jù)存儲平臺業(yè)務(wù)的開展奠定了基礎(chǔ)，一般來講，它是促進(jìn)信息集成的有效方式。對于通信組網(wǎng)來說，它主要是將各個采集點(diǎn)數(shù)據(jù)匯集到閘房中，然后在閘房的作用下將信號傳輸?shù)焦饫w與分站中，以此完成數(shù)據(jù)傳輸與通信。為實(shí)時了解觀測點(diǎn)實(shí)際情況，還需要設(shè)置好監(jiān)控室，所以該系統(tǒng)中設(shè)置了多個監(jiān)控室，在其中設(shè)置兩臺閘門與監(jiān)控主機(jī)，這樣就可以做好監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時處理[2]。此外，該系統(tǒng)的設(shè)備內(nèi)部接線均是在工廠中完成的，所有設(shè)備的接線在出廠前都經(jīng)過多次檢查，接線均采用耐熱性與絕緣性較好的材料，并設(shè)置了防火槽管保護(hù)，所有導(dǎo)線中間沒有接頭，有效減少了短路等問題的出現(xiàn)。同時，系統(tǒng)的接地設(shè)置采用了公用接地網(wǎng)接地的方式，其電阻不超過4 Ω[3]。

2.3 壩體安全監(jiān)測觀測模型

本系統(tǒng)構(gòu)建了多個內(nèi)外部分析模型，在對大壩進(jìn)行監(jiān)測的過程當(dāng)中，構(gòu)建了豎向位移模型、漏測豎向位移量估算模型、豎向位移速率分析模型、裂縫風(fēng)險(xiǎn)分析模型、橫向水平位移逐步回歸因子模型等；在滲流觀測中，建立了滯后時間推算模型、相關(guān)分析模型、位勢分析模型、斷面滲流浸潤線及流網(wǎng)分析模型和滲流量分析模型等。

通過對一系列模型的構(gòu)建，可以隨時監(jiān)測大壩變形規(guī)律及穩(wěn)定性情況，對于壩體的安全性及后續(xù)研究都提供了可靠的一手資料。

2.4 大壩監(jiān)測成果的發(fā)布

近年來，水利信息技術(shù)發(fā)展迅速，C/S模式系統(tǒng)在實(shí)際工作中已經(jīng)明顯跟不上水利行業(yè)的發(fā)展速度，新的WEB發(fā)布系統(tǒng)的開發(fā)迫在眉睫，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析成果的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)布。

本系統(tǒng)技術(shù)框架以JSP為基礎(chǔ)，通過對內(nèi)部網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)為媒介進(jìn)行發(fā)布，同時將分析結(jié)果進(jìn)行上傳、發(fā)布。作為水庫會商支持系統(tǒng)的體現(xiàn)，目前系統(tǒng)已經(jīng)成功投入應(yīng)用并運(yùn)行。同時，在系統(tǒng)中還應(yīng)用了閘門PLC控制軟件(如圖2所示)，在該軟件的作用下全面實(shí)現(xiàn)了信息準(zhǔn)確監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時傳輸，同時也有效強(qiáng)化了自動接收控制能力，不僅可以最大程度的減少超調(diào)量，還能有效減少系統(tǒng)震蕩的出現(xiàn)，進(jìn)而及時、準(zhǔn)確的確定目標(biāo)。

圖2 閘門現(xiàn)地監(jiān)控軟件系統(tǒng)

3 系統(tǒng)運(yùn)行評價

本系統(tǒng)具備一定的先進(jìn)性、可靠性、通用性、可擴(kuò)充性等突出優(yōu)點(diǎn)，以全自動化的方式實(shí)現(xiàn)了對石壩的安全監(jiān)測與評價，大大降低了在人力上的投入，尤其在觀測數(shù)據(jù)的實(shí)時性與準(zhǔn)確性上大幅提升，最大程度避免了人為因素對觀測效率及準(zhǔn)確性所造成的影響，使樞紐大壩在管理、運(yùn)行的安全性能方面向前跨出一大步。同時，在大壩自動化監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展上也有了很好的嘗試。大壩的安全管理與運(yùn)行水平得到大幅提升。并且，其在壩體內(nèi)部監(jiān)測的多機(jī)遠(yuǎn)程采集與全站儀觀測壩體外部變形遠(yuǎn)程自動監(jiān)測中的創(chuàng)新性嘗試也得到了很好的效果。現(xiàn)將對其研究和開發(fā)總結(jié)如下。

(1)首先要認(rèn)識到對于土石壩的安全性來講，監(jiān)測站的設(shè)置與自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)意義重大。其對于土石壩自動化安全監(jiān)測及評價具有舉足輕重的作用。

(2)利用數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠共享采集到的數(shù)據(jù)，從而使大部分工作需求得以滿足，減少人力投入，有效降低了工程的造價與成本，具有突出的推廣價值。

(3)根據(jù)實(shí)際工作需要，對全站儀進(jìn)行了二次開發(fā)，以順應(yīng)樞紐大壩外部變形監(jiān)測的實(shí)際需求，全面提升了自動化的程度與水平，同時大幅提升數(shù)據(jù)采集速度及監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

(4)WEB成果網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)分析成果與采集數(shù)據(jù)的共享，促進(jìn)了水庫的信息化管理水平，為進(jìn)一步了解水庫實(shí)時情況提供了可能。

總的來說，該系統(tǒng)整體效果較好，其中融合大量先進(jìn)技術(shù)，是目前較為先進(jìn)的系統(tǒng)，能夠滿足實(shí)際需求，因此，應(yīng)重視該系統(tǒng)的應(yīng)用。

4 結(jié) 論

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心目的不是監(jiān)測，而是通過系統(tǒng)的運(yùn)用，對建筑物的可靠性進(jìn)行監(jiān)測與分析，最終確定其狀態(tài)與安全程度。此系統(tǒng)在水利領(lǐng)域的應(yīng)用，充分突出了其對水情傳遞的速度、準(zhǔn)確率、可靠性等方面的優(yōu)勢，從而推動了水閘現(xiàn)代化的管理與運(yùn)行水平，大幅度提升了社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 安健,李慧敏. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云技術(shù)的大壩安全管理[J]. 水利建設(shè)與管理,2015(6):57-60.

[2] 楊杰,胡德秀,梁德勝. 大壩安全監(jiān)測管理信息系統(tǒng)開發(fā)研究[J]. 中國水能及電氣化,2011(8):1-6.

[3] 石寧. 南溝水庫大壩防滲漏洞和跌窩除險(xiǎn)方案探析[J]. 水資源開發(fā)與管理,2016(6):24-26.

王玫麗(1978-)，女，新疆石河子人，工程師，主要從事水利管理與水利信息化建設(shè)工作。E-mail:462541477@qq.com。

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