淺談中小型水庫(kù)自動(dòng)化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱云海

摘 要：水利工程的建設(shè)對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展安全具有重要戰(zhàn)略意義。而在水利工程中，水庫(kù)水情及大壩的自動(dòng)化檢測(cè)監(jiān)控技術(shù)對(duì)保障水庫(kù)大壩的整體性安全具有重要的地位。本文針對(duì)我國(guó)中小型水庫(kù)的實(shí)際情況，結(jié)合傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及人工智能技術(shù)構(gòu)建了現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)智能監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有水情動(dòng)態(tài)采集、壩情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)挖掘、智能管理等功能。

關(guān)鍵詞：水情;大壩監(jiān)測(cè);水位控制;數(shù)據(jù)挖掘;人工智能。

1.引言

我國(guó)地勢(shì)情況復(fù)雜，氣候條件多變，臺(tái)風(fēng)、干旱及洪澇等自然災(zāi)害一直是威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要隱患。隨著我國(guó)綜合實(shí)力的不斷增強(qiáng)，為了促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)了很多國(guó)際先進(jìn)的水庫(kù)大壩，但同時(shí)依然有很多在20世紀(jì)90年代及以前建成的中小型水庫(kù)，受限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件，在壩體監(jiān)測(cè)、水庫(kù)管理、配套設(shè)施等多方面都存在不足。 2011年，“十二五”水利規(guī)劃將水安全提升到了國(guó)家戰(zhàn)略，全面推進(jìn)了水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，并不斷升華著治水理念。水情監(jiān)測(cè)作為預(yù)防洪澇、干旱發(fā)生的重要手段，其檢測(cè)的精準(zhǔn)性與時(shí)效性便顯得尤為重要。開發(fā)水情自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有周期短、投資少、效益高等優(yōu)勢(shì)，受到很多國(guó)家的青睞[1]。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)傳感器技術(shù)對(duì)水庫(kù)水位及水庫(kù)壩體狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)當(dāng)?shù)貧v史水文數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，并結(jié)合實(shí)時(shí)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，及時(shí)預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。通過(guò)自動(dòng)化、人工智能技術(shù)對(duì)水庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)化控制管理;通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及時(shí)對(duì)相關(guān)人員推送警示系統(tǒng)，添加視頻監(jiān)視系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)與抗洪指揮部聯(lián)網(wǎng)，并注重防雷電改造措施。具體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1水位、壩體等監(jiān)測(cè)采集

此模塊中的數(shù)據(jù)采集功能主要有傳感器系統(tǒng)、運(yùn)放器、A/D轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集功能主要由水位傳感器、溫濕度傳感器、雨量傳感器、電磁流量計(jì)算器、滲流量?jī)x、振弦式傳感器等進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)采集。運(yùn)放器主要是將mV級(jí)的微弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為4mA—20mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出。A/D轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)主要將傳感器采集的各類模擬數(shù)據(jù)輸入經(jīng)過(guò)內(nèi)部機(jī)制轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到人工智能自動(dòng)化控制中心。

3.2數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是人工智能和數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，是一種深層次的數(shù)據(jù)分析方法，數(shù)據(jù)挖掘主要是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，揭示出隱含的、未知的潛在價(jià)值的信息，或者通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的比對(duì)預(yù)測(cè)出可能發(fā)生的一些信息，數(shù)據(jù)挖掘是一種決策支持的過(guò)程。通過(guò)對(duì)水庫(kù)歷史數(shù)據(jù)老舊數(shù)據(jù)的整理、清洗，轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，定義數(shù)據(jù)挖掘方向，建立數(shù)據(jù)挖掘分析庫(kù)，并結(jié)合水庫(kù)具體情況建立模型，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、決策樹法、關(guān)聯(lián)規(guī)則法等經(jīng)典算法進(jìn)行分析處理。根據(jù)當(dāng)時(shí)水文情況及時(shí)作出預(yù)判和發(fā)現(xiàn)未知的價(jià)值規(guī)律，并及時(shí)傳送至人工智能自動(dòng)化控制中心。

3.3閘門控制系統(tǒng)

閘門控制系統(tǒng)主要由閘門動(dòng)力控制中心、閘門位置數(shù)據(jù)采集裝置、閘門水位采集裝置、閘門手動(dòng)控制裝置以及閘門控制中心組成。閘門動(dòng)力控制中心主要對(duì)閘門的開閉進(jìn)行動(dòng)力控制，閘門位置數(shù)據(jù)采集裝置主要負(fù)責(zé)采集閘門實(shí)時(shí)位置信息并傳到閘門控制中心實(shí)時(shí)顯示，閘門水位采集裝置主要對(duì)閘門內(nèi)外水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，閘門手動(dòng)裝置作為備用設(shè)備，在自動(dòng)化控制設(shè)備出現(xiàn)故障或其他情況下使用，通過(guò)人工操作閘門，閘門控制中心主要是實(shí)時(shí)收集各項(xiàng)采集數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)定程序控制閘門，并實(shí)時(shí)將處理數(shù)據(jù)發(fā)送至人工智能自動(dòng)化控制中心進(jìn)行監(jiān)控。

3.4預(yù)警信息發(fā)送

水庫(kù)都會(huì)定期或不定期都會(huì)進(jìn)行開閘泄洪工作，以確保水庫(kù)在一個(gè)合理的水位。在開閘泄洪之前及時(shí)有效警示水庫(kù)周邊及受影響的下游人民群眾的工作尤為重要。本模塊主要分為庫(kù)區(qū)聲光警示系統(tǒng)、庫(kù)區(qū)下游地區(qū)目標(biāo)單位消息傳送和指定區(qū)域移動(dòng)終端消息推送三個(gè)方面。庫(kù)區(qū)聲光警示系統(tǒng)重要是通過(guò)分布在各處的聲光報(bào)警器以及高分貝擴(kuò)音器進(jìn)行預(yù)報(bào)提醒。庫(kù)區(qū)下游地區(qū)目標(biāo)單位消息傳送及時(shí)將預(yù)警信息發(fā)送各目標(biāo)單位信息接收終端，及時(shí)提醒。指定區(qū)域移動(dòng)終端消息推送主要是通過(guò)水庫(kù)附近基站根據(jù)要求自動(dòng)將預(yù)警信息根據(jù)要求發(fā)送至指定區(qū)域移動(dòng)終端，進(jìn)行消息提醒。

3.5視頻監(jiān)視

視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要包括前端視頻攝像設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、視頻數(shù)據(jù)分析設(shè)備。前端攝像設(shè)備主要由高清攝像頭組成，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵位置實(shí)時(shí)監(jiān)視，比如水庫(kù)閘門、防雷電設(shè)施、大壩重要位置等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視。視頻數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)到存儲(chǔ)設(shè)備中，以防后續(xù)調(diào)用分析。視頻數(shù)據(jù)分析設(shè)備主要是實(shí)時(shí)比對(duì)視頻信息，發(fā)現(xiàn)差異及時(shí)存儲(chǔ)，并上報(bào)人工智能自動(dòng)化控制中心，同時(shí)根據(jù)異常信息進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)處理生成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)供數(shù)據(jù)挖掘分析處理。

3.6設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)

設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)主要包括設(shè)備自檢、各設(shè)備運(yùn)行終端狀態(tài)詢問(wèn)和異常數(shù)據(jù)智能分析等。設(shè)備自檢主要是指各設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)要求對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，查看設(shè)備運(yùn)行環(huán)境是否正常，設(shè)備啟動(dòng)是否正常。各設(shè)備運(yùn)行終端狀態(tài)詢問(wèn)主要是通過(guò)心跳的方式定時(shí)對(duì)各設(shè)備運(yùn)行終端進(jìn)行詢問(wèn)，參考是否有應(yīng)答或者應(yīng)答是否正確以及應(yīng)答的時(shí)間是否異常來(lái)判斷設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。異常數(shù)據(jù)智能分析主要是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)以及水庫(kù)環(huán)境對(duì)當(dāng)前采集數(shù)據(jù)值進(jìn)行分析，判斷是否大于偏離的合理值，來(lái)確認(rèn)設(shè)備是否正常工作。

3.7人工智能自動(dòng)化控制中心

人工智能自動(dòng)化控制中心是本系統(tǒng)的核心，可以對(duì)水庫(kù)的各項(xiàng)事務(wù)進(jìn)行自動(dòng)化控制。主要包括硬件平臺(tái)以及一套監(jiān)控軟件。通過(guò)監(jiān)控軟件的人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示各系統(tǒng)的傳送的數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，通過(guò)人機(jī)界面可以對(duì)水庫(kù)各種設(shè)備進(jìn)行全面管理、控制，各項(xiàng)參數(shù)通過(guò)控制中心可以實(shí)時(shí)傳送到防洪指揮中心。

3.8，系統(tǒng)防雷電措施

一般來(lái)說(shuō)，水利設(shè)施大多地勢(shì)較高，極易受到雷電的襲擊，特別是汛期雷電比較多的時(shí)期，雷擊會(huì)對(duì)水利自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成不利影響。因此，水利自動(dòng)化系統(tǒng)需要進(jìn)行防雷避雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保障系統(tǒng)作用的發(fā)揮[2]。

為避免直接雷擊，一般可設(shè)置避雷針、避雷線，前者用于建筑物、野外的電器設(shè)備等保護(hù)，后者可用以輸電線路的保護(hù)。建筑物或電器設(shè)備使用避雷針幾乎可以不受雷電直擊，但是無(wú)法避免感應(yīng)雷擊。如何減少感應(yīng)過(guò)電壓對(duì)系統(tǒng)的破壞，是大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)防雷干擾的關(guān)鍵所在。

水庫(kù)地勢(shì)開闊，屬高雷電發(fā)生區(qū)。為系統(tǒng)避免雷擊事故發(fā)生，系統(tǒng)采取以下幾條防雷措施：

1）盡量縮短現(xiàn)場(chǎng)傳感器與計(jì)算機(jī)控制中心的連接線距離，所有連接線都通過(guò)地溝鋪設(shè)，這樣可基本避免感應(yīng)雷擊事故。

2）對(duì)監(jiān)測(cè)中心站外接天線、太陽(yáng)能裝置均附加接地良好的避雷裝置，可有效避免直接雷擊事故的發(fā)生。

3）各監(jiān)測(cè)儀器電源接口、對(duì)外連接端口設(shè)計(jì)有防雷、防靜電隔離電路，增強(qiáng)設(shè)備抗雷擊性能。

4）室外傳輸電纜應(yīng)加繼電器保護(hù)。

在安裝避雷器時(shí)，由于避雷器起到分流雷擊電流（雷電）入地泄放作用，所以避雷器與地相連的線應(yīng)選用多股線，同時(shí)連接線越短越好，若連接線增長(zhǎng)1m，其避雷器殘壓值將增加1000V，難以保護(hù)重要設(shè)備。因此，站房?jī)?nèi)設(shè)等電位公共接地環(huán)網(wǎng)和各類需要設(shè)有保護(hù)接地的設(shè)備和線路，可以做到就近接地，以免因設(shè)計(jì)和施工問(wèn)題而影響防雷效果[3]。

4.結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)我國(guó)中小型水庫(kù)的實(shí)際情況，結(jié)合傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及人工智能技術(shù)構(gòu)建了現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)智能監(jiān)控管理系統(tǒng)。詳述了系統(tǒng)總體架構(gòu)及相關(guān)子系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)挖掘、設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、防雷擊措施等。實(shí)現(xiàn)了壩情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與水情的動(dòng)態(tài)管理，有助于提高了我國(guó)中小型水庫(kù)的自動(dòng)化監(jiān)控水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚蓓蓓.汾河二庫(kù)水情自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].太原理工大學(xué).2018.06

[2]王夢(mèng)旭，林思群.現(xiàn)代水利自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].江蘇科技信息.2018.04

[3]胡國(guó)軍，錢鏵，付曉艷.遼陽(yáng)湯河水庫(kù)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站雷電防護(hù)系統(tǒng)[J].遼寧氣象.2004.11