安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)在錦繡川水庫(kù)中的應(yīng)用

李 偉，金增報(bào)

（濟(jì)南市錦繡川水庫(kù)管理處，山東 濟(jì)南 250112）

濟(jì)南市錦繡川水庫(kù)1970年建成，水庫(kù)大壩為拱形漿砌石重力壩，高47.38m，長(zhǎng)378m，設(shè)10孔溢流閘門(mén)。2000年，投資2184萬(wàn)元，對(duì)原水庫(kù)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固，提高了防洪、城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉、水利發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖能力，為濟(jì)南市生產(chǎn)生活用水及環(huán)境改善做出了巨大貢獻(xiàn)。但目前水庫(kù)在管理運(yùn)行過(guò)程中仍存在如下問(wèn)題：一是水庫(kù)大壩缺少安全監(jiān)測(cè)設(shè)施，現(xiàn)狀位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)不符合規(guī)范要求；二是作為國(guó)家級(jí)重要飲用水水源地，水庫(kù)庫(kù)區(qū)缺少視頻監(jiān)控，不能實(shí)時(shí)監(jiān)視影響庫(kù)區(qū)水安全的行為；三是水庫(kù)管理處未建設(shè)中心網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，缺少數(shù)據(jù)及信息共享交換平臺(tái)；四是水庫(kù)管理處缺少調(diào)度會(huì)商系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)水庫(kù)管理信息集中展示和調(diào)度。為此，盡快實(shí)施水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)非常必要。

1 實(shí)施原則

錦繡川水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)涉及面廣、綜合調(diào)度集成度高，為了確保工程能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，在水庫(kù)后期的防洪與供水運(yùn)行中發(fā)揮重要的作用，在工程實(shí)施時(shí)遵循了以下原則：

1.1 成熟性和實(shí)用性

采用成熟和實(shí)用的技術(shù)和設(shè)備，最大限度地滿(mǎn)足水庫(kù)管理處現(xiàn)在的功能需求和未來(lái)管理處工作發(fā)展的需求，采用集中管理控制的模式。按照實(shí)際需要來(lái)分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的子系統(tǒng)，在滿(mǎn)足功能要求和技術(shù)指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，堅(jiān)持實(shí)用化，充分滿(mǎn)足管理工作的需要。

1.2 先進(jìn)性和開(kāi)放性

充分考慮水庫(kù)綜合調(diào)度發(fā)展的趨勢(shì)，利用國(guó)內(nèi)外較成熟的先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，保證系統(tǒng)在近幾年的先進(jìn)性。充分考慮單位的信息發(fā)展規(guī)劃，使系統(tǒng)與未來(lái)擴(kuò)展的設(shè)備具有互連性與互操作性，開(kāi)放性的融入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

1.3 可維護(hù)性和可擴(kuò)展性

為系統(tǒng)以后的升級(jí)預(yù)留空間，系統(tǒng)維護(hù)是整個(gè)系統(tǒng)生命周期中所占比例最大的，充分考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理、規(guī)范，確保對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)可以在很短時(shí)間內(nèi)完成。

1.4 安全性、可靠性和容錯(cuò)性

整個(gè)系統(tǒng)必須要具有極高的安全性、可靠性和容錯(cuò)性。

2 系統(tǒng)功能介紹

2.1 水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)

水庫(kù)建成至今已40多年，未進(jìn)行過(guò)全面的清淤工作，庫(kù)區(qū)的淤積量未從庫(kù)容中去除，現(xiàn)狀庫(kù)容曲線(xiàn)不符合實(shí)際工程情況。

根據(jù)水庫(kù)管理需求，在對(duì)庫(kù)容進(jìn)行重新測(cè)量、標(biāo)定的基礎(chǔ)上，在平臺(tái)上開(kāi)發(fā)功能模塊，采集水庫(kù)水位數(shù)據(jù)，根據(jù)重新實(shí)測(cè)的庫(kù)區(qū)1∶500地形圖，校核庫(kù)容變量，生成水位～庫(kù)容曲線(xiàn)，實(shí)時(shí)顯示庫(kù)容情況。主要工作內(nèi)容有：1）庫(kù)區(qū)防洪水位線(xiàn)以下地形測(cè)量(包括水下地形測(cè)量)，共測(cè)量地形圖2.52km2。2）編制錦繡川水庫(kù)庫(kù)區(qū)測(cè)量報(bào)告，并根據(jù)測(cè)量成果繪制庫(kù)區(qū)等高線(xiàn)圖，生成現(xiàn)狀水庫(kù)庫(kù)容曲線(xiàn)表、圖。3）開(kāi)發(fā)庫(kù)容曲線(xiàn)測(cè)報(bào)模塊軟件，在平臺(tái)上顯示庫(kù)容實(shí)況。

通過(guò)研究范圍內(nèi)的降雨產(chǎn)流和下墊面匯流，管理人員在頁(yè)面中確定降雨分配等計(jì)算條件，系統(tǒng)調(diào)用后臺(tái)的產(chǎn)匯流模型計(jì)算庫(kù)區(qū)降雨過(guò)程，可在地圖頁(yè)面中進(jìn)行產(chǎn)匯流成果的查看。基于流域洪水預(yù)報(bào)模型，通過(guò)優(yōu)化方法對(duì)流域歷史洪水資料進(jìn)行模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的率定，得到符合水庫(kù)流域?qū)嶋H情況的水文模型參數(shù)，對(duì)入庫(kù)流量進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，預(yù)測(cè)洪水行進(jìn)過(guò)程，提高預(yù)報(bào)精度。并根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果提出優(yōu)化的調(diào)度方案，為水庫(kù)防洪調(diào)度提供技術(shù)支撐。同時(shí)系統(tǒng)基于濟(jì)南智慧水務(wù)應(yīng)用平臺(tái)軟件標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)，可接入智慧水務(wù)業(yè)務(wù)平臺(tái)，提高水庫(kù)管理效能。

2.2 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1）壩體變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在水庫(kù)大壩建設(shè)壩體變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用先進(jìn)的衛(wèi)星定位技術(shù)對(duì)壩體橫向和縱向形變進(jìn)行精確不間斷測(cè)量，生成壩體形變過(guò)程參數(shù)；進(jìn)行大壩壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)，通過(guò)埋設(shè)滲壓計(jì)或測(cè)壓管進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保障水庫(kù)大壩安全運(yùn)行。根據(jù)錦繡川的現(xiàn)狀條件，大壩附近地質(zhì)條件良好，有一定的基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)建設(shè)條件，同時(shí)考慮到GNSS具有速度快、精度高、全天候等優(yōu)點(diǎn)，管理處選擇全站儀、GNSS和水準(zhǔn)儀作為錦繡川水庫(kù)大壩的安全監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2）壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。錦繡川水庫(kù)壩體建設(shè)時(shí)并未設(shè)置揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)設(shè)施，管理處對(duì)水庫(kù)大壩設(shè)置測(cè)壓管，配置跟蹤式智能滲壓遙測(cè)儀對(duì)測(cè)壓管水位自動(dòng)觀測(cè)。采用跟蹤式監(jiān)測(cè)控制技術(shù)，實(shí)時(shí)感知水面的位置并能跟蹤水面變化，將水面的位置信息轉(zhuǎn)換為水位數(shù)據(jù)顯示上傳。設(shè)備集水位智能感知、變化跟蹤、數(shù)據(jù)采集處理、無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、自供電等一體化設(shè)計(jì)，具有低功耗、抗雷擊、抗干擾、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠，不受水質(zhì)泥沙等因素影響等特點(diǎn)。

通過(guò)該系統(tǒng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)狀壩基揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)和不定時(shí)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)；對(duì)壩基揚(yáng)壓力作用狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)定性定量的簡(jiǎn)明分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷面的揚(yáng)壓力變化曲線(xiàn)以及數(shù)據(jù)報(bào)表等；對(duì)大壩揚(yáng)壓力突變情況預(yù)報(bào)和報(bào)警。

2.3 閘門(mén)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

錦繡川水庫(kù)先后建設(shè)了液壓?jiǎn)㈤]機(jī)閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)、水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為水庫(kù)管理提供了便利。目前各系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，但單個(gè)系統(tǒng)間相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)互融互通，不能發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值，因此將建設(shè)統(tǒng)一的水庫(kù)閘門(mén)調(diào)度管理系統(tǒng)，從功能上將水庫(kù)設(shè)備監(jiān)測(cè)控制、水位庫(kù)容計(jì)算分析、工程管理、防洪預(yù)案等相關(guān)業(yè)務(wù)流程及自動(dòng)化管理有序融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互享，并為水務(wù)大數(shù)據(jù)建設(shè)提供數(shù)據(jù)。

水庫(kù)已建溢洪閘的閘門(mén)開(kāi)度通過(guò)同軸式開(kāi)度儀監(jiān)測(cè)，測(cè)量誤差大，監(jiān)測(cè)精度不高，需要提高閘門(mén)開(kāi)度的測(cè)量精度，本次改造在保留原有閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)的情況下，對(duì)閘門(mén)監(jiān)測(cè)方式及流量監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，采用直接對(duì)閘板上下位移進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控終端、通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器、信號(hào)分配器等，在不影響原系統(tǒng)前提下將閘門(mén)開(kāi)啟高度和監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集并接入水庫(kù)內(nèi)網(wǎng)調(diào)度工作站。利用高精度閘門(mén)過(guò)流計(jì)量?jī)x，實(shí)時(shí)采集閘門(mén)開(kāi)高、閘門(mén)上下游水位，并在本地處理器計(jì)算出過(guò)閘流量，通過(guò)有線(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，將本地的流量、水位、閘門(mén)開(kāi)高等數(shù)據(jù)上傳至水庫(kù)管理處，同時(shí)能夠本地存貯并在液晶屏上顯示。通過(guò)上述方法準(zhǔn)確掌握閘門(mén)開(kāi)高和閘孔出流水量，提高閘門(mén)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。

2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

錦繡川水庫(kù)現(xiàn)有的視頻監(jiān)控點(diǎn)，是結(jié)合水庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目分三次完成實(shí)施的，因建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，監(jiān)控點(diǎn)有的是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋通訊，有的是通過(guò)監(jiān)控同軸線(xiàn)纜通訊，監(jiān)控圖像分辨率較低，管理處的監(jiān)視系統(tǒng)也分成兩套，并且使用年限較長(zhǎng)，設(shè)備狀態(tài)不穩(wěn)定，現(xiàn)狀使用、管理及維護(hù)都比較繁瑣，不利于今后水庫(kù)安全管理工作的開(kāi)展。

根據(jù)水庫(kù)現(xiàn)狀情況，管理處統(tǒng)一在水庫(kù)庫(kù)區(qū)改建及新建12處視頻監(jiān)控點(diǎn)、在供水渠道重點(diǎn)部位新建22處視頻監(jiān)控點(diǎn)，視頻監(jiān)控中心設(shè)在錦繡川水庫(kù)管理處，對(duì)庫(kù)區(qū)和供水渠道進(jìn)行24h不間斷監(jiān)控和數(shù)字錄像。中心采用網(wǎng)絡(luò)管理NVR一體機(jī)，在實(shí)時(shí)錄像的同時(shí)，可以為水庫(kù)管理人員及上級(jí)主管部門(mén)提供視頻服務(wù)。

本系統(tǒng)方案集視頻監(jiān)控、報(bào)警技術(shù)、圖像壓縮技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)關(guān)鍵區(qū)域的近程和遠(yuǎn)程的圖像監(jiān)視、報(bào)警、查詢(xún)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)視、緊急調(diào)度指揮等多種功能，成為調(diào)度自動(dòng)化和MIS系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決了水庫(kù)關(guān)鍵區(qū)域的可視化以及設(shè)備的監(jiān)視問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)水庫(kù)管理的“少人值班，無(wú)人或少人值守”提供了可靠的保證，對(duì)提高生產(chǎn)運(yùn)行的安全性和可靠性，提高水庫(kù)的管理水平有著重要的促進(jìn)作用。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)視頻采集部分、視頻傳輸部分、視頻管理服務(wù)器等組成。視頻采集部分主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)的采集，傳輸部分將視頻采集部分的視頻信號(hào)傳輸?shù)焦芾碇行囊曨l管理服務(wù)器，由視頻管理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)和監(jiān)控?cái)z像機(jī)的集中顯示和管理。

2.5 防汛會(huì)商系統(tǒng)

考慮到會(huì)商室的主要功能需求，安裝一套DLP拼接大屏顯示系統(tǒng)，屏幕采用3×3拼接，主要用于防汛會(huì)商及水庫(kù)綜合調(diào)度管理平臺(tái)畫(huà)面展示等功能使用，為了保證信息的共享，會(huì)商室顯示信號(hào)與值班室顯示信號(hào)可互動(dòng)調(diào)用。DLP拼接大屏由60寸超窄邊框DLP拼接單元和圖像處理設(shè)備、大屏控制軟件、中控計(jì)算機(jī)等組成；此外防汛會(huì)商室配置專(zhuān)業(yè)多媒體管理中心、專(zhuān)業(yè)會(huì)議音頻設(shè)備，構(gòu)建功能完善的防汛會(huì)商多媒體系統(tǒng)。

3 結(jié)論

錦繡川水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)緊跟標(biāo)準(zhǔn)化水庫(kù)管理發(fā)展方向，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大壩安全監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、視頻監(jiān)控等技術(shù)，建立了一個(gè)以高精度傳感器監(jiān)測(cè)、信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以高速安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)為支撐的水庫(kù)安全管理信息系統(tǒng)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫(kù)雨情、水情、流量、閘位、大壩安全、視頻信息等運(yùn)行數(shù)據(jù)，在GIS地圖上進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)的洪水預(yù)報(bào)、水量調(diào)度、淹沒(méi)分析功能，為水庫(kù)供水、防汛功能提供科學(xué)現(xiàn)代化的管理手段，充分發(fā)揮水庫(kù)的防洪、供水、灌溉、環(huán)境生態(tài)作用。