大壩安全監(jiān)測自動化的現(xiàn)狀與展望

王樹寶

中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，中國·吉林 長春 130061

大數(shù)據(jù)；大壩安全檢測；智能化與自動化

1 引言

從大壩本身建設(shè)難度上來說，大壩建設(shè)工程量大、結(jié)構(gòu)龐大、建設(shè)周期長、建設(shè)難度大，無論是自身結(jié)構(gòu)還是所處環(huán)境都十分復雜，整體建設(shè)難度大。一旦出現(xiàn)事故非常容易帶來人員上的傷亡和經(jīng)濟上的巨大災難，要想有效監(jiān)測大壩工程安全，需要不斷加大對大壩安全監(jiān)測技術(shù)的研究，更好地預防事故發(fā)生，保證整體大壩建設(shè)工程更穩(wěn)定、可靠、持續(xù)的展開。

2 大壩安全監(jiān)測自動化研究狀態(tài)

大壩工程是水利工程中極為關(guān)鍵的一部分，大壩本身通過水利、發(fā)電、通航等對經(jīng)濟發(fā)展、人民生態(tài)產(chǎn)生極大影響作用，其安全性也會直接關(guān)乎經(jīng)濟發(fā)展以及人民生命財產(chǎn)安全。而自動化監(jiān)測技術(shù)是大壩安全監(jiān)測自動化實現(xiàn)的關(guān)鍵，能有效提升大壩安全監(jiān)測水平同時保證整個安全監(jiān)測數(shù)據(jù)來源的可靠性，但就目前的整個自動化監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)上還存在一定的問題，需要進一步加強研究，不斷改進現(xiàn)有技術(shù)運用新興技術(shù)。

2.1 大壩安全監(jiān)測技術(shù)的起步

大壩安全監(jiān)測發(fā)展起步是在19世紀90年代，從世界范圍內(nèi)最先開展安全監(jiān)測自動化研究的國家來說，德國為了在埃施巴赫大壩工程建設(shè)過程中為了及時檢測大壩安全，使用變形觀測方法來監(jiān)測大壩整體建設(shè)的穩(wěn)定性以及安全性。從一定意義上來說德國在大壩上使用的變形觀測方法是人類歷史上第一次展開的關(guān)于大壩的安全檢測分析[1]。在這之后有越來越多的國家，如美國、澳大利亞等國家開始加入大壩的安全監(jiān)測自動化技術(shù)和系統(tǒng)的研究中，并開始針對大壩溫度變形等特征進行檢測。從總體上來說大壩安全監(jiān)測起步還相對較少，但一直到20世紀90年代大壩的安全自動化監(jiān)測分布式監(jiān)測系統(tǒng)的研制才開始逐漸步入正軌，出現(xiàn)集成和大規(guī)模研究。在這其中比較突出的兩個國家是美國和法國，他們相較于其他的國家完成時間來說，更早的完成了安全監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的集中自動化分析。

2.2 信息自動化采集

大壩安全監(jiān)測信息的自動化采集要晚于安全監(jiān)測數(shù)據(jù)信息集中自動化分析，是在20世紀80年代才獲得初步的發(fā)展，直到20世紀90年代加拿大魁北克水電大壩上全自動生化系統(tǒng)研究上獲得初步的發(fā)展，實現(xiàn)集成開發(fā)安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程運輸從而方便對大壩安全監(jiān)測進行遠程傳輸，監(jiān)測技術(shù)最遠傳輸距離達到230 公里。

2.3 中國大壩安全監(jiān)測技術(shù)自動化發(fā)展

中國相較于其他發(fā)達國家來說，整體的大壩安全監(jiān)測自動化起步相對較晚，直到20世紀90年代初中國才在二十多座大壩工程上開展安全檢測裝備并實現(xiàn)完成安全監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的收集。但無論是監(jiān)測儀器的設(shè)備性能，還是數(shù)據(jù)收集的可靠性和質(zhì)量上還存在較大的差距，系統(tǒng)缺乏足夠的穩(wěn)定性，所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)的準確程度也相對較低，這限制了大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)在更廣范圍內(nèi)的使用和推廣。在20世紀90年代中期中國出現(xiàn)轉(zhuǎn)折性發(fā)展，葛洲壩二江閘門集成分布式變形和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，為國內(nèi)分布式大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)大壩監(jiān)測實施和開展奠定了一個基礎(chǔ)，促進監(jiān)測自動化技術(shù)從研究階段正式進入到使用階段，為大壩安全運行奠定良好基礎(chǔ)。

3 大壩安全工程監(jiān)測自動化發(fā)展趨勢

在科學技術(shù)與社會飛速發(fā)展的今天，人類有關(guān)于大壩安全的觀念在不斷發(fā)生改變和提升，該如何更有效利用科學技術(shù)尤其是計算機技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也成為現(xiàn)階段人們所思考的關(guān)于大壩安全的一個重要問題。[2]在大壩工程安全監(jiān)測自動化發(fā)展過程中，國家和人民對于大壩的安全要求也就更高，這給大壩安全工程檢測自動化提出了更多的要求和挑戰(zhàn)。但對于該如何通過不斷分析和研究實現(xiàn)安全監(jiān)測自動化的進一步發(fā)展，還需要相關(guān)工作人員和研究人員進一步加強研究。

3.1 傳感器智能化集成

現(xiàn)代化的監(jiān)測儀器不僅需要數(shù)據(jù)存儲和傳輸功能，還需要實現(xiàn)自動化操作和邏輯運算判斷等功能，這就需要智能儀器中自帶微型處理器和微型計算機方便數(shù)據(jù)處理和運算。而在人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展過程中，智能儀器自動化程度進一步提升還將伴隨著自我診斷、自我檢測、自我矯正、結(jié)果數(shù)字化輸出、直接展示物理量、人機交互、無線傳輸?shù)茸詣踊δ?，通過實現(xiàn)傳感器的智能化集成來進一步提升自動化水平。

3.2 接口的標準化和模塊化

想要推動大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)在更廣范圍內(nèi)展開應(yīng)用，就需要對系統(tǒng)中重要的技術(shù)、設(shè)備以及相關(guān)的零件達成統(tǒng)一的標準，實現(xiàn)標準化和規(guī)模化生產(chǎn)。尤其是各個監(jiān)測接口一定要達到標準化和模塊化，方便操作人員安裝和調(diào)適。但現(xiàn)階段國際上很多制造企業(yè)在生產(chǎn)過程中系統(tǒng)和接口無法保證其通用性，使得專業(yè)人員接收和調(diào)試設(shè)備的時候需要不斷和廠家溝通，影響整體設(shè)備的安裝和使用效率。尤其是在后期設(shè)備和系統(tǒng)的保養(yǎng)和維修過程中也將會耗費較大的時間和精力，一旦某個接口出現(xiàn)問題將會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響[3]。而想要推動大壩全監(jiān)測自動化在更廣范圍上的使用，現(xiàn)階段就需要不斷推動接口的標準化和模塊化生產(chǎn)，以統(tǒng)一標準生產(chǎn)接口，尤其是通訊協(xié)議、通訊接口、電源接口、傳感器接口、數(shù)據(jù)庫接口等非常關(guān)鍵的部件，接口實現(xiàn)統(tǒng)一對整個監(jiān)測自動化系統(tǒng)的展開有著重要的影響。

3.3 支持遠程操作和實時診斷操作

大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)本身所具備的遠程操作能力是十分重要的，這將會直接影響到大壩安全監(jiān)測自動化的質(zhì)量和水平，只有保障系統(tǒng)的遠程監(jiān)測和實時診斷能力才能更好的達到自動化。但現(xiàn)階段在整個系統(tǒng)基層維護操作和管理上還存在一定的問題，操作、管理人員水平也相對較低，無法滿足設(shè)備的管理和養(yǎng)護要求。

但現(xiàn)階段有線、無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的不斷提升，為遠程操作和實時診斷設(shè)計的實現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。再加上移動設(shè)備的盛行，只要網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋、手機能夠上網(wǎng)，在遠程操作支持的范圍之內(nèi)就能夠通過移動無線網(wǎng)絡(luò)利用手機接收各類數(shù)據(jù)、維護故障、原因分析等，甚至能直接根據(jù)故障出現(xiàn)原因而生成修復方法，同時還能夠及時地接收報警信息，為整個系統(tǒng)運行奠定良好的基礎(chǔ)。

3.4 系統(tǒng)整合

大壩上一般都建設(shè)了安全監(jiān)測、監(jiān)控、水情測報、視頻遠程監(jiān)控等系統(tǒng)，而為了有效提升大壩本身安全監(jiān)測自動化水平和效率，需要多加利用新型技術(shù)更好的額將這些系統(tǒng)整合在一起[4]。這樣不僅能夠提升整個大壩的管理效率，還能夠及時接收相關(guān)消息，提升資源利用效率，更好地保障大壩安全，盡可能地多蓄水、多供水多發(fā)電，為整個大壩工程的經(jīng)濟效益提升奠定良好的基礎(chǔ)。

3.5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近幾年一門新興技術(shù)，一經(jīng)開發(fā)和出現(xiàn)就引起大眾的重視，已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。而在現(xiàn)階段的水利工程和流域研究領(lǐng)域中，數(shù)字水利和數(shù)字流域的發(fā)展過程中虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成為其必然發(fā)展趨勢，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作用的發(fā)揮主要是通過GPS、GIS、RS 三大技術(shù)相融合，從而達到自動監(jiān)測目的。大壩工程安全監(jiān)測自動化應(yīng)用中運用虛擬顯示技術(shù)，主要包含有可以實現(xiàn)對大壩滲流、裂縫、變形的動態(tài)模擬，以三維模式方便技術(shù)人員分析；以現(xiàn)實模擬的方式了解上游對下游壩體所造成的影響，收集損失評估、淹沒情況評估，為制定更為準確、科學的應(yīng)急預案提供充足的數(shù)據(jù)；第三點是分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，可以借助互聯(lián)網(wǎng)中共享的數(shù)據(jù)資源以協(xié)同的方式開發(fā)虛擬健康診斷系統(tǒng)[5]。

4 結(jié)語

在如此巨大龐雜的工程建設(shè)中，大壩工程本身外力作用、所處環(huán)境、自身結(jié)構(gòu)等都是非常復雜的，一旦監(jiān)測不到位非常容易也出現(xiàn)大型事故，對人民生命財產(chǎn)產(chǎn)生嚴重威脅。通過促進大壩安全監(jiān)測自動化，不斷提高其自動化監(jiān)測水平、監(jiān)測質(zhì)量，為更安全地開展建設(shè)工程和后期大壩運行奠定良好的基礎(chǔ)。論文主要對大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)發(fā)展歷程及其發(fā)展方向進行分析，希望能進一步促進安全建設(shè)、智能化自動化技術(shù)發(fā)展。