水電站安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多平臺(tái)整合設(shè)計(jì)

王斌斌

（甘肅省水務(wù)投資有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 743000）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的飛速發(fā)展，大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)也得到了較大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)很多水利水電工程均已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)，很多重大水利水電工程同時(shí)具備多套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如同時(shí)部署有大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)、地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、GNSS 衛(wèi)星測(cè)量系統(tǒng)、三維激光掃描系統(tǒng)和外觀自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)等。海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和多平臺(tái)難以管理的現(xiàn)狀，促使將多種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)納入工程遠(yuǎn)控平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理是一種趨勢(shì)［1］。當(dāng)前大多數(shù)工程項(xiàng)目的現(xiàn)狀是各套系統(tǒng)工作各自為政，無(wú)法做到密切配合、協(xié)同工作，需要一種低成本，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種測(cè)點(diǎn)全面控制，可互操作的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［2］。為此，本文借某水電站安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化改造之機(jī)，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在突發(fā)事件和特殊工況下，實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)協(xié)同工作，及時(shí)測(cè)量，及時(shí)預(yù)警的系統(tǒng)整合方案。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀

該水電站安裝有大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于混凝土壩壩體的變形、溫度、應(yīng)力應(yīng)變和滲流滲壓等項(xiàng)目的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；大壩壩頂安裝有一套測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)，用于近壩邊坡變形的測(cè)量；庫(kù)區(qū)滑坡體布設(shè)有 GNSS 變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于滑坡體變形的測(cè)量；在大壩的各層廊道安裝有強(qiáng)震儀，用于測(cè)量記錄地震波。目前大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)、GNSS 變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別安裝在 4 臺(tái)不同的服務(wù)器上，4 個(gè)系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全不同，各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)沒(méi)有進(jìn)行共享，系統(tǒng)之間也沒(méi)有進(jìn)行任何通信，不具備協(xié)同工作的能力。如能將現(xiàn)有 4 個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整合起來(lái)，形成一套高效的數(shù)據(jù)共享和聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)的工作機(jī)制，必然可以有效地提高安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的工作效率和監(jiān)測(cè)效果。

2 需求分析

2.1 項(xiàng)目特點(diǎn)

該水電站位于地震、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)，為了保障水電站的安全運(yùn)行和及時(shí)預(yù)警，目前運(yùn)行的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)、GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。考慮到地震和各類地質(zhì)災(zāi)害影響的突發(fā)性，定時(shí)定點(diǎn)的常規(guī)安全監(jiān)測(cè)工作無(wú)法滿足突發(fā)災(zāi)害的及時(shí)預(yù)警，需要根據(jù)工程特點(diǎn)整合出一套能夠快速有效的預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為滿足工程需要，本項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以事件觸發(fā)為核心需求，其主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

1）不僅僅是常規(guī)的周期性數(shù)據(jù)采集，同時(shí)對(duì)各類突發(fā)事件進(jìn)行偵測(cè)，當(dāng)某個(gè)子系統(tǒng)收到突發(fā)事件信號(hào)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2）對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求高，需要在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)能在盡可能快的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)。

3）需要盡可能利用和集成現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)施，通過(guò)軟件將各子系統(tǒng)整合為一個(gè)協(xié)作聯(lián)動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 項(xiàng)目難點(diǎn)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)、GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作平臺(tái)進(jìn)行研究，4 個(gè)系統(tǒng)存在顯著的差異，難以進(jìn)行完全的整合。

1）各系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集頻次、采集要求和數(shù)據(jù)處理方式完全不同，產(chǎn)生了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和管理模式的完全不同，導(dǎo)致沒(méi)有一個(gè)平臺(tái)具備可以管理所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的能力，無(wú)法做到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完全共享。

2）各系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的通訊和數(shù)據(jù)接口完全不同，難以做到完全的互操作。

3）各系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精度不同，地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度差，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)為定時(shí)測(cè)量。

3 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 地震事件聯(lián)動(dòng)

1）聯(lián)動(dòng)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。地震事件為突發(fā)事件且持續(xù)事件較短，地震事件聯(lián)動(dòng)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的難點(diǎn)在于快速響應(yīng)，需要在地震持續(xù)的短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)大壩的監(jiān)測(cè)傳感器的測(cè)量。

調(diào)用 2019 年本項(xiàng)目地震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的 3 次地震信號(hào)（見(jiàn)圖 1），發(fā)現(xiàn)本地區(qū)地震的持續(xù)時(shí)間均在 80 秒左右；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本項(xiàng)目大部分的大壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè) MCU 采集一次的時(shí)間約為 30 秒。如能在地震發(fā)生的同時(shí)，有一套高效的通訊機(jī)制，可以由地震系統(tǒng)將地震發(fā)生的信號(hào)發(fā)送給安全監(jiān)測(cè)軟件，大壩安全監(jiān)測(cè)軟件完全可以在地震持續(xù)的過(guò)程中測(cè)得各項(xiàng)關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)研究壩體在地震中的受力情況有極大的幫助。

圖1 本地區(qū) 2019 年地震記錄

為達(dá)到地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)目標(biāo)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套強(qiáng)震觸發(fā)大壩實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案。當(dāng)強(qiáng)震儀接收到烈度大于 4 度的地震信號(hào)時(shí)，由強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收到信號(hào)后，立刻開(kāi)始對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重點(diǎn)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一次測(cè)量，并將測(cè)量中發(fā)現(xiàn)的超限數(shù)據(jù)通過(guò)手機(jī)短信報(bào)送管理人員，達(dá)到第一時(shí)間了解壩體安全性的效果。

2）聯(lián)動(dòng)測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)。測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)由國(guó)外廠家開(kāi)發(fā)，涉及到知識(shí)產(chǎn)權(quán)和商業(yè)機(jī)密問(wèn)題，無(wú)法做到對(duì)其進(jìn)行完全的控制。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析，測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)和地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法建立有效的連接和觸發(fā)機(jī)制。為了解決二者無(wú)法直接連接的問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)利用大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為中間平臺(tái)，只需實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)y(cè)量命令發(fā)送至測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)，測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)在收到開(kāi)始測(cè)量的信號(hào)后，立即進(jìn)行一次觀測(cè)即可。根據(jù)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的機(jī)制，當(dāng)?shù)卣鹣到y(tǒng)將地震烈度信息發(fā)送給大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如烈度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將開(kāi)始測(cè)量命令發(fā)送至測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)，測(cè)量機(jī)器人收到信號(hào)后開(kāi)始測(cè)量，以此實(shí)現(xiàn)強(qiáng)震系統(tǒng)和測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。測(cè)量機(jī)器人完成測(cè)量后，將測(cè)量數(shù)據(jù)同步傳送到大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，并由大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷數(shù)據(jù)是否超限，并將異常數(shù)據(jù)及時(shí)通過(guò)短信報(bào)送管理人員。

3）聯(lián)動(dòng) GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的解算精度受采集到數(shù)據(jù)量影響很大，實(shí)時(shí)解算精度差，一般需要1個(gè)小時(shí)以上的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)才能解算出一個(gè)可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。故將地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng) GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的意義不大，GNSS 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只需按照預(yù)設(shè)的每小時(shí)進(jìn)行一次解算的任務(wù)工作即可，當(dāng)滑坡體的累計(jì)變形值達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.2 特殊工況事件聯(lián)動(dòng)

水電站在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遇到強(qiáng)降雨、泄洪、高水位運(yùn)行和庫(kù)水位急漲急落等特殊工況，在這些特殊工況下，需要加強(qiáng)對(duì)大壩、庫(kù)區(qū)滑坡體和消能結(jié)構(gòu)物等位置加強(qiáng)觀測(cè)和及時(shí)預(yù)警。這些特殊工況對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，其特點(diǎn)如下。

1）泄洪、高水位運(yùn)行和庫(kù)水位急漲急落等工況基本是按預(yù)設(shè)工作計(jì)劃進(jìn)行，可以提前做好監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作的準(zhǔn)備工作。

2）強(qiáng)降雨雖有一定的突然性，但其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且根據(jù)氣象信息，也可有一定的預(yù)見(jiàn)性，具備提前做好監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作的準(zhǔn)備工作的條件。

3）特殊工況產(chǎn)生的后果一般也不是突發(fā)事件，其對(duì)大壩、庫(kù)區(qū)滑坡體和消能結(jié)構(gòu)物的影響和破壞也是一個(gè)發(fā)展的過(guò)程。

4）對(duì)大壩及消能等附屬結(jié)構(gòu)物的測(cè)量精度要求高，除了庫(kù)水位外的大部分指標(biāo)的精度要求都在毫米級(jí)以上，達(dá)不到精度要求的測(cè)量都是沒(méi)有意義的。

大壩及消能等附屬結(jié)構(gòu)物、降水量和庫(kù)區(qū)邊坡等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的大部分傳感器都是由大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集和管理，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集精度和可信度都較高，能夠達(dá)到各預(yù)設(shè)項(xiàng)目的精度要求。根據(jù)地震聯(lián)動(dòng)機(jī)制的辦法，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已與測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)和 GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立聯(lián)動(dòng)，特殊工況下的聯(lián)動(dòng)由大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)起最為合適。大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)周期性地采集降雨量、庫(kù)水位、滑坡變形和裂縫等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)偵測(cè)到數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，立刻聯(lián)動(dòng)測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)和 GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以預(yù)設(shè)方案加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵部位的觀測(cè)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)同步到大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，并由大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷數(shù)據(jù)是否超限，并將異常數(shù)據(jù)及時(shí)通過(guò)短信報(bào)送管理人員。

4 子系統(tǒng)間通訊方案

4.1 通訊特點(diǎn)

根據(jù)本項(xiàng)目需求及監(jiān)測(cè)設(shè)施系統(tǒng)，各子系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的通訊主要有兩個(gè)特點(diǎn)。

1）通訊的效率和及時(shí)性要求高，如地震等事件屬于突發(fā)事件，且事件的時(shí)間窗口期很短，需要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間能快速建立聯(lián)系，迅速做出響應(yīng)。

2）通訊數(shù)據(jù)量小，由于各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的巨大差異，本次設(shè)計(jì)不進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的傳輸，而只是由偵測(cè)到觸發(fā)事件的系統(tǒng)告訴其他系統(tǒng)啟動(dòng)某個(gè)預(yù)設(shè)應(yīng)對(duì)方案，通訊數(shù)據(jù)量非常小。

3）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單向通訊，根據(jù)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，本項(xiàng)目的通訊只需要建立對(duì)一些特定的主機(jī)進(jìn)行單向通信，而不是整個(gè)局域網(wǎng)上的所有主機(jī)的雙向連接。

4.2 通訊方案設(shè)計(jì)

鑒于響應(yīng)快和數(shù)據(jù)量小的特點(diǎn)，各子系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用 UDP。消息包分為幀頭、包頭、包內(nèi)容和幀校驗(yàn)碼。幀頭作用主要用于抗干擾，對(duì)非系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾。包頭由包長(zhǎng)度、包編號(hào)和包頭校驗(yàn)碼組成，用于表示內(nèi)容長(zhǎng)度和信息重組。包內(nèi)容為實(shí)際數(shù)據(jù)，內(nèi)容為告訴其他系統(tǒng)啟動(dòng)某個(gè)預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)方案，考慮到信息中可能包含漢字，編碼需要使用 unicode。幀校驗(yàn)碼是對(duì)報(bào)文中自包頭開(kāi)始至包內(nèi)容（包含包內(nèi)容）為止的所有內(nèi)容按網(wǎng)際校驗(yàn)和算法產(chǎn)生的校檢字節(jié)。

5 結(jié)語(yǔ)及展望

隨著對(duì)水電站安全的重視、少人值守要求的提高和數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的要求將進(jìn)一步提升。本次水電站安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造工作中的各監(jiān)測(cè)平臺(tái)聯(lián)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)，可以極大提高水電站在突發(fā)災(zāi)害和極端工況下的應(yīng)急能力，間接提高了整個(gè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，各子系統(tǒng)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)測(cè)量，給運(yùn)行人員及時(shí)提供關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

由于該水電站 4 個(gè)系統(tǒng)之間巨大差異的實(shí)際現(xiàn)狀，本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)其實(shí)是針對(duì)不同廠家、不同系統(tǒng)和不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)難以整合的一次妥協(xié)，各系統(tǒng)之間的不通用和不兼容問(wèn)題已成為束縛安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化工作進(jìn)一步發(fā)展的枷鎖，標(biāo)準(zhǔn)化的接口成為解除這道枷鎖的關(guān)鍵。隨著安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化行業(yè)的發(fā)展，如能著手建立一套標(biāo)準(zhǔn)，各廠家均能按照標(biāo)準(zhǔn)預(yù)留通用的通訊數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)接口，從而便于各系統(tǒng)的整合和集成，安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)必能得到進(jìn)一步的發(fā)展。