淺析洪澤湖大堤安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

潘鑫 許諾 張杰 張志來

摘? 要：隨著信息化技術(shù)不斷發(fā)展，水利工程管理趨向高效化、智能化，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)已不能滿足堤防工程現(xiàn)代化、精細(xì)化管理的需求。該文從系統(tǒng)組成、工作原理、誤差比較等方面分析了洪澤湖大堤工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，希望對(duì)類似的工程管理能起到一定的借鑒作用。洪澤湖大堤工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過用遙測(cè)、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)洪澤湖大堤工程實(shí)行全天候遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)觀測(cè)堤身滲流壓力及浸潤(rùn)線分布狀況，統(tǒng)計(jì)分析測(cè)壓管數(shù)據(jù)變化過程，對(duì)保證洪澤湖大堤工程安全運(yùn)行，發(fā)揮工程效益有著十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：洪澤湖大堤;安全監(jiān)測(cè);自動(dòng)化;測(cè)壓管

Abstract：With the continuous development of information technology，the management of water conservancy projects tends to be efficient and intelligent，and the traditional artificial monitoring can not meet the needs of modern and refined management of embankment projects. This paper analyzes the safety monitoring system of Hongze Lake levee project from the aspects of system composition，working principle and error comparison，hoping that it can be used for reference for similar project management. Through telemetering，communication and computer technology，the safety monitoring system of Hongze Lake levee project can realize all-weather remote automatic monitoring，real-time observation of seepage pressure and distribution of saturation line of the levee，and statistical analysis of the change process of piezometric data，which is of great significance to ensure the safe operation of Hongze Lake levee project and bring the project benefits into play.

Keywords：Hongze Lake levee;safety monitoring;automation;piezometer

0? 引? 言

在自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未建成前，洪澤湖大堤工程一直采用人工方式進(jìn)行檢查、觀測(cè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，測(cè)量精度低。為提高洪澤湖大堤工程觀測(cè)效率和觀測(cè)水平，確保工程安全，2014年建設(shè)洪澤湖大堤自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并開始運(yùn)行。本文將對(duì)系統(tǒng)軟、硬件構(gòu)成及運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，通過過程線分析人工、自動(dòng)化測(cè)值差異，對(duì)近年來的系統(tǒng)運(yùn)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1? 工程概況

洪澤湖大堤位于洪澤湖東岸，北起淮陰區(qū)碼頭鎮(zhèn)，南至盱眙張莊高地，全長(zhǎng)67.25 km，另加北端碼頭鎮(zhèn)以北至廢黃河高地3.38 km，總長(zhǎng)70.63 km。洪澤湖大堤年代久遠(yuǎn)，歷史上多次決口、填堵，堤身填筑材料復(fù)雜，堤身內(nèi)留有許多亂石、埽工等隱患，堤身時(shí)有滲水、窨潮等現(xiàn)象，雖然經(jīng)過多次加固，但堤身內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有根本改變。

2? 洪澤湖大堤安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及功能

洪澤湖大堤安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由視頻監(jiān)控系統(tǒng)和測(cè)壓管安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)覆蓋洪澤湖大堤34K+900～ 60K+646省管段25.00 km堤防，通過該系統(tǒng)可及時(shí)掌握堤防工程的動(dòng)態(tài)工況，提升工程自動(dòng)化、信息化管理水平，為上級(jí)部門決策提供科學(xué)依據(jù)，為洪澤湖大堤工程安全運(yùn)行提供保障。

2.1? 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)視系統(tǒng)由前端設(shè)備、傳輸設(shè)備、視頻主機(jī)和顯示設(shè)備四部分組成。

在省管段洪澤湖堤防共設(shè)置13套SCM-NF718GR室外高清紅外智能球型攝像機(jī)，分別設(shè)置在35K+850、36K+020、36K+050、36K+550、37K+050、41K+100、45K+400、47K+630、49K+475、52K+210、54K+377、56K+570、59K+200堤段。視頻信號(hào)通過光纜和光端機(jī)將視頻信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)中心站，同時(shí)通過復(fù)用技術(shù)傳輸反向控制攝像機(jī)信號(hào)。視頻監(jiān)控光端機(jī)選用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式光端機(jī)，將13對(duì)光端機(jī)連接到光纖上進(jìn)行視頻信號(hào)傳輸。

監(jiān)控系統(tǒng)采用CR-GS416網(wǎng)絡(luò)高清視頻主機(jī)接收各類信號(hào)，具有控制云臺(tái)、切換搜索圖像、聯(lián)動(dòng)報(bào)警、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等一系列功能，圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性及其響應(yīng)速度滿足工程管理需要。

2.2? 測(cè)壓管安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)通過滲壓計(jì)對(duì)堤身滲透壓力進(jìn)行測(cè)量，能夠準(zhǔn)確反映堤身滲透壓力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，較人工觀測(cè)操作簡(jiǎn)便、迅捷。系統(tǒng)在歷史險(xiǎn)工段和可能存在隱患的堤防布設(shè)16個(gè)斷面進(jìn)行觀測(cè)，共計(jì)75根測(cè)壓管。

2.2.1? 滲壓計(jì)工作原理

洪澤湖大堤安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的是BGK4500ALV通氣型滲壓計(jì)，大部分部件采用特殊鋼材制造，適合在各種惡劣環(huán)境使用，用于測(cè)量空隙中水壓力或液位。采用專用通氣電纜連接，可有效減少大氣壓力對(duì)測(cè)值的影響，更適合用于水位測(cè)量。滲壓計(jì)含有一塊靈敏的不銹鋼膜片，由它連接著振弦，當(dāng)彈性膜片發(fā)生變形，其形變將引起振弦應(yīng)力變化，并改變振動(dòng)的頻率，最終通過電纜傳輸將信號(hào)送至讀數(shù)裝置并轉(zhuǎn)化成壓力值。

2.2.2? 系統(tǒng)組成及運(yùn)行方式

測(cè)壓管安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、測(cè)量單元（MCU）及監(jiān)測(cè)中心站組成。傳感器主要由75只滲壓計(jì)組成，測(cè)量單元用于對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和儲(chǔ)存，并與監(jiān)測(cè)中心站計(jì)算機(jī)連接通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)中心站設(shè)在洪澤湖堤防管理所辦公樓內(nèi)，它與測(cè)量控制單元通過GPRS信號(hào)進(jìn)行無線傳輸，實(shí)現(xiàn)從設(shè)備到軟件系統(tǒng)之間的無線、雙向數(shù)據(jù)通信[1]。電源采用太陽能供電方式。

2.2.3? 測(cè)壓管安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

（1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集功能。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)滲壓計(jì)傳感器信號(hào)進(jìn)行巡回測(cè)量、定時(shí)測(cè)量、單點(diǎn)選測(cè)等。巡回測(cè)量用于測(cè)量某一時(shí)間段內(nèi)多個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的連續(xù)變化情況;定時(shí)測(cè)量主要用于測(cè)取定時(shí)數(shù)據(jù)，每隔一段時(shí)間采集一次數(shù)據(jù);單點(diǎn)選測(cè)主要是針對(duì)某一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行的測(cè)量方式。（2）數(shù)據(jù)通訊與資源共享功能。測(cè)量控制單元與監(jiān)測(cè)中心站之間具有雙向通訊功能，監(jiān)測(cè)中心站可以接收測(cè)量控制模塊收集的數(shù)據(jù)，并且可以向該模塊發(fā)出操作命令，中心站與外界通過多種途徑實(shí)現(xiàn)雙向通訊，達(dá)到資源分級(jí)共享[2]。（3）數(shù)據(jù)管理與分析功能。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)的錄入、刪除、修改、查詢、備份等功能，從而保證數(shù)據(jù)的連續(xù)完整性。系統(tǒng)可將選取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)制成圖表，并結(jié)合工程需要建立數(shù)據(jù)圖模型，為洪澤湖大堤工程安全檢查提供信息。

2.3? 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)采用基康公司研發(fā)的BGK-Logger.Net數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共分三層：采集層、服務(wù)器層和用戶層。

采集層：包括采集電腦、采集模塊和傳感器部分。在采集電腦配置管理系統(tǒng)，通過管理系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器層的數(shù)據(jù)庫(kù)。

服務(wù)器層：包括數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)頁(yè)端服務(wù)器。監(jiān)測(cè)信息及數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器;監(jiān)測(cè)信息及數(shù)據(jù)發(fā)布于網(wǎng)頁(yè)端服務(wù)器。

用戶層：由內(nèi)網(wǎng)（局域網(wǎng)）和外網(wǎng)（廣域網(wǎng)）用戶計(jì)算機(jī)組成。內(nèi)網(wǎng)計(jì)算機(jī)通過安裝信息管理系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息和數(shù)據(jù)，可以遠(yuǎn)程進(jìn)行測(cè)量、下載數(shù)據(jù)等操作;同時(shí)用戶計(jì)算機(jī)均可以連接網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，查詢到數(shù)據(jù)庫(kù)中的監(jiān)測(cè)信息和數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)可管理眾多的電腦、串口、支持多種通訊協(xié)議，有較好的擴(kuò)展性能。

3? 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要點(diǎn)

3.1? 采集端安裝

本系統(tǒng)傳感器現(xiàn)場(chǎng)的零點(diǎn)讀數(shù)要在修正后與原廠讀數(shù)一致。采集端傳感器安裝先要設(shè)定零讀數(shù)，將滲壓計(jì)電纜放入測(cè)壓管內(nèi)指定位置，同時(shí)在電纜上做好標(biāo)記，使得滲壓計(jì)頂端到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)，在測(cè)壓管上端固定電線，以防儀器丟入測(cè)井造成讀數(shù)存在較大差異。

3.2? 資料的整編分析

洪澤湖大堤安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)資料整編分為報(bào)表打印、圖形繪制等模塊，包括資料數(shù)據(jù)查詢修改、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)添加、備份恢復(fù)等內(nèi)容。本文隨機(jī)采用了2019年1月21日測(cè)值數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)該斷面6根測(cè)壓管的水位情況繪制出浸潤(rùn)線圖，如圖1所示，較為直觀地反映了堤防斷面浸潤(rùn)線的變化情況。

3.3? 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)值與人工測(cè)值的比對(duì)

自動(dòng)測(cè)值與人工測(cè)值比對(duì)一般是通過過程線進(jìn)行比較，過程線是根據(jù)相同時(shí)間段、相同測(cè)次的人工測(cè)值與自動(dòng)測(cè)值比對(duì)，分別繪制出人工測(cè)值過程線及自動(dòng)測(cè)值過程線[3]。洪澤湖大堤工程人工測(cè)量主要是按照觀測(cè)日來進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)月人工觀測(cè)2次，平均每15天觀測(cè)一次，觀測(cè)時(shí)間控制在當(dāng)天的8點(diǎn)至11點(diǎn)之間。本文選取了2019年1月至3月上午8點(diǎn)時(shí)間段一組斷面部分測(cè)壓管的人工測(cè)值與自動(dòng)化測(cè)值繪制成的過程線圖進(jìn)行比較，如圖2所示。

洪澤湖大堤工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所使用的滲壓計(jì)量程為350 kPa，標(biāo)稱精度為0.5%F.S，約在0.175 m以內(nèi)[4]。通過測(cè)壓管人工測(cè)值與自動(dòng)化測(cè)值數(shù)據(jù)的對(duì)比，計(jì)算出同一時(shí)間點(diǎn)兩個(gè)數(shù)值的差，比較發(fā)現(xiàn)人工測(cè)值與自動(dòng)測(cè)值過程線基本吻合，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)差值均在 8 cm之內(nèi)，少部分?jǐn)?shù)據(jù)差值超限，誤差值過大的數(shù)值可以通過設(shè)置系統(tǒng)操作軟件修改校正系數(shù)減小誤差，用實(shí)際測(cè)量值和自動(dòng)化采集值比較，以實(shí)際測(cè)量值為準(zhǔn)，大則減，小則加，數(shù)值修改過之后將新的數(shù)據(jù)下載到采集模塊從而提高自動(dòng)化測(cè)量準(zhǔn)確度。

4? 應(yīng)用效果

（1）提高堤防工程管理效率。視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)覆蓋了13個(gè)堤段，對(duì)各堤段進(jìn)行24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控，有利于防汛的實(shí)時(shí)調(diào)度，能迅速及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理堤防突發(fā)事件，實(shí)時(shí)監(jiān)控各險(xiǎn)工段人員活動(dòng)情況，提高了工程信息傳遞的準(zhǔn)確性、高效性。（2）提升堤防工程觀測(cè)自動(dòng)化水平。通過安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)洪澤湖大堤16個(gè)斷面測(cè)壓管水位數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，大大降低了人工測(cè)量的成本，節(jié)省人力物力，并通過與人工測(cè)值的比較發(fā)現(xiàn)：自動(dòng)測(cè)值變化穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠，與人工測(cè)值變化規(guī)律基本一致，能夠準(zhǔn)確地反映出測(cè)壓管水位線變化狀況。（3）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析模型化。監(jiān)測(cè)中心站的軟件系統(tǒng)可及時(shí)處理采集數(shù)據(jù)，并生成直觀的浸潤(rùn)線、柱狀圖、過程線等數(shù)據(jù)模型，通過對(duì)數(shù)據(jù)模型的分析，可隨時(shí)了解到各監(jiān)測(cè)斷面的工程安全狀況，為洪澤湖大堤工程的安全預(yù)警提供了信息基礎(chǔ)。

5? 結(jié)? 論

洪澤湖大堤安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自運(yùn)行已有5年時(shí)間，累計(jì)采集數(shù)據(jù)80萬余次。該系統(tǒng)具有實(shí)用、高效、高精度自動(dòng)化等特點(diǎn)，自運(yùn)行以來，其功能、運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、測(cè)量精度等滿足工程設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用大大減輕了人工工作量，提高了觀測(cè)頻率和觀測(cè)精度，為各種資源的優(yōu)化配置發(fā)揮了重要作用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)洪澤湖大堤工程的安全運(yùn)行起到不可或缺的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張宇.龍鳳山水庫(kù)大壩測(cè)壓管安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討 [J].黑龍江水利科技，2014，42（4）：116-117.

[2] 程洪波.大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用探討 [J].水利建設(shè)與管理，2010，30（5）：60-62.

[3] 張志銀.大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)在黃金坪水電站的應(yīng)用 [J].四川水利，2018，39（1）：98-100+110.

[4] 盧飛，胡明罡.密云水庫(kù)大壩滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)和校正 [J].北京水務(wù)，2015（6）：41-44.

作者簡(jiǎn)介：潘鑫（1991.11—），男，漢族，江蘇淮安人，助理工程師，本科，研究方向：水利工程管理。