某中型水庫水情測報及大壩安全監(jiān)測建設改造方案研究

區(qū)文柱

(國電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川 雅安 625409)

1 工程概況

某水庫工程2007年開工建設，2013年通過竣工驗收。水庫水情測報及大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)于2009年開始建設，全套系統(tǒng)建成以來，為水庫的管理工作提供了極大的幫助，發(fā)揮了很好的效益，至今系統(tǒng)已運行10年有余。隨著使用年限的延長，近年來運行維護工作量逐年增加，目前各子系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，外圍站點故障率持續(xù)增高，中心應用系統(tǒng)功能無法滿足日益增長的管理需求的問題也漸漸暴露出來，系統(tǒng)已不適應該水庫工程管理的需要。根據(jù)水庫水情測報及大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)運行的實際情況和水庫管理的迫切需求，對水情測報、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)及水庫樞紐區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行改造[1]。本文通過水庫水情測報、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)及水庫樞紐區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)階段存在的問題進行改造方案研究。

2 系統(tǒng)存在的主要問題

該水庫水情測報及大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)于2009年開始建設，主要建設內(nèi)容包括：上游徑流區(qū)自動雨量站2個、自動水位雨量站2個、六要素氣象站1個、庫區(qū)視頻監(jiān)測站10個、浸潤線監(jiān)測站8個、滲流量監(jiān)測站1個、人工蒸發(fā)觀測站1個、會議系統(tǒng)1套、中心視頻監(jiān)控電視墻1套、中心數(shù)據(jù)接收處理軟硬件平臺1套及視頻傳輸專線2條。經(jīng)過8年的運行，主要存在以下問題[2]：

1) 設備老化現(xiàn)象嚴重，故障率上升。電子設備都存在一定的使用壽命，該系統(tǒng)始建于2009年，至今已運行8年時間，設備老化現(xiàn)象非常嚴重，導致整套系統(tǒng)故障頻發(fā)。如遙測終端故障導致數(shù)據(jù)不能持續(xù)采集傳輸，或者傳回的數(shù)據(jù)誤差值較大不能使用。

2) 產(chǎn)品技術陳舊，維修零件不易購買。系統(tǒng)建設時所選設備均為當時最先進的設備，但經(jīng)過8年的發(fā)展，當時的技術相比現(xiàn)在已經(jīng)落后太多。如遙測終端和通信模塊如今基本已合二為一，當時所用監(jiān)測攝像機市場主流還是模擬攝像機，數(shù)字攝像機才處于起步摸索階段。而現(xiàn)在高清網(wǎng)絡攝像機早已取代模擬攝像機成為市場的絕對主流，模擬攝像機則已基本退出市場。故而對損壞設備的維修維護也變得越發(fā)困難，需更換的零部件無法采購而導致部份站點無法正常修復，這也是導致系統(tǒng)部份站點無法正常運維的的根本原因。10路視頻圖像回傳至監(jiān)控中心后，分別采用10臺小屏幕液晶電視進行顯示，屏與屏之間不能高速互換及疊加比較與分析，單一屏體損壞后，線路臨時調(diào)整極為困難，管理人員使用多有不便。

3) 系統(tǒng)結構落后，不符合當前管理需要。系統(tǒng)的中心軟件平臺采用的C/S結構，操作人員只有在安裝了客戶端的3臺工作站上才能看到水庫運行管理所需要的監(jiān)測信息，原水情測報及大壩安全監(jiān)測軟件界面過于陳舊，水情數(shù)據(jù)僅僅只是展示，沒有進行深層次的加工與處理，數(shù)據(jù)趨勢變化與按需統(tǒng)計等功能性能偏弱，沒有真正的服務于管理。

水庫管理所可以調(diào)看視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供的10路實時視頻，但為了實現(xiàn)視頻圖像向水庫管理局及市水務局的傳輸，8年來管理局一直在使用租賃的兩條光纖專線。實際上水庫管理局及市水務局對于視頻系統(tǒng)的使用頻度并不高，也沒有視頻存儲的需求，為了進一步減少運行費用，降低維護難度，應改變傳輸?shù)哪Ｊ?，放?條空置率較高的專線而采用互聯(lián)網(wǎng)化線路接入，以便于廣泛的互聯(lián)網(wǎng)化的管理，也更適應社會發(fā)展的需要

3 升級改造設計

3.1 水情測報部分

水庫水雨情測報系統(tǒng)包括2個自動雨量站、1個入流浮子式自動水位雨量站、1個庫區(qū)雷達式自動水位雨量站、1個出流浮子式自動水位雨量站、1個人工蒸發(fā)觀測皿及1個六要素氣象觀測站。

根據(jù)使用總結的經(jīng)驗[3]，目前已建水雨情測報站點基本能滿足收集庫區(qū)上下游水雨情數(shù)據(jù)的需要，故無需再增加站點，僅對站點老化的主要設備進行更換。

3.1.1 水位站

水庫自動水位站包括1個入流浮子式自動水位雨量站-滾水壩(石門沖入流站)、1個庫區(qū)雷達式自動水位雨量站、1個出流浮子式自動水位雨量站，共計3個。其中，庫區(qū)水位站于2015年10月將傳感器由原用的氣泡式水位計更換為雷達式水位計，至今運行正常，測量數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)。但由于遙測終端和通信模塊使用年限過長，運行極不穩(wěn)定，導致經(jīng)常無法將數(shù)據(jù)傳回中心，影響了整套系統(tǒng)的運行。同樣，經(jīng)現(xiàn)場檢測，入流水位站和出流水位站的傳感器運行均正常，但遙測終端和通信模塊的不穩(wěn)定導致系統(tǒng)經(jīng)常收不到數(shù)據(jù)，需要進行更換。由于運行年限過長，蓄電池也同樣存在老化嚴重的問題，需要更換。

因此，對于3個水位站的主要改造內(nèi)容是更換老化嚴重的設備，排除由于設備老化導致的系統(tǒng)運行不穩(wěn)定性問題。主要改造設備材料清單見表1。

3.1.2 雨量站

自動雨量站存在的問題與自動水位站基本相同，都是傳感器運行正常，但遙測終端、通訊模塊、蓄電池、太陽能板等老化嚴重運行不穩(wěn)定。因此，采取和水位站同樣的改造措施，更換老化嚴重的設備，排除由于設備老化導致的系統(tǒng)運行不穩(wěn)定性問題。主要改造設備材料清單見表2。

3.2 大壩安全監(jiān)測部分

3.2.1 浸潤線監(jiān)測

該水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)浸潤線監(jiān)測原來采用的是細井式浮子水位計，建設初期其測量值比較精準，完全可以滿足對浸潤線內(nèi)部水位監(jiān)測的需要。但隨著大壩運行的時間越來越長，浸潤線井內(nèi)的環(huán)境逐漸變得惡劣，如新建時筆直的直井管道由于大壩的自然形變等導致管井不再平直，部分發(fā)生形變，或管道長期受到侵蝕腐蝕導致管壁變厚管徑變小，從而導致浮子在管井中的運行受到影響，上下行通道不再順暢，甚至出現(xiàn)被卡死的現(xiàn)象，導致測到的水位值誤差過大，其數(shù)值已不能代表實際的水位數(shù)值。而遙測終端、通訊模塊、蓄電池、太陽能板等設備也同樣存在老化嚴重運行不穩(wěn)定的問題。因此，必須針對現(xiàn)狀來對整套系統(tǒng)進行改造[4]。

針對傳感器由于管井變形，浮子在管井中運行不順暢甚至卡死導致測量到的水位值與實際水位值不符合的情況，選擇投入式壓力水位計作為水位傳感器。因為投入式壓力水位計的工作原理是在它布設到位以后不需要根據(jù)水位浮動。但投入式壓力水位計由于安裝位置接近井底，極容易被污泥淤積堵塞探頭導致數(shù)據(jù)不準。因此需加強人工維護管理，定期將水位計取出進行清洗并校核數(shù)據(jù)的準確性。針對其他老化嚴重的主要設備，采取對遙測終端、通訊模塊、蓄電池、太陽能板等進行更換處理。同時為了便于校核水位數(shù)據(jù)，增加一只鋼尺水位計，用于人工測量浸潤線，通過定期測量浸潤線內(nèi)水位與自動站測量數(shù)據(jù)比較校核。

3.2.2 滲流量監(jiān)測

滲流量傳感器測量數(shù)據(jù)一直比較準確，只出現(xiàn)一次故障，返廠維修后數(shù)據(jù)一直不準確，需更換。同時需更換站點老化嚴重的設備和核心設備，如數(shù)據(jù)遙測終端、蓄電池、太陽能板等。

3.2.3 高音廣播站

為防止在溢洪道泄洪期內(nèi)有人在溢洪道附近進行捕撈等活動導致有生命危險，在氣象站右側(cè)山上建一個高音廣播站，值班人員在發(fā)現(xiàn)溢洪道附近有人時，可立刻通過高音廣播進行警告，通知人員離開。

3.2.4 主要改造材料

水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)主要改造更換設備材料清見表3。

3.3 視頻監(jiān)控部分

3.3.1 視頻采集

水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)共建有10路攝像機，采用的設備是當時主流的模擬攝像機。電子產(chǎn)品發(fā)展到今天，模擬攝像機已基本被淘汰。而且在實際管理應用中，也感覺到原建的10路視頻圖像還不能完全滿足水庫管理的需要，如庫尾管護區(qū)沒有防護，水庫的入庫道路到壩區(qū)的覆蓋還有所不足。因此，針對視頻采集部分，改造內(nèi)容如下[5]：

1) 將現(xiàn)在還在使用的8只模擬攝像機全部更換為高清網(wǎng)絡球形攝像機，以便能將更清晰的圖像傳回中心，便于中心管理人員更準確地分辨前端的實時情況，作出更有效的應對。

2) 水庫管理區(qū)的入口到水庫管理中心的距離較長，而且經(jīng)過村莊，路況較復雜。因此，在這段道路有必要增加4只攝像機，對水庫入口道路進行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，以保障水庫進出道路的暢通。

3) 在水庫樞紐區(qū)原建系統(tǒng)不能覆蓋的地方，新增4只高清網(wǎng)絡攝像機，以對這些關鍵部位加強防護。

4) 在水庫庫尾的4個庫區(qū)管護點，分別增加4臺高清網(wǎng)絡攝像機，在管護房內(nèi)分別配置一臺硬盤錄像機，在本地進行存儲顯示，圖像不傳回中心。主要改造設備材料見表4。

表4 視頻采集主要改造設備材料清單表

3.3.2 視頻傳輸

1) 攝像機至水庫管理中心原系統(tǒng)中，各點基本是采用光纖為主干進行傳輸。采用光端機進行視頻信號和控制信號的轉(zhuǎn)換和傳輸。攝像機至光端機發(fā)射端和光端機接收端到硬盤錄像機都是使用同軸電纜和2芯線作為視頻信號和控制信號的傳輸線纜。更換為高清網(wǎng)絡攝像機后，需將光端機更換為光纖收發(fā)器，利用原有光纖鏈路作為傳輸主干，末端改為超五類雙絞線鏈接。

2) 水庫管理中心至管理局至市水務局。原系統(tǒng)中，水庫管理中心至水庫管理局的傳輸鏈路為租用的一條10M電信SDH專線，水庫管理局至水務局的傳輸鏈路為租用的一條10M廣電SDH專線。主要存在問題有兩級鏈路兩次費用，鏈路并非隨時在使用，利用率不高，只能在鏈路接入點調(diào)看圖像等。

3) 改造方案。建議在水庫管理中心拉一條20M電信因特網(wǎng)固定IP專線，在費用不比兩條10M電信專線費用高的情況下，管理局和水務局的領導也可以通過授權方式在任何可以上網(wǎng)的地方調(diào)看水庫圖像，了解水庫的實時情況。同時，安裝對應的手機APP，更可以在手機上調(diào)看各路攝像機的實時圖像，為水庫管理提供更開放、更便捷的手段。

3.3.3 中心處理與存儲

原系統(tǒng)為模擬系統(tǒng)，中心的主要控制設備為視頻矩陣和控制鍵盤，主要存儲設備為一臺10路硬盤錄像機。隨著前端設備的更換，中心相關設備也必須對應進行更換。主要更換設備為對應的32路硬盤錄像機，增加配套的交換機等設備。

3.4 大屏顯示部分

水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要顯示設備由一臺大電視及10臺14寸監(jiān)視器組成的電視墻。由于在畫面小，分辨率低，顯示效果無法達到很好的觀察效果，需要進行更換。電視墻的替換產(chǎn)品主要有兩種選擇，一種是選擇DLP拼接屏；另一種是選用小間距LED顯示屏。兩者相比，小間距LED顯示屏的亮度更高，色彩更為艷麗。其缺陷在于距離過近時，LED的間距會導致畫面感不強。但考慮到該水庫的大屏主要用于顯示監(jiān)控畫面，同時會議室是較為狹長的形狀，那么小間距LED顯示屏是更好的一個選擇。

由于LED屏的安裝必須考慮屏后的檢修空間，如果安裝在原電視墻安裝位置，將會占用很大一部分會議室面積，也不利于安裝，原位置不是太合適?？紤]到會議室與機房僅一墻之隔，將LED屏安裝在機房側(cè)墻，背部與機房相通，檢修可以直接在機房內(nèi)進行，便于檢修的同時，還有效保留了會議室的空間。因此，建議對會議室進行簡單改造，針對屏安裝位置的改變，對會議室的門窗相應進行改造以便于人員出入。同時，在大屏上方安裝一組 LED 條屏用于展示。

3.5 中心站硬件平臺部分

原系統(tǒng)中采用一臺服務器作為水雨情測報及大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)發(fā)布服務器，同時配備對應的電腦作為管理人員監(jiān)看數(shù)據(jù)的工作站。服務器經(jīng)過6年不間斷的運行，現(xiàn)在老化非常嚴重，存在速度低、經(jīng)常死機等問題。

為保障系統(tǒng)正常運行，需要更換服務器和相應的工作站?？紤]到現(xiàn)在技術的發(fā)展進步，為避免服務器的老化及故障導致系統(tǒng)出現(xiàn)問題，建議不再單獨購置服務器，而是采取租賃云服務器的方式，租用云服務器主要有安全性高、穩(wěn)定性強和價格便宜的優(yōu)勢。

4 結論及建議

水情自動測報系統(tǒng)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)在該水庫防汛調(diào)度中發(fā)揮著不可替代的作用，為充分發(fā)揮水庫監(jiān)測系統(tǒng)的作用，使水庫管理人員及時、準確、有效地掌握庫區(qū)水情信息，進行科學調(diào)度，本次水情測報和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)改造建設在總體設計上本著“系統(tǒng)分析、合理規(guī)劃、優(yōu)化設計”的原則，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠、技術先進，并兼顧系統(tǒng)籌建運行的合理經(jīng)濟性，能夠及時準確地為庫區(qū)和下游提供準確科學的水情預報。項目于2018年開始建設，2019年3月完成并投入使用。