基于監(jiān)測傳感器的新型智能測控裝備研發(fā)與應(yīng)用

趙 杰， 黃 會(huì) 寶， 李 諾 東， 張 涵 軻

(1.國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041;2.國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

水電工程是國家重大的基礎(chǔ)設(shè)施，其運(yùn)行安全關(guān)系重大，而大壩安全監(jiān)測作為監(jiān)控大壩安全的耳目，快速、準(zhǔn)確獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)、反饋大壩安全顯得尤為重要[1]。例如：2020年汛期大渡河流域遭受百年一遇的大洪水，為減輕下游及長江流域防洪壓力，大渡河利用瀑布溝等水庫攔蓄洪水，錯(cuò)峰削峰率達(dá)到8成，而快速攔蓄洪水的背后就是一條條監(jiān)測數(shù)據(jù)的作用，依靠著監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋快速蓄水過程中的大壩安全?；诖?，大渡河公司在每座大壩均布設(shè)了完備的監(jiān)測儀器，但如何利用自動(dòng)化、信息化手段快速、智能取得數(shù)據(jù)、反饋工程安全，一直是困擾大壩安全管理者的難題。從國內(nèi)外看，現(xiàn)有自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集設(shè)備及系統(tǒng)普遍存在采集速度慢、傳輸層級(jí)多、功能擴(kuò)展受限、設(shè)備信息不詳?shù)炔蛔?，尤其在洪水、暴雨等特殊工況時(shí)常會(huì)出現(xiàn)通訊中斷、數(shù)據(jù)漏測等問題，在緊急情況下，管理人員無法準(zhǔn)確掌握大壩或邊坡的運(yùn)行狀況，難以評(píng)價(jià)工程安全穩(wěn)定情況。

1 研發(fā)新裝備的總體思路

堅(jiān)持問題導(dǎo)向，引進(jìn)PLC(可編輯控制器)技術(shù)，融合物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等技術(shù)，瞄準(zhǔn)大壩安全監(jiān)測內(nèi)觀傳感器數(shù)據(jù)采集中的采集效率、測量模式、主動(dòng)監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)控及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警5大核心問題開展攻關(guān)，成功研發(fā)了“基于監(jiān)測傳感器的新型智能測控裝備”。該裝備主要由感知層、測控層和應(yīng)用層組成，其中核心成果主要為中間控制層，它將多類型傳感器集成化管理，嵌入預(yù)警模型和評(píng)判指標(biāo)，可智能自主地采集數(shù)據(jù)并識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，供后臺(tái)人員分析、評(píng)價(jià)和預(yù)警。

2 主要技術(shù)內(nèi)容

2.1 形成大壩安全監(jiān)測智能測控單元

大渡河公司針對(duì)目前國內(nèi)其他測控裝置在采集效率、數(shù)據(jù)處理分析效率等方面存在的弊端，利用PLC[2]在電力行業(yè)的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，充分發(fā)揮PLC的運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高、通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，參考國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，將PLC的應(yīng)用擴(kuò)大到大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域。同時(shí)引入邊緣計(jì)算理念，將數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)警等指令傳感端直接完成，大大提升處理效率，減輕云端的負(fù)荷。由于整個(gè)過程更加靠近用戶，還為用戶提供更快的響應(yīng)，將需求在邊緣端解決。

2.1.1 構(gòu)建邊緣計(jì)算的測值可信度評(píng)估模型

在實(shí)際測量過程中，在獲得儀器的測量數(shù)據(jù)后，一個(gè)最重要的步驟就是對(duì)這些測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評(píng)估，確認(rèn)這些數(shù)據(jù)是否有效，無效的數(shù)據(jù)就要剔除，不能進(jìn)入下一步的處理過程中。一般常用的處理方法就是首先去除粗差，然后按照一定的判定規(guī)則(比如3σ準(zhǔn)則等)評(píng)估測量數(shù)據(jù)是否有效，能否表示真實(shí)的物理量，也即本次的測值是否可信，將可信度合乎測量要求的數(shù)據(jù)，送入下一步驟進(jìn)行處理，以獲得最終的測量結(jié)果。量化測值的可信度評(píng)判在云端還是邊緣端完成，對(duì)測控系統(tǒng)的性能和可靠性會(huì)產(chǎn)生重大影響。據(jù)此，利用嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)大的計(jì)算、存儲(chǔ)平臺(tái)，在數(shù)據(jù)源頭，即數(shù)據(jù)測量模塊端，進(jìn)行測值的可信度計(jì)算、評(píng)估。實(shí)現(xiàn)了單支儀器采集數(shù)據(jù)時(shí)間僅為0.18 s，采集效率提升10.22倍。

2.1.2 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 減少傳輸路徑43%

目前，國內(nèi)大壩安全數(shù)據(jù)采集平臺(tái)大多數(shù)都是采用采集計(jì)算機(jī)(工控機(jī))作為數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)，在實(shí)際使用過程中，工控機(jī)經(jīng)常發(fā)生死機(jī)故障，每隔一段時(shí)間必須人工重新啟動(dòng)，耗費(fèi)大量人力資源，影響數(shù)據(jù)采集效率。針對(duì)水電站工程監(jiān)測采用的各種類型傳感器，如電阻式、電感式、電容式、鋼弦式以及其他形式，通過線路與智能測控裝備直接相連。經(jīng)過研發(fā)運(yùn)用CAN總線技術(shù)，將常規(guī)內(nèi)觀自動(dòng)化通訊網(wǎng)絡(luò)七層級(jí)優(yōu)化至四層級(jí)，縮短網(wǎng)絡(luò)通訊序列，減少網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備和信號(hào)轉(zhuǎn)換，提高了數(shù)據(jù)采集效率和傳輸可靠性。

2.2 創(chuàng)新測量方法 提升測量精度

在實(shí)踐中，大渡河公司創(chuàng)新優(yōu)勢互補(bǔ)的復(fù)合測量新方法，解決了數(shù)據(jù)跳動(dòng)、測值不穩(wěn)、傳感器易壞等問題。經(jīng)統(tǒng)計(jì)測量誤差降低到規(guī)范允許值的0.14倍，顯著提升了測量精度[3]。

傳感器的激勵(lì)電壓是整個(gè)測量過程的基礎(chǔ)，主要分為高壓激勵(lì)和低壓掃頻激勵(lì)兩種方式。高壓激勵(lì)是產(chǎn)生一個(gè)高壓激勵(lì)脈沖使振弦振動(dòng)，激發(fā)時(shí)電壓峰值在幾十至一百多伏。低壓掃頻激勵(lì)是根據(jù)傳感器的固有頻率選擇合適的頻率段，對(duì)傳感器施加幾伏低電壓的頻率逐漸變大的掃頻脈沖串信號(hào)，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率和鋼弦固有頻率相近時(shí)，即可使鋼弦振動(dòng)。這兩種激勵(lì)方式各有所長，但都有不足。高壓激勵(lì)易使鋼弦起振，但精度低，對(duì)鋼弦損傷大； 低壓掃頻激勵(lì)精度高，但掃頻耗時(shí)長。結(jié)合高壓激勵(lì)和低壓掃頻兩種激勵(lì)方式的優(yōu)點(diǎn)，在測量模塊中設(shè)置了復(fù)合測量模式。即第一次測量采用高壓激勵(lì)，快速使鋼弦起振，以后測量采用低壓掃頻方式，以獲得較高的精度。這樣，解決了數(shù)據(jù)跳動(dòng)、測值不穩(wěn)、傳感器易壞等問題。

2.3 建立智能自適應(yīng)策略 滿足應(yīng)急加密監(jiān)測需求

測控裝備可根據(jù)PLC控制器設(shè)定規(guī)則對(duì)傳感器單元進(jìn)行自適應(yīng)頻次的數(shù)據(jù)采集讀取，以獲得讀取對(duì)象完整的狀態(tài)變化過程。PLC具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和存儲(chǔ)功能，根據(jù)測量結(jié)果對(duì)比，可實(shí)現(xiàn)測量頻次自適應(yīng)主動(dòng)監(jiān)測功能。當(dāng)同一測量對(duì)象本身發(fā)生較大變化時(shí)，通過評(píng)判規(guī)則，能在測控裝備端自動(dòng)增加或減少數(shù)據(jù)采集的頻次，以獲得測量對(duì)象的整個(gè)變化過程曲線及加密數(shù)據(jù)，確保能完整記錄測量對(duì)象的狀態(tài)變化，避免常規(guī)測控裝置無法記錄關(guān)鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化情況的弊端，主動(dòng)記錄本體演化過程，獲得全過程監(jiān)測變化曲線及數(shù)據(jù)，滿足大壩在地震、洪水、暴雨等特殊情況下的應(yīng)急加密監(jiān)測需求。

2.4 研發(fā)智能診斷技術(shù) 提高設(shè)備可靠性

研發(fā)基于故障樹理論的設(shè)備健康狀態(tài)智能診斷技術(shù)[4]，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備故障自診斷與預(yù)警，并按兩級(jí)給出故障報(bào)警，輔助快速判斷故障部位并指導(dǎo)定向消缺，以提高設(shè)備可靠性。

目前，國內(nèi)常用的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，基于單片機(jī)開發(fā)，其功能較少，系統(tǒng)故障率較高，在故障發(fā)生后，需要維護(hù)人員自主判斷故障部位，對(duì)使用人員要求高且耗時(shí)較長?；赑LC+的理念，利用PLC成熟的I/O模塊，通訊端口和可定制化軟件的功能，以故障樹分析作為工具，專門開發(fā)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)健康狀態(tài)智能診斷功能模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測采集系統(tǒng)內(nèi)中央處理單元、信號(hào)處理單元、通訊單元等各單元的工作狀態(tài)，并記錄在冊(cè)。診斷模塊根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)各單元的實(shí)時(shí)及歷史工作狀態(tài)，評(píng)估系統(tǒng)健康狀況，當(dāng)出現(xiàn)一級(jí)故障時(shí)，立刻報(bào)警，通知使用人員，并通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)處理措施自主處理。如在其他安全監(jiān)測系統(tǒng)中出現(xiàn)的系統(tǒng)死機(jī)情況，可通過設(shè)備斷電重啟操作自動(dòng)完成系統(tǒng)重啟。當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)不能自主處理的故障，如系統(tǒng)檢測到線路故障，將通過聲光報(bào)警或者短消息方式通知維護(hù)人員，告知哪個(gè)設(shè)備哪一通道出現(xiàn)線路故障，精確確定故障點(diǎn)，極大限度方便了用戶使用，顯著提升了智能化管控水平[5]。

2.5 研發(fā)多類型儀器 實(shí)現(xiàn)智能管控和及時(shí)預(yù)警

研發(fā)了多類型儀器通用采集裝備，儀器接入容量擴(kuò)增4倍，開發(fā)了具有4級(jí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警功能的人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多類型傳感器的智能管控和及時(shí)預(yù)警。

2.5.1 集成多類型儀器采集模塊

國內(nèi)各廠家的測量模塊其通訊協(xié)議不對(duì)外公開，且其大多采用非標(biāo)協(xié)議，各廠家之間模塊不能混合使用，給現(xiàn)場安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)帶來極大不便。針對(duì)水電站工程監(jiān)測采用的各種類型傳感器，如電阻式、電感式、電容式、鋼弦式以及其他形式，研發(fā)了基于PLC控制且適應(yīng)多類型傳感器的采集裝備，實(shí)現(xiàn)了多類型傳感器儀器幾何級(jí)擴(kuò)增通道以及測值數(shù)據(jù)的精確讀取，極大限度提升了大壩安全監(jiān)測自適應(yīng)水平，顯著降低了工程安全監(jiān)測成本，達(dá)到了主流監(jiān)測設(shè)備和傳感器的即插即用目的。

2.5.2 開發(fā)大壩安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)模式，軟件結(jié)構(gòu)采用多層結(jié)構(gòu)，分別為數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器層和表現(xiàn)層(包括客戶端應(yīng)用表現(xiàn)層)，通過對(duì)軟件層次結(jié)構(gòu)的抽象和組合，能夠?qū)?shù)據(jù)訪問、業(yè)務(wù)邏輯處理和用戶界面展示部分進(jìn)行分割和組裝，使軟件系統(tǒng)具備很好的伸縮性和靈活性，更好地適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫類型和不同層次用戶的特殊需求。

大渡河流域大壩安全風(fēng)險(xiǎn)按大壩總滲流量、有效應(yīng)力、揚(yáng)壓系數(shù)及穩(wěn)定系數(shù)等數(shù)等維度進(jìn)行預(yù)警評(píng)判，共分為四級(jí)，從低到高依次為Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ級(jí)，對(duì)于不同的預(yù)警等級(jí)按規(guī)則推送相應(yīng)的預(yù)警信息和應(yīng)急處置措施。當(dāng)監(jiān)控指標(biāo)達(dá)到或超過評(píng)判規(guī)則中某一項(xiàng)評(píng)判指標(biāo)時(shí)即發(fā)布預(yù)警信息，推送應(yīng)急處置措施；當(dāng)監(jiān)控指標(biāo)低于評(píng)判指標(biāo)時(shí)將降低預(yù)警級(jí)別直至預(yù)警結(jié)束。大壩安全風(fēng)險(xiǎn)需綜合大壩地質(zhì)資料、監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡視檢查等因素綜合判斷，必要時(shí)可邀請(qǐng)外部專家會(huì)商，逐步健全預(yù)警評(píng)判體系，優(yōu)化應(yīng)急處置策略，提升大壩安全風(fēng)險(xiǎn)管控能力。

3 應(yīng)用案例

選取瀑布溝電站壩頂左岸觀測房6個(gè)MCU模塊接入測試，與南京水文自動(dòng)化研究所承建的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步測量，覆蓋了27支正常測量的振弦式傳感器：包括2支多點(diǎn)位移計(jì)、3支錨桿應(yīng)力計(jì)、16支滲壓計(jì)、3支土體位移計(jì)、3支土壓力計(jì))，測試成果理想。

3.1 短期穩(wěn)定性測試

通過自動(dòng)化系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)測讀15次，由15次讀數(shù)計(jì)算其中誤差，根據(jù)中誤差評(píng)價(jià)自動(dòng)化系統(tǒng)重復(fù)讀數(shù)精度及測值穩(wěn)定性，其計(jì)算方法如下：

15次讀數(shù)分別為：x1、x2、……、x15；

實(shí)測數(shù)據(jù)算術(shù)平均值為：

式中n為15。

對(duì)短時(shí)間內(nèi)重復(fù)測試的數(shù)據(jù)，用貝塞爾公式計(jì)算出短期重復(fù)測試中的誤差。計(jì)算公式如下：

按照《大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)驗(yàn)收規(guī)范》(GB/T 22385-2008)要求鋼弦式儀器頻率測值中誤差σx應(yīng)滿足±1 Hz的控制標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)27支傳感器連續(xù)測量，各測點(diǎn)均滿足規(guī)范要求。

3.2 長期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在現(xiàn)行的規(guī)范中，對(duì)系統(tǒng)的可靠性可用平均無故障工作時(shí)間(MTBF)及數(shù)據(jù)缺失率(FR)來考核。

自動(dòng)化數(shù)據(jù)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)應(yīng)僅考核本次評(píng)定為正常的測點(diǎn)，考核時(shí)段取2019年10月1日至2020年3月31日。

3.2.1 平均無故障工作時(shí)間

平均無故障工作時(shí)間是可修復(fù)設(shè)備在相鄰兩次故障之間工作時(shí)間的平均值，用MTBF表示，它相當(dāng)于設(shè)備的工作時(shí)間與這段時(shí)間內(nèi)設(shè)備故障數(shù)之比，是設(shè)備可靠性的一個(gè)重要的定量指標(biāo)。

故障定義：垂線自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)不能正常工作，造成所控制的測點(diǎn)測值異?；蛲y1周以上，稱為測點(diǎn)發(fā)生故障。如果測點(diǎn)不能正常工作，但在一周內(nèi)能恢復(fù)，則不計(jì)故障次數(shù)，但應(yīng)計(jì)故障天數(shù)。

各測點(diǎn)平均無故障工作時(shí)間計(jì)算公式如下：

本次考核系統(tǒng)平均無故障工作時(shí)間取各測點(diǎn)平均無故障工作時(shí)間的平均值，計(jì)算公式如下：

式中t為考核期天數(shù)；ti為考核期中故障天數(shù)；ri為考核期內(nèi)第i個(gè)測點(diǎn)出現(xiàn)故障的次數(shù)，未發(fā)生故障取ri=1；n為系統(tǒng)中測點(diǎn)的總數(shù)。

平均無故障工作時(shí)間考核指標(biāo)的確定：《大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》(DL/T5211-2005)要求“系統(tǒng)平均無故障時(shí)間(MTBF)大于6 300 h”、“數(shù)據(jù)采集裝置MTBF不小于6 300 h”，本次系統(tǒng)年平均無故障時(shí)間考核指標(biāo)按規(guī)范要求取6 300 h。換算到本評(píng)價(jià)時(shí)間段2019年10月1日至2020年3月30日，無故障運(yùn)行時(shí)間至少應(yīng)滿足3 150 h。

接入的27支儀器，每日均能正常采集，年平均無故障工作時(shí)間均為4 392 h，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 數(shù)據(jù)缺失率

數(shù)據(jù)缺失率是指未能測得的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與應(yīng)測得的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)之比，考核期和數(shù)據(jù)缺失計(jì)算原則與平均無故障工作時(shí)間相同。

測點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失率計(jì)算公式如下：

系統(tǒng)平均數(shù)據(jù)缺失率取各測點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失率的平均值，計(jì)算公式如下：

式中FR為數(shù)據(jù)采集缺失率；NFi為未測得的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；NMi為應(yīng)測得的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；N為系統(tǒng)中測點(diǎn)的總數(shù)。

根據(jù)《大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》(DL/T5211-2005)有關(guān) “監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的缺失率應(yīng)不大于3%”的要求，本次系統(tǒng)數(shù)據(jù)缺失率考核指標(biāo)取3%。考評(píng)時(shí)間段內(nèi)能滿足設(shè)定1次/日的觀測頻次，數(shù)據(jù)缺失率為0。

3.2.3 準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

采用便攜式讀數(shù)儀與PLC測量成果進(jìn)行對(duì)比，先后開展了3次，綜合考慮人工測讀誤差因素，當(dāng)頻率實(shí)測值最大較差|σ|≤2 Hz時(shí)，為合格；否則，為不合格。經(jīng)計(jì)算全部滿足要求。

選取瀑布溝電站壩頂左岸觀測房6個(gè)MCU模塊接入測試，與南京水文自動(dòng)化研究所承建的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步測量，覆蓋了27支正常測量的振弦式傳感器：包括2支多點(diǎn)位移計(jì)、3支錨桿應(yīng)力計(jì)、16支滲壓計(jì)、3支土體位移計(jì)、3支土壓力計(jì))，測試成果顯示中誤差、平均無故障工作時(shí)間、數(shù)據(jù)缺失率、準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

引入邊緣智能控制技術(shù)，利用可編程序控制系統(tǒng)+特殊功能采集模塊，能夠適應(yīng)多類型傳感器，實(shí)時(shí)感知設(shè)備運(yùn)行環(huán)境；通過以太網(wǎng)傳輸，實(shí)現(xiàn)信息多路徑實(shí)時(shí)采集傳輸，減少并優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，大力提升數(shù)據(jù)采集效率和傳輸速率；采用開放式通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了信息系統(tǒng)與現(xiàn)場測控裝置的無縫銜接。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，提升了特殊工況下的應(yīng)急加密監(jiān)測能力，破解了現(xiàn)場獲取快速監(jiān)控對(duì)象全過程完整監(jiān)測數(shù)據(jù)的難題。同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)聯(lián)地震、洪水等信息，在洪水、地震等特殊場景下，自動(dòng)啟動(dòng)加密監(jiān)測或應(yīng)急監(jiān)測。快速應(yīng)對(duì)了2019年四川宜賓、內(nèi)江5級(jí)以上地震，及時(shí)獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)并評(píng)價(jià)了大壩安全狀況；2021年汛期，大渡河梯級(jí)庫壩群背后成千上萬條監(jiān)測數(shù)據(jù)，有力支撐了大壩攔蓄百年一遇的大洪水，為減輕下游及長江流域防洪壓力做出了突出貢獻(xiàn)?？捎辛ν七M(jìn)監(jiān)測行業(yè)“感知→傳輸→識(shí)別→分析→應(yīng)用”的全方位智能管控的發(fā)展，提高大壩安全風(fēng)險(xiǎn)管理的能力。