基于嵌入式技術(shù)的遠(yuǎn)程水利信息監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

喬 恒

（新疆水文局水文實(shí)驗(yàn)站西部水文儀器檢測中心，新疆 烏魯木齊830000）

1 引言

新疆某水利工程是一級(jí)大（1）型工程，由攔河壩、泄洪建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)三大部分組成。主要建筑物類別為：粘土心墻堆石壩、表孔泄洪孔、中孔泄洪孔、深孔排沙孔、引水發(fā)電系統(tǒng)取水口為一級(jí)建筑物；引水發(fā)電隧洞及廠房為二級(jí)建筑物。最大壩高108 m，壩頂長362 m，壩頂寬12.0 m，上游壩坡1∶2.5，下游綜合壩坡1∶2.33，防裂度9度。發(fā)電廠房為地面岸基廠房，由上游輔助設(shè)施、廠房與大壩之間的平臺(tái)、主廠房、尾水平臺(tái)、尾水渠等組成。廠房總長127 m，配備4臺(tái)320 MW水輪發(fā)電機(jī)。該工程是國內(nèi)外跨境河流上游100 m以上的土石壩。水庫的安全運(yùn)行直接關(guān)系到我國及下游國家人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。負(fù)責(zé)綜合工程防洪、灌溉、發(fā)電設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行、管理、維護(hù)和維修。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用分散監(jiān)控、集中處理的模式。整個(gè)監(jiān)控、傳輸和數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)分配系統(tǒng)，包括三個(gè)大的部分：現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸連接結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理中心。

（1）現(xiàn)場監(jiān)測

現(xiàn)場監(jiān)測主要通過裝有S3C2410 ARM9芯片的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)備增加了支持短消息和數(shù)據(jù)通信的GPRS通信模塊。并且終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以通過GPRS調(diào)制解調(diào)器發(fā)送到監(jiān)控中心，同時(shí)也可以接收監(jiān)控中心的操作命令。

（2）運(yùn)輸連接

終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備與監(jiān)控中心通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通過GPRS調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行通信連接。

（3）數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理中心

通過接入移動(dòng)通信企業(yè)的SP服務(wù)器，對(duì)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程處理，完成水文數(shù)據(jù)的處理、保存等功能，同時(shí)向遠(yuǎn)程終端發(fā)送控制命令的調(diào)制解調(diào)器設(shè)備。當(dāng)報(bào)警被呼叫時(shí)，信息可以被轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程操作員的電話上。

系統(tǒng)功能的具體實(shí)現(xiàn)過程是：在數(shù)據(jù)采集前端定時(shí)對(duì)水位、時(shí)間等有用信息進(jìn)行編碼，根據(jù)具體協(xié)議對(duì)傳感器信息的準(zhǔn)確性進(jìn)行處理、打包、形成短信，借助GPRS通信模塊將短信送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心將接收到的報(bào)文在相應(yīng)的解碼處理后，在某一特定地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)超時(shí)流量，發(fā)送給各水利調(diào)度決策人員，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，供日后水文信息查詢，整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集方式，本工程安全監(jiān)測系統(tǒng)可分為人工采集和自動(dòng)采集兩大類。信息管理與分析系統(tǒng)是整個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心和靈魂，是數(shù)據(jù)管理和分析的良好手段。一個(gè)良好的工程質(zhì)量監(jiān)控體系，不僅能充分發(fā)揮工程質(zhì)量監(jiān)控管理的作用，而且能極大地提高工程的安全管理水平。

針對(duì)本工程監(jiān)測項(xiàng)目齊全、測點(diǎn)多、監(jiān)測周期長等特點(diǎn)。合理的層次結(jié)構(gòu)是保證整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。測控系統(tǒng)主要由三層組成：測量層、數(shù)據(jù)采集層和監(jiān)控層。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

系統(tǒng)功能特點(diǎn)：

①該系統(tǒng)將通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，形成一個(gè)自動(dòng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理系統(tǒng)，并將最終的處理結(jié)果及時(shí)、直觀地提供給管理人員。

②系統(tǒng)專用軟件解決了遠(yuǎn)程服務(wù)、在線數(shù)據(jù)采集、報(bào)表、圖形制作、離線分析、大壩安全文件管理、實(shí)測值預(yù)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)匯編、數(shù)據(jù)庫管理等技術(shù)問題。實(shí)現(xiàn)大壩和工程安全管理的優(yōu)質(zhì)高效。

③系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使用靈活，維護(hù)方便，擴(kuò)展性能強(qiáng)，防雷、防潮、抗干擾能力強(qiáng)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)插值與提取的應(yīng)用

如果由于某種原因?qū)崪y數(shù)據(jù)相對(duì)稀疏，就很難滿足級(jí)數(shù)分析和預(yù)測的計(jì)算要求。此時(shí)，需要使用相鄰測量或測量點(diǎn)的可靠數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。插值按原理可分為物理力學(xué)插值和數(shù)學(xué)插值。物理力學(xué)插值主要以已知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析影響量與因變量之間的函數(shù)關(guān)系，然后利用該關(guān)系進(jìn)行插值。數(shù)學(xué)插值方法主要有線性插值法、拉格朗日插值法、多項(xiàng)式插值法等，具體原理請(qǐng)參閱相關(guān)數(shù)學(xué)專著。當(dāng)測量數(shù)據(jù)過于緊密，影響分析效率時(shí)，可以根據(jù)需要提取數(shù)據(jù)。主要方法有時(shí)間提取法、計(jì)量提取法等。

以本工程0+175.00段滲流壓力為例，進(jìn)行插值計(jì)算分析：

壩段最大斷面為0＋175，壩基埋設(shè)9個(gè)滲壓表（13個(gè)滲壓表布置在整個(gè)壩段）。S01位于壩軸線上游8 m處，深31.58 m；深部地基。S02位于壩后下游2 m處的帷幕和11.38 m深處；S03和S04埋設(shè)在心墻粘土和混凝土（底板）的結(jié)合面上，壩基軸距分別為15 m和15 m；S05位于壩軸線下游31.5 m過渡材料的基礎(chǔ)面上；S06、S07、S08和S09滲透壓力計(jì)均埋設(shè)在壩基表面上。壩下游殼體材料，壩軸線距離分別為47 m、100 m、130 m和190 m。

在粘土心墻中，935 m高程（S10、S11）和965 m高程（S12、S13）分別埋設(shè)兩個(gè)滲透壓力計(jì)。S10、S11壩段軸距高出軸4 m，軸下15 m。S12、S13大壩軸距高出軸2.89 m，軸下8.12 m。

S01～S13為振弦式測壓計(jì)，量程為0.35 MPa、0.5 MPa、0.75 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa。

同一斷面布置4個(gè)測壓計(jì)（UP-02堵在58.5 m處，2008年8月后投入使用，暫不統(tǒng)計(jì)），編號(hào)UP-01、UP-03、UP-04，孔底標(biāo)高分別為906.974 m、899.235 m和902.180 m，壩軸距分別為2.5 m、68 m和118 m，UP-01位于心墻內(nèi)，心墻下游壩體材料中的UP-03和UP-04。

經(jīng)檢驗(yàn)，在選擇滲透壓計(jì)初始值時(shí)，以現(xiàn)場埋設(shè)后讀數(shù)基本穩(wěn)定的頻率模式或阻力比、溫度作為初始值進(jìn)行計(jì)算，從而使施工中埋設(shè)時(shí)現(xiàn)場存在的地下水位的影響忽略，可能會(huì)出現(xiàn)較大錯(cuò)誤。為此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（頻率模式或電阻比），不考慮溫度變化（因?yàn)檎也坏綌?shù)據(jù)），計(jì)算出的水位誤差見表1。對(duì)于誤差較大的S01和S02，將水位高程誤差疊加在原綜合計(jì)算水位上，得到更符合實(shí)際情況的水位高程。

表1 滲壓計(jì)水位高程誤差統(tǒng)計(jì)表

3.2 典型部位滲透壓實(shí)測值變化過程線

典型位置滲透壓計(jì)測量的工藝路線見圖2。

圖2 滲壓計(jì)水位測量工藝線

2017年9月1日～2018年8月7日，水庫水位973.24 m～995.93 m，水位變化22.69 m；S01滲流壓力水平966.87 m～988.26 m，變化21.39 m；S02滲透壓水平941.20 m～953.20 m，范圍為12.00 m；S03滲透壓力水平為947.30 m～972.32 m，范圍為25.02 m；S04的滲透壓力水平為947.30 m～972.32 m，范圍為25.02 mm。水庫水位970 m～996 m時(shí)，S01滲壓水位為6.0 m～7.5 m，低于水庫水位，S02與水庫水位相關(guān)性較好。2006年以后，水庫高水位區(qū)間的線性度很高。相關(guān)圖沒有滯后曲線。心墻粘土與混凝土樓板結(jié)合面上的S03和S04相關(guān)圖有明顯的滯后曲線?；貧w分析結(jié)果的時(shí)效成分是反映心墻下游非穩(wěn)定滲流過程和粘性特性的重要或主要組成部分。

受S05～S09前期地下水位的影響，2015年7月23日水庫水位達(dá)到965 m時(shí)，心墻材料的內(nèi)滲壓力計(jì)開始明顯上升，9月1日水庫水位達(dá)到976 m后基本穩(wěn)定在914.26 m～915.19 m，2015年，不再與上游水位變化有關(guān)。

心墻S10、S12、S11、S13分別響應(yīng)2015年10月22日、2016年1月18日、2016年7月31日、2016年12月30日水庫水位變化，與水庫水位相關(guān)圖有明顯的滯后曲線；2015年9月1日至2018年8月7日期間，滲流S10滲壓水位為935.11 m～968.79 m，變化范圍為33.6 m；S12滲流壓力等級(jí)為964.67 m～981.75 m，變化幅度為17.08 m；S11滲流壓力水位為934.73 m～943.54 m，變化幅度為8.81 m；S13滲流壓力水位為964.51 m～965.66 m，變化范圍為1.15 m心墻下游側(cè)溢流面為965.22 m～965.65 m。

心墻內(nèi)UP-01實(shí)測水位在同一位置的S03～S04之間，變化過程基本相同。心墻下游壩體材料UP-03、UP-04與同一位置S05～S09實(shí)測值基本一致。

4 結(jié)論

（1）基礎(chǔ)帷幕：S02、S05～S09、UP03和UP04數(shù)據(jù)表明，基礎(chǔ)帷幕目前具有良好的防滲效果。

（2）粘土心墻與基礎(chǔ)板的結(jié)合面：S03和S04相關(guān)圖具有明顯的滯回曲線，回歸分析結(jié)果的老化分量是一個(gè)重要的或主要的部分，反映了下游非穩(wěn)定滲流的擴(kuò)散過程和粘度特性。

（3）粘土心墻內(nèi)部：心墻內(nèi)S10、S12、S11、S13與水庫水位的相關(guān)圖中有明顯的滯后曲線，2017年后心墻下游側(cè)溢流面高度為965.22 m～965.65 m。