懷柔水庫(kù)滲壓監(jiān)測(cè)自動(dòng)化升級(jí)改造研究

杜云龍 陳含 劉利 張明躍 齊紀(jì) 史天明

摘要：傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方法已不能滿足水工監(jiān)測(cè)智能化發(fā)展的需要，因此對(duì)北京市懷柔水庫(kù)主壩進(jìn)行了滲壓監(jiān)測(cè)自動(dòng)化升級(jí)改造。在大壩中安裝了滲壓計(jì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)滲壓數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)傳輸模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳送至云服務(wù)器，開(kāi)發(fā)了滲壓監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯總展示、規(guī)范格式報(bào)表導(dǎo)出、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)形象化展示、數(shù)據(jù)編輯及人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入等功能。結(jié)果表明：通過(guò)此次升級(jí)改造，提高了懷柔水庫(kù)滲壓監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和信息化程度，有助于管理人員及時(shí)掌握大壩運(yùn)行狀態(tài)，加強(qiáng)了大壩安全運(yùn)行管理水平。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)滲壓監(jiān)測(cè);云服務(wù)器;分析平臺(tái);懷柔水庫(kù)

中圖法分類號(hào)：TV698.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.011

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）07 - 0054 - 05

1 研究背景

懷柔水庫(kù)位于北京市懷柔區(qū)西南處，是向北京市供水的關(guān)鍵水利樞紐。懷柔水庫(kù)建成以來(lái)，在防洪、城市供水等方面發(fā)揮了巨大的效益，對(duì)北京市的供水起到了重要作用。懷柔水庫(kù)主壩為黏土斜墻壩，壩頂高程68.0 m，最大壩高23.0 m。工程規(guī)模為大（2）型，工程等級(jí)屬于II等[1-2]。主壩共布設(shè)25處滲流壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均采用測(cè)壓管進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中壩體滲流壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)12處，繞壩滲流監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處，壩基滲流壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處，西溢洪道監(jiān)測(cè)點(diǎn)6處，東溢洪道監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處。每月日期逢5逢0時(shí)對(duì)所有滲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工觀測(cè)，工作人員使用水尺對(duì)各測(cè)壓管內(nèi)的水位進(jìn)行測(cè)量，遇有特殊情況時(shí)（比如汛期），會(huì)加大監(jiān)測(cè)的頻次。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展[3-4]，隨著大壩管理水平提升和信息化發(fā)展要求的提高，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化已成為水工安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向[5-6]。相比之下，懷柔水庫(kù)目前采用的人工監(jiān)測(cè)仍存在如下不足：①觀測(cè)精度低、周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)分析成果滯后，不能及時(shí)了解壩體的滲流狀況;②觀測(cè)工作易受雨、雪等不利天氣的影響;③在汛期加大監(jiān)測(cè)頻次，增加了觀測(cè)人員的工作強(qiáng)度。

由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)手段效率低、成本高，已不能滿足水利工程管理自動(dòng)化、信息化和智能化的需要，因此對(duì)大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造具有重要意義，不僅可以及時(shí)獲取高精度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，為大壩的安全運(yùn)行提供有力保障。本文介紹了懷柔水庫(kù)滲壓監(jiān)測(cè)自動(dòng)化升級(jí)改造的技術(shù)路線以及滲壓監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)的架構(gòu)、模塊和核心功能，并分析了改造效果。

2 技術(shù)路線

2.1 改造總體思路

此次對(duì)懷柔水庫(kù)主壩滲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)化改造的技術(shù)路線如圖1所示：在各測(cè)壓管安裝滲壓計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滲壓數(shù)據(jù)（即測(cè)壓管內(nèi)水位數(shù)據(jù)），每個(gè)滲壓計(jì)連接一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用數(shù)據(jù)傳輸模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳送至云服務(wù)器，利用太陽(yáng)能供電裝置對(duì)滲壓計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行供電，在云服務(wù)器上開(kāi)發(fā)滲壓監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)、手機(jī)等客戶端可以通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)登錄該軟件，對(duì)滲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、匯總顯示、分析處理，并可進(jìn)行形象化展示。

2.2 儀器設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 滲壓計(jì)

此次改造采用的滲壓計(jì)為北京天璣科技有限公司生產(chǎn)的TJS01型壓阻式滲壓計(jì)（圖2），每個(gè)測(cè)壓管內(nèi)水面以下固定一支滲壓計(jì)，如圖1所示，滲壓計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)為所在位置處的水深（滲壓計(jì)內(nèi)部有芯片，根據(jù)壓力與水深成正比關(guān)系的靜水壓力原理，可自動(dòng)將測(cè)量的水壓力轉(zhuǎn)換為水深），再加上該滲壓計(jì)所在位置的高程，即為測(cè)壓管內(nèi)的水位高程。滲壓計(jì)水深測(cè)量范圍為0～30 m，監(jiān)測(cè)精度為±0.1% F.S（F.S是指?jìng)鞲衅鞯闹笜?biāo)相對(duì)于傳感器滿量程誤差的百分?jǐn)?shù)），工作濕度不大于95%，工作溫度為

-30～+70℃。為消除溫度變化對(duì)儀器測(cè)量精度的影響，在滲壓計(jì)內(nèi)部設(shè)置熱敏電阻，通過(guò)溫度修正提高測(cè)量精度。使用中若滲壓計(jì)工作異常，應(yīng)首先檢查數(shù)據(jù)傳輸模塊或者串口服務(wù)器，重點(diǎn)檢查SIM卡是否欠費(fèi)。若網(wǎng)絡(luò)通訊正常，則通過(guò)向設(shè)備發(fā)短信的方式進(jìn)一步檢測(cè);如果短信發(fā)出后沒(méi)有收到回應(yīng)，則為設(shè)備損壞或者接線變松，這時(shí)應(yīng)攜帶備用滲壓計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)，若檢查發(fā)現(xiàn)非線路問(wèn)題則需要更換設(shè)備。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊又稱DTU（Data Transfer Unit），是將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端設(shè)備[7]。此次選用北京天璣科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為T(mén)J0435的G785型4G-DTU（圖3），同時(shí)具有數(shù)據(jù)采集及傳輸功能，主要由CPU控制模塊、4G無(wú)線通信模塊以及電源模塊構(gòu)成，同時(shí)提供RS232和RS485接口，可直接連接串口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能，該DTU數(shù)據(jù)傳輸速率快、容量大、通信費(fèi)用較低，且不受地理位置和環(huán)境的限制，具有較好的實(shí)時(shí)性[8-10]。每個(gè)DTU設(shè)置唯一設(shè)備編號(hào)，可保證數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)器時(shí)被識(shí)別，在DTU中插入4G SIM卡，構(gòu)建出DTU-4G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳輸通道，將滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集出來(lái)通過(guò)4G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至云服務(wù)器。

2.2.3 太陽(yáng)能供電裝置

采用北京天璣科技有限公司生產(chǎn)的TJ40-100型太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，由單晶硅太陽(yáng)能板、鉛酸蓄電池和支架組成，通過(guò)線纜連接，給滲壓計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸模塊供電，可保證在陰雨天氣連續(xù)使用20 d。圖4為懷柔水庫(kù)主壩下游坡面上已安裝的太陽(yáng)能供電裝置。

2.2.4 云服務(wù)器

云服務(wù)器（Elastic Compute Service， ECS）是云計(jì)算服務(wù)的重要組成部分，是面向各類互聯(lián)網(wǎng)用戶提供綜合業(yè)務(wù)能力的服務(wù)平臺(tái)，平臺(tái)整合了傳統(tǒng)意義上的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用三大核心要素：計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)。面向用戶提供公用化的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，可以讓用戶像使用水、電、天然氣等公共資源一樣便捷、高效地使用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的即開(kāi)即用和彈性伸縮。云服務(wù)器的管理方式比物理服務(wù)器更簡(jiǎn)單高效，用戶無(wú)需購(gòu)買硬件實(shí)體，即可迅速創(chuàng)建或釋放任意一臺(tái)或多臺(tái)云服務(wù)器，具有快速供應(yīng)和部署能力，且當(dāng)用戶業(yè)務(wù)需求增加時(shí)，可快速實(shí)現(xiàn)性能擴(kuò)展[11]。

此次改造通過(guò)購(gòu)買阿里云服務(wù)器，提供了性能卓越、穩(wěn)定可靠、彈性擴(kuò)展的IaaS（Infrastructure as a Service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）級(jí)別的云計(jì)算服務(wù)[12]。開(kāi)發(fā)的滲壓監(jiān)測(cè)分析軟件在云服務(wù)器上運(yùn)行，DTU將滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器并存儲(chǔ)在滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，水庫(kù)管理人員可利用電腦、手機(jī)等終端通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)登錄滲壓監(jiān)測(cè)分析軟件，采用人機(jī)交互的方式對(duì)云服務(wù)器上的滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、處理及導(dǎo)出。

3 滲壓監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)開(kāi)發(fā)

3.1 平臺(tái)架構(gòu)

滲壓監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院基于B/S三層架構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，如圖5所示，由顯示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層組成。平臺(tái)在基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行，數(shù)據(jù)層提取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，處理完成后返回給顯示層，顯示層再展示給用戶。

（1）顯示層。對(duì)用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證并將請(qǐng)求傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)層，可實(shí)現(xiàn)GIS展示、滲壓分析、人工監(jiān)測(cè)、用戶管理等人機(jī)交互操作以及圖表展示。

（2）業(yè)務(wù)層。負(fù)責(zé)處理所有業(yè)務(wù)邏輯。它由服務(wù)類組成，并使用數(shù)據(jù)層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)顯示層所需業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理，為工程監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供支持，如安全服務(wù)、接口服務(wù)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、日志消息、狀態(tài)信息等。

（3）數(shù)據(jù)層。實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫(xiě)操作、數(shù)據(jù)緩存處理、文件存儲(chǔ)等功能，為業(yè)務(wù)層或其他應(yīng)用提供底層數(shù)據(jù)。

3.2 平臺(tái)核心功能

3.2.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯總展示

平臺(tái)的“大屏”功能將懷柔水庫(kù)基本信息，各滲壓監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，各滲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總在同一個(gè)頁(yè)面顯示（滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)滾動(dòng)顯示），如圖6所示，便于在LED大屏等顯示設(shè)備展示?！皵?shù)據(jù)分析”模塊的“綜合數(shù)據(jù)”功能可以匯總顯示全部滲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖7所示。

3.2.2 規(guī)范格式報(bào)表導(dǎo)出

通過(guò)“數(shù)據(jù)分析”模塊的“報(bào)表導(dǎo)出”功能，用戶可以選定滲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)和時(shí)間段，查詢?cè)摐y(cè)點(diǎn)此時(shí)段內(nèi)的滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圖8為某測(cè)點(diǎn)“孔1”2011年全年的滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢界面。還可以按照預(yù)先定義好的格式和樣式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出，導(dǎo)出的報(bào)表為Excel格式，樣式如圖9所示。

3.2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)形象展示

在25個(gè)滲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，12個(gè)壩體滲流壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在3個(gè)典型斷面上，每個(gè)斷面均設(shè)置4個(gè)滲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)“滲壓監(jiān)測(cè)”模塊“浸潤(rùn)線”功能，用戶選擇其中1個(gè)斷面和日期，可以將此斷面上4個(gè)測(cè)壓管的水位高程以及庫(kù)水位以斷面圖的形式展示，如圖10所示。

通過(guò)“滲壓監(jiān)測(cè)”模塊“時(shí)程曲線”功能，用戶選擇一個(gè)測(cè)點(diǎn)和時(shí)間段，軟件可自動(dòng)繪制出該測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管水位時(shí)程曲線，如圖11所示，可以直觀地看到水位隨時(shí)間的變化。

3.2.4 數(shù)據(jù)編輯及人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入

遇到一些特殊情況時(shí)，需要對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，在每條查詢的數(shù)據(jù)后都有數(shù)據(jù)編輯接口，可以對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或者刪除。此外，如果需要添加測(cè)點(diǎn)或者給已有測(cè)點(diǎn)添加數(shù)據(jù)，可以使用“人工監(jiān)測(cè)”模塊，在“測(cè)點(diǎn)管理”中添加測(cè)點(diǎn)，在“監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)”中選定已添加或者原有測(cè)點(diǎn)，手動(dòng)添加監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)懷柔水庫(kù)主壩的滲壓監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造，達(dá)到了以下幾個(gè)方面的效果。

（1）提高了滲壓監(jiān)測(cè)的精度和頻次。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)避免了人工監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的操作誤差，數(shù)據(jù)采集頻率可人為設(shè)定，目前設(shè)定的數(shù)據(jù)采集頻率為每6 h一次。

（2）節(jié)省監(jiān)測(cè)成本。只需定期對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，便能持續(xù)接受滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，減少了人工監(jiān)測(cè)工作量。

（3）提高數(shù)據(jù)應(yīng)用能力。通過(guò)軟件的各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析功能（報(bào)表導(dǎo)出、時(shí)程曲線等），便于實(shí)施監(jiān)測(cè)資料的整編分析，而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云服務(wù)器，穩(wěn)定安全，不易丟失。

（4）加強(qiáng)大壩運(yùn)行管理。通過(guò)開(kāi)發(fā)滲壓監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，相關(guān)人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)即可隨時(shí)掌握大壩的滲壓監(jiān)測(cè)情況，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理與現(xiàn)場(chǎng)檢查相結(jié)合的現(xiàn)代化工程運(yùn)行管理模式。

（5）可擴(kuò)展性強(qiáng)。滲壓監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)給后續(xù)添加變形監(jiān)測(cè)、水情監(jiān)測(cè)等留有接口，云服務(wù)器的性能也可以隨時(shí)擴(kuò)展，以便于后續(xù)繼續(xù)完善其他安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，進(jìn)一步提高大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、智能化程度和科學(xué)管控水平。

同時(shí)，滲壓監(jiān)測(cè)自動(dòng)化升級(jí)改造的推廣與應(yīng)用還存在一些制約因素。例如在通訊方面，偏遠(yuǎn)地區(qū)的大壩通訊覆蓋較為困難;在供電方面，太陽(yáng)能供電的方式依賴于天氣?？梢灶A(yù)見(jiàn)，這些制約因素會(huì)隨著通訊、電池等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而逐漸解決，也會(huì)給水工建筑物自動(dòng)化升級(jí)改造的推廣創(chuàng)造出更有利的條件。

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（編輯：江 文）

Automation upgrading of seepage pressure monitoring of Huairou Reservoir

DU Yunlong1， CHEN Han2，3， LIU Li1， ZHANG Mingyue1， QI Ji1， SHI Tianming4

（1. Beijing Jingmi Water Diversion Management Office， Beijing 101400， China;? ?2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation

of? Water? Cycle? in? River Basin， China? Institute? of? Water? Resources? and? Hydropower? Research，? Beijing 100038， China;? ?3. Key? ? ?Laboratory of Construction and Safety of Hydraulic Engineering of Ministry of Water Resources， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China;? ?4.Beijing Tongchengda Water Construction Co.， Ltd.， Beijing 100028， China）

Abstract： The seepage pressure monitoring of Huairou Reservoir Dam was upgraded to automatic monitoring because traditional manual monitoring has been unable to meet the needs of intelligent development of hydraulic monitoring. The osmometer was installed to monitor the osmolality data automatically. The Data Transfer Unit was used to transmit the monitoring data to cloud servers through 4G network. The seepage pressure monitoring and analysis platform was developed. The platform has the functions of real-time display of monitoring data， report forms exportation， visualization display of monitoring data and data editing and manual monitoring data entry. Through this upgrading， the automation and information level of seepage pressure monitoring of Huairou Reservoir has been significantly improved， which helps to grasp the dam operation status in time and improve the dam safety operation management level.

Key words： seepage pressure monitoring; cloud server; analysis platform; Huairou Reservoir