白石里水庫(kù)大壩安全管理信息平臺(tái)設(shè)計(jì)淺析

劉 浩，張 宇，謝 鵬

（1.臨沂市羅莊區(qū)水務(wù)局，山東 臨沂 276000；2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250000；3.山東水總有限公司，山東濟(jì)南 250000）

1 引言

水利工程安全對(duì)下游居民的正常生產(chǎn)、生活有重要的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大壩安全管理信息化建設(shè)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，可存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，同時(shí)，數(shù)據(jù)處理、分析能力也不斷提高。通過(guò)搭建信息化平臺(tái)，可降低水庫(kù)安全管理工作的難度，可在遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)大壩管控。目前，已有較多的水利工程搭建了信息化管理平臺(tái)，如：瑪納斯河流域灌區(qū)[1]、都江堰灌區(qū)[2]、黃壁莊水庫(kù)[3]、淇河盤(pán)石頭水庫(kù)[4]、雙塔水庫(kù)[5]等。各項(xiàng)水利樞紐在近期改造、建設(shè)過(guò)程中，均引入了“信息化”“智慧化”概念，建設(shè)完成后，實(shí)現(xiàn)了水利工程安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，險(xiǎn)情預(yù)警等功能，有效保障了水利工程的正常運(yùn)行[6-8]。

2 工程概況

白石里水庫(kù)工程等別為IV 等，主要建筑物級(jí)別為4 級(jí)。水庫(kù)汛限水位與正常蓄水位均為57.00 m，相應(yīng)庫(kù)容74×104m3；按30年一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位59.13 m，相應(yīng)庫(kù)容93.7×104m3；按500年一遇洪水校核，校核洪水位60.15 m，死水位47.00 m。白石里水庫(kù)地理位置重要，關(guān)系著下游5800 人口、6800 畝耕地以及高速公路的防洪安全。

3 水庫(kù)大壩安全管理信息平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 智能巡檢系統(tǒng)

巡視檢查是大壩安全管理的重要組成部分，是及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩安全隱患的最主要方式，當(dāng)前主要以人工巡視檢查為主。傳統(tǒng)的巡視檢查工作存在以下主要問(wèn)題：（1）巡檢信息主要以紙質(zhì)方式保存，較為不便且易丟失、耗工時(shí)，不滿(mǎn)足水庫(kù)現(xiàn)代化管理需求；（2）水庫(kù)主管部門(mén)較難實(shí)時(shí)監(jiān)督庫(kù)管員巡視檢查工作是否到位；（3）巡檢信息不能及時(shí)上報(bào)，水庫(kù)主管部門(mén)不能及時(shí)掌握水庫(kù)安全狀態(tài)；（4）庫(kù)管員巡視檢查過(guò)程中遇到安全隱患較難判別其危害程度，缺乏必要的應(yīng)急處置能力。

圖1 水庫(kù)大壩現(xiàn)場(chǎng)巡檢問(wèn)題

根據(jù)當(dāng)前水庫(kù)巡檢工作面臨的問(wèn)題，以及新時(shí)期對(duì)水庫(kù)巡檢工作的新需求，研制的智能巡檢系統(tǒng)共分為手機(jī)APP 軟件和web 后臺(tái)管理軟件，主要包含4 大功能、18 個(gè)小功能模塊。系統(tǒng)應(yīng)提供基于JSON 的WebService，以便第三方進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。并應(yīng)保證WebService 的伸縮性。在部署上，系統(tǒng)應(yīng)具備跨平臺(tái)性，不依賴(lài)WINDOWS 等特定平臺(tái)。功能模塊圖見(jiàn)圖2。其中包括：（1）人員管理模塊主要管理系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)、人員信息、責(zé)任范圍、級(jí)別等信息，根據(jù)級(jí)別確定人員工作任務(wù)和系統(tǒng)中數(shù)據(jù)可查看范圍；（2）智能巡檢管理模塊具備巡檢任務(wù)制定、巡檢任務(wù)提醒、巡檢任務(wù)執(zhí)行、提交巡檢報(bào)告、巡檢任務(wù)報(bào)告等功能；（3）水庫(kù)大壩安全智能診斷模塊具備異常現(xiàn)象報(bào)警、巡檢問(wèn)題類(lèi)別診斷、隱患處置對(duì)策、關(guān)聯(lián)處置案例剖析等功能；（4）查詢(xún)統(tǒng)計(jì)分析模塊包含巡檢任務(wù)查詢(xún)、人員巡檢軌跡回放、巡檢類(lèi)別查詢(xún)、巡檢到位管理、巡檢隱患查詢(xún)管理、數(shù)據(jù)備份與打印等功能。

圖2 水庫(kù)大壩智能巡檢系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

表1 智能巡檢系統(tǒng)設(shè)備匯總表

3.2 大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)儀器、測(cè)控中心、監(jiān)測(cè)中心組成。監(jiān)測(cè)儀器為直接獲取大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)備；測(cè)控中心主要有自動(dòng)測(cè)量控制單元（MCU）及相關(guān)配套設(shè)備，用于集中采集監(jiān)測(cè)儀器獲取的數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)中心主要為監(jiān)測(cè)軟件、監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)和打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息和管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)功能。大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

因白石里水庫(kù)滲漏問(wèn)題較突出，重點(diǎn)設(shè)置大壩滲流安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。設(shè)計(jì)采用埋設(shè)測(cè)壓管，并在測(cè)壓管內(nèi)安裝水壓力計(jì)自動(dòng)觀測(cè)滲流壓力。根據(jù)工程實(shí)際情況，擬在最大壩高處、輸水洞與大壩接觸部位、右壩肩各布置一個(gè)滲流監(jiān)測(cè)橫斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各布置4 個(gè)滲流監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)12 個(gè)測(cè)點(diǎn)。水壓力計(jì)通過(guò)信號(hào)電纜接入MCU，合計(jì)約需信號(hào)電纜1500 m。信號(hào)電纜全程穿熱鍍鋅鋼管保護(hù)，管接頭兩端采用預(yù)焊螺栓方式，連接10 mm2銅導(dǎo)體，使管線全線導(dǎo)通，以有效避雷。電纜溝深度以不低于50 cm 控制，合計(jì)約需開(kāi)挖電纜溝450 m。配置1 臺(tái)MCU 采集滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，安裝在進(jìn)水塔啟閉機(jī)房?jī)?nèi)。

監(jiān)測(cè)中心設(shè)在管理房。MCU與監(jiān)測(cè)中心采用GPRS 方式通訊。為確保系統(tǒng)防雷安全，所有信號(hào)電纜全部外套鍍鋅鋼管，鋼管接頭處都可靠搭焊并與每根測(cè)壓管搭焊。同時(shí)在測(cè)控中心設(shè)置可靠的接地網(wǎng)。

表2 大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備匯總表

3.3 水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)

水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)由水位計(jì)、雨量計(jì)、水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)軟件組成。擬在輸水洞啟閉室地面平臺(tái)上安裝雷達(dá)式水位計(jì)監(jiān)測(cè)庫(kù)水位，在啟閉室頂安裝翻斗式雨量計(jì)監(jiān)測(cè)降雨量。水位計(jì)和雨量計(jì)均采用太陽(yáng)能供電，采用有線傳輸方式通訊。水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)軟件需定制開(kāi)發(fā)，應(yīng)具有以下主要功能。（1）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及處理。能夠準(zhǔn)確及時(shí)地實(shí)時(shí)采集和傳輸水雨情信息，具有定時(shí)自報(bào)功能，中心站能實(shí)時(shí)接收有關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性檢查和糾錯(cuò)處理并自動(dòng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、存入數(shù)據(jù)庫(kù)。（2）系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及報(bào)警。具有水雨情要素越限監(jiān)測(cè)及報(bào)警，設(shè)備故障監(jiān)測(cè)、報(bào)警及診斷，設(shè)備電源電壓異常監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能。（3）數(shù)據(jù)管理?？赏ㄟ^(guò)人機(jī)對(duì)話的方式方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)、檢索及編輯，可靈活顯示、繪制和打印水雨情圖表，可方便地對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)管理。

表3 水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備匯總表

翻斗式雨量計(jì)參數(shù)如下：

①承雨口口徑Φ200+0.6 mm；

②分辨率0.5 mm；

③誤碼率小于10～4；

④雨強(qiáng)測(cè)量范圍0～4 mm/min（允許通過(guò)最大雨強(qiáng)8 mm/min）；

⑤測(cè)量精度：總體上不超過(guò)±4%；

⑥工作環(huán)境：工作溫度-10℃～＋50℃，工作濕度≤95%（40℃）；

⑦在滿(mǎn)足儀器正常維護(hù)條件下，MTBF≥40000 小時(shí)；

⑧刃口角度40°～45°。

3.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

3.4.1 監(jiān)控點(diǎn)選取

監(jiān)控點(diǎn)的布設(shè)重點(diǎn)是涉及水庫(kù)工程安全的重點(diǎn)區(qū)域。布設(shè)區(qū)域包括：管理處大門(mén)、壩頂、溢洪道、輸水涵洞等需要被監(jiān)控的地方。監(jiān)控點(diǎn)攝像機(jī)選型原則：溢洪道、輸水涵洞采用普通固定監(jiān)視場(chǎng)景，選擇槍式攝像機(jī)；管理房、壩頂采用大范圍監(jiān)控并需要快速響應(yīng)的場(chǎng)景，宜選擇球型攝像機(jī)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)離管理所較遠(yuǎn)，可以埋設(shè)或架設(shè)光纜傳輸。利用光纜傳輸連續(xù)攝像的監(jiān)控點(diǎn)共計(jì)4 個(gè)，具體見(jiàn)表4。

表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由1 個(gè)中心站、4 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)組成。設(shè)備主要包括監(jiān)控主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)、高清攝像機(jī)、高清解碼器、大屏顯示器。前端攝像機(jī)采集視頻數(shù)據(jù)保存至NVR，監(jiān)控主機(jī)可以對(duì)前端攝像機(jī)進(jìn)行控制，錄像回放的操作，高清解碼器把視頻信號(hào)解碼至大屏幕顯示器。

4 結(jié)論

以白石里水庫(kù)為例，從智能巡檢系統(tǒng)、水情預(yù)報(bào)系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)4 個(gè)方面分析了白石里水庫(kù)除險(xiǎn)加固過(guò)程中信息化平臺(tái)的搭建過(guò)程和方法。大壩安全管理信息平臺(tái)建設(shè)完成后，大大提高了水庫(kù)的安全管理水平，提高了工作效率，可采集更加豐富的數(shù)據(jù)，并具備了數(shù)據(jù)處理、分析能力，為小型水庫(kù)工程安管信息平臺(tái)建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。