大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展思考

朱位隆

(上饒市國(guó)控水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江西 上饒 334000)

水庫(kù)作為我國(guó)重要的水利工程，發(fā)揮著調(diào)節(jié)水流、灌溉、防洪等作用。大壩屬于水庫(kù)建筑構(gòu)件中的一部分，大壩的監(jiān)測(cè)管理直接影響到水庫(kù)的安全性能，是水庫(kù)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的基本保障。當(dāng)前處于智能化發(fā)展時(shí)代，各行各業(yè)都跟隨時(shí)代腳步，積極改革。水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)同樣也需要注入新的“血液”，把握時(shí)代賦予的機(jī)遇，利用自動(dòng)化技術(shù)提高大壩安全監(jiān)測(cè)的水平，避免不必要的風(fēng)險(xiǎn)，保障大壩安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 意義

水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)是水電站重要的基礎(chǔ)工作，若沒(méi)有達(dá)到大壩安全監(jiān)測(cè)的要求，則會(huì)遺漏重要的安全問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)大壩安全事故，造成難以預(yù)估的損失。現(xiàn)有的水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)主要還是以人工監(jiān)測(cè)為主，工作強(qiáng)度較大且易受人為因素的影響，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏可靠性，不能反映建筑物實(shí)際變化情況，尤其是在洪水、地震等異常條件下，無(wú)法實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。因此，必須完善大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將部分關(guān)鍵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化監(jiān)測(cè)方式，無(wú)論是對(duì)大壩所在地區(qū)，還是國(guó)家都具有積極的意義。對(duì)于水庫(kù)大壩工作人員而言，自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)減輕了他們的工作量，使工作內(nèi)容分工更加具有針對(duì)性和效率，對(duì)于國(guó)家來(lái)看，大壩的安全問(wèn)題與國(guó)家的民生問(wèn)題密不可分，水電大壩的自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)提高了監(jiān)測(cè)性能，使得監(jiān)測(cè)結(jié)果更加科學(xué)和準(zhǔn)確。比如我國(guó)龍羊峽水電站大壩在應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)后，工程運(yùn)轉(zhuǎn)更加高效，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確，為水電站現(xiàn)代化安全監(jiān)測(cè)做出了典范?？梢?jiàn)，大壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)是行業(yè)發(fā)展的要求，也是水利工程運(yùn)行管理工作的要求，是水利工程信息化建設(shè)的重要組成部分。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀及問(wèn)題

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)可以及時(shí)精確地檢驗(yàn)出大壩設(shè)計(jì)是否符合實(shí)際需求，大壩建設(shè)與運(yùn)行是否正常，對(duì)提高設(shè)計(jì)方案的合理性和大壩的安全監(jiān)測(cè)水平具有重要的意義[1]。大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用可以滿足現(xiàn)代化大壩高標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定性強(qiáng)等的監(jiān)測(cè)要求，為大壩的安全長(zhǎng)效運(yùn)行提供了基礎(chǔ)保障[2]。20世紀(jì)60年代，我國(guó)多次出現(xiàn)大壩失事事故，對(duì)國(guó)家社會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失，例如石漫灘水庫(kù)的垮壩事件[3]。經(jīng)過(guò)這些事件，人們開(kāi)始逐漸重視大壩安全監(jiān)測(cè)工作，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，為監(jiān)測(cè)設(shè)備向自動(dòng)化方向發(fā)展提供了有利的條件[4]。20世紀(jì)90年代初，我國(guó)部分大壩安裝了遙測(cè)儀器，能完成單項(xiàng)或多項(xiàng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，但因受到技術(shù)性能和設(shè)備質(zhì)量的限制，系統(tǒng)易出現(xiàn)故障，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏可靠性，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)無(wú)法普及使用。目前，我國(guó)大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)已相對(duì)成熟，并取得較好的效果，但隨著我國(guó)用電量需求的不斷增加，水庫(kù)大壩的建設(shè)步伐逐步加快，對(duì)大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)也提出了更高的要求，因此，必須加快提升自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，解決自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用中的瓶頸問(wèn)題，推動(dòng)大壩現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。

2.2 存在的問(wèn)題

一些水電站依舊利用人力監(jiān)測(cè)技術(shù)，這種傳統(tǒng)方法可靠性較低，若在惡劣的環(huán)境條件中還容易發(fā)生危險(xiǎn)，所以不應(yīng)再被沿用。自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)人力監(jiān)測(cè)方法，具有更高的準(zhǔn)確性和安全性，還能降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升安全監(jiān)測(cè)的效率，因此，被許多水庫(kù)大壩廣泛應(yīng)用，但在自動(dòng)化技術(shù)普及過(guò)程中，依舊存在一些問(wèn)題急需解決，比如設(shè)備故障頻發(fā)、維修復(fù)雜等，針對(duì)這些問(wèn)題，我們要及時(shí)找到解決措施，從而保證大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的可行性和全面性，提高大壩整體建設(shè)質(zhì)量，避免安全事故的發(fā)生，保障人員的人身安全和企業(yè)的最大效益。

3 應(yīng)用策略分析

3.1 加強(qiáng)巡視檢查與設(shè)備檢測(cè)，優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)布置

大壩安全監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括巡視檢查和設(shè)備檢測(cè)，設(shè)備檢測(cè)分為滲流、溫度等多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[5]，巡視檢查是指直觀查看大壩的運(yùn)行狀態(tài)。據(jù)相關(guān)調(diào)查可知，大部分水庫(kù)在垮壩之前會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)征兆，若能及時(shí)進(jìn)行巡視檢查，就可以盡量減少或避免發(fā)生垮壩事件，因此應(yīng)加大對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)的巡視力度，以保障水庫(kù)的安全運(yùn)行。而通過(guò)應(yīng)用隱患探測(cè)技術(shù)等自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)大壩中主要建筑物及設(shè)施設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控[6]，極大地提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量和效率。大壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，直接影響到工程監(jiān)測(cè)的最終效果。因此，大壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不僅要符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，還應(yīng)重視影響工程安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)置優(yōu)化合理，與相關(guān)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目密切配合，便于后期分析與應(yīng)用。

3.2 采用自動(dòng)化采集方式，提高系統(tǒng)抗干擾能力

大壩安全監(jiān)測(cè)信息的采集主要針對(duì)設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集方式可分為人工采集和自動(dòng)采集兩種，當(dāng)前隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測(cè)信息采集方式已逐漸趨于自動(dòng)化。一般情況下，自動(dòng)化系統(tǒng)包括配套設(shè)置的傳感器和測(cè)量控制裝置兩部分。其中，傳感器是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的核心部件，直接影響到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的可靠度。測(cè)量控制裝置的主要任務(wù)是進(jìn)行工程現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，并控制采集信息時(shí)所涉及的相關(guān)設(shè)備，具有數(shù)據(jù)測(cè)量及存儲(chǔ)、防雷、自動(dòng)供電和停電保護(hù)等功能。數(shù)據(jù)采集軟件是與控制裝置相配套的軟件，其主要具備初始化、單點(diǎn)測(cè)量、定時(shí)測(cè)量及數(shù)據(jù)維護(hù)等功能。伴隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與普及，測(cè)量控制單元板塊逐漸實(shí)現(xiàn)智能化和標(biāo)準(zhǔn)化，更有利于系統(tǒng)的操作與維護(hù)。自動(dòng)化采集系統(tǒng)一般分為傳感器和測(cè)量控制裝置兩部分，但應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)后，能將系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相連接，提高系統(tǒng)抗干擾能力，例如GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能傳感器等。在原有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)式基礎(chǔ)上，已開(kāi)始推廣使用分布式光纖溫度、激光掃描等監(jiān)測(cè)技術(shù)，解決了點(diǎn)式監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離分布式監(jiān)測(cè)。并隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)水平的提高，已能將一種監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)用于多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，例如可以用應(yīng)用差阻儀進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)等。

3.3 組織專業(yè)技能培訓(xùn)，切實(shí)解決安全問(wèn)題

大壩實(shí)現(xiàn)安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)并不代表完全不需要人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而是減少了安全監(jiān)測(cè)人員的大部分工作量，依然需要安全監(jiān)測(cè)人員投入到實(shí)地分析和信息處理的工作崗位中。因此，這些大壩工作人員兼具著更加嚴(yán)峻的任務(wù)，首先應(yīng)對(duì)他們進(jìn)行自動(dòng)化、智能化的技能培訓(xùn)，掌握常見(jiàn)的設(shè)施設(shè)備，如智能傳感器、中央控制設(shè)備等，這些設(shè)備的學(xué)習(xí)有些需要外出參加系統(tǒng)的培訓(xùn)，通過(guò)專業(yè)學(xué)習(xí)后，將設(shè)備使用技術(shù)傳授給需要實(shí)地采集的人員，并教會(huì)他們簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理方法。還需要培訓(xùn)專業(yè)技術(shù)人員，將采集的數(shù)據(jù)信息和智能分析后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行完善的匯總與分析，從而掌握水庫(kù)大壩的使用效能，并對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題提供良好的預(yù)判依據(jù)。這種模式下，不僅能保障水庫(kù)工作人員的生計(jì)問(wèn)題，還有利于提高水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)的質(zhì)量與效率，實(shí)時(shí)掌握水庫(kù)的運(yùn)行情況，以及運(yùn)行問(wèn)題的防范，進(jìn)一步體現(xiàn)了水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)的現(xiàn)代化發(fā)展水平。

3.4 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息資源共享

利用通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)庫(kù)共同完成監(jiān)測(cè)的信息傳輸與管理。其中，通信設(shè)備是為信息傳輸設(shè)備和監(jiān)控主機(jī)之間提供的通信通道，起到采集與傳輸系統(tǒng)指令的作用，組成部分為傳輸介質(zhì)(如光纜等)和信號(hào)傳輸設(shè)備(如無(wú)線電臺(tái)等)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要組成部分是傳輸介質(zhì)、集線設(shè)備、服務(wù)器及其他相關(guān)的應(yīng)用軟件等，系統(tǒng)能為大壩安全監(jiān)測(cè)工作提供一個(gè)高效的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，其具備人工控制、遠(yuǎn)程控制等多種數(shù)據(jù)管理模式，加快實(shí)現(xiàn)了信息資源共享的功能。數(shù)據(jù)庫(kù)主要是在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，負(fù)責(zé)匯總信息采集系統(tǒng)的管理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的集成、分類(lèi)和備份，以確保共享信息的數(shù)據(jù)安全。

3.5 運(yùn)用科學(xué)監(jiān)測(cè)手段，提升服務(wù)與應(yīng)用水平

監(jiān)測(cè)信息的服務(wù)與應(yīng)用是大壩安全監(jiān)測(cè)體系應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的直接體現(xiàn)[7]?；贐/S結(jié)構(gòu)，借助計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)等相關(guān)軟件工程開(kāi)發(fā)公共服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的查詢、統(tǒng)計(jì)等服務(wù)功能。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或手機(jī)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控設(shè)置測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為大壩安全監(jiān)控與管理提供了便利條件。監(jiān)測(cè)信息的具體應(yīng)用需通過(guò)自動(dòng)采集信息方式，運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)手段分析挖掘監(jiān)測(cè)信息，建立數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)模型，再按照安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則與技術(shù)專家建議，完善大壩安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)與細(xì)則，為預(yù)測(cè)預(yù)警工作提供的技術(shù)條件。除此之外，還可以將大壩自動(dòng)化技術(shù)中現(xiàn)行的智能傳感技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，因?yàn)橹悄軅鞲兄饕怯?個(gè)傳感器構(gòu)成，完成傳感后需進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，而人工智能在數(shù)據(jù)處理方面更具有優(yōu)勢(shì)，因此其與自動(dòng)化技術(shù)的相互銜接，能最大程度上減小大壩的人工投入，并能利用人工智能龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)條件和高效的分析手段，對(duì)大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)，對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的預(yù)判和分析數(shù)據(jù)的能力整體是優(yōu)于人工的，促進(jìn)了大壩自動(dòng)化進(jìn)程，大壩發(fā)展具有重要意義。

4 大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和軟件工程的興起，加速建立了大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，并逐步朝向智能化、實(shí)用化以及規(guī)?；较虬l(fā)展。結(jié)合目前水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展情況，預(yù)判未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)如下：

(1)設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。目前國(guó)內(nèi)外的大多數(shù)監(jiān)測(cè)儀器生產(chǎn)廠家都存在設(shè)備接口和系統(tǒng)不通用的情況，以及缺乏專業(yè)的安裝調(diào)試人員，使得大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的推廣應(yīng)用進(jìn)程十分緩慢，因此，后期需加強(qiáng)研究關(guān)于通訊接口、電源接口等設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)，健全相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程，為系統(tǒng)設(shè)備與模塊間的集成提供技術(shù)支持。

(2)遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)診斷。由于基層管理工作人員的知識(shí)水平相對(duì)較低，因此，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)診斷，能協(xié)助維護(hù)人員獲取準(zhǔn)確的維護(hù)維修信息，以便及時(shí)處理存在的問(wèn)題。比如，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，用手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集及系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)等工作，并設(shè)置大壩安全報(bào)警提示，從而第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障，保障大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[9]。

(3)整合自動(dòng)化系統(tǒng)。當(dāng)前我國(guó)許多水庫(kù)大壩均安裝了水情預(yù)測(cè)、視頻監(jiān)控等自動(dòng)化系統(tǒng)，但只有將這些系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)整合，才能優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能，在保證大壩安全的前提條件下，提升水庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益。并能在汛期提供充裕的防洪庫(kù)容，優(yōu)化調(diào)度管理體系，達(dá)到防汛抗災(zāi)的目的。利用云計(jì)算技術(shù)集成大壩群信息系統(tǒng)，采用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法整合大壩群數(shù)據(jù)資源，其中還涉及到GIS、遠(yuǎn)程通訊等技術(shù)。建立相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，集中處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，找出變化規(guī)律，以合理利用數(shù)據(jù)資源，提升大壩運(yùn)行與管理水平。通過(guò)云平臺(tái)統(tǒng)一管理所獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等信息。當(dāng)前我國(guó)集成大壩信息系統(tǒng)工作已全面開(kāi)展，其中在杭州大壩中心對(duì)電力系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了集中管理，湖南省大壩中心也已將部分水庫(kù)的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行集中發(fā)布與管理。今后在數(shù)據(jù)共享利用、分析以及大數(shù)據(jù)方面還需要深度研究。

(4)運(yùn)行管理移動(dòng)化和便捷化。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，使得移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備數(shù)量逐漸增加，其中智能手機(jī)以被廣泛普及使用。通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)手段可以解決在空間、時(shí)間上的管理問(wèn)題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理現(xiàn)場(chǎng)的突發(fā)性事件。比如可以利用手機(jī)APP線上進(jìn)行大壩安全巡視檢查工作，配合使用GPS定位、攝像等方法達(dá)到實(shí)時(shí)巡查的要求，及時(shí)上報(bào)監(jiān)測(cè)情況，通過(guò)此類(lèi)方式，能有效減輕巡查工作量，保證巡查路線及流程的規(guī)范性。

(5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。近年來(lái)，水利工程中開(kāi)始逐漸應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，該技術(shù)的使用需與GIS、GPS以及RS技術(shù)相互結(jié)合[10]。其中在大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化中的應(yīng)用主要分為3個(gè)方面，一是可記錄大壩動(dòng)態(tài)模擬的產(chǎn)生、發(fā)展過(guò)程，包括大壩變形、裂縫等現(xiàn)象，最終呈現(xiàn)可視化三維動(dòng)態(tài)。二是通過(guò)模擬潰壩、泄洪等變化類(lèi)型對(duì)大壩安全的影響，進(jìn)行損失綜合評(píng)價(jià)。三是利用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，結(jié)合當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)資源優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)大壩安全診斷系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的發(fā)展是一項(xiàng)長(zhǎng)期且較為艱巨的工程，當(dāng)前該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用還有待完善與進(jìn)步，后期應(yīng)培訓(xùn)專業(yè)的技術(shù)人員，加強(qiáng)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的研究與應(yīng)用，不斷提高水利工程自動(dòng)化建設(shè)水平，為水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)工作提供有力支持。同時(shí)，還需要把握好監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，完善大壩安全監(jiān)測(cè)體系，提升大壩的安全性能，降低事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率，進(jìn)一步發(fā)揮工程的綜合效益。