大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢(shì)研究

李仲雄

（大唐甘肅發(fā)電有限公司碧口水力發(fā)電廠，甘肅 隴南 746412）

引言

安全監(jiān)測(cè)是大壩能夠安全穩(wěn)定工作的重要保障之一，能夠起到全面監(jiān)護(hù)、綜合分以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的作用，是大壩在生命周期安全管理過程中必不可少的手段之一。我國的大壩安全監(jiān)測(cè)由來已久，已經(jīng)擁有了數(shù)百年的發(fā)展歷史，當(dāng)前已經(jīng)能夠運(yùn)用多種手段和方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)大壩安全性狀的基本目標(biāo)。當(dāng)前伴隨大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、故障診斷等多項(xiàng)技術(shù)飛速發(fā)展，大壩安全監(jiān)測(cè)也不斷朝著信息化、智能化的角度靠攏，通過建立智能模型的方式對(duì)于大壩安全進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)以及智能決策。監(jiān)測(cè)自動(dòng)化也是上述目標(biāo)能夠順利實(shí)現(xiàn)的必不可少的手段之一，能夠提升數(shù)據(jù)采集、處理以及存儲(chǔ)的自動(dòng)化程度，為數(shù)據(jù)的分析和結(jié)果的轉(zhuǎn)化提供相應(yīng)的載體。本文首先對(duì)當(dāng)前監(jiān)測(cè)自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行展開，包括采集控制技術(shù)、通訊傳輸技術(shù)以及管理系統(tǒng)技術(shù)，從具體技術(shù)的角度介紹了當(dāng)前我國該領(lǐng)域的實(shí)際發(fā)展情況和存在的不足之處，其次與國外該領(lǐng)域使用效果較好的測(cè)量控制單元進(jìn)行橫向比較，最后根據(jù)上述問題針對(duì)性地提出了安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向。

1 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)

監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)主要依托于計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)算、傳感技術(shù)以及信息采集處理技術(shù)等，能夠?qū)Υ髩螖?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和自動(dòng)處理，并將處理結(jié)果進(jìn)行比較判斷，分析出當(dāng)前大壩是否處于安全狀態(tài)，并設(shè)置有報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)核心技術(shù)包括采集控制技術(shù)、通訊傳輸技術(shù)以及管理系統(tǒng)技術(shù)[1-2]。

1.1 采集控制

測(cè)量控制單元屬于整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心組成部分，起主要作用包括：傳感器信號(hào)采集、測(cè)量點(diǎn)選取、模擬量轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和電源管理等等。因此測(cè)量通道的測(cè)量穩(wěn)定性、數(shù)值準(zhǔn)確性、采集頻率和采集手段等相關(guān)內(nèi)容會(huì)給系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來顯著影響。當(dāng)前較為流行南瑞的DAU3000數(shù)據(jù)采集單元可以同電測(cè)傳感器相連接，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，系統(tǒng)架構(gòu)為全并行，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、供電電源以及運(yùn)行環(huán)境等。

1.2 通訊傳輸

通訊傳輸模塊的主要作用是連接測(cè)量控制單元以及管理系統(tǒng)，根據(jù)是否需要傳輸線能夠分為有線傳輸以及無線傳輸兩種方式。前者的傳輸介質(zhì)主要為雙絞線和光纖，后者則主要通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和通訊衛(wèi)星等方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。具體到實(shí)際工程而言通常需要多種通信手段有機(jī)結(jié)合，形成完整的通訊網(wǎng)絡(luò)。

1.3 管理系統(tǒng)

管理系統(tǒng)也是監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行人機(jī)交互的關(guān)鍵方式，用戶借助監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、管理控制、模型分析以及預(yù)測(cè)報(bào)警等。當(dāng)前，每個(gè)機(jī)構(gòu)乃至每項(xiàng)工程都擁有自己的監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。在工程的不同階段，監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的功能需求也略有差異?？梢詫⒐芾硐到y(tǒng)總結(jié)為以下功能：實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)處理、輔助決策、模型分析和預(yù)測(cè)報(bào)警等。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

監(jiān)測(cè)自動(dòng)化借助檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，能夠?yàn)楸O(jiān)測(cè)對(duì)象的安全穩(wěn)定運(yùn)行，工程安全的輔助決策提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，此外還具有經(jīng)濟(jì)成本較低、智能化程度較高以及工作效率較高等優(yōu)勢(shì)，契合信息化時(shí)代的新要求和新環(huán)境。所以，完善優(yōu)化監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)也是水利發(fā)電工程安全保障的必然要求。安全檢測(cè)對(duì)于準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及效率的要求都比較高，因此自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)精益求精，在確保系統(tǒng)調(diào)試完畢后方能用于實(shí)際監(jiān)測(cè)之中。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后應(yīng)當(dāng)采用試點(diǎn)的方式，先將系統(tǒng)用于部分區(qū)域的自動(dòng)化檢測(cè)，并對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和分析，在確保系統(tǒng)的各項(xiàng)要求都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際需求后在推廣到整個(gè)工程部。

在我國的十三大流域水電基地中，不同流域的水電站建設(shè)時(shí)間存在一定差異，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用程度也有所不同。當(dāng)前，黃河流域絕大多數(shù)水電站已經(jīng)配備有自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括拉西瓦、公伯峽水電站等等，其中建成時(shí)間較早的水電站已經(jīng)進(jìn)行了一輪的自動(dòng)化更新。相比較而言長江流域當(dāng)前的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)覆蓋面較小，只有部分規(guī)模較大，設(shè)備配置較為先進(jìn)的水電站安裝了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要有三峽、葛洲壩等等。伴隨長江流域諸多大型水電站的陸續(xù)投入和使用，加之監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，不難預(yù)測(cè)日后自動(dòng)化系統(tǒng)將會(huì)逐漸覆蓋長江流域的各個(gè)水電站。

2.1 內(nèi)觀監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

從接入傳感器數(shù)量來說，當(dāng)前我國建成規(guī)模最大的水電站內(nèi)觀監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)屬錦屏一級(jí)、二級(jí)水電站，接入傳感器數(shù)量共計(jì)超過12000支，拉西瓦水電站以及小灣水電站等大型水電站的介入傳感器數(shù)量也在6000支以；建設(shè)過程中規(guī)模最大的水電站內(nèi)觀監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)屬白鶴灘水電站，預(yù)計(jì)介入傳感器數(shù)量將會(huì)超過14000支，當(dāng)前整個(gè)系統(tǒng)正處于方案建設(shè)和系統(tǒng)調(diào)試階段。糯扎渡水電站接入傳感器數(shù)量雖然僅有5000余支，但是系統(tǒng)整體還配置了測(cè)量機(jī)器人測(cè)點(diǎn)110余個(gè)，GPS測(cè)點(diǎn)50余個(gè)，是當(dāng)前我國綜合規(guī)模最大的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。南水北調(diào)中線工程監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)接入傳感器共計(jì)31343支，也是當(dāng)前世界上接入傳感器數(shù)量最多的自動(dòng)化系統(tǒng)，但是由于系統(tǒng)整體工程量過大，因此無法通過單一的管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效管理，最終將整個(gè)工程分為3個(gè)標(biāo)段實(shí)施，共設(shè)立35個(gè)管理處進(jìn)行管理。

2.2 外觀監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

伴隨國內(nèi)各項(xiàng)技術(shù)水平的飛速發(fā)展，國產(chǎn)設(shè)備也逐漸在表面變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用，其中以溪洛渡水電站等為代表的大型水電站均在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中引入了大量的智能技術(shù)提升了數(shù)據(jù)的處理效率。根據(jù)當(dāng)前外觀監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用情況而言，徠卡公司生產(chǎn)的測(cè)量機(jī)器人最符合實(shí)際應(yīng)用需求。

3 自動(dòng)化儀器廠家

自動(dòng)化儀器廠家也是推進(jìn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展和完善的重要力量，其生產(chǎn)制造的產(chǎn)品性能直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性等相關(guān)指標(biāo)。

當(dāng)前我國較為知名的自動(dòng)化儀器廠家主要有南瑞集團(tuán)公司，該公司生產(chǎn)的DAMS系列產(chǎn)品市場(chǎng)占有率較高，廣泛應(yīng)用于諸多大型水電站建設(shè)工程之中，比如說三峽水利樞紐等等。此前大型水電站存在系統(tǒng)分布不規(guī)律、數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)等問題，為了解決上述問題南瑞集團(tuán)公司研發(fā)出一款網(wǎng)絡(luò)管理單元（NMU）技術(shù)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)整體劃分為數(shù)個(gè)子區(qū)域，通過信號(hào)傳輸?shù)姆绞綄⒆訁^(qū)域信號(hào)通過主干網(wǎng)傳輸至上層管理站。此外北京木聯(lián)能公司研制的LN1018-II系統(tǒng)等也在部分工程中有所應(yīng)用。當(dāng)前，長江科創(chuàng)CK-MCU系列產(chǎn)品已經(jīng)在白鶴灘、向家壩等大型水電站廣泛投入使用，系統(tǒng)整體采用B/S結(jié)構(gòu)，相關(guān)技術(shù)在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展完善，我國的自動(dòng)化產(chǎn)品同世界先進(jìn)水平的差距正在不斷縮小，相關(guān)技術(shù)逐步完善，當(dāng)前數(shù)據(jù)采集端已經(jīng)具備了穩(wěn)定性較強(qiáng)、可靠性較高以及采集時(shí)長較短等優(yōu)勢(shì)，能夠采用有線傳輸或者無線傳輸兩種方式同采集設(shè)備相連接，適用于不同種類的傳感器，具備穩(wěn)定性較好、抗干擾能力較強(qiáng)以及能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境等優(yōu)勢(shì)。

國際范圍內(nèi)知名度較高的自動(dòng)化儀器廠家當(dāng)屬美國Campbell Scientific公司，其公司生產(chǎn)的CR1000主機(jī)和LNX200振弦式采集模已經(jīng)成為了當(dāng)前世界范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)制造過程中的主流采集單元，在我國的南水北調(diào)工程和糯扎渡水利樞紐工程也有所應(yīng)用。此外澳洲TheretoFishe公司生產(chǎn)的DTMCU系列產(chǎn)品用于其產(chǎn)品適應(yīng)性較好、信號(hào)隔離效果較好，在我國市場(chǎng)中的占有比例也在逐漸提升。雖然我國在20世紀(jì)曾經(jīng)引進(jìn)過一批美國Geomation 2380系列產(chǎn)品并應(yīng)用于部分水利工程之中，但是由于產(chǎn)品的防潮性較差因此當(dāng)前已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求。相較于國產(chǎn)設(shè)備而言，國外大型企業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備雖然穩(wěn)定性較好，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中仍然存在諸多問題。其一是國外產(chǎn)品維修成本較高且維修周期長，一旦出現(xiàn)故障將會(huì)影響監(jiān)測(cè)效率；其二是數(shù)據(jù)采集軟件兼容性較差，不利于后續(xù)模塊的集成；其三是當(dāng)前國外已經(jīng)停止生產(chǎn)差阻式傳感器，因此數(shù)據(jù)采集設(shè)備引進(jìn)我國后需要進(jìn)行相應(yīng)改裝，會(huì)對(duì)采集精度和效率產(chǎn)生一定影響。

4 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)展望

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展，在系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)硬件以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婢讶〉昧速|(zhì)的飛躍。當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)于安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)軟硬件相關(guān)方面的優(yōu)化和完善展開了諸多研究并對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

4.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理智能化

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為了當(dāng)前最為流行的信息技術(shù)之一，傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)信息采集的必要設(shè)備，也在為信息時(shí)代的發(fā)展和普及做出貢獻(xiàn)。大壩安全監(jiān)測(cè)具有周期較長的特點(diǎn)，尤其是埋入式儀器，工作周期通常能夠達(dá)到30年，所以，對(duì)于此類儀器的使用壽命和穩(wěn)定性均有較高要求。當(dāng)前工程中常用的傳感器為傳統(tǒng)的振弦式以及差阻式兩類，具有使用壽命較高、穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)，但是智能化程度較低使得其采集效率難以提升。因此未來的傳感器研發(fā)應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)有傳感器的基礎(chǔ)上增加其智能化程度和采集效率。

傳感器智能化發(fā)展提升也就意味著采集系統(tǒng)智能化程度的提升，采集系統(tǒng)可以結(jié)合傳感器的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行智能化的數(shù)據(jù)處理，監(jiān)測(cè)過程中一旦發(fā)現(xiàn)物理量超出許可范圍，則系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)報(bào)警，減少了系統(tǒng)工作過程中的人工參與量，提升了數(shù)據(jù)采集效率。

4.2 基于BIM技術(shù)的監(jiān)測(cè)成果可視化

伴隨特大型水利水電工程建設(shè)的逐步開展，新型材料和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案也逐漸得到推廣和應(yīng)用。為了確保大壩等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性和使用壽命滿足實(shí)際需求，對(duì)于安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和可視化功能的融合也提出了更高的要求。絕大多數(shù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)既能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)和處理，并未加入可視化的設(shè)計(jì)和相關(guān)的功能模塊，由此導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。隨著BIM技術(shù)的逐漸普及，選取工程相關(guān)信息作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的三維數(shù)字化模型，使得行業(yè)主體能夠通過共享的數(shù)據(jù)信息平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的可視化，使得監(jiān)測(cè)結(jié)果更為直觀地呈現(xiàn)在操作人員面前，提高人機(jī)交互性和監(jiān)測(cè)效率。

4.3 智能診斷與決策支持

監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的主要功能包括：數(shù)據(jù)處理、預(yù)測(cè)報(bào)警、智能診斷和輔助決策等。當(dāng)前我國監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)雖然發(fā)展較為迅速，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，難以將成果進(jìn)行泛化，也并未行業(yè)中形成統(tǒng)一的規(guī)范和模式。主要原因是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的實(shí)踐性較強(qiáng)，需要結(jié)合工程實(shí)際參數(shù)進(jìn)行綜合分析，難以通過建模預(yù)測(cè)的方式有效解決。此外完整綜合的數(shù)據(jù)管理軟件除必要的數(shù)學(xué)模型外，還需要依托于強(qiáng)大的專家?guī)?，建立健全相?yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 變形監(jiān)測(cè)智能化

大壩外部變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)逐步在土石壩中進(jìn)行使用，常見的數(shù)據(jù)處理方式主要有：極坐標(biāo)法、單基線向量法等等，采集的數(shù)據(jù)精度能夠滿足實(shí)際需求、符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是部分情況下混凝土壩及巖質(zhì)邊坡變形監(jiān)測(cè)過程中對(duì)于數(shù)據(jù)采集的精度要求相對(duì)較高，因此此類設(shè)備的采集精度仍然有一定的提升空間。因此當(dāng)前的研究趨勢(shì)主要集中在采集精度方法的優(yōu)化以及數(shù)據(jù)處理智能化程度的提升等仿麥呢，力求達(dá)到混凝土壩、巖質(zhì)邊坡等監(jiān)測(cè)對(duì)象高精度變形監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。

4.5 規(guī)范規(guī)程修訂

伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的組成設(shè)備也在不斷更新?lián)Q代。根據(jù)當(dāng)前我國多個(gè)水利水電工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施情況，本文的觀點(diǎn)是需要對(duì)《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)范做出修訂，對(duì)于當(dāng)前實(shí)際工程過程中存在的問題進(jìn)行完善優(yōu)化，比如說明確自動(dòng)化傳感器的配置要求，對(duì)于系統(tǒng)中的儀器的比測(cè)方法以判斷指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化。

5 結(jié)語

本文首先對(duì)于監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分類總結(jié)，對(duì)于當(dāng)前我國安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備廠家、系統(tǒng)在工程中的實(shí)際使用情況以及運(yùn)行維護(hù)情況進(jìn)行了調(diào)查分析。其次對(duì)我國安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，主要包括提升數(shù)據(jù)采集的智能化程度、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?、融合三維可視化技術(shù)、引入人工智能輔助決策技術(shù)以及提高外部變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的數(shù)據(jù)采集精度等。伴隨信息技術(shù)的飛速發(fā)展，智能傳感技術(shù)、測(cè)量機(jī)器人技術(shù)的深度融合，未來安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將能夠?qū)崿F(xiàn)全部流程的自動(dòng)化智能化管理。