大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化技術(shù)研究

鄭麗萍

（華能瀾滄江水電股份有限公司苗尾·功果橋水電廠，云南 大理 672708）

智能水利系統(tǒng)利用無線終端設(shè)備來識(shí)別各種信息，并且通過互聯(lián)網(wǎng)等多媒體技術(shù)來跟蹤、定位各種信息，實(shí)現(xiàn)多方面信息的傳播與交流。并且把水利大壩信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與云計(jì)算機(jī)等新進(jìn)的技術(shù)相融合，可以對(duì)水利大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行智能化管理，有效地實(shí)現(xiàn)了大壩監(jiān)測(cè)信息的資源共享[1]。大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化技術(shù)是水利信息化發(fā)展的一個(gè)重要方向，利用大壩上的各類傳感器以及各類數(shù)據(jù)收集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大壩的各項(xiàng)物性參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行精細(xì)化的調(diào)控，幫助管理者對(duì)大壩的安全運(yùn)行做出更為科學(xué)合理的決策，與此同時(shí)，還能夠使數(shù)字大壩逐步向智能大壩方向發(fā)展。

1 大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化發(fā)展歷程

四川省龔咀水電站于1980 年建成首臺(tái)大壩安全自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，為中國(guó)大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，智能化技術(shù)的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用而生。

20 世紀(jì)90 年代以來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)特別是電子學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)許多大中型水電廠對(duì)自動(dòng)化改造的強(qiáng)烈要求，促使大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)朝著智能化方向發(fā)展。在自動(dòng)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)上，已由集中式和混合式兩種較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)向更為復(fù)雜的分布結(jié)構(gòu)發(fā)展；在軟件上，除了實(shí)現(xiàn)對(duì)日常監(jiān)測(cè)資料的自動(dòng)收集外，還引進(jìn)了多種模式的方法，對(duì)數(shù)據(jù)作了進(jìn)一步的分析。在此期間，所建立的自動(dòng)化系統(tǒng)已初步實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集與分析，但其可靠性與穩(wěn)定性仍有待提高。

21 世紀(jì)之前，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到了大幅度的進(jìn)步。在數(shù)據(jù)采集上，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)和控制設(shè)備的模塊化和智能化；在數(shù)據(jù)處理上，實(shí)現(xiàn)了離線的綜合分析，測(cè)量值的異常測(cè)點(diǎn)檢測(cè)以及監(jiān)控和預(yù)警。通過對(duì)大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的改進(jìn)與完善，使其具有較好的兼容性、穩(wěn)定性和實(shí)用性。在此期間，已建成具有典型意義的大型自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如小灣水電工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、黃河小浪底水庫(kù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

我國(guó)自2010 年以來，陸續(xù)有大型水力發(fā)電廠建成投產(chǎn)，相應(yīng)也進(jìn)入了大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的高潮。尤其是“南水北調(diào)”和“三峽”等水利工程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建成，表明中國(guó)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了成熟和應(yīng)用的階段。

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

2.1 采集控制

測(cè)量控制單元（MCU）是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的核心設(shè)備，它承擔(dān)著傳感器信號(hào)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多方面的作用[2]。測(cè)量通道的復(fù)用性、測(cè)值穩(wěn)定性、采集時(shí)間、采集方式等直接關(guān)系到自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。南瑞公司的DAU3000 型數(shù)據(jù)采集裝置可以與各種電測(cè)傳感器進(jìn)行混聯(lián)，采用完整的并聯(lián)體系結(jié)構(gòu)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、供電電源及工作環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。

2.2 通訊傳輸

通訊傳輸是將測(cè)控設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備聯(lián)系起來的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它既包括無線傳輸也包括有線傳輸。其中移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊、網(wǎng)橋等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無線傳輸；光纖等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于有線傳輸[4]。對(duì)于一個(gè)特定的工程項(xiàng)目來說，往往是將各種通訊方式結(jié)合起來，形成通訊網(wǎng)絡(luò)。苗尾電廠的表觀控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)的星形架構(gòu)，并通過無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)基準(zhǔn)站的通訊；機(jī)器人的測(cè)量工作是由兩條電纜連接到光端機(jī)，然后由光纖傳送到中央站。

2.3 管理系統(tǒng)

管理系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)向使用者提供的一個(gè)窗口，使用者可借此完成對(duì)使用者的采集與控制、數(shù)據(jù)管理與預(yù)報(bào)預(yù)警。當(dāng)前，每一個(gè)項(xiàng)目、每一個(gè)監(jiān)測(cè)單位、每一個(gè)管理部門都有各自的監(jiān)測(cè)管理體系。在大壩監(jiān)測(cè)工程建設(shè)的各個(gè)階段，其監(jiān)控和管理的側(cè)重點(diǎn)都是不一樣的。其中，自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)生成報(bào)表、模型分析和預(yù)警預(yù)測(cè)等是本系統(tǒng)的主要功能。

3 自動(dòng)化系統(tǒng)智能感控提升技術(shù)

3.1 測(cè)站環(huán)境感知與反饋

當(dāng)前，影響臺(tái)址長(zhǎng)期穩(wěn)定性的主要因素是測(cè)站安裝點(diǎn)的實(shí)際工作環(huán)境。為了避免大壩智能化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)意外，必須在有關(guān)指標(biāo)不滿足安全操作要求或者有很大危險(xiǎn)的情況下，能夠立即開啟智能化的自動(dòng)預(yù)警模式，實(shí)現(xiàn)大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自我保護(hù)功能。所以，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的工作環(huán)境是進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)和預(yù)警的先決條件。

3.1.1 測(cè)站箱體密封及內(nèi)部環(huán)境監(jiān)控

大壩安全監(jiān)測(cè)智能化、自動(dòng)化系統(tǒng)的傳感器通過了生產(chǎn)廠家的多項(xiàng)嚴(yán)格檢測(cè)，能夠適用于不同的工作環(huán)境[5]。由于受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的制約，傳感器電纜從引出孔插入時(shí)，往往得不到良好的密封性。在真實(shí)的使用過程中，由于溫度、濕度等因素的影響，大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保護(hù)箱內(nèi)部的環(huán)境也會(huì)隨之改變。在較高的溫度和濕度下，會(huì)引起水汽在板面上凝結(jié)，在低于0 攝氏度時(shí)，板面可能結(jié)冰。高集成度電子學(xué)芯片的針尖間距極窄，在外部粉塵和濕度的聯(lián)合作用下極容易造成針尖間的短路，從而造成多種無法預(yù)測(cè)的異常復(fù)位、重啟和掉電等現(xiàn)象。為了盡量防止上述情況的發(fā)生，一方面要對(duì)電路板進(jìn)行三道防護(hù)，使用高性能硅橡膠密封環(huán)，并對(duì)機(jī)箱進(jìn)線口進(jìn)行密封處理；另一方面也可采用溫濕度傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DAU 箱內(nèi)的微環(huán)境參數(shù)，當(dāng)DAU 箱內(nèi)的溫度最后降低到設(shè)備運(yùn)行的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就會(huì)自動(dòng)地將加熱裝置啟動(dòng)，如果DAU 中的濕度過高，那么就會(huì)自動(dòng)地將除濕風(fēng)扇打開，在DAU 箱內(nèi)的水分恢復(fù)到正常狀態(tài)后，則自動(dòng)關(guān)閉除濕裝置。該方法能夠有效地改善儀器的工作環(huán)境，防止數(shù)據(jù)采集模塊中的部件受到不可逆的損傷，增強(qiáng)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

3.1.2 測(cè)站箱體內(nèi)部進(jìn)水監(jiān)測(cè)

當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)，設(shè)置在壩體特定位置的DAU箱會(huì)因局部水位升高而被淹。所以，一方面要求有關(guān)的箱體要有一定的防水能力；另一方面還可以在這些靈敏的DAU 盒中添加一個(gè)被水浸泡過的傳感器監(jiān)控裝置。一旦機(jī)箱內(nèi)部出現(xiàn)積水或滲水現(xiàn)象，維修人員就可以立即采取措施，避免機(jī)箱內(nèi)部的電子設(shè)備因水而損壞。

3.1.3 測(cè)站定位及防盜監(jiān)控

在實(shí)際大壩安全監(jiān)測(cè)工作中，許多DAU 儀器都是在露天條件下使用的。另外，大壩周圍人員流動(dòng)較大，其周圍的真實(shí)環(huán)境較為復(fù)雜，為了避免人員的活動(dòng)對(duì)設(shè)備造成不必要的破壞，可以在保護(hù)箱的門上安裝一個(gè)門磁裝置，監(jiān)控箱門的開啟和閉合情況，保證箱門一直處于關(guān)閉的狀態(tài)。在較高的安全性要求下，也可設(shè)置物位監(jiān)測(cè)設(shè)備，并嵌入相應(yīng)的定位模組，以便定時(shí)查看或匯報(bào)自身的位置，監(jiān)視DAU 是否被人為移動(dòng)或遭到破壞。

3.2 DAU 狀態(tài)感知與反饋

DAU 作為大壩安全監(jiān)控智能化系統(tǒng)的核心部分，其性能好壞將直接關(guān)系到大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。利用電子器件對(duì)堤壩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能較好地了解堤壩值班工作的基本情況。

3.2.1 對(duì)無線信號(hào)強(qiáng)度及鏈路的監(jiān)控

如果是無線通訊，則可以檢測(cè)出信號(hào)的強(qiáng)度，并在值班等待或遠(yuǎn)距離報(bào)數(shù)之前發(fā)送相應(yīng)的檢測(cè)無線鏈路的狀況，如果信號(hào)是正常的，則可以采取相應(yīng)的措施，如果信號(hào)不夠強(qiáng)或者是無線通訊鏈路是異常的，則可以采取重連的措施，也可以采取延遲措施。在具體的應(yīng)用中，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行的情況下，可以使用通訊接口分路器來監(jiān)視有關(guān)的通訊通道。為了避免在使用GSM、CDMA、LTE 等無線公網(wǎng)通信時(shí)，由于SIM 卡欠費(fèi)而被運(yùn)營(yíng)商終止服務(wù)，最終導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)丟失，在智能化控制系統(tǒng)的管理軟件中，通過對(duì)通訊卡剩余電量的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，使用戶能夠及時(shí)對(duì)通訊卡進(jìn)行充值，從而保證通訊一直處于良好運(yùn)行的狀態(tài)。

3.2.2 對(duì)有線通信鏈路狀況的監(jiān)控

當(dāng)水壩監(jiān)控資料采集器采用有線通訊模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接時(shí)，便可利用跳包進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)，并與相應(yīng)的電源監(jiān)測(cè)裝置一起，通過監(jiān)測(cè)光收發(fā)器和RS-485通信轉(zhuǎn)換器的電源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)裝置的運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3 采集模塊智能化

DAU 中的數(shù)據(jù)采集模塊完成了對(duì)大壩安全智能化監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及上傳等功能，它是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一環(huán)。所以，通過對(duì)其進(jìn)行智能化改造能夠提升整個(gè)系統(tǒng)的智能化程度，從而避免監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的丟失，提升數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3.3.1 數(shù)據(jù)采集模塊本身可以進(jìn)行多功能通用化設(shè)計(jì)

采集模塊可以對(duì)各種傳感器輸出的電壓、電流、開關(guān)量、數(shù)字量等各種物理量進(jìn)行采集。在大壩安全監(jiān)測(cè)智能化控制系統(tǒng)中，所使用的傳感器種類較多，而在過去的工作中，一般都是采用一種傳感器來配合某一種測(cè)試板才能進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，這是一種很大的浪費(fèi)，而且還不便于維護(hù)。一般情況下，因?yàn)橐恍┨貏e的設(shè)備都會(huì)有一個(gè)專用的數(shù)據(jù)采集模組，因此模組中的其他通道都是空閑的。在完成通用化的功能后，在同一檢測(cè)模塊中可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的同步讀出，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化訪問，實(shí)現(xiàn)了資源的節(jié)約使用。在具體電路設(shè)計(jì)上，通過在共用信道后端分別為各種物理量的測(cè)量設(shè)計(jì)獨(dú)立的分析處理電路，對(duì)不同類型的儀表進(jìn)行保護(hù)，達(dá)到對(duì)各種傳感器均可進(jìn)行檢測(cè)的目的。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部可做智能化管控

在數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部時(shí)刻控制著電源的輸入，當(dāng)不用的時(shí)候，電源就會(huì)被切斷。在低功耗待機(jī)時(shí)，核心微處理器可以激發(fā)相應(yīng)的端子打開，可以通過主動(dòng)調(diào)低主頻或切換到低頻晶振來減少功耗，并在收到相應(yīng)的中斷信號(hào)后將其喚醒，使之恢復(fù)正常工作。在滿足有關(guān)性能要求的條件下，對(duì)每個(gè)電路的功能模塊都要盡量選用低功耗的芯片，以達(dá)到最大的節(jié)能效果。

3.3.3 數(shù)據(jù)采集模塊可智能控制通信電路模塊工作方式

當(dāng)DAU 的數(shù)據(jù)采集模塊以無線通信的方式報(bào)道數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過它來控制與之相對(duì)應(yīng)的通信電路的工作模式，從而做到節(jié)能降耗。當(dāng)要報(bào)告數(shù)據(jù)時(shí)，通訊線路就會(huì)啟動(dòng)或叫醒，再由網(wǎng)路傳送資料。在傳送結(jié)束后，由中央采集計(jì)算機(jī)將對(duì)應(yīng)的命令發(fā)送給采集模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)通訊電路的關(guān)斷或關(guān)斷的控制。在睡眠狀態(tài)下，中央采集器可通過遙控方式喚醒相應(yīng)DAU 內(nèi)的通訊電路。在重大情況下，DAU 必須具有多通道傳輸功能，能夠依據(jù)特定通道的信號(hào)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的開關(guān)，從而保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被安全、可靠地傳送到相應(yīng)的采集計(jì)算機(jī)。

4 智能化信息采集技術(shù)

4.1 傳感器技術(shù)

如今大壩安全監(jiān)測(cè)傳感器不斷發(fā)展，具有精度高、成本低等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)研制的溫度、壓力和角速度等傳感器，能夠在毫米量級(jí)的特征尺度上實(shí)現(xiàn)常規(guī)力學(xué)傳感器無法達(dá)到的性能。

4.2 微電子技術(shù)

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，高集成度芯片的數(shù)據(jù)處理能力得到了極大的提升，將溫度、振動(dòng)等傳感器集成到芯片中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)DAU 內(nèi)部微環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。基于此，研制的大壩信息采集系統(tǒng)可采集多種傳感信號(hào)，選擇通信模式植入智能算法，并可對(duì)工程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.3 無線通信技術(shù)

未來大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化技術(shù)的發(fā)展方向是開展低功耗的無線通信技術(shù)，該技術(shù)為大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了便利，具有很好的發(fā)展前景。在選擇無線通訊模式時(shí)，最重要的是考慮數(shù)據(jù)傳送的距離以及數(shù)據(jù)傳送所需的帶寬。當(dāng)前，業(yè)界中使用最多的是ZigBee、LoRa、Microwave 等無線局域組網(wǎng)技術(shù)，以及GPRS、CDMA、LTE 等無線廣域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)。在對(duì)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相匹配的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要在充分考慮信號(hào)強(qiáng)度及兼容性的前提下，對(duì)供電方式和功耗需求進(jìn)行重點(diǎn)考慮。

5 結(jié)語(yǔ)

在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)收集等技術(shù)的持續(xù)推動(dòng)下，無論是硬件還是軟件，都有望向更加智能化的方向發(fā)展。將以上技術(shù)應(yīng)用到大壩安全監(jiān)測(cè)智能化、自動(dòng)化系統(tǒng)中，可以有效地提高該系統(tǒng)在各個(gè)環(huán)境下的適應(yīng)能力，進(jìn)而有效地開展大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化技術(shù)。所以，在部分已經(jīng)投入使用的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件中，可以對(duì)缺少的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和質(zhì)量展開全面的監(jiān)測(cè)，并自動(dòng)判斷出故障的位置和類型，從而降低對(duì)管理者的依賴程度。在該項(xiàng)目的實(shí)施過程中，有些優(yōu)化改進(jìn)措施收到了很好的效果，值得進(jìn)一步推廣。