中小型水库大坝安全自动监测系统解决方案

中小型水库大坝安全自动监测系统解决方案

航天科工仿真技术有限责任公司

经济领域系统仿真技术应用国家工程研究中心

1概述

我国现有各类水库84926，其中大型水库415座，中型水库2618座，小型水库81893座。大多数中小型水库建于六、七十年代，属“三边工程”，一方面大部分水库防洪标准低、工程质量差、淤积严重，有效库容萎缩，处于带病运行状态，另一方面不少水库已达到或超过设计服役年限，老化严重，水库工程潜在的安全隐患突出。

水库安全度汛一直是我国防汛抗洪的难点和重点，中小型水库的安全度汛已成为当前全国防汛工作的一个薄弱环节，大部分水库缺少必要的水雨情测报及大坝安全监测等设施，检查手段落后，隐患很大。一旦发生局部暴雨洪水，极易引发溃坝事件，轻则造成财产损失，重则造成重大人员伤亡或毁灭性灾害，在这种情况下，水库大坝安全自动监测系统建设，实现水位、雨量、大坝的渗压、渗流、应变等实时监测和预警就是非常必要的，可以实时动态的掌握水库运行信息并进行预警，如果水库的监测数据发生异常，水利部门的有关人员可以及时掌握情况并采取措施进行应急处理。所以在此，我们主要分析、提出中小型水库大坝安全监测的解决方案。

大坝安全自动监测系统充分利用现代检测技术、通信技术、网络技术和计算机技术，通过相应传感器感知大坝的变形、渗流、应力、水文、气象等数据，现场的远程监测终端单元RTU通过无线或有线的方式采集前端传感器的信号并进行预处理和存储，根据系统数据传输体制要求，RTU自动上报或接收的管理中心的指令后将相关参数

报送信息中心，在管理中心对数据进行处理、统计、整编、分析、预警等，提高大坝安全监测的实时性、可靠性和精度，及时预报大坝承受能力和可能发生的事件。同时可通过先进的视频监控系统实时观测河道、水库及涵闸等运行情况，为领导决策提供了直观的图像信息，系统的建立，可使水利部门的有关人员实时动态的掌握水库运行信息，为水利部门提供尽可能全面、准确的信息。

1.1建设原则

遵循“技术先进、科学合理、安全可靠、经济实用”及“结构化、模块化、标准化”的原则，做到结构合理、界面清晰、接口标准、集成

先进。

●可靠性：选择可靠性高的先进设备，特别要求保证恶劣环境下和突发事故情况下系统的可靠运行，合理配置硬件备份，充分考虑网络安全；

●标准性：信息要统一标准，设备结构要标准化、模块化；

●实用性：满足三防指挥和供水调度各个工作环节的需要；

●实时性：信息采集要满足三防工作的需要和水利综合任务信息的要求；

●连续性：充分利用历史和现有的资源，保证建成后连续运行；

●先进性：尽量采用当前最先进的硬件、信道、网络结构和软件；

●共享性：各类信息源和信息传输都遵循现行标准规范和系统建设中制定的标准或规定，尽量使资源共享；

●开放性：按开放式系统的要求选择设备和设计网络。

1.2建设依据

●《土石坝安全监测技术规范》SL 60-94；

●《土石坝安全监测资料整编规范》SL69-96；

●《大坝安全监测自动化技术规范》DL/T5211-2005；

●《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》SL268-2001；

●《混凝土坝安全监测技术规范》DL/T 5178-2003；

●《混凝土坝安全监测资料整编规程》（DL/T 5209-2005）；

●《国家一、二等水准测量规范》GB12897-91；

●《国家三、四等水准测量规范》（GB 12898-1991）；

●《中、短程光电测距规范》（GB/T 16818-1997）；

●《国家三角测量规范》（GB/T 17942-2000）；

●《水位观测标准》GBJ138-90；

●《水利水电工程施工测量规范》SL 52－93；

●《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》DL/T5148-2001；

1.3建设目标和内容

完整的水库大坝安全监测系统建设内容和目标包括：

1、建成水情信息自动采集系统（包括大坝安全监测、水雨情、环境、闸门监控和视频监视等），在信息标准化的基础上依靠通信网络和计算机网络的支持，实现基础数据的自动传输、汇总累计、及时

上报，同时为工程运行、防洪调度和抢险抗灾提供准确的、科学的依据。

2、建成计算机网络系统。充分利用电信公网，优选公网信道建成广域网；提高信息采集的速度和质量，扩大信息种类和内容，充分实现各级防汛部门互连互通、信息共享，并为其它部门提供网络服务。

3、建成决策支持系统。它是三防指挥系统的核心，包括信息处理和辅助决策两大组成部分，分为信息管理、洪水预报、汛情监视调度、决策会商管理等应用子系统，为防汛指挥决策的各个工作环节提供一体化、可视化的及时有效的服务。

2系统组成

大坝安全综合监控系统主要由四部分组成：

1）现场测量部分；

2）远程数据采集终端单元；

3）供电系统及防雷系统；

4) 系统管理中心；

大坝安全监测系统采用分层分布开放式结构，运行方式为分散控制方式，可命令各个现地监测单元按设定时间自动进行巡测、存储数据，并向安全监测中心报送数据。系统监测站的RTU与监控中心之间的网络通信采用GPRS通讯方式。数据采集系统将各个监测站内的监测数据采集上来，进行数据处理，上报至管理中心进行数据的处理、存储、分析，并将原始数据和处理结果存入主数据库和备份数

据库中。

2.1现场测量部分

大坝安全监测传感器是掌握大坝运行状态的重要的前端设备，要求能够在恶劣环境下长期稳定可靠的检测大坝微小的物理量变化，包括外部观测的静力水准、正倒锤、激光准直及内部观测的渗压计、沉降计、测斜计、应变计、土压计等，根据实际需要及规范进行选择。

大坝监测仪器设备与系统关系概要图

2.2远程数据采集终端单元

用于监测目的的远程数据采集终端设备（以下简称“采集器”）具备以下基本功能：

●模拟量数据采集；

●开关量数据采集；

●数据保存；

●数据保持；

●数据传送。

这里，数据保持是指数据的不可破坏性，即使遇到采集器掉电，采集器被破坏等情况时，数据也不会丢失。数据传送应受到权限控制，一旦权限许可，采集器才会按一定格式向计算机或其它通信设备传送数据。除了具备以上功能外，还具备超标自动报警；允许远程设置、修改参数，以及远程控制功能等。

远程数据采集终端内置GPRS通讯模块，设备上电后自动寻找并登陆到GPRS网络，保证通讯自动保持在线，断线自动连接。可

根据设定的上报周期上报系统存储的各种测量数据，实时响应数据系统信息中心人工请求的各种命令，并及时回传相应数据。具有快速、准确、维护方便、覆盖面广、性能可靠等诸多特点。

2.3供电系统及防雷系统

对于监测系统中的远程数据采集终端，全部采用低功耗设计，功耗非常低。且每个单元自带有的蓄电池，当外部电源中断时，数据和参数也不丢失，可以靠本身电池自动上电，能维持自身约10天以上正常运行（根据采集周期和上报周期的不同，电池供电时间略有不同）；对于传感器及其它监测设备，需提供外部供电系统。根据水库的实际供电情况，就近引设电源或采用太阳能供电系统。

现场设备工作于野外，根据系统具体情况将从接闪器、引下线、侧击雷防护、屏蔽、等电位连接、浪涌保护器安装、接地装置等现场情况入手，结合GB50057《建筑物防雷设计规范》和GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》进行防雷现状分析。

2.4系统管理中心

管理中心硬件设备主要由数据库服务器、工作站、打印机、网络设备、通讯设备、后备电源、大屏幕等组成。系统管理中心是用户接口,最终完成如下功能:

●监测数据采集功能:本系统能按运行要求，对所有接入系统中的各类监测仪器进行一定方式的自动化测量，储存所测数据，并传送到中央控制装置集中储存或处理。

●数据通讯功能:中央控制装置与所有测控装置，中央控制装置与数据管理主机均具有双向通讯功能。

●系统外数据通讯功能。本系统具有远程通信接口，可以上网与各级管理部门的信息系统之间实现远程通讯

●数据管理功能：中央控制装置集中储存系统内的所有监测数据，分别按系统测点排列及时间序排列，可以对数据进行初步处理，供运行人员浏览、检查、绘图、打印。中央控制装置和信息管理系统联机运行时，可将监测数据输入信息管理系统的监测数据库以供入库存档和进一步分析处理。

●系统自检功能：系统具有自检能力，当系统中硬件设备或通讯

线路发生故障时在中央控制装置或信息管理主机显示器上显示故障信息，以便及时维修

系统功能架构图

3系统主要特点

●可实现水库大坝渗压、渗流、应变、水位、温度，水库周围降雨量等数据的自动采集、发送、实时传输。可实时远程监测大坝的各测试参数，可根据需要设定采集频率、测点数据，对原始数据可进行各种计算。

●系统监测设备采用低功耗设计，可采用太阳能结合电池供电形式，不受野外偏远山区等环境局限。

●具有高可靠性和耐恶劣环境能力，监测设备和传感器具有全防水的结构,，系统具有多级防雷击及强电感应荷载冲击的能力。

●可对水库大坝的采集数据进行专业评估，按水利专业要求进行相关的数据的计算、评估与处理，以适应各种评测模型的需要。

●数据能够以各种数据库形式保存并可进行历史数据查询，还可以直接生成EXCEL或其他形式报表。同时数据可实时保存到网页报表中，提供网页远程浏览各种数据。

●数据可以以各种图形方式显示，包括时间历程曲线图、X/Y坐标图、模拟图、直方图等形式。

●具有数据越限报警功能，现场即时上传报警信息时，主机会出现明显的报警画面和报警信息，同时还可提供各种声光报警等多媒体提示。

●实现对系统信息打印的功能，支持对图形、报表、曲线、报警信息、各种统计计算结果等的打印。

4视频监测系统

水库网络视频监控系统，是维护水库安全生产运行以及防汛工作的重要保障，随着现代通信技术与测试测量技术的发展，“数字水利”的时代已经到来。通过先进的网络视频监控系统可以实时直观的观测水库的各种变化及涵闸的运行情况，为领导决策提供了直观的图像信息，同时改善了观测、测量工作人员的工作环境，减少工作人员，真正做到无人值守、少人值班。

水库网络视频监控系统可实现以下主要功能：

●实现库区24小时日常巡查录像。

●汛期可实时观察水库的水位变化及汛情变化，如水位达到警戒线，或大坝出现其他汛期险情，就地值守人员及管理中心可立即观察到实时图像信息。

●水库重点区域的防范，随时查看闸门、大坝的正常工作和稳固程度。

●水库水面、水岸情况的实时远端监控。

●水库天气情况的实时监控。