水库大坝安全智能监测系统

水库大坝安全智能监测系统1.建设目标建立对大坝安全监测各项指标的评价标准，并在此基础上对大坝进行综合评价，回答大坝安全与否这一关键问题。

其次，实现对各类监测数据自动采集和实时处理，根据监测数据和评价结果对大坝安全状态进行实时预警。

将牵涉到大坝安全的各类数据通过构建统一的数据库进行存储，并通过统一的系统进行调用和管理。

基于此，针对水库砌石拱坝这一特定坝型，在大坝安全智能监测系统中，应用前沿分析技术和经典方法相结合对大坝安全进行综合诊断，通过实施先进的监测手段和设备，提升对大坝安全状态的感知能力，并将系统高度集成，采用独立编码开发，通过对最新算法进行编程，实现核心技术的领先目标，建立一套适合本工程的大坝安全监测预警和实时安全评估系统，争创全国领先水平。

同时，通过监测设备标准化拟定、底层数据库规范和技术指标构建、预留开放式系统接口等措施，实现本项目的可推广性，为福建省推广应用该类系统提供引领示范。

2.建设任务建设大坝安全监测系统监测设备补充完善水库大坝坝前水温、坝体位移、大坝应变等监测设施，实现数据实时采集处理，并能进行实时分析，实时评价水库大坝。

实现水库大坝安全监测信息化、智能化的要求。

建立大坝综合评价系统现有大坝安全监测项缺乏对监测值的评价标准和综合判断。

针对砌石拱坝这一特定坝型的大坝完全监测问题，综合拟定坝体监测项的监控指标，对大坝实时运行情况进行动态评估，评价内容包括位移测值、趋势判断、裂缝计开度变化等控制指标，通过对异常项数的统计给出整体大坝安全度评价标准，并可按时、按需输出系统监测报告，建立一套适合本工程的大坝安全综合评价系统。

大坝安全监测信息集成系统建设基于分布式数据库、时序数据库、空间数据库、数据仓库等数据库领域与构建技术，建立监测数据、业务数据、基础数据、空间数据、标准库、模型库等大数据方案的主题数据库。

实现大坝安全数据的存储、快速访问、计算与分析挖掘，最终在此基础数据库层面上，建立一套大坝安全管理规范框架结构和技术标准解决方案，实现多元数据融合应用，切实提高水库数据运行效率。

建设基础支撑系统建设大坝数据中心库、视频监控与大坝巡检、大坝安全信息化三维模块展示系统以及配套的相应的软硬件配套设施，调度中心、机房及会商视频环境改造等。

水库防雷接地升级改造对水库、启闭机房、调度大楼防雷接地进行升级改造，包括电源线路电涌保护、信号线路电涌保护、监控线路电涌保护、智能电涌（雷电）防护监测管理系统和等电位接地改造等。

3.总体框架按照大坝自身特点和最新大坝安全监测相关规范要求，贯彻目标导向和问题导向，充分利用国内外最新先进实用可靠的大坝监测新技术新手段，通过增设自动监测设备并对原有监测项目进行改造升级，建立水库大坝安全的评价准则，实现从人工监测、自动监测到智能监测的提升，达到对大坝安全性态的实时监测、评价和预警，为大坝的安全蓄水、安全防汛服务。

大坝安全智能监测系统建设拟实现的功能：①实现对坝体表面位移、大坝裂缝、绕坝渗流、大坝应变等监测重要运行数据的实时采集、传输、计算、分析，实时掌握大坝运行状况；②直观显示坝体表面位移、大坝裂缝、绕坝渗流、坝肩渗漏量等监测内容的实时状态，历史数据查询和当前数据展示，为相关人员提供简单明了，直观有效的信息；③一旦出现异常情况，坝体表面位移、大坝裂缝、绕坝渗流、大坝应变等超限，可以通过大屏监测点颜色闪烁提醒、短信发送相关人员提醒，及时响应。

④系统采用B/S软件架构，建立一套大坝安全管理规范框架结构和技术标准解决方案，为系统推广应用提供技术标准和规范框架。

水库大坝安全智能监测系统整体框架，由感知层、传输层、基础设施层、数据中心、应用层、门户六个层次及标准规范和信息安全两大体系组成。

总体架构依据目前最新的信息化技术，同时兼顾未来的技术发展，保证技术的可持续演化，使得系统具备良好的实用性、先进性、扩展性、移植性及开放性。

（1）门户门户是整个的统一入口，包括统一的PC、移动门户及大屏等，为流域和大坝管理机构提供个性化的定制门户。

（2）应用层应用层包括业务应用和展示，业务应用分别按三维信息化模块、大坝安全监测分析预警模块、数据中心库模块、设备及人员管理模块和大坝设备自动控制模块等提供各类应用系统，满足管理机构的管理需求。

基于BIM+WebGIS对库区及大坝三维信息数据、监测数据、预警预报数据、分析结果、调度指挥应用进行展示。

应用层中嵌套重点的大坝安全智能监测模型层，包括多元非线性回归、机器学习、人工智能算法模型等监测数据分析方法来判别大坝的安全状况以及应急处理预案模型。

（3）数据中心数据中心是通过对水库数据资源的全面梳理，整合水库、水利部门及相关单位的数据，充分共享社会信息（地理空间信息和资源信息等），构建形成省水库大坝安全智能监测综合数据库：包括监测数据主题库、业务数据主题库、基础数据主题库、空间数据主题库、标准库、模型库等，同时结合关系型数据库和大数据库两类数据库管理软件形成综合数据库的存储、管理容器，为公共服务创新及科学决策提供支撑。

（4）基础设施层基础设施层包括中控机房、支撑环境设施和基础设施。

中控机房由机架式标准机柜平台、展示系统和监控系统三大模块组成；支撑环境设施包含机房服务器、防火墙、交换机、数据库软件、基础支撑软件等。

（5）传输层智能传输层包括监测传感器信号的传输网、传输卫星定位信号、传输部门内外部数据的互联网络等手段。

（6）感知层基于物联感知与控制技术，驻站监测和移动监测相结合的一体化立体监测监控技术，建设形成大坝安全监测智能感知体系，实现对水库运作过程的及时、全面、准确、稳定的监测、监视和监控。

（7）标准规范体系标准规范是保障大坝安全智能监测的各个组成部分能够协调一致地工作，是保障各类信息互联互通，是保障项目建设过程和运维管理的规范、有序、高效的重要基础。

标准规范充分利用已有国标和行标，参考引进国际上的先进标准，补充建设部分必要的项目标准。

（8）信息安全体系在全面分析和评估省水库管理各要素的价值、风险、脆弱性及所面临的威胁基础之上，遵照《中华人民共和国网络安全法》和等级保护制度的要求，结合水库实际，构建智慧水库信息安全体系，保障系统安全、运行稳定可靠。

4.大坝安全监测(一)监测系统设计原则监测自动化系统设计遵循“实用、可靠、先进、经济”原则，满足水库现代化管理需要；仪器设备在满足准确度的前提下，系统结构力求简单、稳定、维护方便，易于改造和升级；大坝表面位移监测、绕坝渗流监测、坝肩渗漏量监测等保留人工测量设备。

监测自动化系统由监测仪器、数据采集装置、计算机及外部设备、数据采集和管理软件、通信线路及装置、电源线路及装置、防雷装置等组成。

监测自动化系统具备下列基本功能：（1）巡测、选测和定时测量功能；（2）现场网络数据通信与远程通信功能；（3）数据存储、管理及备份功能；（4）掉电保护功能；（5）网络安全防护功能；（6）自检、自诊断功能；（7）防雷及抗干扰功能；（8）数据异常报警功能。

数据采集装置应满足下列基本性能：（1）测量准确度：不低于《混凝土坝安全监测技术规范》（SL601-2013)对测量对象准确度的要求。

（2）采样时间：巡测时小于30min，单点采集时小于30s。

（3）数据存储容量：不小于50测次。

（4）平均无故障时间(MTBF)：大于6300h。

（5）数据采集缺失率：不大于2％。

（6）掉电运行时间：不小于3d(需强电驱动控制的设备除外)。

（7）防雷电感应：不小于500W。

（8）防潮、防锈蚀、防鼠、抗振、抗电磁干扰等。

监测管理站配置的数据采集与管理软件应具有下列功能：（1）在线监测功能；（2）图表制作功能；（3）离线分析；（4）信息管理；（5）网络系统管理功能。

(二)监测项目根据大坝安全监测规范，水库大坝必测项目为9项，增补或改造后共监测12项。

由于水库大坝是砌石拱坝，扬压力监测项目现地不具备增补条件，且坝体表面位移、渗流量等监测项目仍采用人工测读，管理层不能及时掌握大坝监测数据，影响在台风、暴雨、洪水等工况下的对大坝安全情况研判。

结合现有的条件，考虑水库大坝自身特点和最新大坝安全监测相关规范要求，为了实现大坝安全智能监测的要求。

(三)坝体表面位移监测系统目前坝体表面位移监测任务由管理处委托专业测绘单位，采用全站仪人工观测，每个月观测1次（早先每3个月观测1次）；观测时间挑选天气较好的时段。

而对于台风、强降雨、洪水、溢洪道过洪、夜间等不良工况和不利天气条件，往往无法得到及时的坝体表面位移监测数据，影响对大坝安全状态的及时掌握。

因此有必要对坝体表面位移监测项目进行自动化改造。

坝体表面位移的自动化改造方案采用GNSS和测量机器人两种自动化监测方案。

GNSS具有全天候工作优势，监测频率可以设置成很高的，虽然其监测精度（水平位移监测精度2.5mm+0.5PPM）略显不足（规范要求精度2.0mm），但目前技术能够很好识别相对位移，对于水库大坝的最大30多mm的位移量，GNSS能够监测到其变化趋势，特别是GNSS能够在恶劣天气、在夜间下进行监测，监测频次可以很高，对不利天气情况下的大坝安全判别以及在极端情况下的下游预警与人员疏散有着不可代替的作用。

测量机器人监测精度较高，可以弥补GNSS的监测精度的不足，但其监测易受天气、昼夜影响，监测频率受测量机器人转向马达影响，目前其监测频率还无法设置成很高的。

综合两种监测方法的优势，采用GNSS和测量机器人两种自动化监测方案，两种方法互补不足，相互验证，可以满足坝体表面位移自动化监测需求，并为智能研判提供必要数据。

（1）监测方案传统的一些大坝变形监测方法固然有其适用性和优势，但它们在经济性、复杂度和自动化程度等方面尚难以满足现今大坝的大规模安全监测要求。

因此，以现代化的监测技术和监测仪器，及时准确地获取位移数据，并依靠先进的数据处理技术，对大坝的设计、施工、运行等资料进行科学管理，加以定量、定性分析，实现对大坝形态的综合评价、实时监控，己是大势所趋。

GNSS作为当今最先进的定位手段之一，已在大地测量、地壳形变监测、精密工程测量等诸多领域得到了广泛的应用。

GNSS技术相比于常规的测绘作业方法有着显著的特点和优越性：它受天气的干扰较小，点位间可以互不通视，可以同时获取点位三维坐标，容易实施很长距离的精确定位，工作基点的选择余地较大，能够实现动态监测，具备良好的自动化和集成性能，特别适用于进行动态和静态安全监测以及在较大工程区域内满足现代施工所需的复杂测量工作。

其优越的工作性能及广泛的适应性，是常规测量作业难以比拟的。

拥有众多优势的GNSS技术在应用于拱坝表面变形监测时，在测量精度方面却有一定的不足，为了解决这一问题，计划以监测机器人即高精度全站仪来弥补其不足。

测量机器人可实现目前最高精度等级的测量，但对环境能见度要求较高，并要求所有的监测点互相通视。