糯扎渡枢纽工程安全监测自动化系统集成

程翔1李双平2徐菊华2

武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室武汉430070；

2长江空间信息技术工程有限公司武汉430010

摘要：糯扎渡是一座重点综合利用的一等大（1）型水电站，亚洲第一高心墙堆石坝，为实现枢纽工程安全监测的实时性、可靠性，水库科学运行的数字化、信息化，建立了枢纽工程安全监测自动化系统。本文将从安全监测自动化系统的组成、结构以及系统集成技术等各方面进行介绍，系统地总结枢纽工程安全监测自动化集成技术，实现监测信息的共享和统一管理，为枢纽工程安全监测自动化系统建设提供优化建议和技术支撑。

关键词：糯扎渡；安全监测；自动化；系统集成；

1引言

糯扎渡枢纽工程安全监测自动化系统主要包括大坝及边坡测量机器人监测系统、大坝GNSS监测子系统、心墙堆石坝监测子系统、引水发电建筑物监测子系统、边坡及泄水建筑物监测子系统、强震监测子系统、光纤光栅测渗流监测子系统、水情测报子系统、视频监控子系统[1]、非电测类自动化改造等10个子系统。为了既能加强大坝安全管理又能最大限度地节约人力、物力，将分散的各子系统在物理层与软件层上进行了系统集成，形成了一个集安全监测、资料分析于一体的综合信息集成管理系统。该系统充分利用各监测子系统采集的数据实现资源共享，对大坝进行现地、远程安全实时监控，以及时掌握大坝安全动态，为大坝管理单位、主管部门及有关各方提供高效的资源共享方式和大坝安全管理模式。

2系统组成

系统由10个不同的、分散的子系统组成，主要包括：

（1）心墙堆石坝监测子系统

心墙堆石坝埋设各类传感器917支，传感器电缆牵引至15个观测房，子系统分别在15个观测房安装33台测量控制单元（MCU）对传感器进行监测。

（2）引水发电建筑物监测子系统

引水发电建筑物监测子系统9个观测房共安装91台测量控制单元对2773支传感器的数据进行监测。

（3）边坡及泄水建筑物监测子系统

边坡及泄水建筑物监测子系统共在10个观测房安装42台MCU对1135支传感器的数据进行监测。

（4）大坝及边坡测量机器人监测子系统

将心墙堆石坝视准线L1~L8，共计70个点实现自动化观测。在大坝左右岸，上下游适当位置处设置工作基准站，采用极坐标法进行监测。

将重点边坡包括右岸坝肩边坡、溢洪道消力塘边坡和尾水隧洞出口边坡，共135个点实现自动化观测。

（5）GNSS监测子系统

在枢纽区适当位置建立2个基准站，对心墙堆石坝表面59个GNSS测点进行自动化实时监测。

（6）强震监测子系统

在大坝的坝轴线以及坝基廊道安装9台强震仪，下游远离大坝的自由场安装1台强震仪组成大坝强震观测结构台阵。

（7）视频监控子系统

在测量机器人观测房内外各安装1台，共计10台摄像头对观测房以及大坝表面各部位实现视频监控。

（8）水情测报子系统

集成流域中心的水情测报子系统，由安全监测自动化系统实时读取数据进行相关资料分析计算。

（9）非电测类自动化改造子系统

将原大坝水管式沉降仪110个测点，引张线式水平位移计51个测点人工观测进行自动化观测改造。改造后的测点实现全自动化监测并且集成至枢纽工程安全监测自动化系统中。

（10）光纤光栅测渗流监测子系统

对埋设在混凝土垫层中的光纤光栅渗压计[2]、测缝计进行自动化监测，将结果汇集至安全监测信息管理系统数据库中。

3系统结构

图1系统总体框架

系统从数据传输与应用层面上划分为传感器采集层、数据传输层以及系统应用层三个部分。从空间物理位置上又划分为现地监测站、监测管理站以及监测中心站三个部分[3]。系统总体框架如图1所示。

3.1系统框架

采集层是前端各种智能传感器，主要记录大坝各部位的多种物理量（位移、水位、应力、温度）。这些物理量在测量控制单元（MCU）中转换成数字信号并且显示出来[4]。传感器类型有差阻式、振弦式、电位器式、电解质式、光纤光栅设备、强震监测、全站仪、GNSS等。将各种监测类型的传感器接入到各自的监测自动化设备中，由设备进行自动化监测。

通常情况下，数据传输一般有2种方式：无线传输和有线传输。有线传输主要采用通讯光缆或电缆，无线传输主要采用无线传输模块。当数据中心距离采集层较近时可采用有线传输的方式，否则采用无线传输的方式。内观各子系统通过通讯光缆将数据从现场传输至监测管理站，外观GNSS工作基点采用无线网桥将数据传输至监测管理站。

数据传输至监测管理站各子系统工控机上，在管理站应用层面上采用统一的安全监测综合管理及分析系统进行集成。同时，在WEB服务器上发布数据以及上下游水位重要监测信息。

3.2系统网络结构

系统创新性地采用TCP/IP协议的以太网星型网络进行组网，相比于传统自动化监测RS485协议，TCP/IP协议的以太网星型网络具有通讯速度快、易维护性、可扩展等优势。对比如表1所示。

考虑糯扎渡枢纽工程各部位的布局，选用星型网络作为组网的拓扑结构。

4系统集成

在应用层上对现场各子系统采集的多源异构的数据进行集成。由于各子系统采用的通讯协议不一致导致无法在一个测控装置上将所有硬件设备进行集成，因此考虑在数据层面上，采用分析数据库结构、解析数据库的数据组织方式来对系统进行集成，形成一个统一的安全监测综合管理软件。

4.1采集控制

在监测中心站通过系统中远程控制模块来操作监测管理站的数据自动采集软件实现现场测控单元的采集、全站仪扫描大坝和边坡的监测点。采集完成之后，数据从现场测控装置传输至现场管理站，通过同步备份的方式实现与中心站的数据共享。基本数据流如图2所示：

图2数据流示意图

客户端程序向被控端电脑中的服务器端程序发出信号，建立一个特殊的远程服务，然后通过这个远程服务，使用各种远程控制功能发送远程控制命令，控制被控端电脑中的各种应用程序运行。在完成远程控制后要及时退出使用，以便其他远程调用者获得使用权[5]。

4.2数据集成

在监测中心站采用统一的安全监测综合管理软件进行数据集成，实现上述10个子系统的集成。基本方法就是深入解析各子系统的数据组织和结构，按照设计、规范的要求提取监测效应量，并将效应量写入本底数据库之中。同时，本底数据库公开关键部分数据库结构以供三维可视化系统、安全评价与预警系统的调用。监测管理站的本底数据库采用同步备份的方式将数据传输至监测中心站服务器上。对监测中心站服务器中的数据进行抽稀，萃取出重点部位的监测数据提供给WEB发布系统进行发布。

5创新点

糯扎渡枢纽工程安全监测自动化系统集成综合运用了软件工程、系统控制工程、安全监测、通讯工程等多种技术手段。创新点颇多，主要有以下几个方面：

（1）基于以太网的TCP/IP协议星型网络组网。系统摆脱了传统监测自动化RS485通讯的束缚，创造性地使用了以太网TCP/IP协议组网[6]。克服了数据传输速率较慢、维护较困难以及扩展性较差等缺点，从通讯上提高了安全监测自动化的水平。

（2）基于数据交互的系统集成。由于各子系统通讯协议均不一致，系统不再从硬件层面上对各子系统进行集成，而是转入研究数据库组织结构，将各子系统的数据转换并提取到本底数据库中。克服了通讯协议不一致，系统集成难的问题。从软件层上提高了安全监测自动化系统集成的水平。

6结语

本文从枢纽工程安全监测自动化的组成、结构出发，详细阐述了糯扎渡系统集成的各种技术手段和方法，创新性地运用了TCP/IP协议以太网进行组网，从数据库入手完成10个子系统的集成。采用统一的平台对各类信息进行管理，提高监测的整体性，实时性，可靠性。为大坝管理单位、运行管理部门及有关各方提供高效的资源共享方式。

参考文献

[1]马骑龙.视频监控系统在汤和水库的应用[J].农业与技术，2008（1）：96-97.

[2]张震夏等.光纤量测仪器量测应用研究[R].北京：中国水利水电科学研究院仪器研究所，1996.

[3]刘崇干.大坝多目标安全监控与管理系统[J].水利水电技术，2002（7）：45-47.

[4]刘祖强，吕笑，龚文慈等.膨胀土（岩）渠坡自动化综合监测系统研究[J].人民长江，2014，45（7）：31-35.

[5]李双平，杨爱明．水利水电工程野外远程实时安全监测系统研究[J].人民长江，2013，44（3）：63-66.

[6]候建国，王腾军.变形监测理论与应用[M].北京：测绘出版社，2008.