大坝安全监测自动化系统应用现状分析及发展趋势研究_李仲雄.pdf

大坝安全监测自动化系统应用现状分析及发展趋势研究李仲雄（大唐甘肃发电有限公司碧口水力发电厂，甘肃陇南746412）摘要：介绍了大坝安全监测自动化系统主要用到的关键技术，分析了国内较典型的大坝安全监测自动化系统应用情况，探讨了当前应用率较高的采集控制单元主要参数。大坝变形监测自动化系统当前主要应用到的新技术新方法，并结合大数据技术、人工智能技术等探讨了大坝安全监测自动化系统未来的主要发展趋势，以促进大坝安全监测系统往自动化、智能化方向进行发展。关键词：大坝安全监测自动化智能化关键技术趋势中图分类号：TV698.1文献标识码：A文章编号：2095-0748（2023）01-0153-03引言安全监测是大坝能够安全稳定工作的重要保障之一，能够起到全面监护、综合分以及实时监测的作用，是大坝在生命周期安全管理过程中必不可少的手段之一。我国的大坝安全监测由来已久，已经拥有了数百年的发展历史，当前已经能够运用多种手段和方式实现监测评价大坝安全性状的基本目标。当前伴随大数据、机器学习、故障诊断等多项技术飞速发展，大坝安全监测也不断朝着信息化、智能化的角度靠拢，通过建立智能模型的方式对于大坝安全进行动态分析、实时评价以及智能决策。监测自动化也是上述目标能够顺利实现的必不可少的手段之一，能够提升数据采集、处理以及存储的自动化程度，为数据的分析和结果的转化提供相应的载体。本文首先对当前监测自动化发展的关键技术进行展开，包括采集控制技术、通讯传输技术以及管理系统技术，从具体技术的角度介绍了当前我国该领域的实际发展情况和存在的不足之处，其次与国外该领域使用效果较好的测量控制单元进行横向比较，最后根据上述问题针对性地提出了安全监测自动化系统的发展趋势和研究方向。1监测自动化关键技术监测自动化系统主要依托于计算机辅助运算、传感技术以及信息采集处理技术等，能够对大坝数据进行实时采集和自动处理，并将处理结果进行比较判断，分析出当前大坝是否处于安全状态，并设置有报警系统。该系统核心技术包括采集控制技术、通讯传输技术以及管理系统技术1-2。1.1采集控制测量控制单元属于整个监测系统的核心组成部分，起主要作用包括：传感器信号采集、测量点选取、模拟量转换、数据传输、数据存储和电源管理等等。因此测量通道的测量稳定性、数值准确性、采集频率和采集手段等相关内容会给系统的正常运行带来显著影响。当前较为流行南瑞的 DAU3000 数据采集单元可以同电测传感器相连接，实现传感器数据的实时采集，系统架构为全并行，能够实时监测设备运行状态、供电电源以及运行环境等。1.2通讯传输通讯传输模块的主要作用是连接测量控制单元以及管理系统，根据是否需要传输线能够分为有线传输以及无线传输两种方式。前者的传输介质主要为双绞线和光纤，后者则主要通过移动网络和通讯卫星等方式实现信号传输。具体到实际工程而言通常需要多种通信手段有机结合，形成完整的通讯网络。1.3管理系统管理系统也是监测自动化系统和用户之间进行人机交互的关键方式，用户借助监测管理系统能够实现对数据的实时采集、管理控制、模型分析以及预测报警等。当前，每个机构乃至每项工程都拥有自己的监测管理系统。在工程的不同阶段，监测管理系统的功能需求也略有差异。可以将管理系统总结为以下功能：实时采集、自动处理、辅助决策、模型分析和预测报警等。2应用现状监测自动化借助检测技术实现实时监测的目标，能够为监测对象的安全稳定运行，工程安全的辅助决策提供相应的数据，此外还具有经济成本较低、智能化程度较高以及工作效率较高等优势，契合信息化时代的新要求和新环境。所以，完善优化监测自动化系统也是水利发电工程安全保障的必然要求。安全检测对于准确性、稳定性以及效率的要求都比较高，因此自动化系统设计过程中应当精益求精，在确保系统调试完毕后方能用于实际监测之中。系统设计完毕后应当采用试点的方式，先将系统用于部分区域的自动化检测，并对实际监测结果进行评估和分析，在确保系统的各项要求都符合相关标准和实际需求后在推广收稿日期：2022-05-07作者简介：李仲雄（1985），男，甘肃秦安人，本科，毕业于甘肃农业大学水力水电工程专业，工程师，研究方向为大坝安全管理。总第 223 期2023 年第 1 期现代工业经济和信息化Modern Industrial Economyand InformationizationTotal 223No.1，2023DOI:10.16525/ki.14-1362/n.2023.01.058应用推广现代工业经济和信息化第 13 卷到整个工程部。在我国的十三大流域水电基地中，不同流域的水电站建设时间存在一定差异，监测自动化系统的应用程度也有所不同。当前，黄河流域绝大多数水电站已经配备有自动化监测系统，主要包括拉西瓦、公伯峡水电站等等，其中建成时间较早的水电站已经进行了一轮的自动化更新。相比较而言长江流域当前的自动化监测系统覆盖面较小，只有部分规模较大，设备配置较为先进的水电站安装了自动化监测系统，主要有三峡、葛洲坝等等。伴随长江流域诸多大型水电站的陆续投入和使用，加之监测自动化技术的不断完善和发展，不难预测日后自动化系统将会逐渐覆盖长江流域的各个水电站。2.1内观监测自动化系统从接入传感器数量来说，当前我国建成规模最大的水电站内观监测自动化系统当属锦屏一级、二级水电站，接入传感器数量共计超过 12 000 支，拉西瓦水电站以及小湾水电站等大型水电站的介入传感器数量也在 6 000 支以；建设过程中规模最大的水电站内观监测自动化系统当属白鹤滩水电站，预计介入传感器数量将会超过 14 000 支，当前整个系统正处于方案建设和系统调试阶段。糯扎渡水电站接入传感器数量虽然仅有 5 000 余支，但是系统整体还配置了测量机器人测点 110 余个，GPS 测点 50 余个，是当前我国综合规模最大的自动化监测系统。南水北调中线工程监测自动化系统接入传感器共计 31 343 支，也是当前世界上接入传感器数量最多的自动化系统，但是由于系统整体工程量过大，因此无法通过单一的管理系统实现有效管理，最终将整个工程分为 3 个标段实施，共设立 35 个管理处进行管理。2.2外观监测自动化系统伴随国内各项技术水平的飞速发展，国产设备也逐渐在表面变形监测自动化系统建设项目中得到了广泛的应用，其中以溪洛渡水电站等为代表的大型水电站均在自动化监测系统中引入了大量的智能技术提升了数据的处理效率。根据当前外观监测自动化系统设备的实际应用情况而言，徕卡公司生产的测量机器人最符合实际应用需求。3自动化仪器厂家自动化仪器厂家也是推进监测自动化技术不断发展和完善的重要力量，其生产制造的产品性能直接影响到系统的稳定性、可靠性和安全性等相关指标。当前我国较为知名的自动化仪器厂家主要有南瑞集团公司，该公司生产的 DAMS系列产品市场占有率较高，广泛应用于诸多大型水电站建设工程之中，比如说三峡水利枢纽等等。此前大型水电站存在系统分布不规律、数据传输距离较远等问题，为了解决上述问题南瑞集团公司研发出一款网络管理单元（NMU）技术，能够将系统整体划分为数个子区域，通过信号传输的方式将子区域信号通过主干网传输至上层管理站。此外北京木联能公司研制的 LN1018-II系统等也在部分工程中有所应用。当前，长江科创CK-MCU系列产品已经在白鹤滩、向家坝等大型水电站广泛投入使用，系统整体采用 B/S 结构，相关技术在世界范围内处于领先地位。经过数十年的发展完善，我国的自动化产品同世界先进水平的差距正在不断缩小，相关技术逐步完善，当前数据采集端已经具备了稳定性较强、可靠性较高以及采集时长较短等优势，能够采用有线传输或者无线传输两种方式同采集设备相连接，适用于不同种类的传感器，具备稳定性较好、抗干扰能力较强以及能够适应恶劣的工作环境等优势。国际范围内知名度较高的自动化仪器厂家当属美国 Campbell Scientific 公司，其公司生产的 CR1000主机和 LNX200 振弦式采集模已经成为了当前世界范围内监测仪器系统制造过程中的主流采集单元，在我国的南水北调工程和糯扎渡水利枢纽工程也有所应用。此外澳洲 TheretoFishe公司生产的 DTMCU系列产品用于其产品适应性较好、信号隔离效果较好，在我国市场中的占有比例也在逐渐提升。虽然我国在 20世纪曾经引进过一批美国 Geomation 2380 系列产品并应用于部分水利工程之中，但是由于产品的防潮性较差因此当前已经无法满足实际需求。相较于国产设备而言，国外大型企业生产的监测设备虽然稳定性较好，但是在实际应用过程中仍然存在诸多问题。其一是国外产品维修成本较高且维修周期长，一旦出现故障将会影响监测效率；其二是数据采集软件兼容性较差，不利于后续模块的集成；其三是当前国外已经停止生产差阻式传感器，因此数据采集设备引进我国后需要进行相应改装，会对采集精度和效率产生一定影响。4监测自动化系统展望大坝安全监测自动化系统经过了数十年的发展，在系统软件、系统硬件以及数据传输等方面均已取得了质的飞跃。当前学术界对于安全监测自动化系统软硬件相关方面的优化和完善展开了诸多研究并对未来的发展趋势进行了预测。4.1监测数据采集、传输与处理智能化物联网技术已经成为了当前最为流行的信息技术之一，传感器作为物联网信息采集的必要设备，也在为信息时代的发展和普及做出贡献。大坝安全监测具有周期较长的特点，尤其是埋入式仪器，工作周期通常能够达到 30 年，所以，对于此类仪器的使用寿命1542023 年第 1 期和稳定性均有较高要求。当前工程中常用的传感器为传统的振弦式以及差阻式两类，具有使用寿命较高、稳定性较好等特点，但是智能化程度较低使得其采集效率难以提升。因此未来的传感器研发应当在现有传感器的基础上增加其智能化程度和采集效率。传感器智能化发展提升也就意味着采集系统智能化程度的提升，采集系统可以结合传感器的实际特点进行智能化的数据处理，监测过程中一旦发现物理量超出许可范围，则系统将会自动报警，减少了系统工作过程中的人工参与量，提升了数据采集效率。4.2基于 BIM技术的监测成果可视化伴随特大型水利水电工程建设的逐步开展，新型材料和创新的设计方案也逐渐得到推广和应用。为了确保大坝等大型复杂结构的稳定性、安全性和使用寿命满足实际需求，对于安全监测系统和可视化功能的融合也提出了更高的要求。绝大多数大坝安全监测自动化系统既能够实现数据的采集、传输、存储和处理，并未加入可视化的设计和相关的功能模块，由此导致监测系统难以对监测结果进行实时评估。随着 BIM技术的逐渐普及，选取工程相关信息作为数据基础，建立相应的三维数字化模型，使得行业主体能够通过共享的数据信息平台进行数据处理。通过 BIM技术能够实现监测信息的可视化，使得监测结果更为直观地呈现在操作人员面前，提高人机交互性和监测效率。4.3智能诊断与决策支持监测自动化系统的主要功能包括：数据处理、预测报警、智能诊断和辅助决策等。当前我国监测信息管理系统虽然发展较为迅速，但是系统结构标准化程度较低，难以将成果进行泛化，也并未行业中形成统一的规范和模式。主要原因是监测数据分析的实践性较强，需要结合工程实际参数进行综合分析，难以通过建模预测的方式有效解决。此外完整综合的数据管理软件除必要的数学模型外，还需要依托于强大的专家库，建立健全相应的评估标准。4.4变形监测智能化大坝外部变形监测自动化技术当前已经逐步在土石坝中进行使用，常见的数据处理方式主要有：极坐标法、单基线向量法等等，采集的数据精度能够满足实际需求、符合相关标准，但是部分情况下混凝土坝及岩质边坡变形监测过程中对于数据采集的精度要求相对较高，因此此类设备的采集精度仍然有一定的提升空间。因此当前的研究趋势主要集中在采集精度方法的优化以及数据处理智能化程度的提升等仿麦呢，力求达到混凝土坝、岩质边坡等监测对象高精度变形监测的实际需求。4.5规范规程修订伴随计算机技术以及通信技术的不断发展，当前安全监测自动化系统的组成设备也在不断更新换代。根据当前我国多个水利水电工程安全监测自动化系统的实施情况，本文的