高新测控技术在水利水电工程中应用

我国已建堤坝约8.3万多座,坝高15ｍ以上的约1.86万座;堤防长约25万多ｋｍ,其中,大江大河上的重要堤防6.57万ｋｍ.这些水利水电工程在防洪、发电、灌溉、供水和航运等方面,发挥了巨大的社会效益和经济效益,是我国国民经济的重要基础设施.然而,由于工作和运行条件极其复杂,并随着时间的增长,堤坝的病害和老化日趋严重.据不完全统计[1],在3100座大、中型水库大坝中,病险大坝有1248座;8万多座小型水库中,病险坝约占36%,堤防的安全状况也相当严峻.随着西部大开发和西电东送战略目标的逐步实施,高坝大库也越来越多,工程的安全重要性显得越来越突出.并且,大中型水利水电工程规模大、投资多,造价高,少则几亿、几十亿元,多则几百亿元,甚至上千亿元.因此,工程质量的好坏和能否安全运行,不仅会影响工程效益的充分发挥,还将直接关系到下游或两岸人民的生命财产安全.

国内外大量工程实践表明,对水利水电工程进行全面的监测和监控,是保证工程安全运行的重要措施之一.同时,将监测和监控的资料及时反馈给设计、施工和运行管理部门,又可为提高水利水电工程的设计及运行管理水平提供可靠的科学依据.

1　高新测控技术的基本要素及其功能

现代化的测控技术[2],应该具有采集数据、科学管理数据,及时或实时对水利水电工程的安全状况作出分析和评价,并对其异常或险情作出辅助决策等功能.因此,高新测控技术的基本要素包括数据采集系统、数据管理系统和分析评价系统及其计算机通讯网络支撑等（见图1）.

1.1　数据采集系统

通过测控单元（ＭＣＵ）自动采集、笔记本电脑现场采集或人工观测埋入坝体或安装的传感器采集的监测效应量（大坝的变形、渗流、应力应变和温度等）和影响量（水位、气温、降雨和地震等）,并输入计算机的数据库.其中,自动化数据采集系统可以实现实时采集,半自动化和人工采集为定期采集.因此,自动化采集数据一般是对水利水电工程关键部位（或坝段）主要监测量（变形和渗流等）的采集.

1.2　数据管理系统

由数据采集系统采集的数据进入计算机数据库后,由数据管理系统对其进行科学有序的管理.包括将电容、电感、电阻、电压、频率等转换为位移、扬压力、渗流量、应力应变、裂缝开合度以及温度等,及它们的误差识别和处理,并将监测量按有关监测规范进行整编和初分析;编制月报和年报等.

1.3　分析评价系统

分析评价系统根据监测到的数据,进行观测资料的分析和反分析,结构和渗流正、反分析,建立各类监控模型和拟定监控技术指标等;将收集到的工程设计、施工、运行管理、有关法规和规范等方面的专家知识进行编辑,构成分析、评价、辅助决策等方面的知识库和推理分析知识.
现简述几种传感器的主要工作原理及其应用情况.

（1）差动电阻式传感器　

该传感器为美国加州大学卡尔逊教授所研制.置于其内腔的两根弹性钢丝作为传感元件,受力后一根受拉、一根受压.当环境量发生变化时,两者的电阻值向相反方向变化,根据两个元件的电阻值比值,测出物理量的数值.

我国南京电力自动化设备厂从20世纪50年代开始,已研制出几十万支差动电阻式传感器,并应用于大量的水利水电工程中,取得了成功经验.

（2）振弦式传感器　

由前苏联的达维金可夫发明.其核心元件是一根钢弦,钢弦的一端固定,另一端则固定在测量元件（受压膜片或测量端块）上.当受力后,钢弦长度将产生微小变化,引起固定频率的变化,从而测出物理量的数值.

加拿大的Rocktest公司,美国的Sinco,Geokon公司等生产的振弦式传感器性能良好,其中真空式为最佳.近几十年来,我国较多的工程应用了这种传感器.

（3）差动电容式传感器　

由我国南京电力自动化研究院研制.其工作原理是,将垂线或引张线穿过由4块组成矩形的电容极板中,当测线发生位移时,电容极板的电容产生变化,从而测出位移量.

该传感器经过20多年的完善,其精度和长期稳定性等均有较大提高,已在不少水利水电工程中应用.

（4）差动电感式传感器　

首先由原法国的Telemac公司研制.其工作原理是,当高频交变电流通过垂线坐标仪时,在周围产生交变磁场,接收点的磁感应强度与导线距离成反比;当垂线产生位移时,接收点测得的感应电势发生变化,其变化量的大小反映位移量的大小.

该传感器在我国龙羊峡等水利水电工程中得到成功应用.我国有关厂家也仿制了这类传感器.

（5）步进马达式传感器　

由原法国Telemac和意大利ＩＳＭＳ公司研制.其工作原理是,由步进电机驱动光电探头,探头中的光照准器先后对准基准杆和垂线钢丝,然后返回原点,在此过程中,测量电路记录探头前进及返回基准点和垂线钢丝的脉冲数,经计算得到位移量.

该传感器的机械部件较多,易出现故障,其长期稳定性也不易保证.我国有关厂家也仿制了这类传感器,在实际工程应用中的故障率较高.

（6）ＣＣＤ传感器　

由河海大学结合国家三峡工程重大基金项目研制.该传感器由若干个特别研制的ＣＣＤ线阵模块和发光二极管阵列模块组成,当垂线穿过并产生位移时,ＣＣＤ线阵模块记录垂线位移与基准点的位置,从而计算出位移量.

该传感器技术先进,精度和可靠性高,在上标和响洪甸等水利水电工程中得到应用.

（7）其它新颖传感技术

①光纤传感技术　

光导纤维是由不同折射率的石英玻璃包层及石英玻璃细芯组合而成的纤维.它能使感受到的各种物理量而计算出监测量,以及传送感受的信息通讯.目前,应用于光纤传感的监测量主要是裂缝,应力应变尚需进一步研究.应用信息通讯较为广泛,且安全可靠.

②ＣＴ技术　

意称计算机层析成像.它指的是在不破坏物体结构的前提下,根据物体周边所获取的某种物理量（如波速、Ｘ线光强）的一维投影数据,应用数学方法,通过计算机处理,重构物体特定层面的二维图像及其由此重构的三维图像;从而定量描述物体内部材料分布和缺陷.该技术将成为工程结构物内部隐患监测和老化评估的一种重要手段,在国内外得到应用,我国丰满水电站等工程中也得到成功应用.

③渗流热技术　

依据渗流场与温度场同时满足扩散方程及其初始和边界条件的原理,利用埋设的温度计测值分析渗流场的分布及其异常部位.

④ＧＰＳ技术　

利用卫星定位技术（ＧＰＳ）监测堤坝和岩土边坡的表面变形.

⑤激光传感技术　

由激光点光源（即发射点）发射的激光与激光探测仪（即接收端点）构成激光淮直线,由发射的激光在波带板及支架（测点）上观测位移量.它可分大气激光和真空激光准直,其中的真空激光准直除包括激光点光源、波带板及其支架和激光探测仪,即发射点、测点和接收端点以外,还有真空管道.我国丰满和太平哨水电站等大坝坝顶水平位移和垂直位移的10多年观测资料表明,真空激光准直具有精度高、长期稳定等优点.

2.1.2　数据采集装置　

数据采集装置将各类传感器测出的物理量（如电阻、电阻比、电容、电感和频率等）转化为数字量（如位移、渗压、应变和温度等）,即Ａ/Ｄ转换,以便远程输送.当距离超过100ｍ以后,传感器输出的电量和频率等信号,随距离的增大急剧衰减,以至无法测出物理量,但数字量可远距离输送.因此,一般将几十个传感器按部位接入数据采集装置,使传感器观测的物理量转换为数字量.按监测方式不同,数据采集装置可大致分为以下几种类型.

（1）自动化数据采集装置　

国内外自动化数据采集装置主要有,美国Geomation公司的2300系统、Sinco公司的ＩＤＡ系统;我国台湾研华公司的ＡＤＡＭ4000和ＡＤＡＭ5000系统;南京电力自动化设备厂的ＦＷＣ-1系统等.按结构的不同可归纳为总线型和集散型两大类.

①总线型结构　

eomation公司的2370型、ＩＤＡ、ＡＤＡＭ4000、ＡＤＡＭ5000以及ＦＷＣ-1等系统均属于总线型结构.以ＩＤＡ系统为例,其系统结构见图2（ａ）,模块箱的结构见图2（ｂ）.图中主机为工控机,中继起联接和中断作用.

ＩＤＡ母线有二线信号、二线电源;Ａ1～Ａｎ是智能测量模块,每个模块可接8个传感器;Ｂ1～Ｂｍ是智能传感器.Ａ和Ｂ有解释指令、多路传输、Ａ/Ｄ转换和错误查询等功能.同时具有自动和人工测读的两种功能,并可防雷.

②集散型结构　

Geomation公司研制的2350型、2380型等系统属集散型结构.其系统结构见图3.

从图3中可见,ＮＭＳ为主机;ＮＲＵ起中继和网点（即可转成有线的调制信号）的作用;ＭＣＵ（3）是异地单元,也起中继作用（距离近的可以不用）;ＭＣＵ（4）和ＭＣＵ（5）也是异地单元,但它能起无线电发射和接收作用;ＭＣＵ（6）～ＭＣＵ（Ｎ）是监测传感器.

在这两种型式中,总线型结构具有抗干扰能力强、可靠性高、现场调机方便和造价低等优点.其中Geomation公司的2370型、ＩＤＡ等系统可接入电式和频率式传感器.

（2）人工或半自动化数据采集装置　人工或半自动化数据采集仪可在现场测读传感器的测值,或用笔记本电脑采集.其中,差动电阻式采集仪主要有ＳＱ-2型数字电桥、ＸＪ型数字式电阻比检测仪、ＺＪ型数字式和ＰＳＭ-Ｒ型电阻比检测仪等;钢弦式采集仪主要有ＳＤＰ-3型钢弦温度测试仪和ＧＰＣ-1型袖珍式钢弦频率测定仪等.

2.2　数据管理系统

水利水电工程大坝可埋有几百个、几千个甚至上万个传感器.如长江三峡水利枢纽建筑物就埋设约一万多个传感器,其采集数据每年达几百万个,并随着观测年限的增加,数据将越来越多,对这些海量数据必须进行科学有序地管理,以便为分析评价系统提供可靠的信息.数据管理系统的核心是数据管理软件和应用软件.

2.2.1　数据库管理软件平台　

在大、中型水利水电工程中,目前常用的数据库管理系统有Oracle,Sybase,Informix以及ＳＱＬServer等4大类.其中以Oracle和Sybase数据库在中国应用最广.而Sybase为单进程、多线索结构,即通过单进程的多重通路来同时服务于多用户,提高内存的有效使用率,便于优先程序的查询.因此,Sybase数据库无论在总体结构、功能和特性等方面都有较大优势.本文作者开发和研制的7个大型水电工程的数据（或信息）管理及专家综合评价系统,主要采用了Sybase数据管理系统.在小型水利水电工程中,目前常用的数据库管理系统有DBase,Foxbase和Foxpro等.而Foxpro为用户级数据库系统,目前采用较多.

2.2.2　数据库逻辑模型　

检测的目的是分析评价工程的安全状况.因此,根据分析评价的需要,数据库的逻辑模型包括工程档案、原始数据、整编数据和生成数据等4个分库（见图4）.

（1）工程档案分库　

该分库管理工程概况以及与工程安全有关的设计、施工资料等.

（2）原始数据分库　

管理监测资料的原始数据,包括物理量（电阻、电阻比、电感、电容、频率等）和监测效应量（变形、扬压力、渗流量、应力应变和温度等）,并应保证原始数据的真实性.

（3）整编数据分库　

依据有关标准和规范,对原始数据进行误差识别和转换;按结构单元和监测项目进行整编,包括测值统计表及其过程线图,以及特征值（如最大值、最小值等）和环境量（如水位、气温、降雨、地下水位等）的统计等;对测值进行初步分析,初步识别异常值以及复测;编制日报、月报和年报,其中,日报是刊录测频高（每日一次或数次）的自动化监测系统的数据.

（4）生成数据分库　

对监测资料分析和反分析的成果,结构和渗流分析和反分析的成果,以及与工程安全有关的设计、施工和运行的专家知识等进行管理,为工程安全分析评价提供定性和定量的依据.主要包括大坝或各结构单元在各荷载组合工况下的应力和位移、坝体温度场、坝体和坝基渗流场（等势线和流线）;位移和扬压力的力学规律计算值;各测点的统计模型,变形测点和空间位移场的确定性模型和混合模型;变形、应力和扬压力的监控指标;历次异常或险情的分析评价成果等.

2.2.3　应用软件　

根据数据库的逻辑模型,在数据库的软件平台上,开发和研制数据库的应用软件,主要包括:

（1）菜单编程　对数据库的菜单和各个分库的菜单等编制应用程序.可以采用下拉式或全屏幕式.

（2）原始数据管理的应用软件　包括与采集系统相联的通讯软件;按结构单元和测控装置将传感器监测的物理量（电阻、电阻比、电感、电容和频率等）或数字量（变形、渗压、渗流量、应力应变和温度等）编制成图表的软件.

（3）整编数据管理的应用软件　包括误差识别和处理程序;将物理量转化为数字量（应变转化为应力,以及测控装置没有转换为数字量的物理量）;按结构单元,将数字量及其相应环境量编制整编成图表的软件;初分析软件;编制日报、月报和年报的软件等.

（4）生成数据管理的应用软件　包括对监测资料分析和反分析成果、结构和渗流分析和反分析成果,以及有关专家知识等,并编制成相应图表的软件.

2.3　分析评价系统[3]

对水利水电工程监测和监控的目的是,依据监测资料和相应的专家知识,对工程的安全状况作出综合分析和评价.因此,完整的现代测控系统必须包括分析评价系统.其功能是依据监测资料、结构、渗流等分析和反分析成果,以及与工程安全有关的设计、施工、运行管理、法规和规划等专家知识,对监测资料进行分析和评价,从中寻找异常值或不安全因素,并对此进行成因分析和辅助决策等.因此,分析评价系统应包括资料评价、综合检查分析、观测检查、物理成因分析、专家综合诊断和辅助决策等部分,其结构和流程分别见图5和图6.

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2.3.1　资料评价　

应用时空分布、力学规律、监控模型、监控指标、日常巡查和关键问题等6类评判准则,对监测值进行分析评判,从中识别异常值或不安全因素.

2.3.2　检查分析　

对异常值或不安全因素,通过同一部位的同类监测量、相关监测量和环境量的综合分析（或相关分析）检查,从中识别引起异常值或不安全因素的成因.如由观测引起的,则进入观测检查;是由结构和荷载引起的,则进入物理成因分析.

2.3.3　观测检查　

对由观测引起的异常测值,首先检查观测记录,然后检查采集系统.对观测记录错误的测值宜进行删除或修改;对监测采集系统引起的异常测值,在排除故障后重测并进行修正.

2.3.4　物理成因分析　

对由结构和荷载引起的异常值或不安全因素,首先检查环境量（或外因）有无产生特殊荷载工况.若有,则分析坝基异常（包括变形、稳定和应力等）成因,然后分析建筑物异常（变形、应力、裂缝等）成因,当稳定和强度满足安全要求时,则“异常”或“不安全因素”是由荷载引起的,为结构调整所致,所以属基本正常.若无特殊荷载工况,则反分析坝基和坝体的计算模型和计算参数等;然后,正演分析监测量,若与实测值一致,则为计算条件改变而引起的;并复核坝基和坝体的稳定和强度,若满足安全要求,则虽为结构引起,但尚属基本正常;若稳定和强度不满足安全要求,则为异常或险情,随即进入辅助决策.若分析不出物理成因,则进入专家综合诊断.

2.3.5　专家综合诊断　

对异常或不安全因素的疑难杂症,即难以分析成因的,进行专家综合诊断,包括对其影响因素和安全度的专家综合评判.

2.3.6　辅助决策　

依据异常或险情的程度,首先提出报警级别,然后提出辅助决策的建议.其中报警级别分三级,一级为险情,二级为异常,三级为局部异常.辅助决策建议包括运行控制水位和补强加固处理措施的建议等.

2.3.7　支持库群　

为了给以上分析评价提供定量依据,该系统还包括数据库、方法库、知识库和图库等支持库群.

（1）数据库　主要管理监测资料及其分析和反分析成果,与工程安全有关的设计、施工和运行资料等.

（2）方法库　依据安全分析评价需求,方法库主要包括监测资料分析和反分析软件包,结构和渗流分析软件包,综合分析和评价程序,以及辅助决策程序等.如本文作者给多座水利水电工程开发的分析评价系统中,共设置40个程序.其中,监测资料分析和反分析软件包有监测资料预处理、资料分析和反分析等22个程序;结构和渗流分析软件包有规范法的应力和稳定分析,有限元静力、动力以及粘弹性和粘弹塑性分析等13个程序;综合分析和评价包括影响因素和安全度评价等2个程序;辅助决策包括报警、洪水反调节等3个程序.从而,总体上能满足安全分析和评价的定量分析需要.

（3）知识库　包括专家语言的定量化知识,隐蔽薄弱部位的设计和施工的专家知识,历次安全定期检
查以及异常或不安全因素的分析评价成果等.

（4）图　库　包括图形库和图像库.其中,图形库包括分析和评价过程中的各类图表;图像库包括分析评价结论的多媒体演示等.

2.3.8　分析评价的人工智能技术　

为了实现分析评价的人工智能化,分析评价系统采用正向推理、反向推理、混合推理和元控制等4种技术.其中,正向推理为已知问题的事实,在知识集中寻找匹配知识,反复循环直至找到有解结论;反向推理为已知或假设结构,从知识集中寻找匹配的解,反复循环,直至找到匹配的解;混合推理为融合正向和反向推理的原理,有先正向后反向或先反向后正向;元控制是将元知识（即知识的知识）构成元知识库,以求解问题的目标.

2.4　计算机及通讯网络技术

由于高新测控技术是将数据采集、信息管理和分析评价融汇在一起的庞大系统工程,必须在现代计算机及通讯网络技术的支持下才能实现.

2.4.1　计算机网络拓扑结构　

常用的拓扑结构有总线形、星形和树形等（见图7）.其中,总线形结构为网络所有结点连在通信总线上;星形结构为网络所有结点连接在中心结点上,由中心结点负责数据处理和交换;树形结构为自顶而下的层次化的扩展式结构,顶部结点为根结点,连接2个以上结点的称为支节点,以下为端结点,以根结点为网络核心、支结点为子网络中心、端结点为面向用户的桌面.

一般大中型水利水电工程结构单元（如坝段）较多、布置的测点也较多,宜用总线形;对省局（厅）或大网局,由于所属水利水电工程较多,分布也广,而需要由局中心控制时,宜用星形结构,其中一个结点为一座水利水电工程;对特大型水利水电工程.如三峡工程,由于分项工程较多,宜用树形结构（见图8）.

2.4.2　计算机通讯网络平台　

单个的水利水电工程一般用局域网,可采用高速光纤、载波或微波等网络通讯.对省网局（厅）或大型水利水电工程需要有外部技术支持的,一般采用广域网,亦可采用以太网或Intranet网等.

2.4.3　计算机工作方式　

一般采用Ｃ/Ｓ（客户机/服务器）方式.其中,服务器主要存储监测数据以及与工程安全有关的设计和施工等资料,应该有强大的存储和处理数据的功能;其型号和数量视工程规模、监测项目的多少,由需求分析确定,一般应有双机或多机热备份.客户机主要面向用户的分析评价和辅助决策等,可由多台并行计算机完成.

3　结　语

（1）现代化测控技术应包括数据采集、管理和分析评价等功能,以及完成这些功能的计算机软硬件环境和通讯网络环境.

（2）数据采集包括传感器和测控装置,完成Ａ/Ｄ转换,以便监测的数字量能远距离输送.

（3）信息管理系统具有对监测的原始数据采集和管理、整编和处理以及生成等功能,并对涉及工程安全的设计、施工资料进行管理,以便为分析评价提供科学的信息.

（4）分析评价系统是对监测资料进行分析评价,从中识别异常值或不安全因素,并对其进行成因分析和辅助决策.