铁岗水库大坝安全监测自动化系统的应用分析

房灵常，张德平，顾雪冬，魏 广

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；

2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；

3.深圳市铁岗•石岩水库管理处，广东 深圳 518036；

4.江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

铁岗水库大坝安全监测自动化系统的应用分析

房灵常1,2，张德平3，顾雪冬1,2，魏 广4

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；

2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；

3.深圳市铁岗•石岩水库管理处，广东 深圳 518036；

4.江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

为全面了解铁岗水库大坝安全监测自动化系统的运行情况，对系统的可靠性、稳定性和准确性等指标进行分析计算，总结系统运行过程中存在的问题，并就进一步提高水库的大坝安全监测自动化水平提出建议，得到有益于提高水库整体水利信息化水平的结论。

大坝安全监测；功能；检查；数据分析

0 引言

在国家和各级政府大力推进水利信息化、现代化，并相继出台众多水利信息化规划的情况下，大坝安全监测自动化系统（以下简称监测系统）也得到了进一步的推广应用，监测系统具有采样频次高、测量速度快等优点，已成为大坝安全现代化管理的重要手段。但由于系统运行在野外较恶劣的环境中，系统建成后的运行管理，尤其对系统定期进行应用分析就显得尤为重要。对自动化系统而言，科学的分析对水利管理部门的长期管理工作具有十分重要的理论价值和实践指导意义。

所谓“三分建设七分管理”，说明了运行管理是确保系统可靠有效的重要环节，同时也是提高运行维护，特别是资料分析水平的必然要求，对总结大坝安全监测系统自动化的成功经验和探讨管理现代化手段具有非常重要的意义。通过对大坝安全监测系统的科学分析，管理者能及时了解系统的运行情况，为当前的管理、后期的完善和大坝的安全分析提供依据。

1 监测系统的分析方法

1.1 分析方法确定的原则

分析方法的科学性是客观分析的基础。科学的分析方法是指分析方法与分析内容相适应，能够得出客观、真实的分析结果。分析方法关系到系统的发展和使用，特别在大型水利信息化系统建设、管理和使用的过程中，选择科学、合理的分析方法具有现实意义。

方法的选择一般应遵循以下原则：1）选择分析方法时，分析人员应考虑选择自己最熟悉的方法；2）所选择的方法必须简洁明了，尽量降低算法的复杂性；3）所选择的方法必须能够正确反映分析对象和目的[1]。

1.2 分析方法的选择

近年来，由于管理工作的需要，越来越多的其它学科领域的知识被应用到自动化系统的应用分析工作中来，形成了许多分析方法，从性质分，主要有通用法、专业法、综合分析法 3 类。

1）专业分析法主要是通过一些模型，设定一些边界条件，采用多属性的决策方法对大坝进行综合评定，通过推算结果与实测值之间的比对确定大坝的安全运行状况。该方法利用了统计学的理论和反演模型，以原型观测资料的正分析为依据，通过相应的理论分析，反求大坝的物理力学参数。

2）综合分析法具有简单方便、易于使用的特点。缺点是主观性较强，例如指数法、功效系数法和最优值距离法都需要将指标的实际数值和其标准值、最优值或最差值进行比较，以找出各实际数值在总体上所处的位置。

专业、综合这 2 种分析法均以系统的基础数据信息为基础，对使用者在专业技术和统计学理论、逻辑数学方面的知识要求较高，且只能给信息化系统一个整体的评价，不具备良好的针对性与适用性，无法给当前系统的管理及以后的完善等工作提供切实有力的依据。

考虑到水利信息化系统存在的不确定因素很多，不同的厂家、产品及运行时间的长短等都是影响系统运行情况的因素，通用分析法作为其它所有研究方法的前提，主要在国家相关部门制定的规范的基础上，对系统进行逐一的检查，主要包括系统的组成、功能等，同时通过规范中的计算方法，对系统的稳定性和准确性进行考核。该方法简单方便，易于使用，最大的优点是理论性、系统性和针对性较强，判断结果清晰，能够让管理者对系统的各项性能有个比较清晰的认识。

1.3 分析方法中的通用分析法

通用分析法的依据是有关规范和相关技术文件，主要从系统功能、可靠性、稳定性、准确性等方面进行分析。

1.3.1 系统功能

根据 DL/T 5211-2005《大坝安全监测自动化技术规范》、SL60-94《土石坝安全监测技术规范》和DL/T 5272-2012《大坝安全监测自动化系统实用化要求及验收规程》等相关规范的要求，大坝安全监测系统应该具备以下基本功能[2]：

1）监测功能。系统应具备多种数据采集和测量控制方式。

数据采集方式包括选点、选箱、巡回测量及定时检测，并可在现场测控单元上进行人工测读。

测量控制方式有中央控制、自动控制（即无人值班方式）、特殊条件下的应急控制、人工测量、网络化测量、远程控制测量等方式采集各类传感器数据，能够对每支传感器设置警戒值，当测值超过警戒值时，系统能够进行自动报警。

中央控制方式由监控主机或联网计算机发出命令，测控单元接收命令，完成规定的测量，测量完毕将数据暂存，并根据命令要求将测量的数据传输至相关计算机中。

自动控制方式由现场测控单元自动按设定的时间和方式进行数据采集，并将所测的数据暂存，同时根据设定的要求将监测数据传送至相关计算机。

2）显示功能。可显示大坝及监测布置图、过程曲线、监测数据分布图、监测控制点布置图、报警状态显示窗口等。

3）存储功能。测控装置具有存储器和掉电保护模块，具有二级存储功能，能存储所测数据，容量不小于 256 kB，并可以自动覆盖，系统断电后不会丢失保存数据；主机接收测控装置的数据，能够自动检验、存储，对超差数据等问题数据自动报警，并将检验后的数据存入数据库中。

4）操作功能。从现场或监控中心的计算机上可实现监视、输入/输出、显示打印、报告现有测值状态、调用历史数据等操作。

5）远程操作功能。可通过程控电话线路控制现场的测控单元进行各项操作。

6）自检功能。系统应具有自检功能，可对数据和程序存储器、CPU、时钟、供电情况、电路等进行检查，能在主机上显示实时运行状态等信息，以便及时了解系统的运行情况。

7）供电功能。系统所有设备可采用 220 V 交流电供电，MCU 自带免维护的铅酸充电电池作后备电源，在系统供电中断的情况下，备用电源自动启动，在每天测量 2 次的条件下，能保证测控装置连续工作 1 周，保证数据测量的连续性。

8）较强的环境适应性和耐恶劣环境性，能在潮湿、高雷击、电磁等恶劣环境或干扰条件下连续稳定正常运行。

9）稳定可靠的防雷功能。

1.3.2 系统可靠性

系统的可靠性考核主要是对数据缺失率 FR 进行统计。数据缺失率指在考核期内未能测得的有效数据个数（缺失数据个数）与应测得的数据个数的百分比。错误测值或超过一定误差范围的测值均属于无效测值。对于因监测仪器损坏且无法修复或更换而造成的数据缺失，以及系统受到不可抗力及非系统本身原因造成的数据缺失，不计入应测数据个数[3]。

参照《大坝安全监测自动化系统实用化要求及验收规程》和国家、行业及管理单位的标准，评定标准如下：FR ≤ 3% 为优秀，3% ＜ FR ≤ 5% 为合格，FR ＞ 5% 为不合格。

1.3.3 系统稳定性

系统的稳定性分析主要通过短时间内的重复性测试，根据重复测量结果中的误差进行分析。根据大坝的结构和运行特点，假定在较短的时间内库水位、气温、水温等环境量基本不变，那么相关监测值也应相应不变，通过自动化系统在短时间内连续测读 n 次，读数 xi为（ x1，x2，…，xn），由 n 次读数计算 n 次测值的平均值 x 及标准差 σm。

对短时间内重复测试的数据，用贝塞尔公式计算出短期重复测试误差 σm，再结合厂家标称的技术指标，分析系统的稳定性，σm计算公式如下：

1.3.4 系统准确性

系统准确性分析采用常用的方差分析法进行对比分析，方差分析是取某测点考核期内自动化监测和人工比测在相同或相近时间的测值，分别组成自动化和人工 2 种测值序列。设某一时刻的自动化测值为 xzi，人工测值为 xri，则两者差值 δ 按公式（2）计算[3]：

两者差值的方差 σ 按公式（3）计算：

两者差值控制标准按公式（4）确定：

式中：σz为自动化测量精度；σr为人工测量精度。

2 工程实例

铁岗水库大坝安全监测自动化系统作为铁岗•石岩水库水利信息化的重要组成部分，水库大坝属于II 级水工建筑物，根据规范要求，主坝渗流监测对象为坝体和坝基渗流监测，采用坝体测压管、坝基埋设法，5 个横断面共设 40 支渗压计，坝基和坝体采用同一个钻孔，在主坝下游设 1 个量水堰；铁岗 1# 副坝采用测压管法，3 个断面设 9 支坝体渗压计，坝后设量水堰 1 个。系统于 2010 年 12 月 17 日通过竣工验收，正式投入使用[4]。

1）系统功能。通过对 MCU 和中心站功能的逐项检查，铁岗水库大坝安全监测自动化系统的功能满足规范的要求。

2）系统可靠性。根据铁岗水库大坝安全监测自动系统投入运行以来的数据情况，为了保证系统数据分析的有效性，在统计数据前，对系统中存在问题或测值存在异常的测点进行了修复处理，数据统计时间自 2013 年 6 月 1 日起，考核期间没有对系统设备做任何人工干预，每次考核周期为 1 周，获得的数据缺失率考核表如表1 所示。

表1 数据缺失率考核表 %

从考核结果可以发现，系统自完全恢复正常运行状态后，30 d 内能够保持正常的数据缺失率，达到规范要求；30 d 后的数据缺失率超过 5%，且逐步增大。

3）系统稳定性。系统稳定性主要通过单点复测考核进行，按照 10% 的取样要求，共抽取了 5 支仪器进行考核，分别为 M1-1B，M2-1B，M3-1B，M4-1B，M5-1B，根据 n 测次平均值和标准差的计算公式，考核结果如表2 所示。

本系统采用的渗压计量程为 50 m，线性度为0.5% F.S，则标准差为 0.25 m，考核结果表明，5 支传感器在短时间内重复测量的误差在 3 个月内能够达到厂家标称的要求，3 个月后有 4 支超出标准差。

4）数据准确性。铁岗水库大坝安全监测自动化系统中的传感器的标准差为 0.25 m，即自动化测量精度 σz为 0.25 m，同时根据人工测量存在的误差，人工测量精度 σr为 0.02 m，根据误差传递理论，两者差值的方差 σ 约为 0.25 m，根据系统人工比测的结果，系统中渗压计基本能够达到 δ ≤ 2 σ 的要求，但是存在部分数据跳变，出现超差的情况。

3 结语

根据铁岗水库大坝安全监测系统的实际情况分析，结果如下：

1）系统的各项功能总体上能够达到要求，满足大坝安全监测自动化的使用需求；

2）系统的稳定性和可靠性在一定时间内能够达到规范的要求，需要维护人员定期进行人工率定，根据本系统的实际情况，建议率定周期为 3 个月，即 3 个月内须对设备进行率定；

表2 数据稳定性考核表 m

3）系统数据的准确性基本能够满足后期数据分析的要求，部分传感器的数据存在不稳定、跳变的现象，需要进一步进行检查，并对相关设备进行修复或更换；

4）系统中的部分测压管存在常年无水的情况，这将对后期的数据分析产生一定的影响，建议对测压管进行全面检查、修复，给仪器提供一个良好的工作环境。

铁岗水库大坝安全监测自动化系统作为铁岗•石岩水库水利信息化的重要组成部分，在水库的现代化管理工作中发挥了重要的作用，为后期的数据分析提供了大量的原始数据。自动化系统是一个可维护的系统，根据系统目前的状况，建议进一步加大维护力度，总结其他水库在日常维护管理方面的经验，在维护过程中对系统进行逐步完善，提高水库大坝安全监测自动化水平，从而进一步提高水库的整体水利信息化水平。

[1] 陆馨.基于灰色层次分析理论的水利信息化评价体系及应用研究[D].西安：西安理工大学，2010: 21-22.

[2] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5211-2005大坝安全监测自动化技术规范[S].北京：中国电力出版社，2005.

[3] 国家能源局.DL/T 5272-2012 大坝安全监测自动化系统实用化要求及验收规程[S].北京：中国电力出版社，2012: 16-17.

[4] 水利部珠江水利委员会技术咨询中心，北京金水信息技术发展有限公司，水利部南京水利水文自动化研究所防汛设备厂.深圳市铁岗与石岩水库水务信息化系统初步设计[R].深圳：深圳市铁岗•石岩水库管理处，2008: 15-16.

Application Analysis of Safety Monitoring Automation System in Tiegang Reservoir

FANG Lingchang1,2, ZHANG Deping3, GU Xuedong1,2, WEI Guang4
(1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China
3 Shenzhen Tiegang-Shiyan Reservoir Administrative Department, Shenzhen 518036, China;
4.Jiangsu Naiwch Co.Ltd, Nanjing 210012, China)

To fully realize the operational aspect of the dam safety monitoring automation system in Tiegang reservoir, this paper analyzes and calculates reliability, stability, accuracy and other indicators of the system, summarizes the problems of the system operation and offers a proposal to further improve the level of the dam safety monitoring automation.It obtains the conclusion which is useful to improve the level of the reservoir's overall water resources informationization.

dam safety monitoring; function; inspection; data analysis

TV698

A

1674-9405(2014)04-0069-04

2014-04-30

房灵常（1964－），男，山东郓城人，高级工程师，从事水利信息化系统的研发、建设和维护等工作。