亭子口水利枢纽运行期安全监测自动化系统架构研究

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 广元，628400)

亭子口水利枢纽安全监测自动化系统架构，应以工程安全监测为目的，遵循“实用、可靠、先进、经济”原则，并应满足公司现代化管理的需求，宜采用分布式系统。整个系统拟由监测仪器、数据采集装置、通信装置、监测计算机及外部设备、数据采集软件、信号及控制线路、通信及电源线路等组成。本文介绍如下：

1 安全监测自动化系统架构前期准备工作

1.1 安全监测仪器数量、类型及分布位置统计

亭子口水利枢纽安全监测仪器及设施主要分布在大坝、消力池、坝后厂房、灌溉渠首、船闸、大园包崩滑体和左右岸缆机平台等部位，比较分散，距离远，共布设有2461支，涵盖变形位移、渗流渗压及绕渗、应力应变及温度、水力学4个监测项目。仪器类型有差动电阻式、振弦式、智能式(RS485)及部分不宜、不能电测的人工测读监测仪器、设施。

1.2 安全监测系统优化

枢纽工程竣工移交后进入运行期，部分前期工程、左右岸缆机平台及边坡将停止运用，且右岸边坡较低和稳定，无继续监测的必要，故左右岸缆机平台及边坡的监测仪器和设施进入运行期后将全部停止观测，不必考虑接入安全监测自动化系统。

水力学观测仪器在正常蓄水位验收之后，底孔、表孔具备全水头过流各种工况时，将会及时进行泄洪消能建筑物泄流、溢流时的水位与波浪、流量、流速、流态、时均压强与脉动压强、通气与水流掺气、空化与气蚀、过流面磨损、激流振动、闸墩锚索预应力及弧门启闭力、泄洪雾化、河床冲刷、水温等原型观测，整编分析出底、表孔在全水头各种工况下的优化运用方式后，即可对水力学观测仪器及观测电缆进行封存处理，不再作为日常观测项目进入运行期永久观测，即不必考虑接入安全监测自动化系统。

枢纽工程安全监测系统设计时未考虑环境量监测，进入运行期，需要增加上游库水位、下游尾水位、坝区气温、坝区降雨量等环境量监测项目。这些项目可以在安全监测自动化系统实施时同时设计、建设。

1.3 安全监测系统测站优化及环境整治

亭子口枢纽工程各分部工程布置分散，物理距离远，功能独立。安全监测系统分布及测站布设均可根据枢纽的布置特点进行优化布置，尽量集中传感器电缆，减少测站。同时对各测站内的环境、卫生进行整治，达到安全监测自动化系统电子元器件长期稳定运行对温度、湿度、防雷、防鼠、抗震、抗电磁干扰等要求。

在安全监测自动化系统建设之前，把纯人工测读的监测仪器、设施(如量水堰)，通过相应电测仪器替代，从而再把电测仪器信号电缆敷设入临近测站，为后一步接入采集单元做准备。

监测仪器比较少的分部工程，可以在该分部工程比较集中的位置建一个测站，把该分部工程的各类监测仪器电缆敷设入该测站采集单元内，该采集单元的RS485信号再通过两芯屏蔽电缆敷设至临近仪器比较多的分部工程就近测站去。消力池、左右岸渠首、大园包崩滑体监测仪器均相对较少，可分别在消力池、左渠首、右渠首和大园包崩滑体(5个监测断面)处各建一个测站布置采集单元，再把采集单元的RS485信号通过两芯屏蔽电缆分别敷设到大坝的就近测站内，这样就可以减少布线，同时也便于出现故障时维护消缺。

1.4 安全监测系统专用电源布设

安全监测系统专用电源由铠装电缆、备自投装置、开关箱、分线箱、配电箱等组成。

安全监测自动化系统供电电源，应根据系统功率需求和技术指标规定配置，应实施统一管理，宜采用专线供电，并设置供电线路安全防护及接地设施。而亭子口枢纽安全监测系统含在土建标内一起设计、施工，未考虑专用电源，施工期观测用电均利用附近照明系统，极不稳定。故在安全监测自动化系统建设实施前，必须先从配电室取专用电源敷设至各个测站，配电室取电端安装备自投装置，同时接在两段回路上，若某一段故障、检修或倒电时，输入电源会自动瞬时切换到另一段上(ms级)，从而保证不间断运行。

电源敷设到每个测站后，在每个测站内合适部位安装多接口的电源分配箱，以满足测站内监测仪器、设施、自动化采集单元的用电需求，并需预留适当数量备用接口，以备运行期扩展所需。

1.5 安全监测系统接地网布设

亭子口水利枢纽位于夏季雷暴频发地区，而安全监测系统的传感器有部分安装埋设在坝顶或坝体内接近坝面位置，个别仪器极可能遭受雷击破坏。同时，安全监测自动化系统同一个采集单元内，接入的传感器之间存在物理连接，任一支传感器受雷击将可能引起整个采集单元受损，或影响整个采集单元工作不稳定。故在安全监测自动化系统实施前，必须先将各测站接入工程接地网，由可靠接地网(测站接地电阻不应大于10Ω，中心机房接地电阻不应大于4Ω)把雷电及时、有效地引入地下。同时，个别仪器屏蔽线也可以接入接地网，减少仪器芯线之间的干扰。

2 安全监测自动化系统架构设计

2.1 安全监测自动化系统通信系统架构

安全监测自动化系统通信系统由单模光缆、光端机、尾纤、线架、交流电源、直流备用电源、电源开关等组成，主要用于各测站采集单元跟枢纽安全监测自动化系统中心计算机房之间进行双向通信。

根据亭子口枢纽各分部工程分布特点，从通信可靠、稳定、日常维护方便及经济角度来考虑，其通信系统架构可分为两大部分：一部分短距离通信，可用于仪器较少的分部工程测站采集单元，通过两芯屏蔽电缆把RS485信号传输(并接)至临近仪器较多的分部工程测站采集单元(如左渠首至大坝)；另一部分远距离通信，可用于仪器较多且较独立的分部工程，通过单模光缆把各测站并在一起，传输至枢纽安全监测自动化系统中心计算机机房。

亭子口枢纽分部工程有大坝、消力池、坝后厂房、船闸、左灌渠、右灌渠、大园包崩滑体等部位。各分部工程与枢纽安全监测自动化系统中心计算机机房的采集计算机通信，均采用单模光缆；根据枢纽各分部工程安全重要性和仪器数量，大坝和消力池安全最为重要，同时仪器数量也最多，为减少运行故障率和保证出现故障时便于维护消缺，其通信可考虑布设双环自愈光缆通信系统，具有通信节点相对较少和双环路特点，任意一个环路某一个节点出现故障时，另一个环路会自动投入通信。剩下的坝后厂房、船闸各分部工程自成体系，以独立光缆环路与枢纽安全监测自动化系统中心计算机机房的采集计算机通信。整个枢纽工程共需布设3套光缆通信环路，大坝、消力池及左右岸渠首使用双环自愈光端机，其它分部工程使用普通光端机。

光缆敷设，室外可以穿镀锌钢管或走电缆沟敷设，室内、廊道内可以走桥架或穿阻燃PVC管敷设。

2.2 安全监测自动化系统采集单元布设

安全监测自动化系统采集单元，由电源及信号电缆接线端子排、防雷模块、加热器、采集模块(具有人工测量接口)、交流电源、直流备用电源、电源开关、供电电缆、通信电缆、监测仪器电缆等组成，布设在每个测站内，主要用于枢纽安全监测自动化系统中心计算机机房采集计算机，通过对其所接入安全监测仪器发布采集指令和激励信号，并回传物理量暂存在采集模块内，定时或实时上传至采集计算机。

整个枢纽工程内埋及安装的安全监测仪器、设施(2461套/支)类型，主要有差动电阻式、振弦式、智能式(RS485信号)，国内生产能接入这几种类型仪器的采集模块厂家较多。根据各个测站不同类型仪器数量及测点统计结果，确定出每个测站内各种采集模块数量和采集单元数量。

2.3 安全监测自动化系统中心机房布设

枢纽安全监测自动化系统中心计算机机房，由采集计算机、工作服务器、备份服务器、工作站计算机、光端机箱、信号转换模块(RS485/RS232)、路由器、防火墙、移动硬盘、投影仪、彩色打印机、刻录机、UPS电源、温湿度计、空调、电源分配箱等组成。中心机房内各项硬件设施均需较高配置，机房地面要铺防静电地板，要求运行时环境温度、湿度恒定。中心机房可布置在坝后上副厂房或后方营地办公楼内。

各采集计算机、服务器计算机、工作站计算机和彩色打印机之间，通过路由器以星形拓扑结构组建内部局域网，预留外网上传数据接口，对外通信可接入硬件防火墙。各计算机、路由器、打印机等电源取自UPS不间断电源输出端，UPS不间断电源输入端取自厂用电配电室，UPS不间断电源输出端电压及频率要求十分稳定，其容量要求足够大，在交流掉电时，至少能维持整个系统正常工作时间不小于30min的直流逆变供电需求。

采集单元内各采集模块测量各监测仪器数据，通过通信系统进入采集计算机后，再通过局域网存至工作服务器数据库内。工作服务器主要承担整个枢纽在线安全监测自动化系统核心数据库架构。各工作站计算机，主要用于多用户日常对工作服务器数据库内数据进行检查、整理和分析。备份服务器主要用于自动定期对工作服务器内数据库数据进行备份，移动硬盘和刻录机主要用于长周期对工作服务器上数据库进行其它介质备份。彩色打印机主要用于数据整编分析后的过程线、分布图、相关图、综合比较图的打印输出。

2.4 安全监测自动化系统软件开发

安全监测自动化系统软件，主要由安全监测自动化信息管理软件和后台服务器数据库两大部分组成，采用C/S模式。其中，安全监测自动化信息管理软件主要由在线监测、数据管理、离线分析三大部分组成。架构服务器数据库类型选择，可根据安全监测仪器数据量及考虑长期运行将产生的数据量来确定，若数据量不大，可以采用SQL Server架构数据库，若数据量特别大，可以采用Oracle架构数据库。

采用C/S模式，可以保证不同工作人员同时在各个工作站计算机上对服务器数据库进行并发操作，从技术和安全层面保证了多人可同时在安全监测系统这样一个数据量庞大的系统上协同开展工作。

在线监测部分(采集模块、采集单元和采集计算机)主要对接入采集模块的各支仪器进行通道参数、仪器类型、激励量值、监测仪器及采集模块地址、计算公式及计算参数、采集协议、时钟校对等的配置写入。

数据管理部分主要对数据库内所有测点的数据进行管理，对采集部分传送过来的物理量通过计算公式进行量值转换，对入库数据的缺失情况进行检查和粗差分析。另外，对数据进行初步整理分析，按用户定制要求能自动输出一些统计图表。

离线分析部分主要是对监测服务器内数据库镜像一个新的数据库，以多元回归分析、时间序列分析、灰色理论分析、频谱分析、Kalman滤波法、有限元法、人工神经网络法、小波分析法、系统论法等分析方法，对镜像数据库内数据进行整编分析。

2.5 安全监测自动化系统建设

安全监测自动化系统建设，其测点统计优化、人工测读项目电测改造、测站优化建设及工作环境整治、专用电源敷设、接地网敷设、通信光缆敷设、中心计算机房建设、采集单元及机房设备安装、软件开发等可同时进行。

2.6 安全监测自动化系统调试

安全监测自动化系统建设完成后，开始进行中心计算机房内软件系统的安装调试、各通信环路的调试、各采集单元的调试，最后再进行整体调试。

具体调试方法有：对每个自动化监测点进行快速连续测试，以检查测值的稳定性；对有条件的监测项目及监测点，人工干预给予一定物理量变化，检查自动化测值是否出现相应变化；逐项检查系统性能，以满足设计要求；逐项检查监测仪器设备的安装方向，确保与规范规定一致。

2.7 安全监测自动化系统试运行

试运行主要对系统软硬件运行稳定性、通信环路的畅通性及传输速率、采集单元的响应性进行检查。

2.8 安全监测自动化系统比测

安全监测自动化系统比测，主要是通过人工二次仪表测读数据与自动化采集单元测量数据进行相关性等评价，最终目的是对自动化采集系统测量准确性、稳定性进行评判。具体比测方法就是以系统实测数据与同时同条件人工比测数据偏差δ保持基本稳定，无趋势性漂移，与人工比测数据对比结果：δ≤2σ。

3 安全监测自动化系统验收

安全监测自动化系统完工验收，主要以定性定量指标来检查系统的运行是否达标。主要验收定量考核指标如下：

3.1 数据缺失率FR

数据缺失率是指在考核期内未能测得的有效数据个数与应测得的数据个数之比。错误测值或超过一定误差范围的测值均属于无效数据。

式中：NFi——缺失数据个数；

NMi——应测得的数据个数。

3.2 平均无故障工作时间MTBF

故障是指采集装置不能正常工作，造成所控制的单个或多个测点测值异常或停测。

式中：ti——考核期内，第i个测点或采集单元的正常工作时数；

ri——考核期内，第i个测点或采集单元出现故障次数，当第i个测点或采集单元在考核期内未发生故障时，取ri=1；

n——系统内测点或采集单元总数。

3.3 自动化系统采集数据与人工测读数据两者差值控制标准

方差分析是取某测点考核期自动化监测和人工比测相同时间或相近时间的测值，分别组成自动化测值序列和人工测值序列。

设某一时刻的自动化测值为Xzi，人工测值为Xri，两者差值按下式计算：

δ=|Xzi-Xri|

两者差值的方差σ按下式计算：

式中：σz——自动化测量精度；

σr——人工测量精度。

3.4 短期测值稳定性

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中误差σm，作为采集装置的测读精度，评价是否达到厂家的标称技术指标。中误差计算公式如下：

4 结语

安全监测自动化系统架构是项系统而复杂的工程，跨较多专业，需要对施工期竣工验收后移交运行的安全监测系统整体进行统筹优化；然后再结合枢纽工程特点和具体情况，对整个安全监测自动化系统建设目标、需实现的功能以及要达到的运行效果进行全面规划、设计和实施。

〔1〕殷世华.岩土工程安全监测手册(第二版).北京：中国水利水电出版社，2008.

〔2〕郭 晨.大坝安全监测自动化系统通信规约(DL/T 324-2010).北京：中国电力出版社，2011.

〔3〕刘 果.大坝安全监测数据自动采集装置(DL/T 1134-2009).北京：中国电力出版社，2009.

〔4〕彭 虹.大坝安全监测自动化技术规范(DL/T 5211-2005).北京：中国电力出版社，2005.

〔5〕赵花城.大坝安全监测自动化系统实用化要求及验收规程(DL/T5272-2012).北京：中国电力出版社，2012.

〔6〕水利部.水利水电工程水力学原型观测规范(SL616-2013).北京：中国水利水电出版社，2013.