输电铁塔安全监测预警系统的设计及实现

2015-12-21刘伟诚李永坚刘文峰何志刚

水利与建筑工程学报 2015年1期

刘伟诚，李永坚，刘文峰，何志刚

（1.广东天信电力工程检测有限公司，广东广州510663；2.广东电网有限责任公司韶关供电局，广东韶关512028）

安全监测是对工程建（构）筑物及设施等变形体的安全稳定性做长期、重复性的测量工作，以确定和分析这些变形体的变形情况及变形周期，从而对这些变形体的安全稳定性做出正确的评估［1-2］，常用的测量方法有全站仪极坐标法测量水平位移、水准仪法测量垂直位移、测斜仪测量倾斜等等，且发展了一系列的监测数据处理理论与方法［3-5］，但是这些常规的监测技术和方法工作效率较低，无法满足实时、快速、长期的安全监测需求，而随着计算机技术和传感器技术的发展，自动化安全监测技术已成为发展趋势，可快速、实时、无接触获取大量监测数据，提高工作效率［6-8］。

BGK-Micro40自动化数据采集仪内置先进的混合式智能测量模块，可测量振弦式、差阻式、电位计等几乎所有主流类型的传感器，若结合BGKLogger数据采集软件可完成一般工程安全监测的自动化数据采集及数据处理等工作，并且通过BGK-Logger数据采集软件可以查询并导出各个测点的历史数据［9］。虽然BGK-Logger数据采集软件功能较为完善，但是很难满足某些特定工程项目的安全监测需要，为此需要开发一款能对BGK-Micro40监测数据做深入分析和处理的安全监测预警系统来弥补BGK-Logger数据采集软件的不足，从而快速从大量监测数据中发现规律，服务于工程，为此根据实际工程需要，我们基于VS2008.net（C＃）平台［10］开发了输电铁塔基础安全监测预警系统（以下简称为安全监测预警系统--SMWS（Safety Monitoring and Warning System）），该系统主要对BGK-Micro40自动化数据采集仪采集到的数据做进一步处理，如数据的导入、导出、数据预处理及稳定性分析等［11-12］，对BKGLogger.Net信息管理网络系统做一定的补充，以满足实际生产的需要［13-15］。

1 系统设计及实现

安全监测预警系统开发的环境为64位Win7操作系统、SQL Server 2012数据库、Microsoft Office 2007及以上版本（建议 Microsoft Office 2010）。系统主要目标是对BGK-Micro40自动化数据采集仪采集到的监测数据做进一步管理和分析，涉及到传感器类型有倾角计、测斜仪、静力水准仪、大量程位移计以及渗压计等，要求软件操作简单，界面友好，能满足实际生产的需要。SMWS系统的设计包括算法设计、数据库设计、模块及界面设计等。

1.1 系统所采用的部分算法

1.1.1 倾角计重新校正算法

倾角计原始测量结果是不能直接使用的，需要根据传感器的率定表重新进行校正后才能使用，校正公式为：

其中，Gi为仪器系数；A和B代表垂直两轴，由率定表给出（sinθ／V）；AResult和BResult为结果测值；ROA和ROB为初始读数，由率定表给出；Ti和T0分别为当前温度和初始温度值，0.0005为温度对电压的影响系数。

1.1.2 静力水准仪重新校正算法

静力水准仪属于正弦式仪器，在数据采集时采样频率会受温度影响较大，因此在使用频率计算前，采样频率要进行温度修正，对此，要对温度值和频率值采用最小二乘法进行直线拟合，得出频率对温度的线性方程，然后再采用下面公式进行校正：

其中，H1为该静力水准仪与储液灌液面高差，Raw1为频率值，t2为温度值，R0为率定表里压强为零时的初始值。

1.2 预测模型

系统所采用的预测模型之一为灰色模型，它是一种随时间变化的动态模型，用微分方程描述时，就可得到x（1）（t）的一级线性微分方程［4-5］：

离散后得到：

利用一定量的监测时间序列数据根据式（4）和式（5）即可建立灰色预测模型。

1.3 系统的数据库设计

SMWS系统的数据库为SQL Server 2012数据库，共设计了6个表用于数据和有关信息的管理，包括：用户表、传感器表、原始数据表、工程项目数据表、数据采集单元表以及用户操作日志表等，其中传感器信息表见表1。

表1 传感器信息表

1.4 系统的模块设计及功能简介

SMWS系统主要包括5大模块：工程管理、数据管理、监测数据分析、系统管理和帮助。

系统的整体框架见图1，系统的登陆窗口和运行主界面见图2。

图1 安全监测预警系统整体框架

1.4.1 工程管理

工程管理模块的主要功能是新建工程、打开工程及退出系统。

1.4.2 数据管理

数据管理模块的主要功能是导入数据、查询原始数据、项目信息查询以及传感器信息查询。

导入数据的主要功能是将BGK-Logger数据采集软件获得的各类传感器监测数据及有关信息导入SMWS系统，其数据格式为Access数据库，包括各类传感器的序列号、原始观测值以及相互关系等。查询原始数据的主要功能对各类传感器的原始监测数据进行查询，可以按照传感器群组或传感器的类型进行查询，也可以根据时间段进行查询。项目信息查询主要功能是查询传感器群的平面图及剖面图并进行修改。传感器信息查询主要功能是查询传感器信息，如序列号、率定表等信息并进行有关信息修改，界面见图3。

图2 系统的登陆窗口和主界面

图3 项目信息和传感器信息查询

1.4.3 监测数据分析

监测数据分析模块是SMWS系统的核心，其主要功能是数据预处理、稳定性分析及数据报表等。数据预处理主要功能是对所有传感器观测数据进行预处理，剔除粗差、数据修正等，包括：数据剔除、计算K值（静力水准仪重新校正使用）、数据修正、插入断点、处理断点、历史数据的查询、单曲线、多曲线以及数据输出等。稳定性分析的主要功能是计算各类传感器的变形量，并进行安全评估与预测，包括：计算变形量（或变化速率）、输出变化速率、速率查询、数据预测、监测预警以及小波滤波等。数据报表的主要功能是按照传感器群分别形成安全监测报告，用于评估某一传感器群的监测数据的可靠性及所在建筑物的安全稳定性。数据预处理和稳定性分析界面见图4。

1.4.4 系统管理

系统管理模块主要用于系统用户管理、系统日志管理、报表管理以及数据库备份／还原等功能。系统用户管理用于增加或删除用户，以及修改用户权限等。系统日志管理用于查询所有用户对系统所做操作。报表管理用于查询及打印系统形成的监测报表。数据库备份／还原用于对现有的数据库进行备份或还原操作。系统用户管理和报表管理界面见图5。

1.4.5 帮助

帮助模块功能是查询软件操作手册等帮助以及系统的版权信息等。

SMWS系统的使用非常简单，按照系统的帮助文档说明即可，一个简单的使用流程图见图6。

2 结语

图4 数据预处理和稳定性分析界面

图5 用户管理和报表管理界面

图6 SMWS系统使用简易流程图

在工程项目安全监测领域，自动化监测技术逐步得到广泛应用，但随之而来的海量数据管理、数据预处理、数据预测等均需要专用软件的支持。我们结合输电铁塔安全监测的科研项目，开发了能对BGK-Micro40自动化数据采集仪采集到的数据做进一步处理的输电铁塔安全监测预警系统——SMWS，以弥补BGK-Logger数据采集软件功能的不足，该系统的主要功能是对BGK-Micro40自动化数据采集仪采集到的数据做进一步处理，以满足输电铁塔安全监测需要，该预警系统目前已经使用，操作简单，能节省大量数据处理时间，自动生成的图表报告简洁明了，能有效提高效率和及时率。SMWS系统具有很好的拓展性，可进一步考虑并行计算，以提高计算效率，或将常规观测技术纳入该系统，以拓展其功能和应用面，或将其移值到工作站或服务器以满足单位共享需求等。

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［3］傅立.灰色系统理论及其应用［M］.北京：科学技术文献出版社，1992.

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［6］龚志勇.超高压输电铁塔运行监测分析平台研究［J］.电力信息化，2006，（4）：57-59.

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