南水北调安全监测自动化系统人工自动化数据比测差异分析

王树宝 赵义春 艾明明

【摘要】本文对南水北调中线干线工程安全监测自动化系统人工自动化频模和温度数据比测中部分数据产生差异的原因进行了详细的分析总结。

【关键词】南水北调；安全监测自动化；人工自动化数据比测；差异分析

1、概述

南水北调中线干线工程自陶岔渠首至北京团城湖全长约1277.212km，天津干线自西黑山分水闸引出，至天津外环河出口闸长约155.273km，总长1432.485km。其中，总干渠陶岔至北拒马河中支渠段采用明渠输水方式，北京、天津段采用管涵输水方式。

由于全部采用渠道及管道输水，没有水库调剂，采用实时调水方式，为了干渠安全及避免弃水，全线必须统一协调、实时控制，对工程安全进行实时监控，因此南水北调中线干线工程对输水控制时效性提出很高的要求，因此建立了南水北调中线干线工程安全监测自动化系统，根据权限设置和管辖区域接收对现地监测站的采集信息，并对数据信息进行分析处理和储存，为各级管理部门提供工程安全相关的决策支持，并为工程调度系统提供服务。

2、人工自动化数据比测结果及分析

自动化系统调试及试运行期间需要进行人工自动化数据比对，人工自动化数据一般采用方差分析进行比对，方差分析是取每个监测点自动化监测和人工监测相同时间、相同测次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，则两者差值按照式（2-1）计算：

式中为自动化测量精度；为人工测量精度。

对于每个监测点人工和自动监测在相同时间进行5次测量，然后按照上述方法对每个监测点进行计算，自动监测与人工监测结果应该满足的要求，根据现场的3次人工自动化数据比测结果来看95%的监测仪器满足以上要求，对于5%的监测仪器不满足以上要求的原因进行分析，主要是两个方面数据不吻合：传感器频模或者温度不满足以上要求。

2.1人工自動化数据比测频模差异分析

通过对不满足要求的监测数据进行分析，首先通过通道互换排除采集设备的问题，同时检查接线端子连接牢固可靠，然后分析频模数据产生差异主要有以下几个情况：

安全监测自动化系统数据库中监测仪器编号与接入到MCU中的对应关系不准确。由于南水北调中线干线沿线渠道埋设了大量的监测仪器，在仪器信息录入时难免有疏漏的时候或者后期对现场MCU的接线进行了调整但是自动化系统中仪器信息更新不及时，导致了人工自动化数据比测差异很大。

安全监测自动化可以测出数据而人工不能测出数据。由于安装在建筑物及渠道上的监测仪器一般都是振弦式仪器，在安装后的运行过程中，钢丝产生松弛或松脱，或松弛到一定程度之后，松脱而停振。在人工比测过程中人工测量时采用的是振弦式读数仪，给出的激励电压一般是5V，由于监测仪器振弦松动，5V激励可能不足以使传感器起振，而自动化设备中MCU的激励模块提供的是12V电压，使监测仪器重新起振，所以能测量出传感器频模。但是自动化测读的数值是否真实还要与以前的原始数据比较判断。

（3）安全监测自动化不能测出数据而人工能测出数据。这种情况主要原因是频率传感器线缆中的一根或者多根与地互通（相当于在某种情况下绕过了传感器），为什么在这种情况下人工读数装置能测读到数据而自动化采集单元却不能测读到数据呢？因自动化采集仪单元与人工读数装置是两种不同类型的仪器仪表，在进行人工比测时，人工读数装置为完全隔离绝缘的设备，而自动化采集仪单元与大地几乎是无阻对接的。详见图2.1-1。

图2.1-1说明：当激励采集信号电流通过人工测读装置传感器线缆1发出经过传感器后，经过大地丢失了部分电流，仍有部分电流通过大地再通过传感器线缆2形成回路回到人工测读装置，从而人工读数装置测读出数据，当电流丢失过多或者完全丢失时，人工测读装置就会出现测读数据不稳定或者测读不出数据。

图2.1-2说明：由于自动化设备接地端是与大地连接的，所以自动化采集单元激励采集信号电流不会同人工测读装置电流走同样的通路。因为传感器是有很大的电阻值的（电阻值约为120Ω）所以根据电流传输导通原理：电流会通过无阻端完成传输形成回路，而不会通过阻值很大的一端通行形成回路，因此电流通过传感器线缆2和自动化接地端直接回到了自动化采集单元，故而自动化采集单元测读不出这类传感器的数据。

部分接入的传感器线缆虽没有与大地互通，但人工读数装置可测读出数据，自动化采集单元不能测读出数据，因自动化采集单元设计标准严格按照大坝安全监测规范中规定要求传感器绝缘阻值≥50MΩ，已符合接入自动化采集单元国际标准。部分接入的仪器不能满足这一条件，所这部分仪器自动化采集单元就有可能测读不出数据。

2.2 人工自动化数据比测温度差异分析

首先通过通道互换排除采集设备的问题，同时检查接线端子连接牢固可靠，其次分析产生人工自动化温度数据差异的其他原因。

读数仪是单测点检测仪器，并且读数仪内部的接地是悬浮的，测量中读数仪只和传感器构成回路，如图2.2-1。

（1）用万用表测试温度线（绿、白）间电阻，阻值：3.96 kΩ，10秒左右后阻值：4.30 kΩ，并且阻值逐渐增大；正常情况下温度线的电阻应该为一定值，所以通过测量温度线电阻说明两线之间有进水可能，随着导线通电时间的延长，进水处金属表面开始电解氧化，所测的总电阻会逐渐增大，导致温度测量不准确。

将红黑线和绿白线分别进行短接，然后利用万用表测试白绿和红黑的电阻，白绿和红黑的阻值为12.8kΩ；正常情况下白绿和红黑之间为断路，因此他们之间的电阻应该为无穷大，所以通过测量白绿和红黑之间的电阻说明传感器或引线接头处有进水现象，导致温度测量不准确。

（2）利用兆欧表测试传感器芯线电阻，白绿和红黑：<0.5 MΩ；绿和白：0MΩ；白绿红黑和屏蔽线：> 1000MΩ。正常情况下白绿和红黑绝缘电阻值应该大于1MΩ，所以通过测量白绿和红黑之间的绝缘电阻可以说明传感器或引线有进水现象，但在引线加长时至少是最后一段加长操作时屏蔽线没有连接，所以白绿与红黑间电阻：<0.5 MΩ而白绿红黑与屏蔽线间电阻> 1000MΩ，所以温度测值不正确。

3、结论

通过以上分析频模与温度人工自动化比对出现差异主要是由于传感器绝缘电阻不好造成的。

许多单位和从事安全监测的专业人员对此也缺乏足够的认识，认为弦式仪器绝缘度低并不影响仪器的测值。安全监测仪器埋设在水工建筑物结构内，属于隐蔽性工程，需要进行长期监测，要求其具有长期稳定性。仪器绝缘度偏低，甚至仪器内部受潮或进水，短期内可能不会影响测值，但必定造成仪器内部结构物理特性和电气性能产生缓慢变化，这就影响仪器的长期稳定性，甚至仪器失效。所以应对振弦式仪器绝缘度进行检验，并且在传感器引线接续时严格按照相关规程规范或者技术要求进行施工，确保传感器数据稳定可靠。

对自动化系统维护时，要根据现场情况及时更改相应数据库的信息，避免由此造成人工自动化数据比测出现差异。

参考文献：

[1]庞雯璟.浅析自动化监测数据与人工监测数据的对比[J]中国科技信息，2012.

[2]DL/T 5211-2005，大坝安全监测技术规范[S].