喀麦隆曼维莱水电站安全监测自动化系统的运行与维护

谢志峰 靳刘永

安全监测系统是集在线数据采集分析、数据库管理、图表及报表制作、监测系统管理、远程服务等功能为一体的工程安全监测管理系统，在水电运行期间有着极为重要的地位。国内早有学者对大坝安全系统进行了一定的研究，其中，王军[1]对大坝安全监测的设计与实现进行了研究；李楠[2]以三峡水库为例对大坝安全监测系统进行了论述；杨启超[3]撰写了《水库大坝安全自动化监测问题研究》相关论文。虽然，国内有关大坝安全监测系统的研究已较为丰富，但是，系统性介绍安全监测自动化系统的运行与维护的文章鲜有报道。因此，本文以曼维莱水电站为例，介绍了安全自动化系统的运行与维护，以期为以后同类工程安全监测工作提供一定的参考意义。

1 系统原理结构

曼维莱水电站安全监测自动化系统原理结构有：监测仪器、通信、网络、数据采集单元DAU、计算机工作组、DSIMS4.0信息管理软件六大部分。如图1所示。

图1 安全监测自动化系统结构图

监测仪器主要负责应力应变、渗压、水位情况、结构位移等数据的现场采集。

通信分为现场通信和监控管理中心通信。现场通信是大坝现场多个DAU数据采集单元到监控管理中心之间距离为数据通信，管理通信是监控管理中心内部的数据通信。如图2所示。

图2 安全监测自动化系统通信示意图

网络是通过监控管理中心可以让服务器为核心的Windows NT网络工作组的一个网络工作站或多个工作站实现全局域的访问。

数据采集单元DAU中的NDA采集模块接收监控计算机的指令，定时或随机将监测仪器转换成的频率、电流等电测量自动采集并存贮到NDA内部的存储器中。本工程所用数据采集DAU具有以下性能特点。

（1）DAU采用了智能模块化结构，整个单元由智能数据采集模块（NDA系列）、通信模块，电源模块和防雷模块等组成。且NDA系列智能模块均独立运行，互不干扰。

（2）DAU是具有“免维护”特点的全封闭形式的智能化模块，使DAU所面对用户的仅仅是接线端子，如果模块失效，仅需拧开螺丝换上新模块即可，使系统不至于停止运行。

（3）DAU系统的可扩充性能很好。本系统为分布式系统，开放型结构，每个DAU为完全模块化，各模块和DAU的数增减非常方便，且对系统的可靠性和稳定性不构成任何不利的影响。

计算机组即为监测管理中心站，设有计算机网络设备包括1台服务器计算机、1台工作站计算机、1台打印机、1块计算机通信模块NDA3100及设备电源1套UPS不间断电源，其中服务器计算机、工作站计算机、网络打印机等设备共同建立一个局域网。

在系统的运行过程中，首先监测仪器采集数据，然后通过电缆将数据传入NDA采集模块相应的通道中，由NDA采集模块将数据传至通信模块和数据库计算机，最终，通过该计算机的DSIMS4.0大坝及工程安全自动化监测软件对数据进行管理。

2 建设实施

2.1 监测房内数据采集单元的布置

曼维莱水电站监测仪器主要根据SL 601—2013《混凝土坝安全监测技术规范》，SL 551—2012《土石坝安全监测技术规范》，DL/T 5308—2013《水电水利工程施工安全监测技术规范》，《工程安全监测设计》的相关规定布置。

具体布置情况为：共设置8个监测房，17个DAU，共计接入监测仪器445支。其中，每个数据采集单元一般按满足将测站内所有监测仪器接入自动采集系统内，同时应兼顾合理智能优先原则和经济合理性进行布置。由于每个监测房内监测仪器数量的不同，在自动化系统实施前应该对每支监测仪器进行数据采集，分析其工作状态，并做好备案。

2.2 数据采集单元的组装

数据采集单元的组装直接影响数据的采集，为保证采集数据的准确性，应遵循以下步骤。

（1）将DAU柜子挂在监测站内合适的位置，用膨胀螺栓固定。

（2）将DAU柜子内的采集模块（需要根据测站内仪器来确定数量）、电源模块、通信部件、传感器防雷模块等设备进行组装。

（3）将仪器电缆准确对应仪器编号。电线走线和仪器安装、埋设同等重要，设计与施工阶段均应予以重视，如有必要需将电缆束套上护管敷设。仪器编号是整个埋设过程中一项十分重要的工作。常常由于编号不当，难以分辨每支仪器的种类和埋设位置，造成观测不便，资料整理麻烦，甚至发生错乱。

（4）监测仪器接入NDA采集模块。NDA采集模块分为NDA1403采集模块可接入8支（4线含温度修正）振弦式仪器，NDA1404采集模块可接入16支（4线含温度修正）振弦式仪器，接法如下：

CHnC+：接通道n振弦式仪器线圈引线芯线（红）；

CHnC-：接通道n振弦式仪器线圈引线芯线（黑）；

CHnR+：接通道n振弦式仪器温度电阻引线芯线（白）；

CHnR-：接通道n振弦式仪器温度电阻引线芯线（绿）n＝1，2，…。

（5）采集模块与电源模块的对接：

BATT+：接电池正极-：接电池负极；CHG IN+：接充电器正极-：接充电器负极。（6）NDA采集模块地址的设置。按照监测站序列进行编序NDA001，NDA002，…。

2.3 数据采集

当数据采集单元和系统通信网络组装连接完毕后，在监控管理中心站操作计算机就可以对现场所有监测仪器进行数据采集，监测实施步骤如下：

（1）监测时间及周期。正常运行期间每天对所有测点采集应不少于1次，应结合机主运行的工作时间和水位的变化情况合理拟定采集的时间及周期。

（2）采集方法的选择。采集方法分为定时采集测量和临时采集测量2种。当确定采集时间和周期后可以对所有监测仪器或部分监测仪器实施定时监测数据的采集。临时测量为在定时监测采集不到有说服性数据时或出现急发事件，需要了解现场运行情况可实施临时采集功能。

（3）特殊情况，例如：在数据采集时发现监测数据变化速率较大时应发出预警，发现立即上报并根据情况缩短测量时间和周期。

2.4 采集成果

当数据采集完成后，对NDA采集模块发出命令，收取所有定时采集数据或临时采集数据，保存所采集数据，自动生成过程线。

由图3可见，观测水位在382.30～383.3 m，水位变化受水库蓄水位影响，水位变化正常，无渗透破坏、无水渗漏现象，也未发现异常现象。

图3 测点P5-9水位及温度随时间变化曲线图

库水温度基本随室外温度变化而变化，测值正常。

由图4可见，坝体水位变化曲线无异常现象，水位变化在大坝运行的可控范围内，在未来的运行过程中会一直延续下去。

图4 P5-8—P5-13测点水位随时间变化曲线图

3 系统运维

水电站运行期间工作人员应加强资料、数据库的定期备份。采集数据时必须初步判定数据是否合理，若不合理应及时进行分析，判定是仪器本身问题或是大坝本身变化。

加强机房管理制度的执行，未经系统管理员许可，任何人员不得擅自进入监控中心和各监测房，不得动用系统内的各计算机。在工作中各计算机应设置独立的登录密码，非系统管理人员不得登录，不得更改各计算机的系统配置和运行方式以及文件内容，不可随意在本系统内的各计算机上安装其他非本工程所需的应用软件，以免引起系统崩溃。外来软件、U盘、光盘等未经检查严禁上机使用。应定期对机房环境进行检查，确保各计算机及网络设备处在一个良好的环境里运行。其中在备份数据库时，使用专用移动存储设备。

另外为了延长系统各计算机设备的使用寿命，各计算机的登录用户名和分级密码由管理员统一管理，使用人员不得向外透露，在登录本监测系统时，登录者用自己的用户名和密码登录，以便系统自动记录相应的访问信息。除服务器主机和交换机外，其余计算机主机和各计算机显示器在不使用时应为关机状态。

4 常见故障及异常处理

系统在运行中，要注重现场工程情况检查维护，并结合系统采集数据进行分析，发现问题及时处理。系统各类仪器结合人工观测每月定期检查，遇特殊天气情况、汛期或其他意外情况，发现测值不正常应及时到现场检查，检查过程要记录正确。

常用故障检测方法主要内容有如下几方面。

4.1 目测法

一般在系统的运行中会出现仪器测值异常，系统设备功能或模块的测值及功能等情况出现故障时，有必要采取有效的方法进行检修，并对其做出判断。

（1）设备的电源指示灯、型号指示灯是否正常，保险丝有无熔断。

（2）设备有无烧焦或炙烤、动物啃咬、发热烧焦、人为破坏盗割电缆、机械施工痕迹。

（3）电缆接头是否有进水及电池有无漏液的现象。

4.2 替换法

一般在出现仪器测值异常，系统设备功能或模块的测值及功能等异常时，采用此法进行检修判断，即：

（1）用相同型号的仪器设备替换怀疑有故障的仪器设备。

（2）将有怀疑故障的仪器临时改接至其它同类正常通道。

（3）将其它通道正常的同类仪器临时改接至怀疑有故障的通道。

（4）将已知的同类仪器接入可能有故障的通道中，从而判断出被检修仪器、设备或模块及其通道是否有故障。

4.3 排除法

此法又称为1/2分割法，一般在出现通信线路故障、电源线路故障或仪器线路故障，例如：线路短路、系统软件及通信口设置正常但所有模块都呼叫不成功等故障时，采用此法进行检修判断。具体方法为：

首先故障部位一分为二，分别进行排查，排查出正常部位与故障部位，对排查出的故障部位再一分为二，然后继续对有故障的一侧进行故障分析、分割和检测，直至找出故障所在的准确位置。

4.4 比测法

一般在仪器测值出现突变或异常或对某些测值的正确性有怀疑时，采用此法进行判断。

在同一时刻，用人工观测方法和自动化观测方法同时对有怀疑的测点进行检测，然后结合二者的测量精度对测量结果进行对比分析，从而判断出所怀疑的测点的测值是否正常，仪器设备是否有故障。

4.5 万用表检测法

此法一般用于判定系统的电源是否正常、电缆是否断线或短路、仪器的电阻值或输出电压是否大致正常。

对于所有弦式仪器，通过用万用表的电阻档测量怀疑有故障的仪器的阻值，以及正常的同型号的仪器的阻值，并对二者的测量结果进行对比，即可初步判定出仪器是否存在断线、短路或接触不良的故障。

5 系统应用中需要关注的关键点

在自动化系统的运行中，为了正确规范系统工作人员运作，需要在以上基础上注意以下关键点。

（1）系统应用环境。在水电站的安全监测运行过程中发挥着重要的作用。DSIMS4.0信息管理软件，同现场的数据采集单元DAU构成一个完成的现代化安全监测系统，系统在运行时计算机工作组需要较高的安全稳定性，在此情况下，系统运行环境极为重要。

（2）NDA的合理控制。在系统中NDA能够对采集到的电测量实时变换成物理量，并经过自动检验后入库保存，保存好的数据需要系统的控制才能及时地反馈到计算机组进行数据分析，在整个过程需要一定的时间来完成，在该过程完成之前操作上请不要做选测或退出采集系统。

（3）有效的数据备份。数据备份是一种防止系统出现操作失误或系统异常故障导致数据丢失的有效方法。

6评价

通过上述内容，曼维莱水电站安全监测自动化系统可以得出以下优缺点。

（1）实现了快速、准确地采集工程现场各类仪器的观测数据，减轻了监测人员的体力和脑力劳动强度。

（2）实现了及时、准确地把所有采集数据传送到监测中心站进行系统的整理和分析，解决了在仪器数量较多的情况下，人工采集数据周期较长，无法及时完成数据采集，更不能及时对工程建设期和运行期间大坝安全做出评估。

（3）实现了多点监测仪器同步性观测，自动化能够使各个测点在同一时刻进行采集。

（4）实现了各测点人工采集间隔时差，有利于对各测点做出的比较。

（5）水库运行期间出现仪器异常和设备故障问题直接影响到对数据的采集和分析，因此，监测过程要求监测人员熟悉系统结构原理，才能对异常、故障做出合理的检测分析和准确判断。

鉴于监测自动化系统有上述几个优缺点，在大坝的运行过程中对大坝的安全维护有着不可忽视的作用，因此，在未来的大坝工程中安全监测自动化系统的运用必将拥有更广阔前景。