浅谈中小型水库自动化管理系统的设计

朱云海

摘 要：水利工程的建设对国家经济发展安全具有重要战略意义。而在水利工程中，水库水情及大坝的自动化检测监控技术对保障水库大坝的整体性安全具有重要的地位。本文针对我国中小型水库的实际情况，结合传感器技术、网络技术、数据挖掘技术及人工智能技术构建了现代化计算机智能监控管理系统。该系统具有水情动态采集、坝情实时监测、数据挖掘、智能管理等功能。

关键词：水情;大坝监测;水位控制;数据挖掘;人工智能。

1.引言

我国地势情况复杂，气候条件多变，台风、干旱及洪涝等自然灾害一直是威胁人民生命财产安全的重要隐患。随着我国综合实力的不断增强，为了促进国民经济的发展，建设了很多国际先进的水库大坝，但同时依然有很多在20世纪90年代及以前建成的中小型水库，受限于当时的经济、技术条件，在坝体监测、水库管理、配套设施等多方面都存在不足。 2011年，“十二五”水利规划将水安全提升到了国家战略，全面推进了水利基础设施的建设，并不断升华着治水理念。水情监测作为预防洪涝、干旱发生的重要手段，其检测的精准性与时效性便显得尤为重要。开发水情自动化监测系统具有周期短、投资少、效益高等优势，受到很多国家的青睐[1]。

2.系统总体设计

本系统通过传感器技术对水库水位及水库坝体状况进行实时监测、通过数据挖掘技术对当地历史水文数据进行挖掘，并结合实时水文数据进行综合处理，及时预测风险等级。通过自动化、人工智能技术对水库进行自动化控制管理;通过网络技术及时对相关人员推送警示系统，添加视频监视系统，并将数据与抗洪指挥部联网，并注重防雷电改造措施。具体设计框架如图1所示。

3.系统设计

3.1水位、坝体等监测采集

此模块中的数据采集功能主要有传感器系统、运放器、A/D转换控制系统组成。数据采集功能主要由水位传感器、温湿度传感器、雨量传感器、电磁流量计算器、渗流量仪、振弦式传感器等进行实时信号采集。运放器主要是将mV级的微弱电信号转换为4mA—20mA的标准输出。A/D转换控制系统主要将传感器采集的各类模拟数据输入经过内部机制转换为标准的数字信号，并通过网络传送到人工智能自动化控制中心。

3.2数据挖掘

数据挖掘是人工智能和数据库领域研究的热点问题，是一种深层次的数据分析方法，数据挖掘主要是通过对数据库的大量数据进行处理，揭示出隐含的、未知的潜在价值的信息，或者通过历史数据的比对预测出可能发生的一些信息，数据挖掘是一种决策支持的过程。通过对水库历史数据老旧数据的整理、清洗，转换成结构化或半结构化数据，定义数据挖掘方向，建立数据挖掘分析库，并结合水库具体情况建立模型，通过神经网络法、决策树法、关联规则法等经典算法进行分析处理。根据当时水文情况及时作出预判和发现未知的价值规律，并及时传送至人工智能自动化控制中心。

3.3闸门控制系统

闸门控制系统主要由闸门动力控制中心、闸门位置数据采集装置、闸门水位采集装置、闸门手动控制装置以及闸门控制中心组成。闸门动力控制中心主要对闸门的开闭进行动力控制，闸门位置数据采集装置主要负责采集闸门实时位置信息并传到闸门控制中心实时显示，闸门水位采集装置主要对闸门内外水位进行实时监测，闸门手动装置作为备用设备，在自动化控制设备出现故障或其他情况下使用，通过人工操作闸门，闸门控制中心主要是实时收集各项采集数据根据预定程序控制闸门，并实时将处理数据发送至人工智能自动化控制中心进行监控。

3.4预警信息发送

水库都会定期或不定期都会进行开闸泄洪工作，以确保水库在一个合理的水位。在开闸泄洪之前及时有效警示水库周边及受影响的下游人民群众的工作尤为重要。本模块主要分为库区声光警示系统、库区下游地区目标单位消息传送和指定区域移动终端消息推送三个方面。库区声光警示系统重要是通过分布在各处的声光报警器以及高分贝扩音器进行预报提醒。库区下游地区目标单位消息传送及时将预警信息发送各目标单位信息接收终端，及时提醒。指定区域移动终端消息推送主要是通过水库附近基站根据要求自动将预警信息根据要求发送至指定区域移动终端，进行消息提醒。

3.5视频监视

视频监视系统主要包括前端视频摄像设备、存储设备、视频数据分析设备。前端摄像设备主要由高清摄像头组成，对关键设备、关键位置实时监视，比如水库闸门、防雷电设施、大壩重要位置等关键区域进行监视。视频数据可以存储到存储设备中，以防后续调用分析。视频数据分析设备主要是实时比对视频信息，发现差异及时存储，并上报人工智能自动化控制中心，同时根据异常信息进行简单预处理生成结构化数据供数据挖掘分析处理。

3.6设备状态运行状态自动监测

设备状态运行状态自动监测主要包括设备自检、各设备运行终端状态询问和异常数据智能分析等。设备自检主要是指各设备在启动时根据预设要求对各个参数进行检测，查看设备运行环境是否正常，设备启动是否正常。各设备运行终端状态询问主要是通过心跳的方式定时对各设备运行终端进行询问，参考是否有应答或者应答是否正确以及应答的时间是否异常来判断设备运行的状态。异常数据智能分析主要是根据历史数据以及水库环境对当前采集数据值进行分析，判断是否大于偏离的合理值，来确认设备是否正常工作。

3.7人工智能自动化控制中心

人工智能自动化控制中心是本系统的核心，可以对水库的各项事务进行自动化控制。主要包括硬件平台以及一套监控软件。通过监控软件的人机界面实时显示各系统的传送的数据及工作状态，通过人机界面可以对水库各种设备进行全面管理、控制，各项参数通过控制中心可以实时传送到防洪指挥中心。

3.8，系统防雷电措施

一般来说，水利设施大多地势较高，极易受到雷电的袭击，特别是汛期雷电比较多的时期，雷击会对水利自动化系统的正常运行造成不利影响。因此，水利自动化系统需要进行防雷避雷系统的设计，保障系统作用的发挥[2]。

为避免直接雷击，一般可设置避雷针、避雷线，前者用于建筑物、野外的电器设备等保护，后者可用以输电线路的保护。建筑物或电器设备使用避雷针几乎可以不受雷电直击，但是无法避免感应雷击。如何减少感应过电压对系统的破坏，是大坝安全监测自动化系统防雷干扰的关键所在。

水库地势开阔，属高雷电发生区。为系统避免雷击事故发生，系统采取以下几条防雷措施：

1）尽量缩短现场传感器与计算机控制中心的连接线距离，所有连接线都通过地沟铺设，这样可基本避免感应雷击事故。

2）对监测中心站外接天线、太阳能装置均附加接地良好的避雷装置，可有效避免直接雷击事故的发生。

3）各监测仪器电源接口、对外连接端口设计有防雷、防静电隔离电路，增强设备抗雷击性能。

4）室外传输电缆应加继电器保护。

在安装避雷器时，由于避雷器起到分流雷击电流（雷电）入地泄放作用，所以避雷器与地相连的线应选用多股线，同时连接线越短越好，若连接线增长1m，其避雷器残压值将增加1000V，难以保护重要设备。因此，站房内设等电位公共接地环网和各类需要设有保护接地的设备和线路，可以做到就近接地，以免因设计和施工问题而影响防雷效果[3]。

4.结语

本文针对我国中小型水库的实际情况，结合传感器技术、网络技术、数据挖掘技术及人工智能技术构建了现代化计算机智能监控管理系统。详述了系统总体架构及相关子系统，如数据挖掘、设备状态运行状态自动监测、防雷击措施等。实现了坝情的实时监测与水情的动态管理，有助于提高了我国中小型水库的自动化监控水平。

参考文献：

[1]姚蓓蓓.汾河二库水情自动化监测系统设计与应用[D].太原理工大学.2018.06

[2]王梦旭，林思群.现代水利自动化系统的设计与应用[J].江苏科技信息.2018.04

[3]胡国军，钱铧，付晓艳.辽阳汤河水库水质自动监测站雷电防护系统[J].辽宁气象.2004.11