水工隐患在线监控及预警系统设计

陈俊生，陶丛丛，白玉龙

［1.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏省南京市 211000；2.宁夏沙坡头水利枢纽有限责任公司，宁夏回族自治区银川市 750001］

0 引言

水利水电工程建设规模大，面临的工程力学问题复杂，一旦失事后果相当严重，工程安全监测工作在水利水电工程安全管理中具有举足轻重的作用[1，2]。工程监测数据是工程结构性态分析评价的重要基础资料[3，4]，具有历时长、种类多、涉及面广、数据量大等特点，目前大多通过人工方式对大量监测数据进行整理、分析和判断，很难保证其及时性和有效性[5]。尤其对于紧急险情，不能及时有效的预警，将造成无法挽救的后果。如2017年2月7日美国奥洛威尔水库主溢洪道发生严重破坏，造成18.8万人紧急撤离，造成恶劣的社会影响。

为了避免水工隐患部位发生险情，同时准确、快速地掌握水工隐患处的运行性状，有必要研究基于监测传感技术、网络信息化技术、物联网技术及移动应用等技术，研发和建立水工隐患在线监控及预警系统，实时分析水工隐患处的安全性态，以便采取相应的预防和补救措施确保工程安全运行，实现长治久安。

1 系统架构设计

系统采用 B/S 结构，软件结构采用多层结构，分别为数据访问层、业务逻辑服务器层和 Web 页面表现层，通过对软件层次结构的抽象和组合，能够将数据访问、业务逻辑处理和用户界面展示部分进行分割和组装，使软件系统具备很好的伸缩性和灵活性，更好地适应复杂的网络环境、数据库类型和不同层次用户的特殊需求。

为了更好实现对信息的统一集中管理和部署，系统将业务逻辑层和数据访问层封装为统一的服务层，发布在应用服务器上，以接口的方式为PC 应用客户端、智能手机、平板电脑及 Web 网站提供各种服务，从而实现对各类信息的查询和处理，有利于提高整个系统的稳定性，提高部署和运行维护的灵活性，提高服务器的利用价值，减少系统开发中的重复工作，减少运行中的维护工作（见图1）。

图1 系统架构图Figure 1 system architecture

2 系统功能设计

通过远程监控技术，实时采集监测数据，实时监控缺失数据，并对监测设备状态进行实时监控和故障诊断；对监测数据异常识别技术进行研究，从而实现异常数据的自动识别；通过分析评估及预警技术，对监测数据进行综合分析和评判，并和巡检信息结合进行分析处理，最终确定预警信息并通过短信设备、移动应用等进行预警发布，流程如图2所示。

图2 远程在线监控管理流程图Figure 2 Flow chart of remote online monitoring management

2.1 信息采集

系统可采集本工程布置监测仪器的数据信息，同时还能够记录巡视检查、工程处理、工作日志等相关信息。

提供自动数据采集和人工数据录入等工作模式，自动采集的运行方式包括应答式和自报式，根据需要可定制打包成自动任务，并实现异地远程数据采集。除了自动采集的数据自动入库外，系统需同时提供人工采集以及其他环境量、第三方数据等各类监测数据和资料的导入功能，并能够在系统中对其进行统一的管理与维护。

2.2 系统状态监视及故障诊断

监测系统设备状态的监视功能，主要包括对设备运行状态信息进行采集、配置、处理、呈现及相关的数据统计[6]，通过事先设定的门限值进行分析评判，并以预警的形式进行提示。可对系统中的设备运行状况进行实时的监视，主动发现故障，提高故障处理效率，有效保障系统运行，并可对告警信息进行处理和查询统计。

（1） 传感器监视。

监控主机轮询传感器的测值读数来检查传感器状态，根据一定的检验规则，将判断为异常的信息推送给前端进行显示、告警。当传感器的数据更新时间超过指定时间，亦进行告警。

（2） 数据采集装置监视。

监控主机通过指令轮询各采集装置，获取其工作状态参数信息，通过与预设的参数信息进行对比分析，将异常的信息推送给前端进行显示、告警。

（3） 电源监视。

监控主机定期采集其供电电压，通过与预设的电压参数信息进行对比分析，评估电源的稳定性、电池的剩余电量，若出现异常，推送给前端进行显示、告警。

（4） 现地通信装置监视。

监控主机通过不断的轮询测试网络设备或终端设备的连接状态，再通过链路的路由关系来判断网络及设备是否正常，若出现异常，推送给前端进行显示、告警。

（5）UPS装置监视。

UPS设备一般带有串行接口。将设备的串口总线接口接至监控主机。监控主机通过不间断的轮询采集实时将信息传给监控平台进行显示、报警。

（6） IT设备监视。

根据各软硬件设备的标准管理通信协议进行监视。

（7） 故障诊断。

通过设置设备安装位置图，当发生故障时，能迅速在界面上显示出故障具体地理位置和故障类型、故障时间、可能需要准备的备件等指示信息，能够帮助维修人员迅速赶赴设备现场、开展检修工作、排除故障，减少和缩短设备检修时间和范围，快速恢复设备正常运行，从而提高系统的可用性。

2.3 数据转换

软件应能将各传感器原始数据自动进行计算，并转换为观测的位移、开度、渗压等物理量，并将成果存放在成果数据库内，同一测点计算支持多套不同时段应用公式，计算公式包括自定义公式、固定换算公式、相关点计算、查表计算等[7]。

计算过程应提供自动计算和手动计算两种方式，自动计算根据设定时间周期，自动将未计算的数据进行计算处理；手动计算可以选取选任意时段、测点范围或数据类型的测值进行计算。

2.4 在线监控

在线监控功能，主要包括信息检查、水工安全状况综合评判等功能。首先监测信息入库并进行有效性检验，重点检查测值可信度，识别是否存在粗差。一旦发现粗差或疑似粗差情况则自动复测，并对粗差进行标记或剔除处理，反馈处理结果。对于非监测原因导致的测值异常，开展单测点评判，当发生单测点异常时，触发多测点评判。

对于非监测原因导致的测值异常和巡检结果异常，分析相关测点测值分布和变化趋势，并结合巡检结果，综合评判结构安全性态是否异常。对于评判认为结构性态异常的，系统应自动提醒相关工程人员进行处理。对于初步评判结构安全性态异常的，将提醒技术人员进行深入仔细的专业分析，主要分析其成因及对水工安全的影响。当相关责任人分析认为情况严重时，可通过在线监控平台发布信息通知相关人员，视严重程度组织不同层次的诊断和处理。

2.4.1 数据有效性检查

（1）及时性检查。

根据监测和现场检查的相关技术标准和要求，设置监控频次、监测频次、巡检周期等参数，系统定时自动检查信息是否及时入库，未及时入库的应记录并推送。

（2）有效性检查。

有效性检查流程监测数据的有效性识别依据建立在对工程特性和历史数据的分析评估基础之上，采用各类合适的数学方法和识别规则，快速发现异常数据。有效性检查主要通过自动检查，并辅以人工检查的方式确认误差类型及数据的有效性，然后将有效数据提交下一步的工程结构分析。

2.4.2 在线安全评判

在线安全状态评判功能，主要包括单个监测量的异常识别、多个监测量的异常识别、巡检信息异常识别和水工安全综合评判等功能，并可根据实际情况对评判方案进行调整。

（1）单个监测量异常识别。

单个测点监测量数据可采用模型值判据、历史极值判据、允许值判据、测值变化速率判据等几种检验准则对监测成果进行检验，并将几种检验结果进行信息融合，从而得出监测成果正常或异常的结论，对于异常成果将给予告警。

（2）多测点异常识别。

首先分析异常范围大小，甄别是属于个别现象、局部现象，还是较大范围现象；对于非个别现象，考察异常测值所在部位（或周围）其他监测量的变化情况。

分析相应部位其他监测量变化情况，考察异常部位及围边的其他监测量的变化情况，如位移异常，则相应部位的接缝是否张开、渗压是否同步变化等。

分析异常测点分布范围，甄别是否属于个别现象、局部现象。个别异常，指除该异常测点外，同一监测项目的其他测点均无异常；或仅相邻部位的少量测点异常，周围其余测点无异常。局部异常，指较小范围内多个测点测值同时异常，但周围其余测点无异常。较大范围异常，指较大范围内多个测点测值同时异常，如不同坝段、不同高程的多个测点异常。

系统实时自动检查测值异常情况，并根据评判结果进行进一步评判或结束，并自动记录识别结果，将其推送给相关技术人员进行审核。

（3）巡检信息异常识别。

通过同类工程对比分析，根据工程经验，对巡视检查发现的异常情况，按严重程度进行分级。巡检成果入库后，与以往检查结果对比，识别异常及其变化，并记录识别结果，并可进行巡检异常信息推送。

（4）水工安全实测状况综合评判。

在对水工结构物的历史监测成果进行定性和定量分析的基础上，建立标准体系[8]，综合单个监测量异常识别、多个监测量异常识别和巡检信息异常识别的评判结果，按照一定的评判原则，采用基于规则的推理方法或其他多源信息融合方法，分级评判实测运行性态。

2.5 监测成果图表及定性分析

作为分析评估最基本依据的监测数据，其本身所具有的海量、枯燥、呆板、不直观等特点决定了直接对其进行观察分析和判断无疑是十分困难的。须对各个监测数据进行统计和图表化展示，才能将其中包含的反映结构物性态和安全状况的信息直观形象的展示出来。

提供包括分布图、过程线图、等值线图、相关图以及特征值统计表、成果报表等的监测成果展示功能，相关图表可依据相关规范格式要求自动形成的，也可以依不同个性化需要自定制形成的所有图形和表格定义（模板）被存储在图表库中供随时使用，为监测成果定性分析提供坚实的支撑手段[9]。

2.6 预警信息发布

开发网络通信方式灵活，自动化程度高，可以方便实现远程信息发布与共享的预警信息发布子系统。预警发布可对监测系统异常、监测数据异常、监测断面异常等报警项目进行报警，并可根据预警等级采用客户端弹窗提示、布置图热点闪烁提示、App推送等方式和渠道进行分级发布[10]。

2.7 移动应用

基于水工隐患在线监控及预警系统平台，开发可应用于Android系统的移动互联终端应用程序，为用户提供具有良好应用体验的地图导航、信息查询、任务布置、移动巡检、预警信息接收与发布等功能，达到实时、便捷的效果，提高水工隐患在线监控及预警系统的智能化水平。

通过任务布置模块，管理人员下发各类任务（如巡检任务），现场人员接受任务并且执行任务，管理人员可获得任务状态信息反馈。可以定制巡检路线，并且与任务功能联动，自动提醒推送巡检人员。通过手机、平板电脑等智能设备开展现场设备故障、结构异常及隐患排查与上报工作，能够随时随地对异常信息开展处置与消除工作，利用移动互联技术提高信息传递速度，使现场巡检工作更加高效便利。

3 工程应用实例

某水利枢纽位于黄河干流上游，枢纽工程是以灌溉、发电为主的综合性水利工程，河床电站安装4台单机容量为29MW的灯泡贯流式水轮发电机组，枢纽总装机120.3MW，设计年发电量6亿kWh。2012年7月下旬至9月上旬黄河经历了近30年来的最大洪水，在泄洪期间，下游右岸岸坡及坡脚突发了险情，右岸岸坡在桩号坝0+159m～坝0+213m出现塌陷。汛后对建筑物进行了全面检查，发现枢纽下游左右岸护坡均出现不同程度的毁坏现象。2016年对冲毁部分进行了补强加固，为对泄洪闸下游海漫水毁冲坑上部钢筋混凝土底板修复后的变化情况及时掌握和了解，接入6 支测缝计、2 支脱空计及2 支单点位移计对其进行监测，采用自动化系统实时采集数据。

为避免类似险情的发生，及时掌握水工隐患部位的安全状况，充分利用物联网、移动应用等技术，研发和建立水工隐患在线监控及预警系统，系统界面如图3所示。对接入的6 支测缝计、2 支脱空计及2 支单点位移计进行监测，通过监控软件平台，对现地监测站网络进行远程控制，对监测设备状态进行实时监视，并可进行故障诊断等；针对该工程建立特定的数学模型，设置合理的监控指标，从而对数据进行在线分析，及时掌握修复后底板的变形情况，发现险情及时上报，根据情况及时作出相应判断；同时定期对泄洪闸下游海漫、右岸坡脚区、中隔墩下游区、防冲槽区等泄洪闸下游消能建筑物和边坡进行检查，并通过移动平台实时存储至水工隐患在线监控系统，及时发现安全隐患；最终确定预警信息并通过短信设备、移动应用等进行预警发布。系统稳定可靠，运行效果良好，为运行管理部门提供决策支持。

图3 系统界面Figure 3 System interface

4 结语

（1）水工隐患在线监控及预警系统可实时动态掌握水工隐患性态，并实现智能预警，有效防止险情的发生，保障大坝运行安全，为运行管理部门提供决策支持。可广泛应用于国内水利、水电行业，应用前景较好。

（2）充分利用无线网络和移动平台，水工管理人员能够随时随地查询水工隐患监测信息，分析处理异常数据，掌握水工隐患部位的运行情况，并可实时推送和接受预警信息，有效提升智能化管理水平。

（3）在信息平台的开发过程中对监测信息数据流和工作流进行充分研究和测试，从而实现人机沟通、闭环管理，计算机按规定准则发现的异常监测数据和大坝预警信息通过预警信息发布子系统及时提醒水工管理人员，水工管理人员通过移动应用进行现场检查确认、记录、分析并提请专家预警等，最大限度地提高预警准确度和预警效率。