大坝安全监测自动化系统应用现状及发展趋势

2022-02-21张斌史波陈浩园刘少伟

水利水电快报 2022年2期

张斌史波陈浩园刘少伟

摘要：安全监测可为大坝全生命周期的安全管理提供技术支撑。对中国大坝安全监测自动化系统发展历程以及采集控制、通讯传输、管理系统三大关键技术进行了介绍，调研了中国典型工程的大坝监测自动化系统实施情况、市场占有率较高的采集控制单元主要参数及变形监测自动化系统的新技术新方法。结合云计算、物联网（IOT）、大数据、人工智能等现代信息技术发展和大坝自动化监测迫切需求，大坝安全监测自动化将向智能传感器研制、基于BIM技术的成果可视化、变形监测智能化方面进一步发展。

关键词：大坝安全监测; 自动化系统; 采集控制; 通讯传输; 管理系统; 综述

中图法分类号：TV698.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.012

文章编号：1006 - 0081（2022）02 - 0068 - 06

0 引言

安全监测犹如大坝的“体检医生”，起到全面感知、综合管理和智慧监控的作用，可为大坝全生命周期的安全管理提供技术支撑。中国大坝安全监测经历了半个多世纪的发展，已经实现了通过各种监测手段评价大坝安全性状的基本目标。目前，随着云计算、物联网（IOT）、大数据、人工智能等技术的深入应用，大坝安全监测正在向多源信息融合、智能模型分析、实时在线评价、三维可视化展示、智慧辅助决策等方向发展。监测自动化是实现以上目标的必要途径，能实现监测数据的自动采集、传输和存储，为监测数据实时分析提供信息平台。本文介绍了中国监测自动化发展历程，以及监测自动化采集控制、通讯传输和管理系统三大关键技术，分析了目前中国典型工程大坝安全监测自动化系统的应用现状，并根据工程实例比较了国内外市场上占有率比较高的测量控制单元，最后提出了安全监测自动化系统的研究方向。

1 大坝安全监测自动化发展历程

1980年1月，四川省龚咀水电站安装了第一套安全监测自动化采集装置，标志着中国大坝安全监测自动化研究和应用的开启。随后，借助国家“七五”科技攻关项目“大坝安全自动监控微机系统及仪器研制”，中国第一套软硬件齐全的DAMS-1型自动化大坝安全监测系统于1989年12月在辽宁参窝水库投入运行，标志着中国大坝安全监测自动化已进入到实用阶段。

20世纪90年代是监测自动化快速发展时期，这首先得益于现代科技尤其是电子技术的高速发展，其次中国多个大中型水电站自动化改造的强劲需求也促进了技术的革新[1-3]。仪器设备方面，监测自动化设备厂家如南瑞、南京水文、西安木联能、美国Geomation、美国Sinco等纷纷登上舞台，垂线遥测仪、静力水准仪、引张线仪等遥测仪器也相继得到应用;自动化系统架构方面，从相对简单的集中式、混合式发展到更复杂的分布式;软件方面，在常规监测数据进行自动化采集的基础上，开始引入各种模型方法对数据进行深入分析。这一时期建成的自动化系统已经具备基本的数据自动采集和分析功能，但系统可靠性和稳定性都亟待改善[4-6]。

21世纪前10 a是监测自动化技术进一步提高并日趋成熟的时期。数据采集端方面，自动化测量控制装置向模块化、智能化方向发展;通讯端方面，除了通用的RS485总线外，还引入了TCP/IP，GPRS等工业测控系统常用的通信方式;数据管理端方面，引入离线综合分析、测值异常测点检测、监测预警等功能。这些改进都从不同方面提高了系统的兼容性、稳定性和实用性，这一时期建成较有代表性的大型监测自动化系统包括小湾水电站监测自动化系统和黄河小浪底大坝监测自动化系统。

2010年以后，中国多座巨型电站建成运行，监测自动化系统也迎来了建设的高峰期。特别是作为水利行业标杆的南水北调、三峡等工程监测自动化系统的投入运行，标志着中国监测自动化系统已达到成熟应用阶段。

2 监测自动化关键技术

监测自动化系统是利用计算机、传感技术以及信息搜集处理技术，实现大坝观测数据自动采集处理和分析计算，对大坝性态正常与否做出初步判断和分级报警的观测系统。采集控制、通讯传输和管理系统是其关键技术。

2.1 采集控制

测量控制单元（MCU）是监测系统的核心设备，其主要功能是传感器信号采集、测点切换、A/D转换，数据通信、数据传输、数据存储、电源管理和时钟等。测量通道的复用性（能采集电流、电压、电容、电感、振弦、差阻等信号）、测值稳定性、采集时间、采集方式（单点测量、选点测量、定时测量）、电源管理等直接关系到自动化系统的运行状态。南瑞的DAU3000数据采集单元可混合接入各类电测传感器，全并行系统架构，具有设备状态、供电电源和运行环境在线监控功能。

2.2 通讯传输

通讯传输是连接測量控制单元与管理系统的枢纽，包括有线传输和无线传输。有线传输采用双绞线、光纤为介质，无线传输采用移动网络、通讯卫星、wifi、网桥等。对一个具体工程，通常是综合应用多种通讯手段，组成通讯网络。三峡工程内观自动化系统采用光纤环网，DAU之间采用RS485通讯、NMU之间、NMU到监测中心站采用光纤通讯。苗尾水电站外观自动化系统采用以太网星型结构，基准站点采用无线网桥通讯;机器人测站采用双绞线到光端机，再通过光纤传输至中心站。

2.3 管理系统

管理系统是监测自动化面向用户的窗口，用户通过监测管理系统实现采集控制、数据管理、模型分析和预测预警。目前，每个工程、每家监测单位、每个管理机构都有自己的监测管理系统。针对工程不同建设时期，监测管理系统的侧重点不同。当然，即时采集、自动触发、报告自动生成、三维可视、模型分析与预警预报是管理系统的重要功能。

3 应用现状

监测自动化通过监测技术实现实时监控，主要作用是为监测对象安全运行服务，为工程安全决策提供准确和及时的数据支持，同时减轻人力成本，提高工作效率，以适应信息化发展的要求。因此，建设监测自动化系统是大型水利水电工程发展的大势所趋。但安全监测本身是一项对精确性、可靠性和稳定性要求极高的工作，这就对自动化系统提出了更高的要求，水电建设者对实施自动化一般也持谨慎态度。部分水电站采取先实施局部监测自动化系统，积累经验后再应用到整个工程的策略，以确保监测自动化系统的成功建设。

中国规划的十三大流域水电基地中，由于各流域水电站建设时间不同，实施监测自动化的进度也有所不同。其中，黄河流域大部分水电站均已配备了自动化监测系统，包括拉西瓦、公伯峡、李家峡、小浪底、龙羊峡、万安水电站等，部分建设较早的水电站已经进行过一轮自动化更新改造。澜沧江下游水电站监测自动化系统建设也较为充分，具有代表性的是小湾水电站和糯扎渡水电站，其他水电站包括漫湾、大潮山、功果桥水电站也都已实现自动化。长江流域包括长江上游、金沙江、雅砻江等，目前只有少数电站安装了自动化监测系统，例如三峡、葛洲坝、锦屏一级、锦屏二级、官地、二滩水电站等。随着长江流域诸多巨型水电站的相继投入运行以及监测自动化技术的不断成熟，可以预见未来该区域将会是自动化系统建设的主战场。

3.1 内观监测自动化系统

单就接入传感器数量而言，目前中国已建成规模最大的水电站内观监测自动化系统是锦屏一级、二级水电站，共接入监测仪器12 000余支，其次是拉西瓦水电站（6 658支）、小湾水电站（6 391支）、三峡水利枢纽（5 229支）等;在建规模最大的水电站內观监测自动化系统是白鹤滩水电站，共接入内观监测仪器140 00余支，目前处于系统实施阶段。糯扎渡水电站自动化监测系统共接入内观传感器5107支，测量机器人测点114个，GPS测点54个，是中国综合规模最大的自动化监测系统之一。南水北调中线工程接入监测自动化系统传感器共计31 343支，是目前世界上接入内观传感器数量最多的自动化系统，由于系统过于庞大，工程分为3个标段实施，建成后由35个管理处共同管理。典型水利水电工程监测自动化系统规模及设备厂家见表1。

3.2 外观监测自动化系统

近几年来，随着技术进步及国产设备的进一步普及，表面变形监测自动化系统建设项目越来越多，规模较大的有溪洛渡水电站、乌东德水电站、白鹤滩水电站等，这些外观自动化监测系统在进行数据处理过程中采用了大量新技术。从外观监测自动化系统设备来看，徕卡最新型测量机器人及GNSS设备应用相对较多。

近年来，长江空间信息技术工程有限公司在变形监测自动化系统数据处理及系统集成方面取得了较大的进步，在数据处理及测量控制领域，开发了全新的测量机器人控制软件，将以往采用极坐标法的观测方式革新为边角交会观测方式，结合现代先进通信技术，研制了具有实时传输功能的智能气象传感器，将人工观测及处理时采用的数据预处理、边长气象改正、平差计算应用到自动化系统中，使变形监测自动化系统数据成果的可靠性、精度大幅提升。典型水利水电工程监测外部变形监测自动化系统规模、设备厂家及系统管理软件见表2。

4 自动化仪器厂家

自动化仪器厂家是推动监测自动化技术进步的底层力量，其产品质量好坏直接关系到系统的可靠性、稳定性等指标。

目前中国较具代表性的自动化仪器厂家为南瑞集团公司，其推出的DAMS系列产品在中国具有极高的市场占有率，典型应用案例包括三峡水利枢纽、锦屏水电站、小湾水电站、拉西瓦水电站、引黄入晋等工程。为了解决巨型水电站自动化系统分布广、数据传输效率低的问题，南瑞集团公司还开发了网络管理单元（NMU）技术，将系统分为多个子区域，再通过主干网将各子区域信号通过TCP/IP协议传输至上层管理站。其他自动化系统包括北京木联能公司研制的LN1018-Ⅱ系统、南京水利水文自动化研究所的达捷DG系统、北京基康公司的BGK-MICRO系列系统，在不同工程中均有应用。近年来，长江科创CK-MCU系列产品在白鹤滩、向家坝、溪洛渡水电站进行了大规模应用，其自动化管理系统采用B/S结构，具有一定的先进性。中国的自动化产品通过多年的工程实践和不断的改进完善，技术已经渐趋成熟，数据采集端已经具有较高的实时性、稳定性和可靠性，可采用双绞线、光纤、无线等传输介质对采集设备进行连接，可接入多种类型的传感器，并具有较强的抗干扰、抗雷击和防潮性。

国际上最具代表性的自动化仪器厂家是美国Campbell Scientific公司，其生产的CR1000主机和LNX200振弦式采集模块被世界大多数监测仪器制造商（包括基康、新科、ROCTEST、SUTRON、达汉、英国岩土等）用作其系统的采集单元，在中国的典型应用案例包括南水北调中线工程和糯扎渡水利枢纽工程。澳洲Thermo Fisher公司生产的DTMCU系列产品因其先进的万能通道技术和信号隔离技术，也逐渐在中国展开应用。此外，20世纪中国引进的美国Geomation 2380系列产品也应用到黄河小浪底、二滩水电站等工程，但系统因为防潮性和抗干扰性较差，现在基本都处于停运状态。和中国自动化設备相比，国外设备具有较强的测值稳定性，但在应用中也遇到很多问题。首先是国外自动化采集设备故障率高，进口设备维护费用高，采购周期长，不利于系统长期维护;其次是数据采集软件和其他系统软件兼容性差，不利于后期系统集成;再者，由于国外已经没有差阻式传感器，其数据采集设备到中国后需要做改进和调试，影响测值准确性和可靠性。当前市面上几款主流采集控制单元参数对比见表3。

5 监测自动化系统展望

大坝安全监测自动化系统经过几十年的技术积累，无论是在软、硬件方面，还是在数据传输上，均已取得突飞猛进的发展。在安全监测自动化系统软硬件及成果展示，处理及分析方面，众多学者做了有益的探讨与展望。

5.1 监测数据采集、传输与处理智能化

物联网已成为重要现代信息技术，作为物联网的“触手”，传感器在当今信息时代发挥着至关重要的作用。大坝安全监测周期长，特别是埋入式仪器，需要服役30 a以上，因此，其耐久性和稳定性必须得到保证。目前传统的振弦式和差阻式传感器应用较多，耐久性和稳定性较好，但是其智能化水平较低，导致采集手段相对落后[7]。未来研发的安全监测传感器除了需要具备一般消费类传感器的低功耗、低延迟、数据采用率高、易于集成、存储、无线传输等性能外，还需要具备传统工业类传感器的高可靠性和耐久性。此外，将来甚至可以研究低功耗、高续航能力的埋入式传感器无线传输技术，减少电缆牵引工作，大大提高传感器成活率。

传感器的智能化必将带来采集系统的智能化，采集系统可以根据传感器的自身属性，进行智能化数据处理，对监测物理量变化过大的可自动重测或报警，减少人工参与数据处理，提高数据采集与处理的效率和可靠性。

5.2 基于BIM技术的监测成果可视化

随着特大型水利水电工程建设的开展，创新性的建筑材料、复杂结构设计方案及施工方法不断被提出。为了保证大坝及其建筑物等大型复杂结构设计的安全性、耐久性和使用功能舒适性，实现安全监测系统可视化功能的需求越来越迫切[8-10]。目前多数大坝安全监测自动化系统仅限于数据采集、传输、保存、处理及初步分析，在监测成果与结构信息的可视化交互方面的功能不完善，不能及时反映监测成果所代表的结构健康状态。近年来，BIM应用越来越广泛，以建筑对象的各项相关信息数据作为基础，建立三维数字化模型，为众多建筑从业部门处理繁多数据提供了一个信息交互与共享平台。引入BIM技术实现监测信息的三维可视化，使得监测成果更容易、更直观理解，提高监测自动化系统的交互性和效率。

5.3 智能诊断与决策支持

监测自动化系统的最终目标是为数据分析、预测与预警、智能诊断与决策提供支持服务[11-12]。目前中国监测信息管理系统数据分析和管理端技术得到了长足的发展，但是系统建设尚没有标准化，针对单个系统具有一定的实用性，并不具有普遍性，市面上也没有成熟、可靠的产品出现。究其原因，监测数据分析的实践性和技术性极强，数据要结合具体的坝体结构、地质结构、施工工况、环境条件等因素综合分析，无法通过简单的数据建模解决。一套成熟的数据综合管理软件必须要有强大的专家库作为支撑，建立评判准则，结合必要的数学分析模型，例如回归统计分析、神经网络、支持向量机、灰色系统等，对监测物理量及监测对象健康进行正反演分析，拟定监控指标，实现实时安全监控与预警的目标。

5.4 变形监测智能化

大坝外部变形监测自动化技术（包括测量机器人、GNSS）已经在土石坝中成功应用，数据处理一般采用极坐标法、单基线向量进行位移计算，所采集的数据精度能满足规范、规程的要求，但应用于精度等级要求较高的混凝土坝及岩质边坡变形监测时，变形监测精度还需要进一步提高[13-14]。因此有必要研究精度更高的外部变形监测自动化观测方法和开发智能化数据处理软件，以满足混凝土坝、岩质边坡等监测对象变形监测的要求。

5.5 规范规程修订

随着计算机软硬件、通信技术发展，目前安全监测自动化系统的相关设备也有较大的技术革新[15-16]。通过目前中国多个水利水电工程安全监测自动化系統的实施，笔者认为有必要对DL/T 5211-2005《大坝安全监测自动化技术规范》进行修订，对在实施过程中可能碰到的问题的解决方案进行完善，如明确接入自动化传感器的相关要求，对接入仪器比测方法和标准进一步明确，完善系统运行维护的相关内容等。

6 结语

本文对安全监测自动化的发展历程进行了阐述，系统梳理了监测自动化系统的关键技术，对中国安全监测自动化系统的设备厂家、系统实施情况、运维情况进行了较详细的调研。在此基础上，对安全监测自动化系统的未来发展，特别是在智能化数据采集、传输与处理，自动化系统三维可视化，人工智能辅助决策，外部变形监测自动化及相关规程规范修订方面，提出了一些参考性的意见与建议。随着现代信息技术的进步，结合智能传感器、测量机器人及GNSS系统，未来安全监测系统可以做到从数据采集、传输到存储、处理与分析、可视化、判别与决策的全流程智能化管理，同时结合智能巡检，完成监测对象的现场无人管理和值守，实现真正意义上的安全监测自动化系统的智能化监测实施与管理。

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