鄂北地区水资源配置工程安全监测自动化系统设计

严谨 权录年 董平

摘 要：针对鄂北地区水资源配置工程线路长、建筑物种类及数量多的特点，阐述其工程安全监测项目设计方案。在工程试通水及通水初期，通过监测数据和人工巡查，评估各建筑物安全状况。根据工程远程监控、在线管理的应用需求，提出了三级架构的工程安全监测自动化设计方案，进一步保证了数据采集的及时性，增强了监测成果的可靠性，也为数字孪生工程应用奠定了一定的基础。

关键词：水资源配置；安全监测；远程控制；自动化系统；鄂北地区

中圖法分类号：X171；TV74                                  文献标志码：A

1 工程概况

鄂北地区水资源配置工程是在不影响南水北调中线工程调水规模和过程的前提下，通过工程措施将《南水北调中线工程规划》中分配给湖北省的水量（11.07亿m3）以及少量的、通过置换汉江中下游干流供水区水源调剂出来的水量（2.91亿m3）引调到唐西、唐东区和随州府澴河北区、大悟澴水区进行水资源配置，解决鄂北地区水资源短缺问题，满足鄂北受水区生活、生产以及生态用水需求，促进鄂北地区经济社会可持续发展的战略性基础工程[1]。

工程线路先后穿越襄阳市的老河口市、襄州区、枣阳市，随州市的随县、曾都区、广水市以及孝感市的大悟县，终点为大悟县城附近的王家冲水库，线路总长度269.67 km，设计引水流量38.0 m3/s。工程沿线由取水建筑物、暗涵、渡槽、隧洞、明渠、倒虹吸、水闸、水库及排洪建筑物组成。

工程具有线路长、建筑物种类及数量多、调度及运行管理难度大的特点[2]，为了掌握工程建筑物各阶段的安全性状，保障工程的正常调度运行，有必要依据工程特点和智能化水利工程的发展需要，设计鄂北地区水资源配置工程安全监测自动化系统以保证数据采集的及时性，增强监测成果的可靠性。

2 安全监测设计方案

依据《水利水电工程安全监测设计规范》《土石坝安全监测技术规范》《混凝土安全监测技术规范》确定工程监测项目，并根据初期通水监测成果进行自动化系统监测设计。工程监测布置综合考虑建筑物结构特点、地质特征、设计要求等因素，以输水线路中重要建筑物监控为主，了解隐含风险，找出其薄弱环节和制约建筑物安全状态的控制因素和部位。

不同建筑物类型的安全监测项目设计方案见表1。设计方案充分考虑了工程的水文、地质等自然条件和工程建筑物特征，监测断面均为各类建筑物有代表性的部位，能较全面地反映建筑物的性状；测点的布置比较全面，且相对集中，便于相互校核；电缆敷设线路综合考虑了仪器电缆接入现地测站较短、现地测站相对集中、施工相对方便且相互干扰尽量少等因素[6]。巡视检查是设计方案中除仪器监测项目外必不可少的内容，监测人员根据现场检查情况，结合监测数据对建筑物安全性状进行综合分析。

3 初期监测成果分析

工程安全监测仪器埋设完成后，取得相应的基准值。对单体试通水、试通水及通水初期明渠、暗涵、隧洞、渡槽、倒虹吸、水闸等建筑物中埋设仪器的监测结果进行初步分析。

通水期间，明渠位移变化量为1.91 mm，渗压变化量较小，变形基本稳定；渡槽槽身的钢筋应力变化范围在-7.97～9.19 MPa之间，钢筋应力整体变化不大，大部分处于受压状态；槽身混凝土钢筋应力受温度影响较大，当温度升高时混凝土压应变增大，温度降低时压应变减小；混凝土应变与同部位钢筋应力状态基本一致，各锚索预应力值均变化较小。倒虹吸、水闸、暗涵和隧洞等部位在通水前后变形、渗压、应力均变化较小。

监测成果符合施工期和试通水阶段建筑物工作状态的一般规律，表明建筑物运行性态基本正常。当前安全监测均采用人工数据采集，由于工程距离长、建筑物种类及数量多，耗费大量人力和物力，通常人工监测的频次为1个月1～2次，无法保证监测数据的及时性，特别是受温度变化影响较大的钢筋应力等重点监测项目的人工监测频次较难满足实际安全监测需要，且人工观测数据的准确性宜受观测人员记录、录入等多个环节影响。为提高工程安全监测系统的及时性和可靠性，满足后期运行管理“无人值班、少人值守”的先进管理水平，迫切需建立一套远程监控、在线管理的监测自动化系统。

4 监测自动化系统设计

工程安全监测自动化系统设计主要遵循以下原则：①系统可靠、功能实用、组网合理、维护保养方便；②具有开放性，采用国际主流技术和平台，使系统具有良好的纵向和横向的兼容性，为系统集成预留接口；③具有可扩展性，设备可方便地通过添加模块，增加远程端口和本地端口数，为将来系统规模扩大和接入新的分中心提供网络接口；④自动数据采集系统能够正确反映本工程建筑物的工作性态和不同时期的变化情况，系统设备性能要求低故障、高可靠性。

工程安全监测自动化系统采用分布式数据管理及远程通信管理，具有可靠性、实时性、精确性、兼容性、可扩展性和可维护性，减少了人为因素对监测结果的影响，增强了成果的可靠性，使管理人员能够实时掌握工程运行状态，做出科学合理的决策，使管理达到“无人值班、少人值守”的现代化水平。工程监测自动化系统组成如图1所示。

调水工程不同于其他工程，具有线路长，管理处分散的特点，结合工程自动化调度运行管理系统的网络结构[7]，安全监测自动化系统设计架构分为三级：第一级为现场监控级（现场监测站）；第二级为现场管理级（现场建管部），按行政区域分布3个现场建管部，分别为丹襄建管部、枣随建管部和广悟建管部；第三级为监控中心（鄂北水资源工程建管局）。

监测自动化系统的设计主要包括数据采集、数据通信、信息管理及综合分析四个部分。

4.1 数据采集

数据采集包括MCU（数据采集装置）自动采集、集线箱采集、人工采集和巡视检查等[8]。鄂北水资源配置工程沿线共布设有57个现场监测站，共采集基础变位计、位错计、测缝计、测斜仪、径向变位计、纵向变位计、多点位移计、渗压计、应变计、无应力计、钢筋计、钢板计、锚杆应力计、锚索测力计、温度计、土压力计和水位计等2 675支传感器，每个现场监测站内放置1～5套数据采集装置。数据采集装置采集各类监测仪器的信号并进行存储。监测设备的选择突出长期性、稳定性、可靠性，且便于实现数据的自动采集和自动化监测，并留有人工观测接口。

4.2 数据通信

数据通信包括现场监控级、现场管理级监控中心间的数据通信，以及同系统外部的网络计算机之间的数据通信。由于监测仪器分布分散，间隔距离较长，数据通信采用有线、无线通信方式相结合，监测传感器定时自动采集数据，再通过自建光纤专网或租用4G公网的网络上传到鄂北水资源工程建管局数据中心，同时按管辖权（授权）同步到各建管部，建管局可随时召测各地测站的实时监测数据并监控各测站设备的运行情况，保证了数据的实时性和可靠性，另外数据的通信和同步策略也适合调水工程的特点。

4.3 信息管理

信息管理包括对原始数据的可靠性检验和必要的处理，使之成为可供分析用的实测资料，并将其存储管理。现场人工数据由各建管部从业务专网将数据录入至建管局数据中心库。为了确保数据的一致性，各建管部的历史数据直接从建管局采集。建管局采集的各类信息存入专业数据库，加工整理并确认后作为各应用系统进行业务工作的数据来源，在一定的授权下也可作为公共的信息资源供其他应用系统使用。

自动化监测数据直接通过软件平台存入指定服务器。运用软件平台实现基础的数据管理功能，用户可以对工程信息、仪器信息和仪器监测数据进行管理操作。软件平台具有开放式数据结构，采用高度结构化的信息存储方法，保护存储信息的高度一致性和完整性，满足信息检索、分析等要求，便于用户对系统进行管理、維护。

4.4  综合分析

水利工程安全状态综合评价本质上是一个多层次、多指标的复杂分析评价问题，综合分析是对监测数据进行初步分析、评价及预警[9]。除了人工分析和评价，运用软件平台也可以实现数据管理和资料分析功能。数据管理主要实现对安全监测数据的管理，包括增、删、改、查、成果值转换等数据操作以及误差处理、过程线显示、数据整编成册、过程线整编成册等功能；资料分析则主要实现安全监测资料的初步分析，包括相关性分析、分布图分析、统计模型分析、监控指标分析以及应变计组分析计算等功能。

5 结论及建议

工程安全监测作为工程安全运行的“耳目”，对工程运行管理起到重要作用。鄂北水资源配置工程监测项目和仪器设施布置满足工程各建筑物运行性态分析评价的需要，施工期和通水初期的安全监测成果表明，各建筑物运行性态基本正常。少量建筑物在通水期间发现异常，但经过处理和分析后不影响工程正常运行。

提出的三级构架的安全监测自动化设计方案，满足鄂北水资源配置工程监测自动化系统的实际需求，具有一定的推广应用价值。

后期工程的安全监测自动化系统可在监测数据自动采集的基础上，借助视频监控、无人机移动监测等新技术感知工程全线，通过光纤、互联网、物联网等手段构建各子系统间、现地与各建管间广覆盖、大容量、全天候的全面物联。

综上，将安全监测自动化系统纳入工程自动化调度运行管理系统中进行统一管理，可实现感知设备的统一接入、集中管理、远程调控和数据共享，进而为运行管理平台提供监控预警模型、BIM+GIS模型以及专业数据分析和决策支持。

参考文献：

[1] 李文峰，姚晓敏，孙国荣. 鄂北地区水资源配置工程设计综述[J]. 水利水电技术，2016，47（7）：9-13.

[2] 沈松勇，李喆，季庆辉，等. 鄂北地区水资源配置工程建管信息系统研发[J]. 长江科学院院报，2016，33（11）：68-72，7.

[3] 杜泽快，胡长华. 滇中引水工程输水隧洞安全监测设计原则研究[J]. 人民长江，2019，50（10）：157-161，170.

[4] 魏治文. 鄂北地区水资源配置工程PCCP管道安全监测[J]. 人民长江，2018，49（增刊1）：106-109.

[5] 陈长江，刘心愿，陈栋，等. 鄂北地区水资源配置工程夹河套段倒虹吸防护研究[J]. 长江科学院院报，2018，35（7）：57-62.

[6] 张颖军.长距离输调水工程安全监测设计问题探讨[J].水科学与工程技术，2009，（6）：64-66.

[7] 夏玉龙，何永煜，陶锋. 鄂北地区水资源配置工程通信专网建设实践[J]. 水利水电快报，2020，41（10）：74-79.

[8] 王珍萍，刘枫，马洪亮. 南水北调中线干线工程中的安全监测[J]. 人民长江，2015，46（23）：91-94.

[9] 黄跃文，牛广利，李端有，等. 大坝安全监测智能感知与智慧管理技术研究及应用[J]. 长江科学院院报，2021，38（10）：180-185，189.

Design of Safety Monitoring Automation System for Water Resources Allocation Project in Northern Hubei Province

Yan Jin1，Quan Lunian2，Dong Ping1

（1.Hubei Institute of Water Resources Survey and Design，Wuhan 430070，China；2. China Three Gorges Construction Engineering Corporation，Chengdu 610041，China）

Abstract：The water resources allocation project in northern Hubei Province is featured with long water conveyance line，diverse types and numerous buildings. The design scheme of the project’s safety monitoring is expounded，and the safety status of each building is evaluated through monitoring data and manual inspection during the trial water supply and initial water supply of the project. In accordance with the requirements of remote monitoring and online management of the project，a three-level framework of safety monitoring automation design is proposed. The framework further ensures the timeliness of data collection and enhances the reliability of monitoring results，and also lays foundation for the application of digital twin projects.

Key words：water resources allocation；safety monitoring；remote control；automation system；northern Hubei Province