安全生产_大坝安全监测解决方案

大坝安全监测系统大坝安全监测系统 解决方案解决方案 目录目录 第第 1 章章 概论概论3 1.1 系统概览.3 1.2 历史回望.3 1.3 现状分析.4 1.4 目标阐述.4 第第 2 章章 总体设计总体设计6 2.1 设计原则及依据.6 2.2 系统体系结构.7 2.3 信息流程.10 2.4 系统组成.11 2.5 系统功能.12 第第 3 章章 信息采集系统信息采集系统14 3.1 需求分析.14 3.2 技术解决方案.14 第第 4 章章 通信网络系统通信网络系统20 4.1 测控单元和监测中心之间的通信.20 4.2 监测中心和监测分中心之间的网络.25 第第 5 章章 软件系统软件系统27 5.1 建设原则.27 5.2 技术解决方案.28 第第 1 1 章章 概论概论 1.11.1 系统概览系统概览 大坝作为特殊的建筑，其安全性质与房屋等建筑物完全不同，大坝安全出 现问题，将会引发大坝下游一定范围的人员和财产、环境损失。在加强水利建 设的大环境下，提高水工建筑物的安全，特别是提高大坝安全监测水平，保证 水库大坝的安全，是关系到国家利益和社会稳定的头等大事。大坝安全监测系 统主要由观测传感器、遥测数据采集模块、工业控制网络和自动监测管理软件 系统组成，通过计算机的工作，能够实现大坝观测数据自动采集、处理和分析 计算，对大坝的性态正常与否作出初步判断和分级报警为监测对象提供早期安 全预警报告的自动化系统。建立大坝安全自动监测系统，可以缩短数据采集周 期，提高大坝观测的工作效率，减轻劳动强度；并能充分利用水库调蓄能力， 使其在防洪和供水两方面发挥最大的效益，同时可提高水库管理水平，及时发 现大坝隐患，为水库的安全运行提供有力的保障。 1.21.2 历史回望历史回望 大坝安全监测系统在西方发达国家已有 30 多年的历史。如法国要求对高于 20 的大坝和库容超过 1500 万的水库，均需设置报警系统，并提出垮坝后 库水的淹没范围、冲击波到达时间、淹没持续时间和相应的居民疏散计划等。 而葡萄牙大坝安全条例（1990）也要求大坝业主提交有关溃坝所引起洪水波传 播的研究报告，编制下游预警系统、应急计划和疏散计划。美国的联邦大坝 安全导则和加拿大的大坝安全导则都强调要求采取险情预计、报警系统、 撤退计划等应急措施，以便万一发生不测时，将损失减少到最小程度。1976 年 美国 92.96 高的堤堂坝（）失事前，大坝管理机构根据大坝安全 监测系统监测到的事故的发展状况及时通过下游的行政司法当局向可能被淹的 群众发出警报，有组织地进行人员疏散，尽管大坝失事后堤堂河和斯内克河下 游 130km，约 780 km2的地区遭洪水肆虐，造成 25000 人无家可归、损失牲畜 约万头的巨大物质损失，但人员死亡只有 11 人，初步体现了大坝安全监测系 统的重要意义。 1.31.3 现状分析现状分析 中国已建成近 8.5 万座水库，数量居世界首位。但是，由于历史原因，这 些水库大部分防洪标准偏低，且大都存在不同程度的质量问题。一些水库大坝 的病险情况较为严重，影响了水库综合效益的发挥，也严重威胁着人民生命财 产安全。为了确保水库大坝的安全运行，充分发挥水利工程的预期效益，对水 库大坝实施安全监测和科学管理，已成为中国各级水行政主管部门所面临的一 个迫切需要解决的重大问题。 大坝监测自动化经历了从单台仪器遥测、专用测量装置、集中式数据采集 系统到分布式数据采集系统的发展过程，其发展与基于仪器设备的监测系统的 发展和进步密切相关，而监测系统的发展是以所有监测元件的迅猛发展为标志 的，包括从相关的传感器、测量仪器到转换、处理、存储、打印和分析设备的 发展。 目前，全国的大部分的水库大坝监测报手段落后，测验设施设备老化，信 息的采集精度低，甚至很多水库没有对大坝的监测手段。大坝带病运行，一旦 遇大洪水来临严重威胁大坝及下游人员和财产安全。因此，迫切需要建设一套 自动化程度高、有先进的大坝监测系统，以提高防洪减灾能力，保障人民生命 财产的安全。 1.41.4 目标阐述目标阐述 大坝安全监控系统是一个庞大的系统工程，并且具有涉及信息量大、覆盖 的知识面广等特点。众所周知，大坝安全监测仪器是人们了解大坝运行状态的 耳目，它要能够在恶劣环境下长期稳定可靠的检测出大坝微小的物理量变化， 所以在某些方面（如在测量精度、长期稳定性方面）与其它工业监测行业相比， 其要求更高、难度更大。从外部观测的静力水准、正倒锤、激光准直到内部观 测的渗压计、沉降计、测斜仪、土体应变计、土压计，其自动化遥测都是建立 在高可靠性的传感器的基础上。近年来，随着大型水坝建筑的增多和高科技的 应用，大坝安全监测正向一体化、自动化、数字化、智能化的方向发展。 大坝安全监测系统建设的总的目的是以国家对大坝安全监测工程建设的标 准和要求为依据，以实时采集监测信息并传输到大坝安全监测中心进行分析、 处理为目的，将现代化工业自动化控制、现代通信技术、计算机网络技术、数 据库技术、地理信息技术和信息分析预测技术与大坝安全监测业务需求紧密结 合，建成一个先进实用、高效可靠、自动化程度高的大坝安全监测系统，达到 监测数据采集自动化、传输网络化、处理标准化、分析科学化，有效地提高水 情信息采集、传输、处理、分析、预报的准确性、可靠性，更好地为各级大坝 管理部门的决策和指挥抢险救灾提供科学依据。 第第 2 2 章章 总体设计总体设计 2.12.1 设计原则及依据设计原则及依据 2.1.12.1.1 设计原则设计原则 1.1. 实用性实用性 适应施工期、蓄水期、运行期及已建工程更新改造的不同需要，便于维护 和扩充，每次扩充时不影响已建系统的正常运行，并能针对工程的实际情况兼 容各类传感器。能在温度3060、湿度 95以上及规定水压条件下正常 工作，能防雷和抗电磁干扰，系统中各测值宜变换为标准数字量输出。操作简 单，安装、埋设方便，易于维护。 2.2. 准确性准确性 对于大坝安全监测系统而言，信息的准确性直接关系到决策的成败。因此 该系统在监测数据自动采集、传输、处理等工作环节的设备选型和技术处理上 要充分考虑误差控制和误差处理，确保提高系统整体的准确性。 3.3. 可靠性可靠性 为保证系统长期稳定运行，观测数据具有可靠的精度和准确度。系统设备 能自检自校及显示故障诊断结果并具有断电保护功能，同时具有独立于自动监 测量仪器的人工观测接口。 4.4. 先进性先进性 力求高起点，既满足现实需求，又适应长远发展的需要，确保系统所采用 的技术与当前技术发展趋势保持一致，并便于系统的扩展、升级和优化。 5.5. 开放性开放性 坚持统一标准，采用行业标准和规范进行统一设计，按开放式系统的要求 选择设备，组建系统，以利于调整和扩展，便于信息的共享。 6.6. 经济性经济性 系统设计时坚持经济性原则，在功能和采集范围上可多可少，可大可小， 以满足不同投资规模和不同建设规模的需要，在追加投资后系统能方便的扩充 功能和扩大监测范围。系统采用为分布式结构，设备间连线简单，施工费用极 低。整体优化设计，强化软件，简化硬件，降低了设备造价。 2.1.22.1.2 设计依据设计依据 混凝土大坝安全监测技术规范（DL/T5178-2003）； 土石坝安全监测技术规范（SL/60-94）； 水利水电工程测量规范（DLJ202-81）； 水利水电工程施工测量规范（SL52-93）； 国家一、二等水准测量规范（GB50026-93）； 国家水电工程测量规范（DLJ202-81）； 水位观测标准（GBJ138-90）； 水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范（SL 47）； 砌体工程施工及验收规范（GB 50203）； 水利水电工程钻探规程（DL 5013）； 大坝安全自动化监测系统设备基本技术条件（SL268-2001）； 土石坝安全监测资料整编规程（SL169-96）； 混凝土拱坝设计规范（SL282-2003）。 2.22.2 系统体系结构系统体系结构 根据业务需求的分析，确定系统的体系结构由采集层、通信层、网络层、 数据层、应用层 5 部分组成。系统体系结构如 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.所示。 综合数据库 变形 监测 数据 库管 理系 统 资料 整编 系统 信息 采集 处理 系统 采集层 应用层 渗流 监测 计算机网络层 通通信信层层 应力、应变及温度或 压力（应力）监测 环境量或水 文、气象监测 统计 分析 预警 系统 WEB 查询 系统 图图 1 1 系统体系结构图系统体系结构图 2.2.12.2.1 采集层采集层 采集层是信息来源的基础，通过不同的监测方法和技术来完成，主要监测 项目为: 1.1. 变形监测变形监测 变形监测包括水平位移（横向和纵向） 、垂直位移（竖向位移）坝体及坝基 倾斜、表面接缝和裂缝监测。对于土石坝除设有上述变形（称之为表面变形） 监测项目外，还设有内部变形监测。内部变形包括分层竖向位移、分层水平位 移、界面位移及深层应变观测。对于混凝土面板坝还有混凝土面板变形监测， 具体包括表面位移、挠度、应变及接缝开度监测。另外岸坡及基岩表面和深层 位移监测也属变形监测。 2.2. 渗流监测渗流监测 混凝土坝渗流监测包括坝基和坝体扬压力、坝基和坝体渗漏量、绕坝渗流 和地下水位监测。 土石坝渗流监测包括坝体渗流压力、坝基渗流压力、绕坝渗流、渗流量监 测。 3.3. 应力、应变及温度监测或压力（应力）监测应力、应变及温度监测或压力（应力）监测 混凝土坝的应力、应变及温度监测包括混土的应力和应变、无应力、钢筋 应力、钢板应力、坝体和坝基温度、接缝和裂缝开度监测。 土石坝的压力（应力）监测包括孔隙水压力、土压力、接触土压力、混凝 土面板应力监测。 4.4. 环境量监测或水文、气象监测环境量监测或水文、气象监测 大坝所在位置的环境对大坝和坝基工作性态有重大影响，需予以监测。监 测项目有大坝上下游水位、水温、气温、库区雨量等。 以上四大类监测项目涉及几十种物理量的监测，每一种物理量监测都需要 在设计时布置必要的测点、选择适当的监测仪器。 监测项目的选择和测点的设计布置在两部规范中按照工程等级、建筑物等 级、坝型、坝基和基岩地质条件以及大坝设计施工的特点作了规定。监测项目 和测点布置既不能太多，也不太少，力求保持在合理水平，可参照前面述叙的 国际上的相应指标，即监测设施和实施费用相当于工程总造价的 1%来确定。大 中型工程或大坝安全特别重要的小型工程均应考虑到现代化管理的需要，即实 现主要监测项目的自动化。 2.2.22.2.2 通信层通信层 通信层是监测数据传输交流的基础，是数据传输的介质。系统现场采集的数 据可以通过有线数据通信（现场总线）或无线数据通信的方式传输到监测中心， 其中有线数据通信最远距离可以达到十几公里，无线数据通信距离可以达到数 十公里。在采用有线数据通信子网和无线数据通信混合结构时，系统数据传输 具有路由自动判断机制，可以提高数据传输可靠性。 2.2.32.2.3 网络层网络层 网络层主要指是监测中心或者分中心的计算机网络，主要是为应用软件系 统运行的基础环境，是日常行政办公、内部信息交流、信息共享的网络基础。 2.2.42.2.4 数据层数据层 数据层是整个业务综合数据的平台，是业务应用软件系统运行的基础，由 多个相对独立又互有关系的数据库组成，该数据层主要是监测数据库部分。主 要包括基本数据库、监测数据库、实时数据库、历史数据库、空间地理数据库 等。 2.2.52.2.5 应用层应用层 应用层是以大坝安全监测管理软件为核心，主要进行监测数据的接收、检 测、计算处理、存储、分析、安全评价预警、统计、整编、查询等过程。大坝 安全监测管理软件包括信息采集处理系统、资料整编系统、统计分析预警系统、 WEB 查询系统、数据库管理系统。 2.32.3 信息流程信息流程 该系统的总体信息流程如 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.所示。 监测信息 通信系统 传输 综合数据库 数据 库管 理系 统 资料 整编 系统 信息 采集 处理 系统 计算机网络 统计 分析 预警 系统 WEB 查询 系统 传输 监测中心 综合数据库 数据 库管 理系 统 资料 整编 系统 信息 采集 处理 系统 统计 分析 预警 系统 WEB 查询 系统 监测分中心 综合数据库 数据 库管 理系 统 资料 整编 系统 信息 采集 处理 系统 统计 分析 预警 系统 WEB 查询 系统 监测分中心 图图 2 2 系统信息流程图系统信息流程图 主要的信息流程包括信息采集、信息存储、信息查询、信息统计分析预警、 数据库管理系统、信息展示。 信息采集：主要对所有接入系统中的各类监测仪器进行一定方式的自动化 测量，采集所测数据，并传送到中央控制装置集中储存或处理。 信息存储：主要通过信息采集系统对接收的数据进行解码、校验、入库、 存储。 信息查询：主要对入库的自动化测量数据根据任意时段和各点的数据进行 查询。 信息统计分析预警：主要对根据采集值和时间为轴，显示信号的时间变化 过程，时间轴可以定义，如秒、分、小时、天；数据库可以随时调出查看、编 辑、另行存储。对大坝监测数据进行离线分析处理、为大坝安全评判和运行管 理提供监控模型、监控数据图表。如自动采集的孔隙水压力过程线的显示页面 形式等等。 数据库管理：主要对根据监测数据进行数据转贮、数据库查询/修改、人工 插补等。 信息展示：主要对客户提供报表显示、图形形式、电子地图显示、报警、 视频图像等方式展示。 2.42.4 系统组成系统组成 大坝安全监测系统由信息采集系统、通信系统、网络系统、综合数据库系 统、应用软件系统，包括自动采集或人工观测埋入坝体或安装的传感器 (大坝 的变形、渗流、应力应变、温度、降雨、水位、气温和地震等)等、测控单元 （MCU）上位机、监测中心、监测分中心组成，系统组成如 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.所示。系统结构采用分布式体系结构，数据采集工作分散到 靠近较多传感器的测控单元来完成，然后将所测数据传送到主机。系统每个观 测现场的测控单元都是多功能智能型仪器，能对各种类型的传感器进行控制测 量。 通信系统 上上位位机机 MCU MCU MCU 网网络络层层 通通信信层层 采采集集层层 MCUMCU 工业现场总线 工业现场总线工业现场总线 数数据据库库服服务务器器监监测测工工作作站站 监控中心 数数据据库库服服务务器器 监监测测工工作作站站 监控分中心 数数据据库库服服务务器器 监监测测工工作作站站 监控分中心 静静 力力 水水 准准 仪仪 引 张 线 式 水 平 位 移 计 垂垂 线线 座座 标标 仪仪 电电 容容 式式 位位 移移 计计 渗 压 计 渗 压 计 电电 容容 式式 位位 移移 计计 渗 压 计 渗 压 计 电电 容容 式式 位位 移移 计计 渗 压 计 光 变 形 微 压 差 监 测 仪 图图 3 3 系统组成结构图系统组成结构图 2.52.5 系统功能系统功能 1.1. 传感器传感器 感应大坝变形、渗流、压力（应力）、应变、温度、环境量、水文、气象 等各种物理量，将模拟量、数字量、脉冲量、状态量等信号输入到测控单元。 传感器种类可分为：电阻式、电感式、电容式、振弦式、光纤式、调频式、压 阻式、变压器式、电位式等。 2.2. 测控单元测控单元 根据确定的观测参数、计划和顺序进行实际测量、计算和存储，并有自检、 自动诊断功能和人工观测接口。 根据确定的记录条件，将观测结果及出错信息与指定的监测中心或其他测 控单元进行通信。能选配不同的测量模块或板卡，以实现对各种类型传感器的 信号采集。 检测指点的报警条件，一旦报警状态或条件改变则通知指定的监测中心。 将所有观测结果保存在存储单元中，直到这些数据被监测中心准确接收完。 管理电能消耗，在断电、过电流引起重启动或正常关机时保留所有配置设 定的信息。并具有防雷、抗干扰、防尘、防腐，适用于恶劣温湿环境。 采集系统的运行方式有应答式和自报式两种，必要时也可采用任意控制。 3.3. 通信系统通信系统 通信系统根据站点情况采用有线或无线方式。且可以采用两种通信方式互 为备用信道，建立一套双信道互为备份的通信系统。 4.4. 业务应用系统业务应用系统 业务应用系统主要为大坝安全管理软件系统；可以在监测中心、分中心进 行数据接收、处理、存贮、分析、预警等功能。 对接收的数据进行容错校验、数据可靠性和准确度检查及数学模型检查， 数据存储、删除、插入、记录、显示、换算、打印、查询及仪器位置、参数工 作状态的显示，建立、标定安全监控数学模型、并进行影响因素分解及综合性 的分析、预报报警及安全性评价，以满足对大坝安全监测的需要。 综合数据库系统：可以对水文信息建立统一数据平台，统一数据格式，规 范数据标准，可以有效地进行数据共享，数据分析，为业务应用系统提供可靠 基础。也可以对其它相关系统的数据接入提供接口。 第第 3 3 章章 信息采集系统信息采集系统 3.13.1 需求分析需求分析 信息采集系统的主要任务是监测大坝变形、渗流、压力（应力）、应变、 温度、环境量、水文、气象等要素自然变化情况，它是一项基础和前期工作， 是大坝安全监测的耳目和参谋，是各大坝管理部门做出正确判断，发布正确指 令的理论依据。其质量和精度将直接影响大坝安全监测准确性，影响决策的科 学性。加强信息采集系统基础设施的建设，强化信息采集工作，提高观测自动 化程度成为当务之急。 水情信息采集系统需要完成以下任务： 实现大坝变形、渗流、压力（应力）、应变、温度、环境量、水文、 气象等观测量数据自动采集、存储，并满足实时自动传输的要求。 采用实用的观测设备，实现流观测量数据信息的人工及自动观测相结 合，实现人工采集及输入及自动计算和实时自动传输。 采集设备采用先进技术，使观测信息标准达到部颁建设标准。 3.23.2 技术解决方案技术解决方案 信息采集系统主要是由测控单元（MCU）、监测仪器组成。测控单元是分布 式系统的关键设备，是一种智能化、模块化的多功能装置，体积小巧，结构紧 凑，具有控制、测量、数据存储、防潮、防雷、抗干扰等各种功能，可安装在 监测仪器附近，实现监测仪器的自动巡测和选测。系统中的测控装置由通讯总 线连接到中央控制装置或微机，组成数据采集网络。中央控制装置或微机对网 络进行控制，可用不同的运行方式实现数据采集的自动化。 1.1. 测控单元测控单元 测控单元系统组成如 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.所示。 电源控 制单元 通信接 口单元 控制 单元 太阳能电源 交流电源 485总线及供电 数据 处理 单元 其它智 能模块 显示 单元 人工 设置 单元 监测模块 人机 接口 模块 手手操操器器P PD DA A 现现场场取取 端端终终端端 变形、渗流、 变形、渗流、压力（应力）、应 变、温度、环境量、水文、气象 等传感器监测仪 数据 存储 单元 图图 4 4 测控单元系统组成图测控单元系统组成图 测控单元 的主要技术指标如下 时基精度：0.01%，分辩率：0.001us； 温度精度：0.5，分辩率：0.1； 测量时间：23s/point； 通信接口：EIA-RS485，EIA-RS232，CAN bus； 存储容量：128kB； 工作电源：12VDC； 充电电源：220VAC/50Hz； 功耗：掉电：200uA，休眠：10mA，待机：20mA，测量300mA； 工作温度：25+60； 储藏温度：45+70。 测控单元的主要主要优点 功能强：测量控制单元（以下简称 MCU）可支持多达 80 个通道空间，多种 供电方式、多种通信方式可供选择，灵活的传感器接入方式，模块化的结构， 先进的参数设置能力，容易安装调试。 可靠性高、长期稳定性好：MCU 可以长期在无人值守的情况下可靠工作， 按照设定的工作方式，源源不断的将采集的数据发送到监控计算机数据库内。 容易构建系统：系统组网方便，提供了多种通信方式，有 RS232、RS485、 直接电缆连接和无线通信。测控单元的布置不受环境限制，系统规模可大可小。 同一接口模块一般都可以接不同类型的仪器，而且开发了功能集于一体的测量 模块，这为系统中测量少量的但不可缺少的参数提供了方便，可以减少系统的 投资费用。 通道配置能力强：接口模块中的同一个通道，既可以配置为测量振弦式仪 器，又可以配置为测量电阻、电压、电流、频率、Carlson 类型的传感器，其 中 ASM 模块的第十个通道还可以配置为脉冲类型的仪器，使仪器的配置提供了 极为方便，不会造成资源的浪费，可以减少系统的投资。 智能化：系统是一个通用监控系统，可以根据不同的现场环境，不同的监 测要求，可以方便的在控制面板或监控计算机上进行参数设置、修改等各种要 求，系统能自主稳定的进行工作，而不必要针对具体系统改动 MCU 内部监控软 件。对采集仪器的配置数据，直接下载到 MCU 中去，而不是存储在监控主机上。 分布式的智能节点网络控制技术：每个节点具有智能性，MCU 能够独立工 作，也能够在多节点的网络环境中工作，可以脱离网络而自主运行，进行测量、 控制、数据处理和通信。 具有较好的适应性和兼容性：可以应用在水利工程各个领域的数据监测； 网络通信可以采用多种传输介质；能与国际上著名的土工、大坝和环境监测仪 器供应商生产的传感器接口，可直接接入振弦式、差动电阻型、电流型、热电 偶、脉冲型和数值型传感器；部件标准化，具有互换性。 易于安装调试和维护：机箱内带有键盘和显示，可以在现场直接配置，调 试，显示内部信息；各个终端有信号灯指示可作为运行诊断，机箱可迅速打开， 检查各个开关接线插头等部件。 防雷性能强：系统的电源入口、通信入口和传感器入口都有很好的防雷措 施，可以保证系统能可靠的工作。 2.2. 变形监测变形监测 变形监测包括水平位移、竖向位移、挠度、倾斜及接缝和裂缝监测，对于 土石坝根据测点布置在坝面或是坝体内部分表面变形及内部变形监测。 人工监测：水平位移监测方法有视准线（针对直线性坝）、三角网前方交 会法等，采用经纬仪进行监测；垂直位移监测一般采用水准仪进行监测；土石 坝内部变形可用水管式沉降仪、引张线式水平位移计等进行监测；裂缝及接缝 监测一般采用于测缝计（测缝标点）监测。 随着科技的发展，变形监测已逐步采用自动化，可实现自动化监测的有垂 线、引张线、静力水准、真空激光准直、TS 移计差阻式（振弦式）测缝计等方 法。 其中引张线主要布置在直线性坝上（或廊道内）用于实现坝顶或坝基水平 位移监测，目前一种采用自动加水装置的双向引张线也正在试验中，引张线法 观测水平位移监测自动化必须首先保证引张线安装，满足规范要求，即线体张 力和自由度必须得到保证，为此安装时应进行精度和复位试验，其次就是选择 实用可靠的引张线仪。 垂线法是实现坝体水平位移及挠度监测自动化的较好方法，垂线有正倒垂 之分，其测点的测值都是相对锚固点（或是悬挂点）的相对值，在垂线设计时 首先要使垂线满足规范要求，同时要选择量好的监测仪器，同时要注意如下几 点： 选用人工观测设备时应尽量选择简单可靠、最好是固定安装在测点上的设 备，这种设备免去了每次安装对中的误差，也不易产生系统误差。如梅山大坝 在垂线测点的 X，Y 方向各安装了一台固定式坐标读数仪，其测量精度可达 0.2mm 以上；读数盘瞄准器也是一种固定式测量装置，可以达到 0.25mm 以上的 精度；陈村及纪村大坝由于采取了相似类型的仪器，加上管理得力，从而使垂 线测值的准确度有了保证。采用携带式光学垂线坐标仪时，必须要确保仪器定 期检验和校准，以确保在整个测量期间其精度不变，并在每次安装施测时严格 按规程操作。 采用自动化监测精度通常都高于人工监测，目前各类遥测垂线坐标仪的精 度均在 0.15mm 以上。但为了确保监测数据不致漏失，以及必要时进行校测，通 常与自动化监测设备并行布置一套人工观测设备。 裂缝及接缝监测主要采用差阻式测缝计实现自动化，由于国内南京自动化 设备厂生产的差阻式仪器在防潮、长期稳定性、性能价格比等方面具有较一定 的优势，因此在国内工程中得到广泛的应用。 3.3. 渗流监测渗流监测 渗流监测是大坝安全监测的重要项目，对于混凝土坝，渗流监测有：扬压 力（坝体、坝基扬压力）、渗漏量（包括坝基渗漏量和坝体渗漏量）、绕坝渗 流、地下水位、水质分析几个部分。土石坝渗流监测项目包括：坝体渗流压力、 坝基渗流压力、绕坝渗流，渗流量监测。 渗压（或浸润线）观测可采用测压管法和埋设渗压计法，测压管法具有可 进行人工比测、仪器更换方便等优点，但是也有容易出现泥沙淤积、孔口破坏 和测值滞后等缺点,因此在进行具体设计时要根据渗流特征和仪器情况进行确定。 渗流量监测一般采用容积法、量水堰法和流速法进行测量。容积法主要针 对单管渗流量进行监测（流量小于 1L/S）时，当流量在 1300L/S 之间时宜采 用量水堰法，当流量大于 300L/S 或受落差限制不能设量水堰时，可以将漏流水 引入排水沟，采用测流速法进行测量。 目前测水位的仪器较多，通过我们的应用经验认为，用于渗压监测效果较 好的是振弦式仪器。 4.4. 应力（压力）应力（压力） 、应变及温度监测、应变及温度监测 由于目前的设计规范均将强度校检作为设计坝体结构的标准之一，而温度 是坝体（特别是在混凝土坝中）应力及裂缝产生的重要因素，因此必须注意监 测，特别是对拉应力区、应力和温度梯度大地方。 应力、应变及温度监测目前大多采用差阻式仪器。 5.5. 环境量（水文气象）监测环境量（水文气象）监测 环境量是大坝运行性态发展的外因，对环境量（水位、气温、雨量等）进 行监测是资料分析的需要，因此必须加以重视。 上下游水位是大坝承受的主要荷载，是形成坝体及坝基渗流场的主要原因， 因此必须进行监测。水位测点要布置在水流平稳、水面平缓的地方，以确保观 测精度，监测仪器有浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计等。 气温及库水温是影响坝体温度场的重要因素，其监测测点布置要根据库区 气温及库水温分布特点确定，监测仪器对于气温可选铂电阻温度计，当温度变 化不太剧烈时可选用铜电阻温度计，一般库水温监测可选用 DW-1 型铜电阻温度 计。 降雨量是影响大坝（特别是土石坝）及坝体周围渗流场的主要原因之一， 降雨还有可能导致坝外测压管水位升高，同时高强度降雨将会形成地表径流， 破坏坝面结构，造成（土石坝）坝体局部失稳，因此必须加以监测，降雨量监 测可选翻斗式雨量计进行监测。 第第 4 4 章章 通信网络系统通信网络系统 根据总体设计：大坝安全监测系统组网采用两级传输的方式，第一级由测 控单元到监测中心负责采集各监测项目的数据，第二级由监测分中心及监测中 心组成的计算机网络实现监测分中心与监测中心之间的所有信息共享。 4.14.1 测控单元和监测中心之间的通信测控单元和监测中心之间的通信 4.1.14.1.1 需求分析需求分析 监测中心能够实时接收全部监测项目的所有数据。 工作方式：自报、应答两种工作模式。 能长期地、特别是在暴雨洪水等恶劣天气条件下可靠地工作。 通信畅通率应98，系统误码率小于 6 10-5。 具有可靠的防雷措施。 4.1.24.1.2 通信方案通信方案设计原则设计原则 可靠性 尽量选择可靠性高的信道，一般以有线信道为主； 在条件允许的条件下，根据需要可以设置相应的备用信道。能实现 自动切换； 通信系统的误码率要符合要求； 及时性 系统要能按照时间要求完成信息传递； 监测点太多的情况下，要通过增加通道等技术手段保证时效性。 经济性 要综合考虑经济性，包括系统建设费和运行费； 要综合分析可用的通信资源，公网系统能够满足要求的，尽量利用 公网，都能满足要求的，考虑费用比较低的。 低功耗 要选用低功耗的通讯方式和通讯设备； 要选择合理的通讯方式实现召测。 先进性 要考虑以后业务的发展； 选择公网信道时，要考虑该信道是否有发展前景，能否长期使用。 4.1.34.1.3 技术解决方案技术解决方案 目前根据大坝安全监测的特点选用的通信信道有：电缆通信方式、光纤通 信方式、GPRS、CDMA1X、PSTN、卫星、超短波等。根据系统的设计要求，结合 各地地域特性和目前的通信条件，提出以下六种通信系统解决方案供选择。 1.1. 解决方案一解决方案一-（电缆通信方式电缆通信方式 RS485RS485 总线）总线） 根据现场的情况当监控点到监测中心的距离少于 1000 米时采用敷设 485 总 线的方式连接。结构连接示意图如 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.所示。 上位计算机 MCU 监测现场 监控中心 485线 485转换器 485转换器 图图 5 5 RS485RS485 总线方式接示意图总线方式接示意图 解决方案特点 采用有线方式电缆连接可靠性高。 信道响应速度快，传输时效好，信道稳定可靠,畅通率高。 采用工业总线传输速度和质量高，技术成熟，价格低廉，可实现各 种通信工作方式。 信道都属于双向信道。可以方便的实施远程控制和维护。 设备配置 RS458 通信转换模块。 上位计算机。 2.2. 解决方案二解决方案二-（电缆通信方式（电缆通信方式 CANCAN 总线）总线） 根据现场的情况当监控点到监测中心的距离大于 1000 米时根据实际情况采 用敷设 CAN 总线的方式连接。结构连接示意图如 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.所示。 上位计算机 MCU 监测现场 监控中心 CAN总线 CAN控制器CAN控制器 图图 6 6 CANCAN 总线总线结构连接示意图结构连接示意图 解决方案特点 采用有线方式电缆连接可靠性高。 信道响应速度快速率可达 1Mbps，传输时效好，信道稳定可靠,畅 通率高。 先进的 CAN 总线技术提高了监测通讯的稳定性和可靠性，最长传 输距离可达到 10 公里，符合水库实情，安装方便。 信道都属于双向信道。可以方便的实施远程控制和维护。 设备配置 CAN 控制器 上位计算机。 3.3. 解决方案三解决方案三-（光纤通信方式）（光纤通信方式） 根据现场的情况当监控点到监测中心的距离大于 1000 米时根据实际情况采 用敷设光纤的方式连接。结构连接示意图如 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.所示。 上位计算机 MCU 监测现场 监控中心 光纤 光纤转换器光纤转换器 图图 7 7 光纤通信方式结构连接示意图光纤通信方式结构连接示意图 解决方案特点 采用光纤电缆连接可靠性高，具有很强的抗电磁干扰和防雷电袭击 能力。 信道响应速度快速率可达 100Mbps，传输时效好，信道稳定可靠, 畅通率高。 传输距离可达到 15 公里，符合水库实情，安装方便。 信道都属于双向信道。可以方便的实施远程控制和维护。 设备配置 光纤转换器 上位计算机。 4.4. 解决方案三解决方案三-（GPRSGPRS（CDMA1XCDMA1X）方式）方式） 以 GPRS（CDMA1X）方式为主信道，配置通信模块。如 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.所示： 监控中心 CDMA1X 监测现场 服务器 GPRS GPRS通信模块 CDMA1X通信模块 专线 专线 MCU 图图 8 8 GPRSGPRS、CDMA1XCDMA1X 方式结构连接示意图方式结构连接示意图 解决方案特点 采用无线方式为通信信道，可靠性高。 GPRS/CDMA1X 信道响应速度快，传输时效好，信道稳定可靠,畅 通率高。 两种信道都属于公网，无需考虑中继，建设方便。 两种信道都属于双向信道。可以方便的实施远程控制和维护。 在部分地区，GPRS/CDMA1X 网络不稳定，因此一定要认真进行 电测。 监测中心可以利用别的方式与 Internet 连接。 如果有更高的要求，可以由运营商提供专用信道，不必经过 Internet。 设备配置 GPRS/CDMA1X 通信模块 GPRS/CDMA1X 服务器（具有真实 IP 地址） 上位机 5.5. 解决方案三解决方案三-（卫星方式）（卫星方式） 以卫星（结合国内的现状，建议选择北斗卫星）方式为通信方式，如 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.所示： 分中心 监测现场 服务器 卫星 卫星地面站 卫星地面站 监控中心 上位机 MCU 图图 9 9 卫星方式结构连接示意图卫星方式结构连接示意图 解决方案特点 根据我们的应用经验：卫星信道响应速度快，传输时效好，信道稳 定可靠,畅通率高。 卫星信道特别适合于山区等传统通讯条件难以达到的区域。 北斗卫星通信频率低，气象条件对通信影响小。 信道都属于公网，无需考虑中继，建设方便。 信道都属于双向信道。可以方便的实施远程控制和维护。 设备配置 卫星地面站（含天线） 前置机 第第 5 5 章章 软件系统软件系统 5.15.1 建设建设原则原则 先进性 应用软件系统在设计中采用先进的技术手段、灵活的实现方法和国际流行 的设计思想，保证系统具有很强的生命力，符合当前和未来的应用需要，使其 具有长期的使用价值。 在应用软件的系统结构上，采用多级结构，分层式处理方式，保证系统整 体性能，软件体系结构清晰。 应用软件系统采用当前流行的 B/S 方式，结合 JAVA 技术，对终端用户而言， 不需安装任何程序，便可访问本系统，提供很好的可管理性和可维护性，并具 有很强的可移植性。 应用软件系统采用完善的数据库管理和备份机制，满足系统对数据的实时 性、可靠性、和一致性的需求。 扩展性 系统采用多级分层设计，每一层均可独立运行，各层之间采用标准 TCP/IP 协议连接，遵循标准的通信协议。当需要扩展新的功能或与别的系统进行连接， 只需遵循相应层次的接口，就能方便接入本系统，与本系统构成一个完整的新 系统。 开放性 系统各层之间均提供开放的接口，支持其它系统的接入和融合。 可互操作性 应用系统采用标准的 TCP/IP 协议，凡是支持 TCP/IP 协议的各个站点都可 以在得到授权的情况下互相访问其它站点的资源。 可伸缩性 应用系统具有平滑升级和扩展能力。各模块之间相互独立，在系统升级的 过程中，不会造成整个系统的停运；同时由于采用多层的构架进行设计，当对 某一层次模块进行修改和增加，均不会影响到其它层次模块。 软件模块既可以安装在同一台计算机单机运行，又可以将不同的软件模块 安装在多台计算机上运行，可灵活调整应用软件对计算机及网络系统资源占用 与性能之间的平衡。 操作简单直观 最终用户的使用界面是浏览器，用户可以在能接入本网络的任何机器上， 都能查看监测系统数据，用户还可以定制自己喜欢的页面和访问方式。 安全可靠性 应用软件系统对权限有严格的控制，重要的操作和浏览都需要口令登录后 才能访问。系统严格保证超级用户的保密性，对重要操作进行操作日志的记录， 便于对非法操作或攻击进行跟踪。 实效性 应用软件系统充分考虑采集和分析的实效性，保证数据采集的时间控制在 分钟级别以内，为决策部门提供实时的信息。 5.25.2 技术解决方案技术解决方案 大坝安全监测管理系统软件是水库大坝安全监测系统重要组成部分，它具 有数据采集、数据处理、资料管理、资料整编、资料分析、网络管理等功能。 通过使用大坝安全监测管理系统软件，水库管理人员和管理局领导可以及时了 解大坝当前性态。 坝安全监测系统的软件采用 B/S 结构，除了数据采集服务程序要在服务器 上启动外，其它部分只要计算机用户通过网络与服务器相连，即可通过浏览器 进行访问，查询监测数据、图形、安全监测信息和评价结论。所以本系统支持 单机、工作组、网络运行方式，可以与局域网和广域网互联，数据库可与各种 其它数据库互联，为其它系统提供数据接口或供其直接使用。用户可以远程控 制 MCU 的数据采集，显示测量数据，并可将测量数据直接保存至服务器中的数 据库内。系统结构如所示。 基础信息 数据库 数据 库管 理系 统 资料 整编 系统 信息 采集 处理 系统 统计 分析 预警 系统 WEB 查询 系统 监测 数据库 实时 数据库 历史 数据库 运行分析 结果数据库 空间地理 信息数据库 图图 1010 应用软件系统结构图应用软件系统结构图 1.1. 综合数据库系统综合数据库系统 根据业务需求需要建立一个综合数据库平台，该数据库系统主要包括以下 数据库： 基础信息数据库 主要用来存放监测点的基本信息表，监测设备、通信设备的基本信息， 站房的工程信息，大坝、流域、河流、大坝等基本信息表。 监测数据库 主要用来存放从采集设备实时采集过来的原始报文数据。 实时数据库 实时数据库主要存放实时采集的各类数据，包括实时采集的设备运行参 数信息。 历史数据库 主要用来存放历史整编资料或调查资料、监测点考证资料和监测点年、 月、旬特征值统计资料以及档案资料。 运行分析结果数据库 主要用来存放运行分析管理系统对接收数据准确性、误码率、畅通率、 迟报、误报、漏报数据进行分析的结果。主要包括畅通率、误码率分析 数据和监测点电源电压参数的分析数据。 空间地理信息数据库 空间信息库存放系统相关的空间数据有关的地理信息类数据。内容包括： 流域地形地质、地面高程、水系、监测点分布位置、行政区划、交通等 地理信息。 2.2. 应用软件系统应用软件系统 主要包括四个软件模块：信息采集处理系统、资料整编系统、统计分析预 警统系统、WEB 查询系统息发布系统，数据库管理系统。 5.2.25.2.2 信息采集处理系统信息采集处理系统 信息采集处理系统实现计算机与测量控制单元（MCU）通讯，完成监测数据 的采集。其结构框图见 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.所示。 信息采集处理系统软件 MCU 自 检 参 数 设 置 单 点 测 量 定 时 测 量 巡 回 测 量 系 统 管 理 图图 1111 数据采集结构框图数据采集结构框图 1.1. MCUMCU 自检自检 MCU 自检是通过计算机与 MCU 通讯，使 MCU 进行自检，并将自检结果返回 至计算机，显示给操作人员，达到远程诊断 MCU 的目的。自检的内容包括： 通讯：通过计算机尝试与 MCU 通讯，确定计算机是否能够与 MCU 进行通讯， 诊断通讯线路、MCU 通讯模块是否存在故障。 MCU 内部温度：通过检测 MCU 内部温度，检查 MCU 是否异常。 MCU 工作电压：通过检测 MCU 工作电压，检查充电电路、蓄电池是否正常。 MCU 充电电压：通过检测 MCU 充电电压，检查 MCU 交流供电是否正常。 MCU 测量模块和通道：通过检测 MCU 测量模块和通道，识别模块和通道类 型，确定其与所接传感器类型是否相符，保证测量正常。 2.2. 参数设置参数设置 在 MCU 能够正常工作之前，要根据工程的具体情况，对 MCU 的参数和数据 库中的各测点进行设置。设置的内容有： 通讯速率：根据计算机与 MCU 通讯方式、通讯介质，设置适当的传输速率， 这样在保证传输的可靠性下，可使数据传输达到最快。 系统时间：设置 MCU 内部时间，使其与计算机时间同步。 通道配置：对 MCU 中各通道进行设置，主要设置的内容包括仪器类型、仪 器指标、测量范围等，这样 MCU 可采取正确测量方式对通道进行测量。 公式设置：在数据库中设置各类型传感器从电测量到工程物理量的转换公 式。数据采集软件在得到来自 MCU 的电测量时，可同时进行计算，得出工程物 理量。公式组成提供非常灵活的编辑方式，可以任意的输入包括（、 ） 、 、/、（平方） 、数字、指定参数在内的所有元数据的组合。 定时测量时间：设置定时测量开始时间、间隔时间，MCU 据此进行定时测 量。 3.3. 单点测量单点测量 单点测量用于测量某种仪器的某个测点的各种电测量（如孔隙水压力计的 频率和温度）和相关仪器测量（如测量测压管内的孔隙水压力计，还要测量气 压计） ，计算出工程物理量。具有打印和保存测量数据至数据库的功能。 4.4. 巡回测量巡回测量 巡回测量用于测量一个 MCU 或多个 MCU 上的测点，所测仪器类型可以是一 种，也可以是多种。得到电测量后，计算出工程物理量，还可以直接取上一次 巡回测量数据。巡回测量时，数据采集软件以列表的形式给出与各 MCU 相连的 仪器类型，供操作人员选择。能够对测量数据进行检查，当测量数据超出量程 范围或事先设置的安全警戒，将给出提示或告警。能够按仪器类型打印测量数 据和保存测量数据至数据库。 5.5. 定时测量定时测量 定时测量主要用来取定时测量数据，计算出工程物理量，测量所得的电测 量和工程物理量在列表中显示。能够按仪器类型打印测量数据和保存测量数据 至数据库。取定时测量数据可以是计算机自动取数也可以是人工取数。 6.6. 系统管理系统管理 系统权限可分为三级，管理员，操作者和领导，相对应的，系统中设立管 理员，操作者和领导三个角色。 管理员具有所有系统的操作权，管理员的主要工作是管理用户，设置口令， 设置各类参数，查询和管理日志。 操作者对除用户设置，日志管理外的各业务系统均有操作权。 领导原则上对所有系统均具有查询权，但没有修改权。 对于每一个系统的使用者，在系统中均为其创建一个用户，用户有唯一的 用户名，用户口令由各用户自行管理，管理员可以修改所有用户的口令；用户 口令采用加密算法。 权限的操作是通过主界面的菜单项表示的，在程序执行过程中根据确认的 权限对主菜单进行动态设置，对于无权的菜单将被隐藏。 权限仅授给角色，用户通过充当不用的角色以获得权限，一个用户只能充 当一个角色。 菜单定置参数记录在一个全局数组中，当用户登录是由登录窗口将相关信 息记录在该数据中，由主窗口初始化时引用。 权限功能有如下子功能项：登录验证、取用户信息、修改口令、管理员改 用户口令、增加用户、删除用户、对角色授权、指定用户所充当的角色、维护 功能项等。 日志管理功能 日志主要记录用户的登录、退出，打开窗口，关闭窗口，