大坝安全监测自动化系统的设计与实施

1、 职业教育水利水电建筑工程专业水利工程管理技术大坝安全监测自动化系统的设计与实施 水利工程管理技术项目组2015年4月大坝安全监测自动化系统的设计与实施(一)技术规范要求1.大坝安全监测自动化系统基本功能要求系统应具备以下功能:数据自动采集功能:能自动采集各类传感器的输出信一号，能把模拟量转换为数字量；数据采集能适应应答式和自报式两种方式，能按设定的方式自动进行定时测量，能接收命令进行选点、巡回检测及定时检测。掉电保护功能:在断电情况下确保持续工作3d以上。自检、自诊断功能:能通过系统自身的巡检逐级查找，并找到故障点。现场网络数据通信和远程通信功能。防雷及抗干扰功能。数据异常报警及故障显示功能

2、。数据备份功能。2.大坝安全监测自动化系统基本性能要求系统应符合以下要求:采样时间:巡测时小于30 min；单点采样时小于3 min。测量周期为10 min30 d,可调。监控室环境温度保持20300C；湿度保持不大于85%。系统工作电压为220(1±10%)V。系统故障率不大于5%。防雷电感应为1 000 V。采集装置测量精度不低于规范对测量对象要求的精度。采集装置测量范围满足被测对象有效工作范围的要求。系统能稳定可靠地工作。(二)系统设计对照上述对系统功能和性能的要求，根据各水库工程实际，监测自动化系统在设计时需从组成系统的三大部分入手，综合考虑。1.监测仪器系统接入监测自动化系

3、统的各监测仪器应经过严格检验，它们应结构简单、传动部件少、容易维修，且可靠性高、稳定性好，能在水库工程的恶劣气候条件下长期、稳定、可靠地工作。监测仪器的布设应根据规范，结合水库工程实际，有目的的考虑设计方案，做到重点突出、兼顾全面，满足有效地监控水库工程安全运行的需要。各监测仪器的选择应在稳定、可靠的基础上力求其先进性。应优先选用经过长期运行考验的成熟的产品。为科学研究而设置的新仪器设备原则上不应纳入自动化监测系统观测。在老监测系统基础上升级改造为自动化监测时，设计前应对原有监测仪器进行检验和鉴定，有选择地将老仪器纳入新监测系统。2.数据采集系统数据采集系统是监测仪器与数据处理分析的中间连接部

4、分，负责数据的采集和传输。数据采集装置应满足前面监测自动化系统的基本性能要求，并应具备以下基本功能:数据自动采集:能按用户设定的起始时间、监测周期及条件，对接入系统的各种监测仪器进行自动巡回检测、选测、定时定点或连续监测，并自选保存测量结果。数据自动处理:能对测值进行可靠性检查，越限时重测并报警；能对所采集的数据进行计算，并求得所需的物理量，对计算数据进行存储、建立数据库；能输出显示、拷贝、打印(绘制)有关监测成果图表等。自动数据采集与人工观测相兼容:在系统发生故障时，可由观测人员用便携式仪表进行观测。人工键入功能:具有人工键入数据的功能，对人工测量的数据和现场巡视检查资料可人工进机入库。适应

5、恶劣工作环境:系统运行的环境较为恶劣，有的露天布置，温差大、湿度高、电磁于扰强、易遇雷击等，因此要求系统具有很好的防潮、防雷等技术措施，以提高其环境适应能力。易扩展、易维修和兼容性:系统投入运行后，系统的规模、监测仪器的布设等可能随着时间推移而变化，有新测点要接入、某些老测点要废弃，这要求系统要有较好的扩展性和兼容性；系统局部单元故障时，系统维修工作要求在较短时间内完成，如更换元器件等，这要求有较好的易维修性。掉电保护、短期自供电、系统自检、故障显示:在电源突然中断时，能保证系统内存数据和参数不丢失，并能自动上电，维持7d以上正常运行；能对系统设备、电源、通讯状态等进行自检，并显示故障信息。数

6、据采集系统的方式在设计时可在集中式、分布式和混合式三类方式中任选。对于监测范围广、测点数量多、工程规模巨大的水库工程，宜采用二级管理方案，即根据工程结构特点，以建筑物为基本单元，将整个工程划分为若干个监测子系统。各个子系统再组成上一级管理网络，并实现对各子系统现场网络的管理。3.数据处理分析与监控管理系统数据处理分析与监控管理系统主要包括数据通讯设备、监控中心监控主机、管理计算机及监测自动化系统软件。为适应水库工程安全管理工作的需要，系统应具备以下基本功能:在线实时监控:在数据自动采集的基础上实现在线监控，其核心是在线快速安全评估，即一次数据采集(包括人工采集后输入的数据)完成后，利用该次实测

7、数据的变化速率与监控指标(监控模型或某一界限值)进行对比、检验，若实测值超限，则进行复测和再次对比、检验，最终对实测值是否异常做简单、快速的评估与判断；用户可以在屏幕上方便地查看到主要监控测点的具体状况(实测值、预报值、警戒值等)。监测资料管理:建立监测资料整编数据库，可继续保留原始测值数据库；对整编库中的监测资料可灵活地进行插入、删除、修改、查询等；输入或修改工程安全巡视检查记录；对数据库进行备份。监测资料查询:通过设置快速导航树形测点结构、测点表、仪器类型表，首先能在空间上快速定位欲查询的测点或测点组，在此基础上只要指定查询的时间区间后，用户就能立刻查到监测数据；用户可将已查到的监测资料导

8、出保存到本地机处理。监测资料离线分析评价:对长系列历史资料进行全面分析，分析项目包括变形、渗流、接裂缝、环境量等监测项目；分析模型以统计模型为主，也可根据需要建立混合模型或确定性模型；模型的候选因子种类包括温度、水位、降雨、时效，因子数可根据需要自行增加；软件能根据需要用图表形式醒目地显示分析结果，并能将成果立即打印到纸张上，输出结果主要应有模型方程、模型参数、各分量分解结果及统计值、监测量的拟合和分解图等。报表制作:按水库工程规范化管理的要求，将监测成果按规定的格式进行整理，以便存档和上报。水库工程安全档案管理:能对安全监测有关的技术文件、工程图纸、重要图片等进行管理，制作报表、工程安全册等

9、。可靠、灵活的通信:可采用一种以上的并存的通信方式。系统设计时，应充分考虑水库工程管理工作的需要。(三)系统的实施自动化监测系统实施前，需先对原有的监测设施进行全面鉴定和评价，完善监测设施，配齐必要的监测项目，提高监测精度、稳定性和可靠性，满足规范的基本要求。在此基础上再考虑对必要的监测项目和测点逐步稳妥地实现自动化监测。“总体设计、分步实施”是国内水库工程自动化监测系统实施时目前较普遍的观点。自动化监测系统的设置要坚持少而精和经济、实用、有效的原则，在技术经济合理的前提下，采用国内外成熟的先进技术。1.监测项目和测点的确定接入自动化系统的项目和测点要有针对性，要在满足安全监测需要的前提下，贯

10、彻“少而精”的原则，不能盲目追求“大而全”，用有限的资金获取最多有用的监测资料。一般地根据规范要求，结合具体的工程实际，监测项目主要设置变形、渗流和必要的环境量等。测点位置的选择要综合考虑工程的地理环境、坝型、筑坝材料、坝体结构等因素，选择典型或有代表性坝段上适当部位设置观测点并接入自动化系统。如混凝土大坝的水平位移优先采用倒垂线或正倒垂线组来监测；土石坝应多设置一些渗流的监测点等。在具有相同监测效果和目的情况下，测点的布置应尽可能集中，以减少电缆用量、防雷击和抗干扰。如变形、渗流、库水温等测点应尽量布置在典型监测坝段，这样既有利于防雷击、抗干扰，也有利于观测资料的分析。2.监测自动化系统选型

11、监测自动化系统选型时，应全面规划、统一考虑，强调自动化监测系统三个组成部分的有机结合，保证系统功能的完整性。系统选型前，可选择类似工程和相关仪器设备厂家进行调研，根据实测数据和资料来分析和确定系统相关的技术指标、可靠性和测量精度是否符合工程需要。监测仪器设备选型时，应充分考虑工程特点和系统的运行环境，选择合适的监测仪器设备来满足工程安全监测的需要。如仪器的量程、仪器设备所适用的环境等。3.系统防雷设计水库工程一般地处山区，属多雷区，系统的防雷是不可或缺的重要内容。自动化系统必需有良好的接地，其接地网不能与高压电气设备的接地网合用，以免造成干扰。接地网宜优先采用环形网，并采取良好的防腐防锈措施。

12、每个数据采集单元等处均应设置接地网接入点，设备接地前应测量相应的接地电阻，一般要求接地电阻不大于4。采用光纤通讯是提高系统抗雷击能力的有效措施。4.仪器电缆的选用和保护电缆作为监测自动化系统中的数据传输通道，其质量、性能的好坏直接影响系统数据传输的可靠性和稳定性。根据工程运用的实际经验，电缆的护套要具有抗老化、耐水压、耐高温差、抗高压等性能；电缆的芯线间要求电阻差要小，并符合规范要求；电缆还应具有一定的抗拉、抗压等机械性能；有屏蔽要求的电缆应具有良好的屏蔽效果。电缆应尽量沿最短路线敷设，并尽可能避开高压线路，以减少干扰。坝外布置的电缆应尽量少用或不用架空线，宜采用埋线并外套钢管保护，以利于防雷

13、击；坝内电缆的保护可采用硬质工程塑料管。5.自动化监测系统的考核与验收目前国内尚无有关自动化监测系统的考核与验收标准。根据已有的国内自动化监测系统的实践经验，系统的考核验收可从以下两方面进行:(1)出厂或安装前的验收在监测仪器设备出厂前或安装前，对仪器的制造、组装等质量进行细致的检查验收，并对各项技术指标进行复核测试，所有指标合格后方能投入安装使用。(2)试运行期的考核监测自动化系统在现场安装调试成功，经合同双方同意后，系统可正式投入一年试运行。系统试运行期间应同时进行人工对比观测。试运行期考核内容主要有:系统功能考核:对数据采集、传输系统硬件和数据处理、分析、管理系统软件进行考核，考察系统功

14、能是否满足设计和合同文件的要求，对各项功能指标逐项进行测定考核。系统测量精度考核:系统测量精度应在满足有关规范、设计和合同文件要求的前提下，达到厂家给定的各种精度指标。人工对比观测数据考核:主要对比分析观测资料过程线和观测值的方差。过程线对比采用在相同时间和测次的二者的观测数据过程线进行比较，分析其变化规律是否一致(因人工测次少、自动测次多，一般从自动化数据中挑选与人工测次相同的观测数据进行比较)。方差分析通常采用2倍均方差作为测值误差的限值，比较同一测次中人工测值与自动化测值之差是否在允许的误差范围内。数据缺失率考核:以人工测值为基准，统计系统试运行过程中明显的错误测值、超限测值、缺失数据等的个数，与系统应该有正确观测数据个数比较而得出的百分率。其中要求人工观测数据精度必须稳定可靠。系统因人员误操作、非系统本身原因等造成的数据缺失，不计数。系统可靠性(故障率)考核:因系统仪器或设备原因造成系统整体或局部不能正常工作，导致无法测得正确数据称为系统出现故障。主要考核系