（水利水电工程专业论文）基于数据库技术的大坝防洪安全分析.pdf

：? 基于数据库技术的太坝防洪安全分析 摘要 摘要 通过对本课题的研究，为大坝防洪安全提供科学、高效、界面友好的计算机分 析系统，可以为相关部门在大坝的设计和汛期的水库调度工作中提出建议。研究工 作侧重于水库大坝运行部门的日常工作自动化、网络化、分析决策科学化等方面。 系统的开发符合相关规范要求。通过与实际工程相结合，对系统进行测试。测试结 果表明分析系统中的相关功能模块能够满足实际工程设计需求。与实际工程的分析 结果相比，由于采用了数据库技术来管理信息并且引入了优化算法思想，该分析系 统具有更高的计算精度和分析效率。 主要研究内容包括：将网络传输与信息共享、数据库、图形图像处理等技术及 软件开发方法等融合于大坝防洪安全监控之中。以该领域的特点及相关理论为基础， 利用面向对象的编程工具开发所需的功能模块。 研究成果能够对水利水电工程建设、水库的调度运行起到高效的辅助决策作用， 系统可实现对观测资料资料的自动分类管理、数据查询和检索、动态输入与更新、 统计分析、各种专题图形和业务报表的自动制作与输出等功能。该系统界面友好、 美观。表达的信息直观、清晰，能较好地满足水工大坝设计和安全运行的需要。论 文主要分为以下几个部分： ( 1 ) 选题的意义、目的以及国内外关于大坝防洪安全分析系统的发展现状。 ( 2 ) 探讨雨、水情数据采集系统的基本原理、构架、组件的功能以及软硬件集 成原则。 ( 3 ) 在深入理解计算机网络原理的基础上，研究了利用现有的企业网络软硬件 资源以及w e b 数据库开发管理技术，对大坝安全监控信息实现在企业内部网及与外 界i n t e m e t 网上发布及共享方面作了较为深入的研究，提出了基于i n t r a n e t 技术框架 的大坝安全监控信息共享方法。 ( 4 ) 探析了数据库编程原理以及v i s u a lb a s i c6 0 的数据库接口技术。提出将大 坝防洪安全分析系统中的功能划分为不同的模块来进行开发，从而降低了系统开发 的复杂性，并提高其可扩展性。研究了系统各模块的原理、算法及编程要点。着重 讨论了水文频率曲线的网格横向分划模块、水文频率曲线的自动绘制、由洪水资料 自动推演典型洪水过程线模块、按生成数据库的分析结果进行调洪演算模块等。 基币数据库技术的大甥防洪安全分析摘要 ( 5 ) 以漫湾水电站和赵家龙潭水库大坝为例，以收集整编的原始水文资料和电 站大坝的相关设计资料作为入1 ：3 参数由本系统自动分析洪水过程线、进行调洪演 算并判断大坝是否满足防洪标准。将本系统的计算结果与传统算法计算结果相比 较后，结果表明分析系统具有更高的计算精度和分析效率，具有一定的实用价值。 关键词：数据库技术大坝防洪安全 i i 墨王鍪塑塞茎查塑奎塑堕鲨耋全坌堑 一 一垒! ! 竺! a b l s t r a c t a f t e rt h er e s e a r c ho ft h et a s k as c i e n t i f i ca n dh i g he 伍c i e n c yc o m p u t e ra n a l y s i s s y s t e mw i t hf r i e n d l yi n t e r f a c ew a sp r o v i d e df o rt h ed a ms a f e t y i tc a nb eu s e dt ob r i n g f o r w a r da d v i s ef o ri n t e r r e l a t e dd e p a r t m e n ta tt h ed a md e s i g n p e r i o da n dr e s e r v o i r r e g u l a t i o no ff l o o ds e a s o n s t h er e s e a r c hp u te m p h a s e so nt h er o u t i n ew o r ko ft h ed a m s a f e t yd e p a r t m e n t ；a i mt om a k et h ew o r kb ea u t o m a t i c ，n e t w o r ka n da n a l y s i sa n dd e c i s i o n b es c i e n t i f i c 1 1 1 ed e v e l o p i n go fs y s t e mi sa c c o r d a n tw i t ht h ec r i t e r i o n s i n t e g r a t e dw i t h p r a c t i c a lp r o j e c t t h es y s t e mw a st e s t e d t h er e s u h ss h o wt h a tt h ef u n c t i o nm o d u l e so f t h e a n a l y s i ss y s t e mc a nm e e tt h ed e m a n do fp r a c t i c a lp r o j e c t 。a f t e rt h ec o m p a r i s o no ft h e a n a l y s i sr e s u l tb e t w e e nt h es y s t e ma n dp r a c t i c a lp r o j e c t ，t h es y s t e mc a na c h i e v er e l a t i v e l y h i g h e rp r e c i s i o na n de f f i c i e n c yb yu s i n gt h ed a t a b a s et e c h n o l o g yi ni n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ta n db ya d o p t i n gt h eo p t i m i z i n gi d e a 1 1 l em a i np a r t so ft h er e s e a r c hf o l l o w e da s ：c o m b i n ev a r i o u st e c h n o l o g i e s i n c l u d i n g d a t a - t r a n s m i s s i o na n di n f o r m a t i o ns h a r i n gb yn e t w o r k ，d a t a b a s e ，g r a p h i c sa n di m a g e m a n a g e m e n t ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n tt h e o r i e sa n dm e t h o d so fi n f o r m a t i o ns y s t e m ，t ob ei n t h ed a mf l o o dc o n t r 0 1s a f e t ym o n i t o r , i n t e g r a t e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed a ms a f e t y m o n i t o rf i e l da n dr e l a t e dt h e o r y ，m a k eu s eo ft h eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt o o l st o d e v e l o pt h ef u n c t i o nm o d u l e t h e p r o d u c t i o nc a r lb eu s e da sah i g he 饿c i e n ta i d e dd e c i s i o n - m a k i n gt oc o n s t r u c t i o n o fw a t e rr e s o u r c e sa n dh y d r o e l e c t r i cp r o j e c ta n dr e s e r v o i r r e g u l a t i n g n es y s t e m s f u n c t i o ni n c l u d i n ga u t o m a t i cc l a s s i f i e dm a n a g e m e n to ft h eo b s e r v a t i o nd a t a ，d a t aq u e r y a n dd a t ar e c a l l ，d y n a m i ci n p u ta n du p d a t e ，d a t as t a t i s t i c a la n a l y s i s ，a u t o m a t i cm a k i n ga n d o u t p u to fv a r i e sg r a p h i c sa n dr e p o r tf o r i l l s 1 h ei n t e r f a c eo fs y s t e mi sf r i e n d l y a n dt h e i n f o r m a t i o ne x p r e s s e db yt h es y s t e mi sc l a r i t ya n dc o n v e n i e n tf o rr e a d i tc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to f t h ed e s i g na n ds a f e t yo p e r a t i o n 1 1 地p a p e rc o n s i s to f t h ef o l l o w i n gp a r t s ： ( 1 ) s u m m a r i z et h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h et a s k ；b r i n gt h eb r i e fi n t r o d u c t i o n o f t h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o na b o u tt h ed a ms a f e t ya n a l y s i ss y s t e mf r o mh o m ea n da b r o a d ( 2 ) d i s c u s s 出et h e o r ya n dt h et r u s so fd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mo fh y d r o l o g i c i n f o r m a t i o na n dt h ei n t e g r a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h es y s t e ma n di t s c o m p o n e n t sf u n c t i o n ( 3 ) b a s e do nt h ei n - d e p t hu n d e r s t a n d i n gt h et h e o r yo fc o m p u t e rn e t w o r k ，r e s e a r c h a b o u th o wt or e a i i z et h ei s s u ea n ds h a r i n gt h es a f e t ym o n i t o r i n gi n f o r m a t i o nb o t ho n i n t r a n e ta n di n t e m e t ，w a sc a r r i e do u t s o l u t i o nw a sb r o u g h tf o r w a r da b o u th o wt oi s s u e a n ds h a r i n gi nt h ef r a m e w o r ko fi n t r a n e t ( 4 ) t h ed e v e l o p i n gm e t h o d so fi n f o r m a t i o ns y s t e mw e r ec a r r i e do u tb a s e do nt h e d a t a b a s et e c h n o l o g ya n dd a t a b a s ei n t e r f a c eo fd e v e l o p i n gs o f t w a r e - - v i s u a lb a s i c6 0 a p r o p o s a lt h a tt h ed a ms a f e t ya n a l y s i ss y s t e ms h o u l db es e p a r a t e di n t os e v e r a lm o d u l e s w a sp u tf o r w a r d ，s ot h ed e v e l o p i n gc o m p l e x i t yo ft h es y s t e mw i l ld r o pd o w na n dt h e e x t e n d i n ga b i l i t yw i l lb ee n h a n c e d t h et h e o r y a r i t h m e t i ca n dp r o g r a m m i n gp o i n to f m o d u l e sw e r er e s e a r c h e d ，s t r e s s e do nt h ep r o g r a mm o d u l eo fr e a l i z a t i o no ft r a n s v e r s e g r a d u a t i o no fh y d r o l o g y “f r e q u e n c yg r i d ”：t h ea u t o m a t i cm a k i n ga n dd r a w i n go f h y d r o l o g i cf r e q u e n c yc u r v e ；a u t o m a t i cc o n j e c t u r et h et y p i c a lf l o o dp r o c e s sc u r v e 基于数据库技术的大坝防洪安全分析 a b s t t a d a c c o r d i n gt ot h eh y d r o l o g yd a t a ；m a k et h ef l o o dr o u t i n ga c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l to f c r e a t e dd a t a b a s e i l l u s t r a t et h em a l lw 趾h y d r o p o w e rs t a t i o na n dz h a o j i a l o n g t a nr e s e r v o i rd a ma s e x a m p l e ，u s et h ef i r s t - h a n dh y d r o l o g yd a t aa n dd a mp a r a m e t e r sa st h ei n p u tp a r a m e t e r ， a n a l y z i n gt h ed e s i g nf l o o dc u r v ea u t o m a t i c a l l y ，i m p l e m e n t i n gr o u t i n gt h e nm a k i n ga c o n c l u s i o nt h a t ：w h e t h e rt h ed a mc a nm e e tt h ef l o o dc o n t r o ls t a n d a r d so rn o tu n d e ra c e r t a i nd e s i g ns t a n d a r d c o m p a r e dt h er e s u l tw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e s ，t h eo u t p u ts h o w t h a tt h ea n a l y s i ss y s t e mc a l la c h i e v eh i i g h e rc o m p u t i n gp r e c i s i o na n de f f i c i e n c ya n da l s o a p p r o v et h ep r a c t i c a lv a l u eo f i t k e y w o r d s ：d a t a b a s et e c h n o l o g y ，d a m ，f l o o dc o n t r o ls a f e t y 1 1 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：熹! bi 虱 日 期：2 舶f 午弓月2 d 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：逖论文作者签名：叁2 重 日期：巡生主昱2 q 旦 基于数据库技术的大坝防洪安全分析 第一章绪言 第一章绪言 1 。1 选题意义和研究目的 1 1 1 我国洪水和洪灾的特点 我国是世界上洪水灾害最严重的少数国家之一，在各种自然灾害中，洪涝灾 害所造成的经济损失和人员伤亡列居首位i ”。洪水是暴雨或急骤融冰化雪等自然 因素引起江河湖库水量迅速增加、水位急剧上涨的自然现象。严重洪水灾害主要 是由高强度大面积暴雨造成的。暴雨，按照气象部门规定，2 4 h 雨量超过5 0 r a m 称之为暴雨，雨量1 0 0 2 0 0 m m 为大暴雨，超过2 0 0 r a m 为特大暴雨。我国暴雨 主要出现在夏季，其次是春秋季，冬季出现暴雨的机会很少，大部分地区没有出 现过暴雨。 ， 1 1 2 我国大坝安全状况概述 1 9 4 9 年新中国成立时，全国仅有大、中型水库2 3 座，目前我国已建水库8 6 9 0 0 多座，其中大型水库( 库容1 亿m 3 以上) 近4 0 0 座，中型水库( 库容o 1 1 亿 m 3 ) 约有2 6 4 0 座，3 0 0 0 多座大中型水库中有1 1 0 多座以发电为主，由电力行业 管理，其余均有水利行业管理，还有8 3 0 0 0 多座小型水库( 其中库容o 0 l o 1 亿m 3 约1 4 0 0 0 多座，t j 、- - 型库容1 0 万1 0 0 万m 3 约6 2 0 0 0 多座，其余为库容 小于l o 万m 3 的小型水库) 6 3 1 。这些水库绝大多数是2 0 世纪5 0 年代、6 0 年代 建造的，7 0 年代又兴建了一批中小型水库，为我国水利水电建设奠定了基础。 水库的重要水工建筑物是挡水建筑物大坝，我国己建成的大坝是以土石 坝为主，大型水库的大坝7 1 是士石坝，中型水库的大坝有9 2 是土石坝，而 小型水库的大坝几乎都是土石坝，尤以均质土坝最多。由于种种原因，许多水库 存在着防洪标准低、工程质量差、病害隐患多等严重问题。目前约有2 4 的大、 中型水库是( 三类) 病险水库。约有3 0 4 0 的小型水库是( _ - - - 类) 病险水 库。据1 9 9 1 年统计，我国已溃决的大坝近3 0 0 0 座，其中1 5 0 0 多座是坝高小于 l o m 的低坝。值得注意的是：1 9 7 5 年特大洪水导致扳桥、石漫潍两座大型水库 土石坝溃决，1 9 9 3 年8 月沟后书库坝高7 1 m 的混凝土面板堆石坝溃决。这些都 基于数据库技术的大坝防洪安全分析 第一章绪言 说明我国大坝安全状况令人担忧。这些不安全因素不同程度地影响了工程效益的 发挥，同时也威胁着下游人民的生命财产和安全。随着我国诬部大开发战略的实 施和不断深入，水电工程的规模日趋宏大( 如三峡、二滩、小浪底、小湾等) 。 大坝安全显得尤为重要，失事后果不堪设想，大坝安全是关系国计民生的大事。 1 1 。3 开发大坝防洪安全分析系统的意义 工程实践证明，大坝安全监控是监视大坝安全的重要技术措施。按照水电 站大坝安全管理办法，大坝安全检查分为日常巡查【4 7 】【4 8 】、年度详查及特种检查。 以往经常采用人工对监测资料进行整编和分析，这不仅工作量大，而且不能满足 大坝安全监控中对资料信息实对监控和分析的要求。 针对以上问题，本文研究和开发了大坝防洪安全分析系统，系统采用计算机 自动管理的先进技术，将一系列监测资料通过相应处理，按一定的方式组织后。 生成特定的大坝安全的信息( i n f o r m a t i o n ) 。通过对这些信息进行有效的集中管 理、分析，能快速、准确地对大坝的防洪安全状况作出分析评判，这部分的工作 由以计算机技术为基础的信息系统( i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 来完成。实现大坝安全 监控现代化的一个关键便是能够对大量的监测资料进行及时地分析和评判，“及 时性”与。准确性”相当重要。要实现这些目的，不仅要有一个客观、准确的， 能够正确反映大坝运行规律的分析评判模型( 统计回归模型、确定性模型及汇合 模型等) ，还要对大量的监渊资料进行高效地管理。大坝防洪安全分析系统是通 过将一系列的监测资料按其特有的规律组织成“信息”进行管理。通常在信息系 统中都是采用数据库( d a t a b a s e ) 技术对“信息”进行组织管理，现代数据库技 术不仅提供了高效的、安全的信息管理及访问。同时还提供了诸如事务、c s 计 算模型以及网上信息发布和传输功能，这些动能帮为分析系统的开发提供了技术 支持。 有鉴于此，目前越来越多的大坝管理单位都在积极地对现有或在建大坝的监 控系统进行自动化改造，将以前由人工进行的一系列繁重工作转由信息系统及自 动化数据采集系统来完成。例如：长江三峡水利枢纽工程，其由国家自然科学基 金委员会和中国长江三峡开发总公司联合资助的“三峡水库枢纽工程几个关键问 题的应用基础研究”中的第五课题为f 4 l ：三峡主要水工建筑物安全监测和反馈设 计，主要致力于对三蛱工程安全监测系统进行结构优化，以使其成为一个具有实 2 基于数据库技术的大坝防洪安全分析 第一章绪言 时综合安全分析评价功能的实用高效的监测信息全决策支持系统。 1 2 国内外的研究现状 由于坝体的逐渐老化，大坝的安全问题在世界各国受到高度重视；在最近的 二、三十年时间里，伴随着计算机技术的完善、自动化监测仪器性能提升及大坝 安全监控的分析理论方法的日趋成熟，特别在2 0 世纪8 0 年代初i b m 的个人p c 兼容机在各个行业的广泛应用，大坝安全监控信息系统得到了较快的发展【删。 大坝安全监控信息系统的主要任务是进行监测数据处理，包括资料的输入、 传输和存贮，原始监测资料的正确性、准确性和完整性检查、粗差剔除物理量转 换计算、特征值统计、报表编制、过程线、分布图和相关图绘制，对数据作索引、 排序与检索，对资料作多角度比较，建立各种数学模型，对效应量的组成作分解， 变化规律和趋势作解释等：同时也要求大坝安全监控的有关信息可以通过网络进 行安全的传输，以实现有关信息的发布及共享。 1 2 1 国外的发展状况 法国、意大利是最早开始研制大坝安全监控信息系统的国家 6 j 。其开发的监 控信息系统有较长时间的实际应用经验，在国际上有一定的影响力。 法国电力公司早期所开发的大坝监控信息系统管理着1 5 0 多个大坝的实测 资料。该系统对所获得的监测资料进行分析时采用m d v 模型方法，将统计模型 的剩余量和时效分量合并在一起重新构造一个一元线性回归模型，可直接对监测 量的趋势性变化速率进行估计。近几年来，法国电力公司的技术人员又采用了主 成份分折方法对监测信息进行融合和简化，以提高发现异常现象的效率。法国电 力公司开发的大坝监测处理系统是以发现结构性态异常为主要目的，一旦确定为 异常后，短期内集中专家进行现场调查评价以及开展必要的计算分析等上作都是 在系统外进行的【6 7 1 。 2 0 世纪8 0 年代初。意大利开发了著名的微机辅助监测系统m a m s l 6 ”，实 现了资料自动采集和在线监控，并利用其著名的存储和处理系统m i d a s 进行管 理。该m i d a s 系统有1 4 个模块、可实现大容量监测资料的实时存储、更新、 恢复和图形化显示，还可建立统计回归模型、确定性模型和混合模型。继m i d a s 后，意大利又先后开发了i n d a c o 、m i s t r a l 、d a m s a f e 等监测信息系统。 基于数据库技术的大坝防洪安全分析 第一章绪言 i n d a c o 是一个模块化的资料自动采集系统。m i s t r a l 是一个应用于结构 自动化监测( 专门处理自动化监测越界值) 的专家系统，可提供大坝性态的在线 反馈。该系统采用产生式专家系统的开发模式，运行于w i n d o w s 平台，可与大 坝的数据采集系统相连接进行实时操作，对监铡资料作出检验和解释，并在屏幕 上以图像的形式显示评价结果及报警信号。 d a m s a f e 是一个对结构进行安全管理的决策支持系统。它将人工智能技术 问用于大坝安全管理中，并与i n t e r a c t 相连接。可使多个专家通过共享他们的知 识和共享资料资源来管理大坝的安全。 1 2 2 国内的发展状况 我国的大坝安全监控系统的开发研制起步于2 0 世纪8 0 年代中期，一些科研 院先后研制了基于微机的大坝监测数据管理系统和数据处理的一些相关程序，除 对资料进行存储、管理、制作图表及统计分析外。还增加了人工巡查信息，提供 了描述大坝性态的综合信息。电力自动化研究院在国家“七五”科技攻关中开发 研制了d s i m s 大坝安全信息管理系统。该系统基于d o s 环境，采用当时最新的、 高效快速的系统软件于一体。 河海大学与大坝安全监察中心合作，在1 9 9 0 年结合龙羊峡工程开发和研制 了大坝安全综合评价专家系统，该系统首先提出并采用了集综合推理机、知识库、 工程数据库和图库于一体的构架，对大坝安全监控信息系统的开发研制有指导性 的作用；然后。河海大学和福建省电力局合作开发的“福建省水电站大坝安全决 策支持系统”：成都勘测设计院、河海大学及中国科技大学联合开发的“二滩拱 坝在线监控系统”；河海大学所开发的“福建省水口水电站工程式在线监控及反 馈分析”系统p 心，该系统较完善地解决了大坝安全监控的自动化评判这一难题， 且有较为丰富的图形及多媒体功能，在实际应用中取得了良好的效果；与此同时， 黄河小浪底水利枢纽士共有监测仪器约3 千支，并予1 9 9 6 年底完成了“安全监 控系统总体设计”。目前系统具体设计已接近完成。它的总体结构中包括有数据 库、图形库、图像库、模型库、知识库、综合分析推理库、多库协同器、输入输 出系统、总控( 人机界面) 等部分j 东北电力公司于1 9 9 8 年对所管辖的丰满、 白山等8 座大坝统一建立了大坝安全监测信息系统，采用客户机月匣务器体系结 构，用广域网连接各电厂的网络节点，建设中的三蛱工程的监测测点约l 万个， 4 基于数据库技术的大堋防洪安全分析 第一章绪言 i n d a c o 是一个模块化的资料自动采集系统。m i s u l 是一个应用于结构 自动化监测( 专门处理自动化监铡越界值) 的专家系统，可提供大坝性态的在线 反馈。该系统采用产生式专家系统的开发模式，运行于w i n d o w s 平台，可与大 坝的数据采集系统相连接进行宴时操作，对监测资料作出检验和解释，并在屏幕 上阻图像的形式显示评价结果及报警信号。 d a m s a f e 是一个对结构进行安全管理的决策支持系统。它将人工智能技术 问用于大坝安全管理中，并与l n m m 氍相连接，可使多个专家通过共享他们的知 识和共享资料资源来管理大坝的安全。 1 2 2 国内的发展状况 我国的大坝安全监控系统的开发研制起步于2 0 世纪8 0 年代中期，一些科研 院先后研制了基于微机的大坝监溯数据管理系统和数据处理的一些相关程序除 对资料进行存储、管理、制作图表及统计分析外，还增加了人工巡查信息，提供 了描述大坝性态的综合信息。电力自动化研究院在国家“七五”科技攻关中开发 研制了d s i m s 太坝安全信息管理系统。该系统基于d o s 环境，采用当时最新的、 高效快速的系统软件于一体。 河海大学与大坝安全监察中心合作，在1 9 9 0 年结合龙羊峡工程开发和研制 了大坝安全综合评价专家系统，该系统首先提出并采用了集综合推理机、知识库、 工程数据库和图库于一体的构架，对太坝安全监控信息系统的开发研制有指导性 的作用；然后，河海大学和福建省电力局合作开发的“福建省水电站大坝安全决 策支持系统”：成都勘测设计院、河海大学及中国科技大学联合开发的“二滩拱 坝在线监控系统”；河海大学所开发的“福建省水口水电站工程式在线监控及反 馈分析”系统p 捌，该系统较完善地解决了大坝安全监控的自动化评判这一难题， 且有较为丰富的图形及多媒体功能。在实际应用中取得了良好的效果；与此同时， 黄河小浪底水利枢纽士共有监测仪器约3 千支，并于1 9 9 6 年底完成了“安全监 控系统总体设计”。目前系统具体设计已接近完成。它的总体结构中包括有数据 库、图形库、图像库、模型库、知识库、综合分析推理库、多库协同器、输入输 出系统、总控( 人机界面) 等部分；东北电力公司于1 9 9 8 年对所管辖的丰满、 白山等8 座大坝统一建立了丈坝安全监测信息系统采用客户机服务器体系结 构，用广域网连接各电厂的网络节点。建设中的三蛱工程的监测测点约l 万个， 构，用广域网连接各电厂的网络节点，建设中的三蛱工程的监测测点约l 万个， 基于数据库技术的大坝防洪安全分析第一章绪言 t 9 9 7 年设计开发了“施工期安全监测数据管理系统”，1 9 9 9 年完成了“安全决策 支持系统总体设计大纲”，当前正在进行决策支持系统的总体设计。 通过以上的介绍，可以总结出大坝安全监控在今后一段时间内的主要发展趋 势有两个：一种是进一步完善大坝安全监控分析预报模型，以监视大坝实际的运 行，并提高分析评判信息的准确性；另一种趋势是将人工智能技术引进大坝安全 监控信息系统中，由机器来模拟推理分析的过程，通过机器模型的自学习功能不 断地提高评判分析的准确性。 1 。3 研究内容和技术路线 本文通过总结国内外大坝安全监控信息系统在研制开发成功经验，借鉴信息 系统在其它领域内开发应用的成果，结合当前我国大坝安全监控自动化管理的具 体实情，提出了“大坝防洪安全分析系统”的主要框架以及分析系统各个框架的 主要功能，重点突出其中的信息采集、网络传输、资料分析及决策支持功能。其 主要内容如下： ( 1 ) 总结归纳了大坝安全监控领域内的有关资料及图形信息，在此基础上， 对大坝安全监控中几个关键技术迸行了深入地研究，对如何使用大坝安全分析系 统来高效地采集、管理有关安全信息进行了探讨。 ( 2 ) 论述了当前先进的网络技术，较详细地论述了当前i n t e r n e t 及i n t r a n e t 的主流技术，通过对两种较为相似的网络技术对比，研究了企业内部网( i n 位a n e t ) 的主要组成、技术结构及功能特点。应用这些技术实现在i n t e m e t 网络框架上， 开发大坝防洪安全分析系统。提出了在i n t r a n e t 功能框架基础上上构筑大坝安全 监控信息的网络发布及共享的方法。 ( 3 ) 在深入分析典型信息系统各个组成部分及功能的基础上，结合大坝安 全分析过程中实测资料信息的输入、整编、建模分析及安全评估，将大坝安全监 控分析的流程与信息系统的功能有机的融为一体。并建立了大坝防洪安全分析系 统的主要框架。 ( 4 ) 以漫湾水电站和赵家龙潭水库为例，研制大坝防洪安全分析系统。为 大坝防洪安全分析系统的开发提出一个较为实用的主体框架及开发思路。 基于数据库技术的大坝防洪安全分析 第二章水情采集 2 1 数据采集原理 第二章水情采集 研究数据采集，不能不提到传感器和微型计算机。在现代测控系统中，传感 器和微型计算机是必不可少的两个部分。微机对资料具有很强的处理能力，但它 对非电量或模拟信号是无能为力的。传感器把非电量转化成电量，经过放大处理 后，转换成数字量输入计算机，由计算机对信号进行分析和处理，进而可以发出 各种命令，由执行机构产生相应的动作，其原理如图2 1 所示： 输入输出 一- 一一1 r r 一 被测物理量 j 传感器 ：一一i 微型计算机 一执行机构| 一一一一l 一一一 【j 圈2 1 徽型计算桃信息处理过程 当前，传感器的发展趋势是多功能化、微型化与智能化，日益趋于与微型计 算机相结合构成自动检测系统。而微机的小型化和集成度的提高也使得传感器的 智能化更容易实现。在现代技术中，传感器与微机结合起来，对自动化和信息化 起着重要的作用。 模拟信号处理，主要涉及到改善传感器输出的模拟信号的质量而采用的一系 列措施，如放大、滤波、函数拟合、非线性补偿、信号的压缩与展开等。模拟处 理之后，需要将模拟信号转换成数字量以便于计算机系统作进一步的处理、分析 和储存等。之后计算机可将数字量结果重新转化为相应的模拟量，用于驱动显示 或反馈系统等。这种模拟信号和数字信号之间的相互转换是由资料转换接口来实 现的。集成a d 转换器是集成在一块芯片上能完全模拟输入信号向数字信号转换 的电路单元。以其为核心，根据需要在附加多路转换开关和采样保持放大器等，可 构成完整的模数转换接口。图2 2 所示的是最常见的数据采集系统框图。它具有较 高的性能，每个信道均有各自的信号调节电路，通过多路模拟开关分时与采样电路 保持电路相连。从而实现多路数据的同时采集。 由模拟量转换为数字量包括采样、量化和编码三个阶段。采样就是按照一定 基于数据库技术的大坝防洪安全分析 第二章水情采集 的时间间隔从连续的模拟信号中抽取一系列的时间离散样值“。采样频率由 n y q u i s t 采样定理决定，即只有采样频率大于模拟信号中最高频率的2 倍时，采 样信号才能保留原模拟信号的全部信息。时间离散后的采样信号还需要采用四舍 五入的方法，将其幅值与电平由零增加到满度值之间一系列离散电压值对应起 来。这种将幅值连续取值的模拟信号变为只能取有限个离散幅值信号的过程称为 量化。编码就是用一定位数的二进制数码来表示采样信号的量化幅度。通常所用 的码制是二进制原码，在a d 转换器中的左起第一位数字称为最高有效位 o a s s ) ，它的权重是l 2f s ( 满刻度幅度) ，第二位的权重为1 4f s ，以此类推， 最后一位称为最低有效位( l s b ) 。它的权重是2 n f s 。 2 2 数采设备和特点 豳2 2 集戚a d 转换鲁数据采集幕统 随着计算机技术的迅速发展，水情测报技术产品在最早的分立式电子组件产 品基础上获得了较快地发展。1 9 7 6 年美国s m 公司与美国天气局合作研制成的 一套水情自动测报设备是该时期的代表性产品。二十世纪八十年代以后，由于遥 测设备的不断完善，数据传输方式的多样化及其可靠性的增加，以及计算机技术 和预报调度软件的进一部发展，水情遥测和防洪调度自动化技术在世界范围内得 到了广泛的应用。二十世纪九十年代以后，功能更强、应用范围更广的自动测报 系统在水利、水电、气象以及各类要求遥溅水文、气象( 包括气温、风向、湿度、 水温、水位、雨量、降雪量等) 参数的专业领域得以应用。 我国水情自动测报系统的建设始于二十世纪七十年代中期，形成的初期产品 在国内一些水库进行实地应用；由中国水利水电科学研究院1 9 8 3 年开发，1 9 8 6 一出一j_ 磊一 i 匦 互 甲二二) 蛩 面一 砾一 丽 孕l 去一 一 一 引引驯u 、h f 卜 号路 一号珞一 一鹪蝴一 一耦潞一 一摊张 ； 黼钝一 一棚黼一 ； 一徽| 薹 一：二 基于数据库技术的大坝防洪安全分析 第二章水情采集 年投入运行的黄龙滩水惰遥测和洪水预报、防洪调度自动化系统作为国产化了现 产品的起点，国内同时期先后建成了一些水情自动测报系统，其中知名度较高的 工程有：本石溪、天桥、鲁布革及黄河- - 1 7 峡至花园口之间。发展至今，通信方 式【9 】已由最初的超短波发展到利用短波、超短波，微波、卫星、有线共享网络等 方式，支持更复杂的组网模式和自报应答或兼容的工作方式。系统的稳定性和 可靠性有了很大提高，随着元器件质量的提高和计算机技术的发展，其关键设备 遥测终端的质量也大幅度提高。功能也由最初的雨量、水位信息传送，发展到今 天的可满足传输水位、雨量、流速、流量、蒸发量、水质、闸门开度、风速、风 向、温度、湿度、气压等多种传感器接口技术。九十年代是我国这一专业技术发 展最快的时期，一些较大系统都相继建成，其中包括赣江、闽江、酉水、澜沧江、 红水河及沅江等流域上的万安、水口、风滩、漫湾、岩滩、天生桥及五强溪等水 电厂的较大型水情自动测报工程。近十多年内有更多较小的水情自动测报工程业 已建成，它们都发挥了很好的作用。 2 3 水情采集系统 2 3 1 硬件部分 2 3 1 1 水情自动测报系统的站网设置 常见水文参数包括：降雨量、水位、水流量、水流速、水温、蒸发量及含沙 蠹等【1 0 1 1 “】。目前我国用于洪水预报一般仅自动采集降雨量和水位两个参数。其 余水文参数或是通过转换计算或是由人工置数方法通过信道传送给中心站。雨量 和水位遥测站点的布置原则是：以最经济的系统规模和投资，获得达到要求精度 的洪水预擐。水位站点的设置主要按照控制产洪区域为原则：即控制入库站、出 库站、库区站及较大产洪的支流入汇站。1 1 2 】1 1 3 】 雨量站点的设置，主要采用抽站法作面雨量对比分析。对比多站与抽样选站 情况下面雨量平均值的误差统计，同时采用a p i 模型计算洪峰流量的误差分析。 以最合理地做出站网布设。在无历史资料( 或少资料) 的地区，则要依赖与之类 似自然地理条件地区的站网密度情况作为参考。站网布设与预报模型的匹配是站 点布设的核心，不同预报模型对遥测站点的布设有不同的要求。如：以雨量作为 主要输入的系统，要求有更多的点来控制面雨量。有的模型则更多地依赖于水位 9 基于数据库技术的大坝防洪安全分析 第二章水情采集 站的控制。同时，应重点考虑系统所建流域和河段情况。从我国己建成的水情自 动测报系统看，站网密度一般在2 5 0 - 6 0 0 k m 2 站，且随着控制面积的增大，密 度减小。总体上密度较国外小得多，日本的站网密度高达5 0k m 2 站。 2 3 1 2 水情自动测报系统的中继站 由于水情自动铡报系统多处于高山边远地区，交通不便，且站点分布丽广。 环境条件较差，故一般只能采用无线通信方式。超短波无线通信是我国绝大多数 水情自动测报系统中采用的数据通信手段。由于遥测站点的布设主要是根据该地 区水文特点及洪水预报精度要求而设置，般不可更动。因此，必须选择合理的 地址建立中继站，组成合理的超短波通信网络。以收集遥测信息。 中继站的基本功能有：( 1 ) 识别和接收遥测信号：( 2 ) 具备模拟再生中继站 转发功能；( 3 ) 具备资料显示功能及自检功能：( 4 ) 故障警告功能。 寰2 - l 两种体制下超短波疆信水慵自动曩报的典受性螗比较 2 3 1 3 水情自动灏报系统的中心站功能 水情自动测报系统中心站的主要工作是以遥测得到的水情资料信息为依据， 作出洪水预报和防洪调度决策。所有采集到的水情信息均在此进行最后的处理、 存储。中心站是全系统的监控中心。 我国水情自动测报系统主要为自报式体制，中心站包括前置机和后台主机两 大部分。它们各自执行不同的功能。前鬻机主要完成实时数据接收功能，具体包 括：( 1 ) 实时接收遥测水文数据，进行译码纠错、数据合理性检测、对接收的资 料加注时间、存入水文数据库等资料的预处理：( 2 ) 进行水文数据库操作。实现 资料检查、查询统计、显示和打印功能；( 3 ) 水文信息报警和提示功能；( 4 ) 实 时值守的前置机在收到后台机要求传送数据的信号后向主机传送水文资料或提 1 0 基于数据库技术的大坝防洪安全分析第二章水情采集 供上网接口，进行网上连接。交换资料；( 5 ) 实时数据的监视功能，对接收或发 送的资料及全系统进行实时监视。 中心站后台主机要完成洪水的预报和调度功能，具体包括：( 1 ) 根据率定的 水文模型进行流域的产流、汇流和洪水演进计算，对预报成果进行实时修正，发 布水文预报 ( 2 ) 按水库泄洪闸孔情况提