（水工结构工程专业论文）大坝群安全监控远程网络系统研究.pdf

摘要 建立区域监控中心，实现大坝群统一安全监控和管理，是今后大坝安全监控 系统发展的方向，本文在分析研究了国内外大坝安全监控系统和安全监控分析评 价模型的基础上，充分吸收了最新的通信、计算机网络和软件技术，重点研究了 大坝群安全监控远程网络系统若干关键技术。主要内容包括： ( 1 ) 分析了我国大坝安全管理的现状、特点及发展趋势，充分利用现代通信、 计算机、网络技术，结合国内外发展现状，研究了远程网络条件下大坝群安全监 控和管理的实现方案，提出了基于远程网络的大坝群安全监控平台。 ( 2 ) 研究了大坝群安全监控远程网络系统中的软件系统关键技术及其实现， 主要包括：网络应用底层软件服务平台、远程数据传输技术、图形技术、数据库 技术及其实现策略：探讨了网络系统的安全性及对策。 ( 3 ) 研究了大坝安全预警方案：探讨了大坝群安全预警系统的构成和框架； 研究了远程网络条件下大坝群安全监控中的信息分析评价模型：安全预警的指标 及模式，提出了相应框架及实现方法；针对目前重预警轻预案的特点，分析研究 了异常和险情处理措施、预案及相应决策支持模块。 ( 4 ) 以福建省大坝群安全监控远程网络系统为例，研究了系统开发的思路、 具体框架以及部分实现细节。 关键词：大坝群安全监控远程网络信息集成评价模型监控指标 预警系统 a b s t r a c t s e t t i n gu pr e g i o n a lm o n i t o r i n gc e n t e rt om a n a g ea n dm o n i t o rt h es a f e t y o fa n u m b e ro fd a m sc o n c e n t r a t i v e l yi st h ef u t u r et r e n do fd a m s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m u n d e rt h eb a c k g r o u n d ，d i f f e r e n td a ms a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e ma n ds a f e t ye s t i m a t e m o d e lo fd o m e s t i ca n df o r e i g na r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r u pt od a t e c o m m u n i c a t i o n 、c o m p u t e r n e t w o r k 、s o f t w a r et e c h n o l o g ya r ea s s i m i l a t e df u l l y ，a n da f e wo f k e yt e c h n o l o g yo nd a mg r o u ps a f e t ym o n i t o r i n gr e m o t en e t w o r ks y s t e m ( d g s m r n s ) a r es t u d i e d e m p h a t i c a l l y t h em a i n c o n t i n e n t sb e i n ga sf o l l o w i n g ： ( 1 ) a n a l y f i n gt h ep r e s e n tc o n d i t i o n 、f e a t u r e a n df u t u r et r e n do fd a ms a f e t y m o n i t o r i n go fo u rc o u n t r y ，f u l l ya p p l y i n gu pt od a t ec o m m u n i c a t i o n 、c o m p u t e r 、 n e t w o r kt e c h n o l o g y ，c o m b i n i n gt h el a t e s td e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n df o r e i g n ，t h e s c h e m eo fd a mg r o u p s a f e t ym a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n g b a s e do nt h er e m o t e n e t w o r ki ss t u d i e d ，a n dt h ed a m g r o u ps a f e t ym o n i t o r i n gp l a t f o r m b a s e do nt h er e m o t e n e t w o r ki sb r i n gf o r w a r d e d ( 2 ) t h es o f t w a r es y s t e mc m c i a it e c h n o l o g yo fd g s m r n si s s t u d i e d ，m a i n l y i n c l u d i n g ：s o r w a r es e r v i c ep l a t f o r mo fn e t w o r ka p p l i c a t i o n 、r e m o t ed a t at r a n s f e r t e c h n o l o g y 、g r a p ha n di m a g et e c h n o l o g y 、d a t a b l et e c h n o l o g ya n dt h e i rr e a l i z a t i o n s t r a t e g y ，t h en e t w o r ks a f e t ya n d i t sc o u n t e f l 3 3 e a s u r ea l s ob e i n gs t u d i e d ( 3 ) t h e p r e - w a m i n gs c h e m e f o rd a r ng r o u p s a f e t yi ss t u d i e d ：t h ec o n s t i t u t e sa n d f t a m eo fd a mg r o u p s a f e t yp r e - w a m i n g a r e d i s c u s s e d ，t h ed a mg r o u ps a f e t y m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o na n a l y s i s e s t i m a t em o d e l 、s a f e t yp r e - w a r n i n gi n d e x e sa n d m o d eo nc o n d i t i o no fr e m o t en e t w o r ka r cr e s e a r c h e d a n dc o r r e s p o n d i n gf l a m ea n d r e a l i z a t i o nm e t h o da r ep u t f o r w a r d e d ；a i m i n ga t “e m p h a s i z i n gp r e - w a r n i n g , b u t m a k i n gl i g h to fp r e s c h e m e ”i nd a ms a f e t ym a n a g e m e n ta tp r e s e n t ，t h et r e a t m e n t p l e a s u r e 、p r e s c h e m ea n dc o r r e s p o n d i n gd e c i s i o ns u p p o r tm o d e lf o rd a mg r o u p a b n o r m i t ya n d r i s ka r e a n a l y z e da n d r e s e a r c h e d ( 4 ) f o rf u j i a n p r 0 、，i n c ed g s m r n s a sa n e x a m p l e ，t h et h o u g h t 、m a t e r i a l f r a m e a n d p a r ta p p l i c a t i o ns c h e m eo f d g s m r n sa r es t u d i e d k e y w o r d s ：d a mg r o u p ，s a f e t ym o n i t o r i n g ，r e m o t en e t w o r k , i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n , e s t i m a t em o d e l ，m o n i t o r i n g i n d e x ，p m w a r n i n gs y s t e m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 随着我国社会经济的发展，包括水利工程在内的基础设旌建设发展迅速。据 统计，截止2 0 0 1 年底，我国已建各类水库堤坝8 4 万余座，水库总库容量5 2 8 1 亿m 3 ，其中1 5 m 以上大坝1 8 6 万座，其库容3 9 2 7 亿m 3 ；库容1 亿n 1 3 以上的大 型水库4 3 3 座，这些水库在防洪、灌溉、发电、城乡供水、航运和水产养殖等方 面发挥了巨大的经济效益。然而，有些大坝由于建设较早或受当时坝工技术的限 制已出现安全隐患：有些大坝由于运行管理过程中不能及时发现缺陷并采取相应 措施，导致安全风险增大。据水利部和原国家电力公司对所属大坝的安全定期检 查，发现有三分之一是病险坝，还有一些大坝正在老化和病变。这不但影响了工 程效益的发挥，也直接威胁蓉下游群众的生命财产安全。特别是现在在建或将建 的大坝中高坝大库越来越多，一旦失事将带来重大灾难。截止1 9 8 0 年的统计，我 国总渍坝率高达3 左右，而大型水库仅2 座失事，其溃坝率亦达0 6 ，而中小 型溃坝较多，约在4 左右，我国水库大坝的座数及溃坝率都居世界前列【”。国内 外溃坝率已从本世纪初的高峰降至目前的0 2 左右或稍低，近年来大坝的安全己 大有改迸，但目前大坝的安全状况还有待迸一步改善f 2 】o 因此除了进一步完善大 坝的设计和施工外，做好大坝安全管理和安全监测工作至关重要。 为监测大坝安全状况，大坝内一般都布置了变形、渗流、应力应变等多种监 测仪器，监测点多达成百上千个，甚至上万个，数据采集、处理、分析工作量很 大。为此借助计算机建立大坝安全监控系统对采集的数据进行快速的处理、分析 已成为大坝安全管理不可缺少的方面。随着现代通信、网络、计算机技术的发展， 大坝安全监控也逐渐由单机的简单数据分析评价系统，向局域网或远程网络的分 布式综合远程评价系统方向发展。利用这些先进技术建立起大坝群安全监控和管 理的远程网络系统，对水库大坝进行统一安全管理、监控、分析评价和远程诊断， 可以充分利用各种资源和条件，更加及时、准确、有效的评估大坝安全状况，可 以充分利用现有的监测设备和数据资料实现资源共享，使监控系统的维护管理和 升级变得方便，并可实现远程管理，能够充分利用异地专家的知识和经验对各大 坝安全状况和异常险情做出客观、专业的评价，提高大坝安全的管理决策水平， 河海大学硕士学位论文 推进大坝安全管理的现代化和信息化。因此，如何充分利用现代信息和通信技术， 实现大坝尤其是大坝群的安全监控和管理的信息化、网络化是当前的发展趋势。 同传统大坝安全监控系统相比，大坝群安全监控远程网络系统( d a mg r o u p s a f e t ym o m t o f i n gr e m o t e n e t w o r ks y s t e m ，以下简称d g s m r n s ) 具有以下特点： 建立大坝安全监控区域中心，借助远程计算机网络，对若干座大坝实现统一安全 监控和管理；可以集中人力、物力和信息资源以及其它便利条件对大坝安全实行 有效的管理；提供远程诊断分析和决策支持，对大坝安全状况做出更准确、及时 的评价，有助于对可能出现的险情及时做出决策，采取补救措施；有利于实现大 坝安全管理的层次化、制度化和正规化。根据水电站大坝安全管理办法，对于 大坝安全预警的研究，不仅要对险隋做出预警，而且在出现险情后要提供应对预 案以及相应的决策支持措施，对此本文也做了相应研究。 1 2 国内外研究现状及问题的提出 1 2 1 计算机网络的发展趋势 计算机网络的发展先是c s 模式的局域网系统，如今已发展到b s 三层结构 乃至多层结构。两层c s 模式不能适应应用不断增加的情况，随着应用的扩大， 客户机上所需配置的软件越来越多，使客户机越来越“胖”，形成“胖客户机川”。 在该模式中，服务器通常会与许多客户机相连，如果对服务器中的某种软件作了 改动或升级，则多个客户机上的软件也必须重新装配，可见两层c s 模式为适应 应用不断变化和发展的需要，必须付出高昂的代价。而在多层c i s 模式中( b s 模式可看成多层c s 模式的特例) ，则根据系统大小和应用的复杂程度在客户端 和数据服务器中阐增加一层或若干层应用服务器，客户机便可通过应用服务器去 访问多个数据库服务器，而将客户机的大部分应用软件和接口移到应用服务器上， 从而简化了客户机，使之由“胖客户机”变为“瘦客户机”和“胖服务器”。三层 c s 模式如图1 2 1 所示。 妻h 嚣赭l 差耋l 襟 服务器( 中 图1 2 1 三层c s 模式的结构 2 数据库 服务器 第一章绪论 三层或多层c s 模式增加了系统的灵活性和可扩充性，简化了客户机，降低 了整个系统的费用，使客户端的安装、配置和维护更为方便。然而三层c s 模式 也使开发难度加大，周期变长，并影响访问效率。因此，当信息系统的规模较小 且局限于本地时，最好采用两层c s 模式，以获彳导较高的访问效率，降低开发难 度。对于大型信息系统或夸区域时，通常应采用三层或多层c s 模式，特别是构 建i n t e m a t i n t e r n e t 时，其工作模式必定是三层c s 模式，即b r o w s e r s e r v e r 模式。 在浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r ，以下简称b s ) 模式中，增设了w e b 服 务器，它相当于三层c s 模式中的应用服务器，此时客户机不再直接访问任何数 据库服务器，而只是访问w e b 服务器，再由w e b 服务器代理客户机去访问某个 数据库服务器，这样便形成了客户浏览器、w e b 服务器、数据库服务器三层的客 户机朋匣务器模式，如图1 2 2 所示，这种三层结构的模式称为b s 模式。 、图1 2 2b s 模式的结构 b s 模式的客户机基本不再支持应用，形成所谓的“瘦客户机”，随着网络中 应用的增加或更新，不会影响浏览器的软件环境，这大大节省了添置及更新软件 的维护费用，统一的客户端界面也易学易用。 目前我国的大坝安全监控系统多以单机系统或两层的客户机，服务器结构的 系统为主，今后要向建立区域乃至全国大坝安全监控中心的大坝群安全监控远程 网络系统发向发展，必然要形成两层和三层乃至多层c s 模式相结合的网络系统 结构。 1 2 2 国内外大坝安全监控系统的研究现状 1 2 2 1 国外研究现状 发达国家已充分利用现代信息技术建立了较为完善的大坝群安全监控系统， 尤其意大利、葡萄牙、西班牙、法国等在大坝安全监测方面有较长期的应用实践， 在国际上有较大影响5 h ”，同时大坝安全分析评价和日常管理也越来越借助远程 网络实现通过监控中心分析评价模型 g - 1 1 3 1 和专家诊断系统“”。“1 可在网上对各大 坝进行分析评价和异常诊断，并提出决策方案“”。”1 。 河海大学硕士学位论立 法国电力公司开发的大坝监测处理系统管理着1 5 0 多个大坝的监测数据，算 是较大型的大坝群安全监控系统“。 美国t o l t 大坝“”位于西雅图附近，其监控中心设在西雅图市，大坝各测点的 监测数据及其它环境水文数据或通过无线方式发送到测点控制单元( m c u ) ，然 后由t o l t 大坝水电厂中心监控计算机将m c u 中的数据读出，其中m c u 和监控 计算机之间为光纤连接，或者由手持计算机从现场m c u 中读数，再将其下载到 水电厂中心计算机中，而位于西雅图市的监控中心则通过m o d e m 和电话线从水 电厂中心计算机获取数据。监控中心有若干数据库服务器和工作站组成一个局域 网，可利用各种分析软件对监控数据进行分析评价，对大坝安全性态做出判断， 并输出各种图表和报告。 西班牙g u a d a l q u i v i r 流域的大坝群安全监控系统“”实时监控6 座大坝的安全 运行状况。该系统监控中心是一个c s 结构的局域网，一个远程子网用于工程管 理，一个远程工作站用于咨询管理，6 个局域网分别位于各大坝监测现场，用于 数据收集及相应的监测工作。其系统简图如下： 图1 2 。3 西班牙g u a d a q u i v j r 流域的大坝群安全监控系统筒恩 葡萄牙h i d r o c e n e l 公司的某大坝安全自动化监测和远程传输系统。“，其 数据自动采集单元通过o s m 网络连接到p o r t o 市的h i d d r o r v m o 办公室远程 计算机，现场采集单元以预先设定的时间间隔，每天将两次监测数据传送到远程 监控计算机，也可人工修改自动读数的频率。 4 第一章绪论 意大利在大坝安全监控系统的开发研究方面一直处于国际领先地位。二十世 纪九十年代，意大利相继开发了i n d a c o 、m i s t r a l 、d a m s a f e 等系统，其 中d a m s a f e 最为出名，它是一个对结构综合安全管理的决策支持系统。它将人 工智能应用于大坝安全管理中并于国际互联网i i l t e m e t 相连接，可使多个专家通 过共享它们的知识及数据资源来合作管理大坝的安全。此外，意大利南部1 8 座大 坝通过i s i d e 中心建立了大坝群安全监控系统。“，该系统有些部分在建，有些已完 成，其中i s i d e 中心2 0 0 0 年3 月建成。i s i d e 中心和1 8 座大坝自动化监测系统实 时连接，可支持大坝业主部门的监控活动和查询服务，向政府主管部门提供报告 和监测结果。这1 8 座大坝的监测项目主要有：现场的静态监测、地震监测、监督 活动和离线分析；远程的可视化监控、远程访问控制、反入侵等。在i s i d e 监控中 心主要有：确定性模型分析、有限元模型分析、结构分析和安全评价、水文一水 利分析、大坝安全综合评价等。其中各大坝现场自动化监测系统用于收集和管理 数据、参照性分析、数值越界报警、网络入侵报警及可视化图像监控，i s i d e 监控 中心保证了大坝监测现场、监控部门办公室和位于罗马和那不勒斯的上级政府部 、 门监控中心等整个监控网络的畅通和运行。n i d e 中心进行各种在线分析、检查和 离线分析。而位于罗马和那不勒斯的政府部门监控中心也可查询到各种监控数据。 该网络监控系统的各结点由信息通信相互沟通。 可见，目前国外大坝安全监控系统正在借助计算机网络及现代通信手段，通 过建立区域性或全国性的大坝群安全监控中心，实现数据的远程传输、远程分析 评价、远程会诊反馈和远程决策，以及提供网上查询及报表发布等，对大坝实现 集中统一和高效的管理。 1 2 2 2 国内研究现状 我匡i 大坝安全监控系统的研究开发起步较晚，但发展迅速，开始一些科研院 所先后研制开发了基于单机的大坝安全监测数据管理程序，后来发展到数据处理 和分析评价系统。 目前国内的大坝安全监控系统也由单机系统发展到c s 结构的局域网监控系 统。吴中如、顾冲时、沈振中等提出并开发了建立在一机四库( 推理机、数据库、 知识库、方法库和图库) 基础上的大坝安全综合评价专家系统陶1 ，应用模式识别 和模糊评判，通过综合推理机，对四库进行综合调用，将定量分析和定性分析结 5 河海大学硕士学位论文 合起来，实现对大坝安全状态的在线实时分析和综合评价，郑东健、吴中如、徐 洪钟、苏怀志等提出了大坝安全监控智能框架和结构。南京自动化研究院研制 开发了d a m s 大坝自动监测系统和d s i m s 大坝安全管理信息系统，南京水文自 动化研究院开发了d g 大坝自动监测系统，这些系统实现了观测数据的自动化采 集、在线分析和实时监控的一些功能。”。李吉绍等提出了大坝安全远程监测系统 的研制思路”“：河海大学开发的龙羊峡大坝安全综合评价专家系统”“、水口水电 站在线安全监控及反馈分析系统”等，目前正向着远程网络系统及大坝群安全评 价方向发展；中国水利水电科学研究院开发的水电工程安全监控系统”，也在向 着远程监控系统方面作进一步探讨。 综上所述，国内外大坝安全监控和评价系统由单机向网络发展，由本地局域 网向远程监控网络发展m 1 ，由评价单一大坝向大坝群综合安全评价发展，从而为 大坝管理单位、政府主管部门及有关各方提供高效的资源共享方式和大坝安全管 理模式是今后大坝安全监控系统发展的必然趋势。 1 2 3 问题的提出 我国的大坝安全监控系统在总体上与国际先进水平仍有一定差距，尤其是和 现代信息技术的结合方面有待进一步的研究和提高。目前，急待解决的问题有： ( 1 ) 探讨建立区域监控中心，实现大坝群统一安全监控和管理。这不仅是今 后大坝安全监控系统发展的方向，同时也和我国电力体制改革相适应，便于有关 电力公司对所属的水电站大坝实行有效、统一的管理。因此，有必要对此开展相 关研究工作。 ( 2 ) 实现远程诊断、分析、评价和决策支持。 远程诊断、分析和决策支持在医学、航空航天、工业制造等方面研究较多， 发达国家在大坝安全监控系统方面也已将最新的通信、网络、计算机软件技术。“ 融入大坝安全监控系统中，如借助卫星、g p r s 网络、g s m 网络实现远程数据传输、 安全报警。”，实现对大坝群的远程安全监控，并开发了基于i n t e r n e t 的远程诊断、 分析和决策支持系统嘲。蚓，如意大利的d a m s a f e 、m i s t r a l 啪1 等，西班牙、葡 萄牙、法国、美国等也有类似系统。”吖“。我国目前大多局限于水电站大坝的局域 网监控系统，尚未有实用的大坝安全监控远程网络系统和区域性的安全监控中 心“。研究探讨适合我国大坝安全管理特点的远程诊断、分析和决策支持网络系 6 第一章绪论 统，并逐渐应用到大坝安全管理的实践中，对于提高我国大坝的现代化、信息化 管理十分必要。 ( 3 ) 大坝安全预警有待进一步研究和完善。大坝安全监控的主要目的之一就 是通过分析评价监测资料了解大坝运行安全状况，及时给出报告或预警，采取相 应的防范措施。目前我国大坝安全监控系统往往侧重于自动化监测和初步的分析 评价工作，在安全预警方面还有待完善和进一步深入研究，尤其是对险情的充分 评估、处置预案及相应的决策支持模块等方面的研究尚为空白。因此，有必要在 大坝安全预警、险情处置预案及相应的决策支持模块等方面进行更深入的研究和 探讨。 1 3 本文研究的主要内容 本文在研究国内外大坝安全监控系统和安全监控分析评价模型的基础上，充 分吸收了最新的通信、计算机网络和软件技术，重点研究了大坝群安全监控远程 网络系统若干关键技术。主要内容包括： ( 1 ) 分析了我国大坝安全管理的现状、特点及发展趋势，充分吸收现代通信、 计算机、髓络技术，结合国内外发展现状，研究了远程网络条件下大坝群安全监 控远程网络系统的实现方案，提出了基于远程网络的大坝群安全监控平台。 ( 2 ) 研究了大坝群安全监控远程网络系统中的软件系统关键技术及其实现，主 要包括：网络应用底层服务平台、远程数据传输技术、图形技术、数据库技术及 其实现策略；探讨了网络系统的安全性及对策。 ( 3 ) 研究了大坝安全预警方案，分析了目前大坝安全预警系统的现状和特点， 研究了远程网络条件下大坝群安全监控中的信息分析评价模型，以及安全预警的 指标及模式，提出了相应框架及实现方法；针对目前重预警轻预案的特点，分析 研究了异常情况处理预案及相应决策支持模块。 ( 4 ) 以福建省大坝群安全监控远程网络系统为例，分析研究了系统开发的思 路、具体框架以及部分实现细节。 7 第二章基于远程网络的大坝群安全监控系统的模型构建 第二章基于远程网络的大坝群安全监控 系统的模型构建 2 1 概述 我国的大坝安全管理在体制、人员素质、工程分布、机构设置等方面都有其 自身的特点，和国外不完全相同。因此，研究建立大坝群安全监控远程网络系统， 必须对我国的大坝安全管理的现状、特点进行分析。 ( 1 ) 管理体制和机构设置 我国的大坝安全管理机构主要为水利部和原国家电力公司，对所管辖大坝的 安全负责“”。而相应的水库管理局和水电站则为大坝安全的直接管理单位，他 们负责大坝的安全监测和检查：对监测资料进行整理和分析，随时掌握大坝运行 状况，发现异常情况和不安全因素时，立即报告上级大坝安全主管部门，及时采 取措施。水利部对所属水库大坝实行层层安全管理：分为水利部、流域机构、省 级水行政主管部门等。水利部大坝安全管理中心对水利部所属的水库大坝安全管 理工作提供技术支持和指导，原国家电力公司大坝安全监察中心贝l j 是国家电力公 司所属的水电站大坝的安全监察机构，对国电公司负责和报告工作，同时还设置 地区性的水电站大坝安全监察机构，负责本地区水电站大坝的安全监察。一般大 坝都处于较偏远的山区，其安全监测现场设于坝区，各方面的条件和设施相对落 后，相当一部分基层管理单位设在就近的城镇，并设立基地管理中心；同时，大 坝安全基层管理单位( 1 l l j 基地管理中心) 主要负责大坝安全的资料收集、日常巡 查、情况汇报、简单分析判断等工作，而对大坝安全全面的分析评价及相应的决 策对由上级主管部门负责。 ( 2 ) 大坝安全检查 我国的水电站大坝安全检查分为日常巡查、年度详查、定期检查和特种检查 四种。日常巡查是由水电厂有经验的现场专业人员对大坝进行的经常性巡视和检 查。检查项目及结果以表格方式记载。发现异常迹象或变化应详细记录，及时报 告处理。年度详查是每年汛前、汛后或枯水期( 或冰冻期) 由水电厂组织专业技 术人员对大坝进行详细检查。其内容包括观测资料分析，审阅运行、检查、维护 8 河海大学硕士学位论文 记录等资料，对大坝各种设施进行全面或专项检查，提出大坝安全年度详查报告。 定期检查是每隔一定时间由主管单位组织运行、设计、施工、科研等有关单位高 级专业人员对大坝进行的全面检查和评价。其内容包括按照现行规范复查原设计 数据、方法及安全度；审议施工方法、质量和施工中出现的特殊情况及其影响； 复核洪水、库容、泄洪能力；全面了解和审查大坝运行记录和观测资料分析成果： 现场检查( 包括水下检查) ；评定大坝的结构性态和安全状况，提出大坝安全定期 检查报告。检查频次一般为每五年一次。对没有潜在危险、结构完整、运行性态 良好的大坝，由主管单位报国电公司大坝安全监察中心，经会商后可以减少检查 频次，但间隔时间不得超过十年。特种检查是在特殊情况下对大坝重大安全问题 的检查。在发生特大洪水、暴风雨、强烈地震或重大事故等非常事件后，或发现 异常迹象对大坝安全有怀疑时，主管单位应立即安排特种检查。检查范围取决于 异常事件的严重程度和所担忧的事故后果。检查后，应及时提出大坝安全特种检 查报告。水电站大坝安全定期检查或特种检查报告必须提出大坝安全评价。 水库大坝除了日常安全管理外，实行定期安全鉴定制度，一般安全鉴定在竣 工验收后每隔5 年进行一次。 大坝出现险情征兆时，大坝管理单位立即报告大坝主管部门和上级防汛指挥 机构，并采取抢救措施：有垮坝危险时，应采取一切措旋向预计的垮坝淹没地区 发出警报。水电站大坝须编制险情预计和应急处理计划，报上级主管单位和防汛 指挥机构批准。 ( 3 ) 科技人员的素质及分布 目前大坝安全管理现场的监测一线人员的理论与经验素质一般偏低“”，从基 础管理到技术的应用方面都有所体现。如现场人员对监测数据反映水工建筑物的 安全状态茫然，技术的应用程度较低，对最新信息系统相关的软硬件技术应用能 力较差等。而在远离现场的上级管理单位如省级管理单位、流域机构、国家大坝 安全管理中心或大坝安全监察中心则具有较强的技术实力、人才资源和软硬件设 施和设备。 ( 4 ) 监控水平和发展趋势 虽然目前大坝安全自动化监控系统发展迅速，但总体上我国大坝安全监测系 统还是以人工监测为主，只有少数的大、中型水库大坝有自动化j i 矗测的系统“。 第二章基于远程网络的大坝群安全监控系统的模型构建 人工观测存在观测数据不够准确、实时性差、无法捕捉历史极值、观测数据分析 滞后严重，难以及时、准确地判断大坝的安全运行性态等缺陷；已建立的水电站 大坝自动化监测系统，大部分也只能实现前台的观测数据实时采集，进行实时的 数据分析评判还比较困难；很多自动化监测系统存在精度不够，可靠性较低等问 题，进行大坝安全定检时仍然以人工观测资料为主，而以自动化监测资料为辅进 行分析、评价，大坝安全监控自动化系统还未在实际中得到充分应用。同时，已 建大坝安全监控系统大多在数据采集、处理，数据管理及数据展示上较为完善， 而在实时分析、评价大坝安全性态等方面较为薄弱。由于大坝基层管理单位技术 水平所限，目前大坝运行状态的安全综合评价以及有关指标的复核一般还依赖于 组织专家或委托有关科研单位对大坝进行的定期安全鉴定，周期较长。这样造成 安全隐患难以及时发现，无法将缺陷消除在萌芽状态。 针对以上特点，为有效提高大坝安全管理水平和效率，对大坝安全状况进行 及时、专业、准确的评价，以便及时决策、消除隐患，本文充分利用当前信息和 网络领域先进技术，建立了大坝群安全监控远程网络系统。该系统利用现代先进 的通信手段和计算机网络技术，集中部分坝工高科技人员，建立大坝安全监控区 域中心，对大坝安全的分析评价和决策提供技术支持。依靠稳定、可靠的自动化 监测系统，现场人员的巡查，实现安全监测数据、现场缺陷信息的实时采集、远 程传输；利用网络化、信息化的数据处理系统和决策支持系统实现数据信息和大 坝安全状态的分析评判。 2 2 大坝群安全监控远程网络系统总体结构 由上分析，大坝群安全监控远程网络系统的总体结构主要由三层组成，见图 2 2 1 。各层的功能简述如下： 2 2 1 各大坝监测现场 主要管理仪器设备及其故障处理，并通过人工、自动化、半自动化监测系统 以及日常巡查等采集各类数据。 2 2 2 基层管理单位的工程管理中心( 即基地管理中心) 主要管理和处理监测资料，简单分析、初步识别异常测值等。 1 0 2 2 3 区域监控中心 对监测资料和大坝结构进行混合模型分析、确定性模型分析、结构分析计算、 监控指标拟定、参数复核等定量分析，对大坝安全进行综合分析评价，对异常值 进行成因分析，并提出辅助决策的建议等。与此同时，区域监控中心还可为大坝 安全主管部门、技术监督部门及其他部门报告情况，提供公共信息服务，并进行 专家会商。 综上所述，大坝群安全监控远程网络系统是集监测数据采集、远程数据传输、 评价分析计算、安全预警、应急处置预案、决策支持及远程控制于一体的综合网 络化监控和管理系统。 在这里要特别指出的是，各大坝群安全监控远程网络系统应根据各自的具体 情况设计总体结构框架，如对中小型水电站或不设基地时，可将现场与基地管理 中心的功能合并，改为两层结构，即大坝现场与远程区域监控中心。本文给出了 一般的大坝群安全监控远程网络系统总体结构框架，并对此进行深入分析和研究。 图2 2 1 大坝群安全监控远程网络系统总体结构框架 2 3 大坝群安全监控远程网络方案 根据大坝群安全监控远程网络系统总体结构框架，本节研究构建符合我国大 坝管理特点的大坝群安全监控远程网络方案。它不同于单机的大坝安全监控计算 第二章基于远程网络的大坝群安全监控系统的模型构建 机系统，也不同于大坝现场的安全监控局域网系统。它是具有c s 和b s 混合结 构的面向多个大坝，具有远程分析、评价、监控和诊断功能的大坝群安全监控广 域网络系统。 结合我国大坝管理的现状特点，需要考虑以下几点： 2 3 1b s 和c s 相结合的结构 传统的c s 结构较适合于近距离、及时性的数据层和业务层交互场合，而b s 结构适合于远距离客户端( 主要是i n t e m c t i n t e m a t 用户) 通过局域或远程网络同 业务层和数据层的交互，其各自特点前文已有阐述。结合我国大坝安全管理的特 点，在大坝群安全监控远程网络系统中，采用b s 和c s 相结合的混和结构能充 分利用两种结构的优点，具体就是在各大坝现场监测层、基地管理层分别建立两 层或三层的c s 结构的局域网系统，在远程区域监控中心建立三层或多层b s 结 构局域网系统，然后通过i n t e m e t 网络连接各局域网构成三层或多层的c s 和b s 混合结构大坝群安全监控远程网络系统如图2 3 1 所示。有时现场监测和基地管理 中心距离较近可整合为一个现场监控局域网络系统如图2 3 2 所示。 客户机工作站谢览器卜一数据库服务器l 监静疆场两屡c s 结构 应用服务器卜1 数据库服务器f 基层謦爻留学或三 窨户机工作站，浏览嚣 应用服务嚣 数据库噩务器i 远程区域监控中心三层或 t 一多层a s 和c s 混合结构 图2 3 1c s 和b s 混合结构 图2 3 2 简化的c s 和b s 混合结构 2 现岛监铡和基埔管理中 心局域阿系统：两层或 三层c s 结梅 远程区壤监控中心三层或 多层b s 和c s 蒲台结梅 塑塑查堂堡主堂垡丝墨 一 2 3 2 区域监控中心的布置 一般单一大坝的安全监控远程网络系统( d a ms a f e t ym o n i t o r i n gr e m o t e n e t w o r ks y s t e m ，d s m r n s ) 设置现场监测层、基地管理层、上级管理层的三层 结构，分别对应于现场测控网络、计算机局域网络、i n t e m e t 互联网络，其中现场 监测层设在坝区坝址处；基地管理层设于大坝现场基层管理单位，如水电站或大 坝管理局：设置安全监控中心，在中心服务器上建立网站，配置远程查询服务软 件系统，通过互联网为远方管理中心、上级领导和相关部门提供远程查询和决策 支持手段。而大坝群安全监控远程网络系统( d a mg r o u ps a f e t ym o n i t o r i n gr e m o t e n e t w o r ks y s t e m ，d g s m r n s ) 适当简化现场和基地管理层的功能，而将复杂的分 析、计算、评价能力移至区域监控中心，区域监控中心一般设在省级大坝安全管 理单位、流域机构或者是较大型的电力公司，对所辖的大坝实施统一安全管理和 监控，如图2 _ 3 3 所示。 d g s m r n s 系统中的远程区域监控中心具有强大的专业技术支撑和计算分析 能力，能对所监控的若干座大坝实行专业化的高水平安全管理，具有对可能出现 的大坝安全异常迅速作出分析判断或组织专家进行远程会商诊断，并提出决策措 施和建议的能力。 图2 3 3 大坝群安全监控远程网络系统示意图 第二章基于远程刷络的大坝群安全监控系统的模型构建 2 3 3 通信方式 d g s m r n s 的远程数据传输、w e b 服务甚至视频传输等离不开远程通信系统 的支持，本文主要研究基地管理层和远程区域监控中心的通信。根据d g s m r n s 的特点及需要，主要考虑以下通信方式： ( i ) 电话专线( d e d i c a t e dl i n e ，d l ) 通信方式 远程通信系统分为两大部分：一是基地管理层，位于水电站大坝基层管理单位 一端，实现数据的管理和发送：另一个是区域监控中心。完成数据的接收和处理。 连接这两个部分的接口就是数据远程传输系统。区域监控中心接收来自各个水电 站大坝的实时采集数据，并由区域监控中心数据库服务器对数据进行组织管理， 以供模型分析系统调用处理。图2 3 ，4 给出某一电站数据远程通信系统的结构框架 图。 _ _ _ _ t 军甚控 厂毽地管理层 l 里场监测层 图2 3 4 远程通信系统结构框架图 现场监测及基地管理部分：图中现场监涣9 层和基地管理层通过数据采集总线 通信。d c m ( d a t ac o l l e c tm o d u l e ) 为数据采集模块，c o n ( c o n v e r t e r ) 为总线 转换模块，r e p ( r e p e a t e r ) 为总线中继器。现场采样点依照布设区域和数据类型 的不同进行编组。d c m 按一定时间间隔对每一个采样点做循环采样，经数据总线 传送至基地管理中心，然后由s e n d e r ( 数据发送方计算机) 发送给远程监控中心 的r e c e i v e r ( 接收方计算机) 。 1 4 河海大学硕士学位论文 远程监控中心：r e c e i v e r 接收到实时数据后，将数据存入s e r v e r ( 服务器) 的 临时数据库中。s e r v e r 按数据类型、布设区域、功能属性和时间颗粒进行数据的 组织和管理，并供各个w o r k s t a t i o n ( 功能工作站) 调用。 数据的发送和接收双方，可通过电话专线( d e d i c a t e dl i n e ，d l ) 进行通信。 电话专线将通信双方连接起来，无需交换，无需拨号。专线的优点在于通信质量 高，易于控制，全部容量随时供用户使用，便于数据实时远程传输。缺点主要是 软硬件方面成本花费较高，对于经济力量薄弱的小型水电站难以实现。 专线两端是具有专线功能的m o d e m ，用a t 命令将其设置为自动应答工作方 式。线路两端的m o d e m 会自动相互呼叫对方，建立线路连通，无需人工干预。 采用以上配置，通信双方相当于直接用计算机串口进行通信，即整个通信链 路相对于串口是透明的，程序员主要对串曰进行编程。 图2 _ 3 4 中的结构框架模型只给出了一个大坝和远程区域监控中心的通信， 在大坝群安全监控管理中有若干座水电站大坝，此时r e c e i v e r 也将升级为远程访 问服务器。 ( 2 ) 通过公菸分组交换数据网( p s d n p u b l i cs w i t c h e dd a t a n e t w o r k ) 通信 申请网络专线，通过公共分组交换数据网( p s d n ) 连接方式将各水电站大坝 基地管理中心与远程监控中心整体互联形成一个广域网。水电站基层管理人员将 本地采集入库的数据读出，根据需要导入区域监控中心数据库，也可由程序员开 发软件实现定时收发数据，无需人工操作。 采用专线连网传输数据信息可提高网络安全性与传输速度，实现起来较容易。 从长远利益考虑，构架专门的大坝群安全监控网络系统是今后发展的趋势。但此 方案明显的缺点就是硬件成本高，需要分期实施，从长考虑，对于资金薄弱的水 电站难以实现与区域监控中心的互联。 ( 3 ) 简单的接入i n t e m e t 实现网络互联 通过将各水电站大坝基地管理中心的监控局域网和区域监控中心局域网接入 i n t e r a c t 实现远程数据通信。远程数据传输采用客户机服务器模式，采用基于 t c p i p 协议的套接字( s o c k e t ) 实现远程通信。 这种通信方式，和专线接入方式相比成本较低，不需要太多硬件投入，易于 实现。但也有不少缺陷：主要是信道质量难以保证，可能在关键时刻由于信道繁 第二章基于远程网络的大坝群安全监控系统的模型构建 忙造成数据延误或丢失：网络安全性不能得到充分保障；网络性能不稳定，易受 外界影响，数据传输的实时性一般，但基本能够满足大坝安全监测的需要。 ( 4 ) 无线数据传输方式 数据传输可以简单的分为有线和无线两大类方式。无线传输方式分为建立 专用无线数据传输系统或借用c d p d ( 蜂窝数字分组数据一c e l l u l a rd i g i t a l p a c k e td a t a ) 、g s m ( 全球数字移动电话系统一g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 、c d m a ( 码分多址一c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ) 等公 用网信息平台几种方案。相比较，用无线电台建立专用无线数据传输方式比其 它方式具有投资少、开通快和运行维护简单等优点，缺点是不是那么稳定可靠。 远程无线数据传输系统采用微机技术与通讯技术结合，系统由各个水电站和 监控中心组成。水电站现场监测层实际上是有一台具有无线传输功能的智能二次 仪表，各被监测量( 位移，温度，应力，渗流，环境量等) 通过变送器与水电站 现场监测层相连接，水电站现场监测层即时对这些量进行采集和处理，并以无线 方式传输到水电站基地管理中心，水电站基地管理中心将数据整编后入库并将整 编后的数据通过有线或无线方式转发至远程区域监控中心，基地管理中心可定时 或随时呼叫水电站监测层进行数据传输，远程区域监控中心将接收到的各水电站 的数据进行显示和存储，并采用相应的处理软件，进行各种分析计算，报表打印， 曲线显示，还可供网上用户和各个水电站使用。 无线数据传输系统适合对地点分散，相距遥远的众多测点进行集中实时监测。 另外，在一些特殊情况下无需大批量数据传输，如只有少量数据要插入、修 改或删除等。此时也可采取以文件上传或下载的形式传输数