（水利水电工程专业论文）册田大坝安全监测系统软件的研究与开发.pdf

查堡堡三盔兰亟主望些堡塞兰! ! ! 呈旦星一 册田大坝安全监测系统软件的研究与开发 摘要 本文在阐明我国大坝安全监测现状及观测资料数学模型 分析现状的基础上，结合册田水库大坝安全监测自动化设计的 实际情况，系统地论述了其监测自动化系统软件的内部实现原 理及方法。 论文首先介绍了册田大坝安全监测系统的硬件选型和组 网方式，对监测系统软件进行了分析设计：将软件分成数据采 集和数据整理分析两部分，分别构划了其相应的结构功能框 架。最后根据误差分析理论、数据处理方法和自动化系统安全 监控理论，并参照土石坝安全监测资料整编的有关要求，对监 测系统软件进行了编制生成。 建立长系列观测资料的数学模型对大坝进行分析是一种 重要的定量分析方法，本文对渗流监控模型进行了专门论述： 在因子选择上，通过渗流理论分析，明确和细化了渗流监 测效应量的影响因子，并推导出了相应的方程式；在模型求解 方法上，针对累积的水文环境监测值和效应量监测值，摒弃了 传统的多元回归解法，采用具有优化能力的逐步回归解法，实 现了对因子的自动优选；在监控模型的最终生成中，采用人工 干预的新思想弥补了逐步回归解法的不足之处，并结合实测数 据计算与灰色动态g i r l ( 1 ，1 ) 模型的求解结果进行了比较。 关键词：大坝，安全监测，数据采集，渗流监控模型 太原理工大学硕士毕业论文 2 奎堕垄王盔堂堡主望些丝窭 一一一 t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n t o ft h es o f t w a r e f o rc e t i a nd a ms a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e m a b s t r a c t o nt h eb a s i so f c l a r i f y i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f d a m s a f e t ym o n i t o r i n g a n dm a t h e m a t i c a lm o d e la n a l y s i so nt h eo b s e r v e dd a t ai no u r c o u n t r y , c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ld e s i g nt oc e t i a nd a m s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m ，t h e i n n e r p r i n c i p l e s a n dm e t h o d so ft h ea u t o m a t i c s y s t e m s o f t w a r ea r e s y s t e m a t i c a l l y d i s c u s s e di nt h e p a p e r f i r s t l y , t h es e l e c t i o no f i n s t r u m e n t st y p e sa n dm a k e w a y so fn e t w o r kb e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , t h e nt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h em o n i t o r i n g s y s t e m s o f t w a r et h a ti sd i v i d e dt w op a r t so fd a t aa c q u i s i t i o na n do f f - l i n e a n a l y s i si sd e s i g n e ds e p a r a t e l y a tl a s t 。a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fd a t ae r r o r d a t a t r e a t m e n t ，s a f e t ym o n i t o r i n g ，a n dt h ed e m a n do ft h e d a t at r e a t m e n t s t a n d a r d sf o re a r t ha n dr o c k f i l l e dd a ms a f e t ym o n i t o r i n g ，t h es o f t w a r ei s p r o g r a m m e d i ti sa n i m p o r t a n tq u a n t i f i a b l e m e t h o dt o a n a l y z e t h e o p e r a t i o n p r o p e r t i e so f d a mb yb u i l d i n gu pt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f l o n gd a t as e r i e s ， t h es p e c i a ld e s c r i p t i o ni sg i v e no n s e e p a g em o n i t o r i n gm o d e l i nt h i sp a p e r ： o nt h ec h o i c eo ft h ea f f e c t e df a c t o r s ，t h e c o r r e s p o n d i n gf a c t o r sa r e k n o w na n dt h ef o r m u l aa t ed e d u c e d b ym e a n sw i t ht h ea n a l y s i st o t h e s e e p a g et h e o r y ；o nt h ec a l c u l a t i o no ft h em o d e l ，an e ws t e p w i s er e g r e s s i o n m e t h o di sa d o p t e di nr e p l a c eo ft h em u l t i f a c t o rr e g r e s s i o nm e t h o d ，a n dt h e o p t i m i z e df a c t o r sa l ec h o s e na u t o m a t i c a l l y ；o nt h er e a l i z a t i o no ft h ef i n a l m o n i t o r i n gm o d e l ，a n a r t i f i c i a li n t e r f e r e n c e a n d r e g u l a t i o nt h e o r y 0 2 e 太原理工大学硕士毕业论文 p r e s e n t e dt of u r t h e rm e n d t h ed e f e c t so fs t e p w i s er e g r e s s i o nm e t h o d ，b yt h e c a l c u l a t i o no fm e a s u r e dd a t a , t h er e s u l t o fs t e p w i s e r e g r e s s i o ns e e p a g e m o n i t o r i n gm o d e la n dg r a yd y n a m i cg ( 1 ，1 ) m o d e la r ec o m p a r e dw i t he a c h 0 t h e l k e yw o r d s ：d a m ，s a f e t ym o n i t o r i n g ，d a t a a c q u i s i t i o n ，s e e p a g e m o n i t o r i n gm o d e l - 4 态熙墨三丕堂塑主热塞一 第一章绪论 大壤蜜全篮测撅述 鹱羞计算撬、是动纯投遴添搜零豹抉遮发震，露 霹借秘予先遴戆技 术实现水库太坝的嶷垒运行，已经日靛为人们所关注。大坝安全监浏爨 动他慕统是最近几年发展起来豹一 新兴鸵边绦按零学科，7 0 年戴以褥 称为犬坝原型观测，即是在大坝原型中设鬣观测仪器进行现场测量，以 期获祷一些能反映穴璇结构馒态的特掇量，来验证设计、优他施工积攒 导丈坝的安全运行。1 9 5 9 年法国知名的马尔巴塞( m a l p a s s e t ) 双曲拱坝 在蓄水期融意岸基础游动丽溃顼和1 9 6 3 年戆大翻瓦依昂( v a j o n t ) 双鼹 拱坝因库岸滑坡造成瀵顶，水库废弃等系列大坝失事事件，引起了备 国政府对大续安全簸灏工律酌商度薰视，鞠继建立和加强了大坝安全綮 理税构，颁布了相应法令法飘，大坝原型观测由原先主耍为设计、旒工、 萃车辑等技术黢务静方式一跃发耀成为簸测大璞豹安金运行“1 。 。2 大圭爨实施安全盗测灼鬻的鞠意义“ l 。为农露逯行匏安全服务 款避瘛终攀铡蕞瑗知道，嚣捷怒俄鑫静大圾，箕z 程羧态瞧疆着辩 间搬移褥变化，大坝仍有可能发生枣故。如累浓库大坝因设计及藏王缺 陷、运行管理不当等造成其荣薅运露，薅倭碟越酿藏较大懿怒程事敬， 有时失凄之前甚至滩以察觉。大坝的安全隐患增加了水库工程对下游人 民垒命和财产安全熬威胁，同时也限剑了承资源的合理零l 鼹移工程效蕊 的正常发挥。大坝安全监测能够起到监视及预警工程运行性态、保障水 库丈蠼安全运稽的律罔，故现代大坝安全蓝测灼首要韪豹应该是保障水 库大坝的安金、高效运行，这也是对一定规模的工程普遍要求设置相威 太原理工大学硕士论文 安全监测设施的原因所在。 2 推动工程设计与施工技术的进步，为坝工技术发展指明方向 任何科学技术的进步离不开试验研究，但由于大坝工程的特殊性和 复杂性，室内试验远不能满足工程技术的研究需要，故大坝工程的设计、 施工、分析等技术的进步很大程度上依赖于大坝安全监测的成果，通过 监测结果验证和不断改进坝工技术。上世纪4 0 年代由于土坝内孔隙水压 力的观测，人们发现土坝内部有裂缝的出现，从而使设计者改进了坝身 含水量的控制；6 0 年代通过对b a l d e r h e a d 等坝的观测，发现了拱效应( a r c h e f f e c t ) 以及水力劈裂( h y d r a u l i cf r a c t u r e ) ，引起了水平裂缝，招致防渗 体冲刷失事，因而改进了大坝设计时的几何轮廓及筑坝材料协调变形的 考虑等等。大坝变形、渗流、抗震等方面的许多规律的发现及坝工技术 的进步主要得益于大坝安全监测，因此，大坝安全监测也为坝工设计等 技术的发展指明方向。 3 为病险工程的诊断和合理加固提供基本资料 水库大坝的性态十分复杂，只凭简单的监测资料，有时难以觉察危 险迹象，因此更不能只凭表面现象确定大坝的安危。大坝安全监测资料 是最能反映大坝安全状况及病险程度的，病险水库的评判离不开对大坝 监测资料的分析，一般而言，没有大坝安全监测资料分析的病险水库的 诊断在科学上、技术上是欠缺的，所做大坝安全鉴定在工作上是存在不 足的，也影响除险加固方案的合理、有效选择，甚至可能造成病险水库 的误诊、误治。 4 评判工程事故及推动监测技术自身的发展 工程事故的发生都有一个过程，这一过程中包括有大量事故征兆， 往往会在监测资料中留下很多踪迹，通过观测资料分析，可以在一定程 度上帮助评判工程事故的原因、程度和危害，为事故鉴定及责任划分提 供依据。随着大坝安全监测工作要求的不断提高，也促进了大坝安全监 测技术自身的发展，经过多年来艰苦不懈的努力，我国在大坝安全监测 仪器设备、监测设施的设计和施工、数据采集系统、数据处理与分析方 法、以及计算机技术的应用等方面不断完善，从总体上来看，这些技术 基本能满足工程的实用需求，部分技术达到国际先进水平。 杰堕型王查塑哇：| 垒塞 5 。现代工程管理的需要 现代工稷管理体傣4 普遍通过制订相关的法规，要求和规范大坝安全 盆测行为，达到指等承库大埙安全运行、规范水库大坝运彳亍管理的西的。 有关大坝安众监测方面已颁布的条例、技术规范和熬编规程如：水库大 埙安全管毽条铡、石凌安全蓝灏技术攥范s l 6 0 9 4 秽主石攒安 全监测资料懿编规程s l l 6 9 9 6 等，有效推动了水库太坝管理工作的现 钱识静法铡倪。缓警疆工佟爨窳畜牟。 。3 淘内努大圭羹蜜全整测技术瓣发震 霆终舞震大壤爨测旱予溪蠹，发震遥溅仪器残必近蔻筝辩疆王佟者 的研究重点。各个国家根据零国国情和需要，沿着不同方式推动本阑的 监测鑫动化。意大利独挺一救，不仪系统恁瓣突大璇安全爨溅瑾论程整 测方法，而飘推出了微机辅助监测系统( m a s m ) ，实现大坝嶷全监测的 全强自动化。法国秘麓萄牙等注重鉴测资鹳慧理的囊动纯，甄管理爨动 化加部分采集自动化成为西班牙等国大坝安仝监铡的特点。髓着专家系 统的的开发釉发展，饿罗额秘意大利落国与我国榉在现盼段均致力予 大坝安全监测专家系统的研究，进展很快。”。 阑内大坝安全监测虽开展比较迟，但经过仅二十年来的不懈努力， 己取褥了穰犬的成就。 1 监测设计理论的逐步完善 新中国成立之韵，我莓大埙安全麓测设计几乎燕一张自纸，无簸溺 设计人员，也谈不上监测设计经验，经过大规模水利水电工襁建设的实 黢，澎藏了一支良好豹设圣 跃伍。1 9 8 9 年，其有我莺特色熟第一本簸涮 规范一混；筑士大坝安全监测技术规范问世。】9 9 4 年，水利部和电力 工韭熬嚣濒安全簸溅技零巍范豹矮发“1 ，标恚藩我国大缓安全渣 测设计进入了一个新的阶段。 长翘2 点采，大壤安全鉴溅竣诗采耀戆是经验浚诗方法，熬令设诗过 程是建立在经验与技巧能力的积累之上。近些年来，随着电子计算机的 普及积c a d 鼓术的广泛使用，一萃孛魄较重投设诗程廖静瑟方法歪农兴 起。这种现代设计方法思路清晰，考虑问题范围广泛，设计过程中着重 从整个系统出发，能协调总体和部分，部分和部分之间的关系，使整个 监测系统科学合理，使长期处于经验设计的设计活动更理论化、科学化 和合理化。武汉大学水电学院正在开发孕育着集图例库、仪器库、数据 库、知识库于体的智能型辅助设计系统就是典型的一例。 分布式自动数据采集系统的发展，使大坝安全监测设计布置形式得 到完善。“九五”期间，大坝自动化监测系统的三大布置形式( 集中式、 分布式和混合式) 已基本形成，对各种布置形式的选用条件也已基本明 确；监测点的布置不再注重以多为好，而是以监控安全为目的，抓住重 点，提高系统的有效性；仪器和自动化设备的选型，通过大量实践，总 结出了结合测点观测项目、大坝运行环境、室内试验、类似工作环境测 试等，进行设备性能匹配和择优选用等原则：监测设计中，考虑了监测 系统随监测项目的变化而变化，如鉴于大坝施工期和运行期监测目的的 侧重点不同，提出了妥善处理永久监测与临时监测，以及人工观测与自 动化监测的衔接方法。对于老坝的自动化监测系统改造，提出要有针对 性的概念等等“1 。 2 监测仪器的发展 差动电阻式传感器由美国加州大学卡尔逊教授研制，我国南京电力 自动化设备厂从上世纪5 0 年代开始研制生产，并应用于大量的水利水电 工程中。针对该类仪器内阻低、仪器电阻变差对测值的影响等难题，国 内工程技术人员创造了五芯测量原理，形成和完善了一整套抗潮能力高、 温度误差小的五芯差动电阻式测量系统，并开发了一些耐高压和大量程 的仪器。国内弦式仪器主要技术指标与国外还有一定差距，但发展很快， 国内生产已形成了一定的规模。 8 0 年代初，东北勘测设计院科研所、杭州大学、丰满水电厂、太平 哨水电厂等研制出了真空激光准直系统，并在两电站投入运行，这在国 际上是首次把该技术用于大坝安全监测。九十年代末期，又对关键几项 技术进行攻关，采用密封式激光点光源、光电耦合器件c c d 作传感器、 新型波带板、自动抽测系统和高质量密封装置等新技术和新工艺等，新 系统的可靠性有了进一步的提高”1 。 态熬堡王杰兰獭主鹭基 我莓在弓 迸和应爝髫辨筑迸技术方搿同样取褥了成动，如嬲黎大 r o c k t e s t 公司、瑞士l e i c a 公弼葶嚣美国g e o k o n 公司等大公翅懿产熬谯强 离都褥残了较好的瘦鬻。翟舞忍瑗耨传感技米透些年来邀帮分弓| 逡了中 国，鳃必终传感技术、c t 技术、渗滚热技术，g p s 按零等。 必野馇感楚裂怒巍导纤维粼终黪鼹菇溺量器穆糖骥量静纹器，毽嚣， 应用予光终传感的监测量主要是裂缝，应力应变的监测滏鼹遴步磺究 7 8 l c t 是英文c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y 的缩霹，意憋“计算机无掼成 像”，玄掺数楚在不破坏物体缕枣龟躲蘸提下，根据在妨瑷周边掰获褥& 某 种物理量( 如波速、x 线光强) 的一维投影数掇，遮用一定的数学方法， 通 遘计算机处理，蓬建物体特定层讴上的二维圈像以及依据一系列上述 二维图像而构成三维图像的技术，它可以定量地反映出物体内部材料性 质煎分布情况帮缺陷部位，摇绘出割蕊以至三雅立体内的结槐景象。慧 大稠率先将c t 技术用于大坝性态诊断。日本协助我国对丰满大坝作c t 梭焱，得到了2 0 个横诵嚣的波速分布黼。c t 技术作为一门交叉的综会 往分支学科，有狠强的生命力，可以预期，它在大坝内部佼态检测、缺 路搜索辍老纯评判t 都将残恣顼鬟要黥秘学磷究誊袋。 渗滚熬滚澜是一耱耨豹渗满探渊方法，通过观溯溢度分布及其变化 来达到艇测壤体、墩基渗滚。京是一礤缀有发疑兹途懿技术，崧美、莽、 璞典等匿褥到了成功豹应鼹。 g p s ( 全球定位系统) 已农隰涎卷簿大埂变形黢测孛获褥了应飕， 耱着成本降低，测量精度熙建态，将鑫石壤蕊测孛逐步庭耀，这为我 国大坝使移贬测又提供了一零中衡效的方法“”。 g i s ( 地理髅患系统) 技术其有强大躲空阙分凝毅爨示功能，霹窍散 她用子流域坝群的安全臀理。目前，g s 在水利水嗽工程中已经获褥较 为普遍的应髑，如在大坝管理，水文水浚源，流域土壤侵蚀帮水缳持， 以及在边坡稳定性分析等许多方面得到_ | 敷用“”。 3 自动他簸测系统的发震 随着微电子、计算机、网络、通讯、测爨技术的发展，我阑大坝安 全蕊测系统经历了瓢集中式劐分布式的发震过獠。同其它工她懿测领域 一样，大坝安全监测系统最早开发的是集中式数据采集系统，后又有了 混合式的形式。混合式采集方式的开发是基于八十年代初国际微电子技 术水平和我国当时的经济状况，它的关键技术是要既经济又可靠地解决 模拟量的长距离传输技术。原南京自动化研究所成功地解决了内部观测 仪器长达2 0 0 0 m 的模拟量传输技术。微电子和通讯技术的发展，使电子 元器件成本大幅度下降，用分布式系统代替集中式和混合式成为可能， 分布式监测系统消除了上千米电缆传输模拟信号对测量值的影响，明显 增加了信噪比，提高了测量精度，并且具有风险性小、抗雷能力强和可 靠性高的特点，更能适应大坝实际运行环境。 作为分布式系统的核心的自动化数据采集装置，目前主要有美国 g e o m a t i o n 公司的2 3 0 0 系统；美国s i n c o 公司的i d a 系统；台湾研华公 司的a d a m 一4 0 0 0 和a d a m 一5 0 0 0 系统；我国南瑞公司的d a u 2 0 0 0 系 统等。 1 4 监测资料分析技术和监控预报模型的发展 监测资料分析，国外在5 0 年代以前主要是对测值的描述和解释。 1 9 5 5 年意大利的f a n e l l l 和葡萄牙r o c h a 等，率先用统计回归定量分析了 大坝的变形监测资料。从这以后，葡萄牙、意大利、奥地利、前苏联等 国的学者相继对观测值的定量分析进行了研究。 7 0 年代以前，我国对监测资料的分析属于定性分析。7 0 年代末期在 河海大学陈久宇教授的带领下，我国也开始了运用数理统计方法对监测 资料进行定量分析。针对单测点测值建立的三大数学模型( 统计模型、 确定性模型和混合模型) 近2 0 年来已得到了广泛的应用，在此基础上， 我国又研究和发展了单参数多测点数学模型“”，从而，在大坝安全监测 资料分析方面形成了一套较完整的时空位移数学模型技术。 对模型的进一步优化，国内朝着几个方向发展。引进不同数学方法 对监测资料进行建模分析，使监控模型最精确地表达大坝的性态是开展 定量分析以来探索的一个方向，引进的数学方法有灰色理论、时间序列 分析法和模糊数学，此外还有近两年才引进的人工神经网络模型；另一 态嶷垄三盔鲎堡主堡窭 个方向是结合成因分析探索横型的其体因予形式和计算方法，例如解决 各个原因因子间的相关影响问题。第三个方向是寻找模拟滞后效应的最 佳甬数。 2 0 世纪9 0 年代初期形成的综食分析技术得到了进一步的发展，在 评价方法上，提出了模糊综合评翔方法，模襁模式识别方法，突交论方 法：在对并列因子赋权方面，研究了层次分析赋权，主成分赋权以及二 者稳结合赋敬等方法，棱综岔努撰熬囱系绕完整。 在大坝安全监测数据采祭系统软件和信息管理软件的基础上，借助 手综合分据技零懿发震，有荧擎位羹在疆发浆大凌安全整溅专家系统， 将使我国大坝安全监测方面的软件体系更加健全，极大地促进了大坝安 全竣溅技寒趣更蓑艨次豹发鼹。 s 大坝安全篮测技术的发展穷裁 1 大域安全鉴测肉真越的在线黢控方淀发展 报据国际太坝会议公报，不论什么原因超测值超界，都应进行技术报 警，目的是引起大坝安全管耀人员约注意，以查明联盟。如榘大坝蜜全 自动纯监测系统及时拽出了辩常值，并进行了技术撒警，可以认为大坝 实现丁在线j i 鑫控。现有的大坝安全自动化监控系统绝大多数只是实时测 读数攥，不能缀好趣巍断采繁霞来静数据是舔为异常，酃便采集软佟能 判断测值偏离正常范围并对其做出报警，也不能用程序明确界定这种异 常是濑子纹器系统爨话还是瑷体结构出现异常，秩焉冤法实现报警级潮。 相信在不久，这种状况能得到改变。 2 。 建立大缓安众丽终警瑾系统，送行大壤溪浏资辩集巾处理，是 大坝安全管理工作发展的必然的趋势”。 大螟安全整溅瓷糕分辑楚一门逮缘静综合学科，对久爨素质要求较 高。时前我国各水库大坝还没有能力酉己备专业的资料分析人员，由水库 现毒鼹管理人员送行炎糕分极，簧途存在羞分拆矮量僬，不缝歪璃爱获 大坝的变化规律。因此建立一支专业的大坝安全监测资料分析队伍，依 靠计算枧、网络技术鞠通讯技术，建立丈坝嬲络管理系绞，姆萋于大竣 奎堕型三盔堂塑主丝塞一 一一 的监测资料送到资料分析中心进行集中分析，是安全管理工作发展的必 然趋势。 1 6 本论文研究课题的提出 1 6 1 选题的背景和意义 册田水库位于山西省大同县境内，是桑干河中游的一座大( i i ) 型 水库，坝址以上控制流域面积1 6 7 万k m 2 ，工程为二等，主要建筑物级 别为2 级，永久建筑物按百年一遇洪水设计，两千年一遇洪水校核，大 坝地震设计烈度为7 。，水库主要功能是城市工业供水、灌溉和防洪。 由于册田水库位于桑干河中上游，在官厅水库和北京市上游，其地理位 置十分重要，水库安全与否直接关系到首都北京和下游人民群众的生命 财产安全。其建成后，存在许多隐患，未能按设计运行，加之防洪标准 偏低，是目前全国4 3 座病险水库之一1 1 6 1 0 册田水库大坝观测系统，由 于年久失修，以及地震灾害等原因，造成了设备损坏严重。对其实施自 动化监测系统建设已势在必行。该大坝安全监测自动化系统的成功与否， 很大程度上取决于数据采集系统研发与分析软件研制。该系统的成功开 发，将能彻底改变册田水库的观测现状，进一步提高观测管理水平，为 水库的合理调度和大坝的安全运行提供可靠的技术支持，有着巨大的社 会效益和经济效益。 1 6 2 本论文研究的主要内容 大坝安全监测的自动化是集水工、计算机、通讯和自动化等为一体 的- - i j 边缘学科。该系统的开发建设包括硬件与软件二大部分，基于册 田水库的实际，本研究包括如下内容： ( 1 ) 监测系统的硬件选型和系统组网设计 ( 2 ) 监测系统软件结构功能的研究 太原理工大学硕士论文 ( 3 ) 建立册田水库大坝渗流监控模型，结合实测数据对渗流模型进 行生成。 ( 4 ) 在上述建立数学模型的基础上，根据册田水库大坝安全监测的 需要，进行应用软件的全面开发。 第二章监测系统硬件选型与系统组网 2 1 册田水库土石坝监测内容 册田水库土石坝的监测项目有渗流量、绕坝渗流压力、坝体渗流压 力、坝基渗流压力、库水位、降雨量、下游水位、坝体变形、检查井水 位及混凝土防渗墙应力应变的监测。降雨量在本系统中采用人工输入水 情自动测报系统( 由北京水利自动化研究所开发) 测读回来的数据；下 游水位、坝体变形采用人工监测，其余采用自动化仪器进行数据测读。 系统建设前，对测压管进行了洗孔清理，在灵敏度实验的基础上， 整个自动化监测系统里包含有1 3 4 个测压管测点、4 个检查井水位测点、 5 个渗漏量测点、1 个库水位测点和2 4 个应力应变测点( 应力应变观测 的卡式仪器已埋设l o 多年，现因人为破坏而停测) 。 2 。2 监测点与监测站房布置 册田水库坝长近l k r n ，经过几次扩建加固处理，测点比较多，且较 分散。 测点平面分布图2 一l 所示：按照自动化系统最优组网原则，共布置 有7 个观测站房；观测站房安放智能测控单元m c u ，并采取了防潮、防 雷措施，可实现对m c u 的保护。 2 3 监测仪器设备选型 高潮湿、大温差、电磁环境恶劣和易受雷电危害的水工环境对监测 设备的要求很高，选择有足够精确性、可靠性、长期稳定和耐久性的监 测设备对土石坝安全监测系统意义重大。 盔堕曼王盔堂塑主鲨皇一 参照文献m ，本人总结出了监测仪器的选型步骤和选型原则： 2 3 1 选型步骤 第一步对各类监测项目根据大坝安全监测的需要和仪器发展情况 确定监测方法和监测物理量； 第二步根据监测方法和监测物理量进行具体仪器的选型； 第三步针对具体测点确定仪器的量程和精度。 2 3 2 选型原则 a 要确保监测仪器与监测系统的兼容。 b 仪器必须具有足够的精确性、可靠性、稳定性和耐久性，其测值 能满足资料分析和评判大坝安全的需要。 c 仪器结构既要坚固、耐久，又要相对简单；仪器埋设、安装调试 简单，受施工干扰小，同时对测点真实测值影响小，无滞后时间；仪器 线性好，无需重复率定，出现故障易于查找原因、易于修复或更换。 d 优先选用输出量无需通过复杂转换就能得到所需监测量的仪器。 e 选择仪器时，要考虑价格和厂家售后服务等。 奎疆矍羔盔璺逐圭连塞 一1 3 一 2 3 3 选型结果 按照选型基本要求，选型结果如下： 渗流压力和库水位测量采用了基康弦式4 5 0 0 s 型号传感器，见图 2 2 。册田水库坝基设了5 个渗流量测点，采用了量水堰法测量渗漏量。 其原理是测量堰上水位，通过水力学公式计算渗流量。堰上水位的测量 精度要求很高( 测量要求精度在0 1 o 3 m m 以内) ，选取基康自动进行 气压补偿的弦式4 6 7 5 l v 型( 量程：3 0 0 r i o n ，精度：0 1 f s ) 传感器， 见图2 - 3 ，有效地消除了气压变动对测值的影响“”，满足精度要求。 图2 - 24 5 0 0 s 型渗压计图 f i g 2 - 2t h ep i e z o m e t e r - 4 5 0 0 s 图2 - 34 6 7 5 l v 型量水堰计 f i g 2 - 3t h el e a k a g es e n s o r - 4 6 7 5 l v 4 个检查井中，北裹头检查井距最近6 8 观测站房大约5 0 0 m 左右，用 数字信号传输测量值，可有效降低信号的衰减，防止测量值的失真。 t c - 3 0 1 感应式数字液位传感器脱开了传统技术思路，运用仿神经理论 的新思想，技术上实现了数字式直接取样，快速采集数据，具有测量准 确，抗干扰能力强且价格低廉等优点。为此册田水库检查井水位的监测， 选用了该型号仪器。图2 - 4 所示的是该仪器和二次仪表。 测量控制单元( m c u ) 是大坝观测自动数据采集系统中的智能节点 装置，主要用于对大坝上的各类传感器进行数据采集、分析处理、存储 和传输等。它直接与现场传感器通过电缆连接，接收来自传感器的频率 信号、电流信号或电压信号等，因此要有很好的兼容性。考虑到这些因 查堡型三盔堂堡主鲨皇一 素选用了西安博兰特m c u 1 6 型智能测控单元。现场安装图如图2 5 所 示： 图2 - 4t c - 3 0 1 水位传感器 及二次仪表 f i g 2 - 4t h ew a t e rl e v e ls e n s o r ( t o 一3 0 1 ) a n ds e c o n d a r yi n s t r u m e n t 2 4 系统组网形式 图2 - 5 西安博兰特m c u 一16 型 智能测控单元 f i g 2 - 5t h ei n t e l l e c t u a lm e a s u r i n ga n d c o n t r o lu n i to f x i a nb o l a n dc o r p o r a t i o n 目前，国内外采用的大坝安全自动监测系统按采集方式可粗略地分 为三类：即集中式、分布式和混合式。 集中式采集系统典型的布置是在坝上设一监测室，内置采集装置， 布设于坝内各处的仪器通过电缆直接与采集装置相连，仪器信号通过采 集装置转换为数字信号传到坝外的微机监控室进行存储管理。这种系统 适用于测点较少，仪器布置相对集中的工程。 分布式采集系统是将采集装置布置在靠近仪器的地方，采集装置也 称为d a u 或m c u ，可完成所辖测点的控制测量、a ，d 转换、数据暂存和 数据传输等功能。由于数字量的远距离传输较之模拟量相对简单，因此 它可根据仪器的布置情况，灵活地分散设置在靠近仪器的地方，缩短了 模拟量传输的距离，降低了系统防外界干扰的技术难度。每个m c u 均可 根据设定和命令执行测量和暂存数据，一个出现故障不干扰其它正常运 行，因此风险分散，可扩充性强。它适用于工程规模大，测点数量多且 分散的监测系统。 查堕堡三盔竺堡兰塞一 混合式系统是介于集中式和分布式之间的一种采集方式。它具有分 布式的外形，而采用集中方式进行采集的系统。设置在仪器附近的遥测 转换箱替换了分布式系统中的m c u ，但它不具备m c u 的a d 转换和数 据暂存功能。混合式系统利用散布于仪器附近的遥控转换箱将仪器的模 拟信号汇集于一条总线之中，传输到监控站进行集中测量和a d 转换， 然后将数字量送入计算机进行存储处理。这种系统最大的难点是解决模 拟量的远传问题。 册田水库坝长近l k m ，测点数量多且分散，处于多雷电地带，综合 考虑系统稳定可靠和价格性能等多方面因素，按最优设计原则，系统采 集方式确定为分布式。系统网络拓朴图如图2 - 6 所示： 图2 - 6 册田水库大坝安全自动监测系统拓朴图 f i g 2 - 6t h ea n a l y s i s s i t u sf i g u r eo f t h ec e t i a nd a ms a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m 奎匿墨三盔堂塑主丝苎一 一 第三章监测系统软件分析研究 3 1 软件开发目标 大坝安全自动化监测系统能够起到监视大坝结构实时性态、保障大 坝在安全运行期内，在它本身和环境中不存在任何使其恶化或破坏的条 件时，实现其本身特定的职能的作用。衡量大坝实现自身职能的能力是 通过一系列指标和特征来完成的，所谓指标就是描述大坝运行性态的监 测量( 变形、渗流、应力等) 随着时间的变化呈现特征性的数值；特征 指的是有关表达大坝发生变化的特征。实现安全监测的首要问题就是及 时、准确地根据这些指标和特征发现大坝运行中的异常现象，从而对其 表现、发生原因和发展规律等进行认识，以进行更有效的控制。 水库大坝发生安全不正常的原因有很多，某种原因造成的后果可能 在多个监测量上反映出来，或者某个监测量出现异常受到几种因素的影 响。对各个监测量作多方面的综合分析才能正确判断大坝是否出现异常。 本文讨论的册田水库大坝安全监测自动化系统软件，针对上述的特 征及指标，力图做到有效控制前端智能测控单元采集分类监测点的实时 数据，对数据进行入库保存，及时整理分析这些数据，建立模型，并且 通过计算形成监控信息，帮助用户综合分析和判断大坝的运行性态，进 而找出大坝运行不利的原因。 3 2 软件功能需求分析 从册田水库大坝安全监测系统实际出发，顾及安全监测自动化的目 标的实现，自动化系统软件应包括以下几个基本功能： 1 数据采集控制功能 作为自动化监测系统，必须具有能够接收和控制智能测控单元 奎堕墨三盔堂堡主丝皇一 ( m c u ) 的功能。此功能应对m c u 进行状态查询，对测量起始时间、 测量周期，采集方式进行设置，为用户提供一个与前端监测仪器进行对 话的界面环境。 2 测值换算功能 如前所述，册田水库大坝监测项目有多种，安全监测自动化系统接 入的仪器有振弦式仪器、t c 一4 0 1 水位传感器和差动电阻式应力应变仪。 t c 4 0 1 水位传感器传递的是数字信号，在传回上位机后不需要进行测值 换算。而振弦式和差动电阻式仪器则不同，前者传回的是频率和温度信 号，后者传回的是电阻和温度信号，尚需进行测值换算，以期获得反映 水工结构性态的直观测值。 3 在线异常值诊断处理功能 在线实时提示预警是大坝安全监测自动化系统一个很重要的功能。 根据监控模型提供的监控信息，对一些变化异常的数值做出判别，是外 界干扰引起的，还是大坝安全出现了异常? 进行相应的处理后，必要时 做出提示报警，以引起管理人员的注意。这种功能也称为在线快速校核 与预警功能。 4 数据预处理功能 经过在线异常值的诊断处理入库后的监测数据，仍有可能含有粗差， 必须经过可靠性检验和统计学处理，使其成为反映水工结构性状的可靠 信息。只有根据可靠的观测数据和资料，才能正确地对大坝性状做出解 释和进行安全评价。也可能出现缺值或为了数据分析需要进行修匀处理 操作。这些数据处理工作统称为数据预处理。 5 模型的生成与应用 监测效应量的变化并不是独立的，与环境量的变化有一定的关系。 分析其数据得出反映环境量和效应量之间最佳关系的回归函数式，作为 该测点单点的监控或预报模型。本系统软件要能够生成监控或预报模型， 并且随着时间的积累，能重新建立模型。用户还可以凭借自己的经验从 所建立的模型中选择一个合适的监控模型，根据测得的水位等环境数据 得出监测信息或对监测效应量做出趋势预报。 6 图表分析功能 查壁壅王盔堂堡主造皇一 按照土石坝安全监测资料整编规程s l l 6 9 - 9 6 对监测数据整编的 要求m ，本系统软件应提供绘图分析和制表功能，以辅助水库管理人员 进行监测数据的直观分析。 7 数据输入和管理功能 除了能进行自动化采集入库的观测量，还有人工观测量，为实现对 所有观测项目进行统一的资料管理，系统软件应具有人工录入的接l z l ， 即数据输入功能。数据管理还包括数据浏览，数据查询等。 8 数据输出功能 大坝安全监测信息，不论是原始资料还是计算分析成果，均可按规 范格式输出到不同的外部设备上，即图形和表格信息既可输出到屏幕， 也可由打印获得，以满足资料整编以及上级主管部门的各种要求。 9 其它功能 考虑功能完整性和安全性，系统中还应包含工程信息介绍、数据远 程传输、数据库备份恢复和用户管理功能等。 3 3 软件结构功能设计 3 3 1 开发环境 1 开发语言的选择 本系统软件数据采集部分选用了对数据库操作快捷方便的d e l p h i 5 0 版本：离线分析部分选用了v i s u a lb a s i c6 0 版本作为开发语言。这两 种开发语言共同的特点是采用了面向对象的程序设计思想，具有可视化、 交互式的开发环境“1 。通过事件驱动机制，用户在界面上的任何操作 都自动映射到相应的处理代码上，因此不再象传统的结构化程序那样具 有严格的执行流程，程序设计者可把重点放在对象模块的代码编写上。 w i n d o w s9 8 和w i n d o w s2 0 0 0 是如今操作系统的主流，它们将作为 开发的系统软件运行平台。 2 数据库的选择 大坝安全监测系统软件很大的一部分工作在于监测数据的管理，这 些监测数据随着运行时间的加长而越积累越多，且这些数据还要受到前 端应用软件的频繁调用。因此，要求选择一种性能优越的数据管理系统， 来胜任这些大型数据的管理任务，并且能获得较高的执行效率。 m i c r o s o f ts q ls e r v e r 就是符合这种要求的大型关系数据库管理系统 之一。s q l s e r v e r7 0 是专门为广泛的企业客户和创建商业应用程序的独 立软件商设计的c l i e n t s e r v e r 数据库管理平台，因此无论是在数据库结 构、使用方法或者在管理方式上，都充分体现了方便用户、满足用户要 求的特点。在管理大量的工程信息和监测数据方面，能充分满足大坝安 全监测的需要，这是选取它作为数据库的原因之一。 由于s q ls e r v e r 所使用的数据处理语言是s q l 语言，当应用程序通 过网络和数据库沟通时，直接运用s q l 语法进行数据访问动作是最适合 最有效率的方式，因这个交互过程中将不会牵涉到任何叙述转换的过程， 使s q ls e r v e r 能够快速的进行最佳化的处理动作。而v b 和d e l p h i 高版 本开发软件恰都具有直接书写和测试s q l 语句功能，这也是选择s q l s e r v e r 数据库的另一原因。 3 3 2 主从结构系统规划 只采用单个计算机对前置现场测控单元进行状态控制，发送采集命 令、接收采集数据，对数据进行分类本地入库存诸、查询和计算分析等 一系列操作，随着监测数据信息的积累，一方面对硬盘容量要求很大， 另一方面同时进行数据采集和数据分析，容易造成计算机运行缓慢，还 可能因为采集单元硬件的限制造成死机，影响监测软件的正常运行，显 然不是一种理想的工作方式。为了让系统能够达到比较高的执行效率， 主从结构的分工已成为数据库访问操作的寄望所在，借助客户端( c l i e n t ) 和服务器端( s e r v e r ) 的工作分配完成大量的数据处理任务。 出于获得最佳性能考虑，册田水库大坝安全监测自动化系统采用颇 为流行的c l i e n t s e r v e r 网络系统即主从分布结构来进行监测信息的管理。 水库管理中心机房内拟组建一小型局域网，局域网由三台电脑和h u b 等 辅助设备组成。三台电脑，一台为前置工控机( 也称上位机) ，一台为服 务器，剩余一台作为管理机，前置工控机和管理机相当于前端工作站。 主从结构能够广泛应用于网络系统的基本内涵是整个系统的分工方 式，即要明确哪些任务应该在数据库服务上直接处理，哪些工作要交给 前端工作站来完成，以增加整个系统执行的效率。根据监测分析软件具 体的功能，做出了如下的分工：数据采集软件直接操作现场测控单元 ( m c u ) ，安装于前置工控机；离线分析软件是对监测数据的进行整编 和分析，安装于管理机；数据库管理系统软件安装在服务器。数据采集 部分和离线分析部分分别在两台电脑上对服务器上的数据库进行操作。 除了适当的分工外，规划主从结构的另一个要素则是系统集成工作， 换言之，如何处理应用程序和数据库沟通的方式也是影响执行性能的关 键，应用程序可以只把数据库视为储存记录的场所，绝大多数的数据处 理工作则交给应用程序进行，或者将数据库视做数据管理的环境，让数 据库进行大多数数据处理的动作“。在编制大坝安全监测应用软件时， 同样面临着这样的问题。采取的作法是把以前端为主的两层式设计和以 后端为主的两层式设计混合使用，即在访阅数据库时，一些计算和校核 任务由前端计算机上的应用程序执行，一些查询和数据操作由编制的存 储过程和触发器在服务器本站直接执行。这种作法，综合两种两层式设 计的优点，视任务大小决定任务分配，能有效提高系统运行效率。本系 统软件主从结构总体设计如图3 1 所示： 3 3 3 结构功能设计 基于c l i e n t s e r v e r 的主从结构规划方式，体现了数据库及数据处理 独立于应用程序的设计思想。这里只考虑应用程序的组成结构。由于大 坝安全监测自动化系统主要包括数据采集和数据管理分析为两大块，各 部分需要完成的任务比较明确，因此把这两部分做成了两个相对独立的 软件，它们通过对服务器上数据库的访问有机的连成一体。 1 数据采集软件 结构框图如图3 2 所示。 太原理工大学硕士论文 2 离线分析软件 结构框图如图3 3 所示。 图3 - 1 大坝安全监测软件主从结构设计分工图 f i g 3 - lt h ed e s i g na n dt a s kd i s t r i b u t i o nf i g u r eo np r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t es t r u c t u r eo f t h ed a ms a f e t ym o n i t o r i n gs o f t w a r e 2 2 图3 - 2数据采集软件结构功能图 2 3 - 2 4 - 盔堡堡三盔堂堡主堕塞一 f i g3 - 2t h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o nf i g u r eo f t h ed a t aa c q u i s i t i o ns o n w a r e 图3 - 3 数据