天生桥水电站大坝安全监测管理信息系统开发.doc

天生桥水电站大坝安全监测管理信息系统开发第29卷第12期水利电力机械2007年12月WATERCONSERVANCY&ELECTRICPOWERMACHINERYV01.29No.12Dee.2007天生桥水电站大坝安全监测管理信息系统开发SafetyinspectionmanagementinformationsystemdevelopmentofTianshengqiaoHydropowerStation段国定,李向新(昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明650093)摘要:在分析天生桥水电站大坝安全监测管理信息系统需求的基础上,探讨了系统的开发和运行环境解决方案,功能模块划分,数据库设计方法.采用Powerbuilder开发语言和SQLServer数据库技术以及基于Internet网络连接技术,设计和实现了大坝安全监测管理信息系统的数据库结构和应用程序框架的构建.关键词:大坝安全监测;管理信息系统;Powerbuilder语言;SQLserver数据库;开发中图分类号:TV697:TP274文献标识码:B文章编号:10066446(2007】120172070引言1系统的总体设计天生桥一级水电站位于红水河上游南盘江干流上,是红水河梯级电站的第1级,大坝最大坝高178m,坝顶长1104m,面板面积17.3万m,坝体填筑量约1800万m,该工程于1991年6月开工,2000年底大坝竣工,枢纽工程通过安全鉴定.大坝建成时为同类坝型世界第2高坝,亚洲第1高坝,其防渗体系的面积,坝体填筑量在同类坝型中规模最大,且充分利用软岩料筑坝,技术水平先进.为监测大坝安全,建立了包括坝体表面变形,坝体深层位移,坝体应力,面板应力应变和钢筋应力,面板挠度,接缝变形,渗流流量,渗水压力以及地震,环境等监测内容的完整监测系统.该电站建成至今已工作10余年,积累了大量安全监测的数据.为将这些监测数据有效管理起来,利用计算机数据库技术和数据可视化技术,开发了一套面向运行单位(电厂)及查询者(管理和设计部门)的水电站大坝安全监测管理信息系统.利用该系统有利于开展面板堆石坝安全监测数据的资料分析工作,利于对大坝的安全状态作出快速,准确的评判,同时对今后同类型大坝的设计和安全监测设计工作有一定借鉴意义.1.1系统的总体需求对软件用户和大坝安全监测数据详细调研和分析后确定了系统的建设需求:(1)系统实现对大坝的监测数据自动采集与人工采集相结合.(2)系统以Internet,Intranet(企业内部网)作为信息基础设施架构开发,系统的数据传输和交换可利用虚拟专用网络(VPN)的传输方式来实现.(3)软件系统的用户面向运行单位(电厂)及查询者(管理和研究设计部门),实现有效的权限管理.(4)系统利用网络数据库技术创建工程数据库,实现监测数据的科学有效管理和共享.(5)所开发的软件系统利用三维(3D)图形交互系统建立友好界面,实现安全监测信息重要数据可视化.(6)实现数据处理成果整理,系统应该能够存储,处理各监测仪器所采集的不同时段的监测数据,并按需要显示其时程过程的相关图表,供用户使用.(7)建立天生桥一级水电站工程概况数据库,使有关人员及用户能够在网上查询与工程的勘察,设计,施工及运行等相关的基础信息和资料,了解工程收稿日期:20071023作者简介:段国定(1973一),男(白族),云南大理人,昆明理工大学国土资源工程学院在读硕士研究生,从事数据库及GZS研究与应用方面的工作.第29卷第12期段国定,等:天生桥水电站大坝安全监测管理信息系统开发?173?建设的概况,进行工程建设的辅助决策与管理.1.2开发和运行环境的选择Microsoft公司的WindowsXP,Windows2000AdvancedServer和MicrosoftSQLServer2000Enterprise已在我国普及,大多数系统均运行于其上,实践证明该产品是成熟的产品.Microsoft产品的解决方案在稳定性,安全性和性价比等方面基本上能满足用户的需要,所以确定以Microsoft公司产品作为系统运行和开发环境.使用Sybase公司的Powerbuilder9.0系统作为应用程序的开发工具,该工具各方面的技术已经很成熟,特别是在数据库应用软件开发领域使用该工具开发的系统在我国占很大的比重,考虑到大坝安全监测资料的数据信息量大,种类多,可用该软件开发系统的应用程序.1.3系统的功能模块依托天生桥一级水电站,研究开发水电站大坝安全监测管理信息系统,实现面板堆石坝建设信息管理的网络化,可视化,数字化和智能化.该系统主要包括系统管理,工程基础信息概况,仪器考证库管理,变形监测,压力(应力)监测,渗流监测,水文气象监测和预警与健康诊断.根据对用户的详细调查与研究,确定了用户需要操作的数据以及用户管理数据的方式和功能,并分析了数据库中各种数据之间的关系,得到如图1所示的系统功能模块图.2系统运行环境的解决方案2.1实时监控管理实时监控系统主要完成对大坝运行状况进行实时跟踪,在系统注册的每一个自动监控仪器,都可成为面板堆石坝安全监测信息系统的跟踪对象,对于每一监控对象的监控量(效应量),系统以过程线的形式描述其变化过程,并对每一监测值进行疑点判别和报警,实时更新特征值(年度特征值,历史特征值和相应特定库水位特征值).实时监控系统包括数据采集,监控平台参数设置,监控平台和在线分析.2.2软件运行方式各种应用程序,用户界面,其他通用工具,扩展二次开发模块都通过COM/DCOM去访问业务代理,再通过数据代理去访问数据库.客户提出运算请求,指定运行的程序,通过相应的代理的运算,返回运算结果或提供进一步运算的参数或直接显示在屏幕上供用户查看.软件运行方式如图2所示.图2软件运行方式2.3系统网络结构设计系统网络结构设计的重点在于提供安全,可靠,高效以及可管理的网络基础结构,设计时主要考虑以下业务要求:网络上信息组织与应用,监控系统运作顺畅实时,计算分析的高效和系统安全可靠.系统网络结构的工作总体过程是大坝安全监测数据自动采集系统的各测量控制单元MCU自动控制各种安全监测仪器,自动监测大坝变形,应力和渗流等各项数据,将采集到的数据通过底层通信网络传给实时监控平台,在该平台上动态显示数据,动态绘制过程线等图形,动态显示异常数据和异常情况.根据应用软件设计的机制,大坝安全监测信息系统的信息传输和交换可通过Internet来实现,整个业务系统运行于Intemet平台之上,并将系统业务数据图1天生桥水电站大坝安全监测管理系统功能模块图?174?水利电力机械2007年12月发布到Internet上,同时提供其他授权用户通过In-ternet来访问或控制系统的方法和途径.大坝安全监测信息系统设计成透明性网络,无论采用局域网还是通过广域网系统都能够安全可靠运行.面板堆石坝安全监测信息系统的网络结构如图3所示.3软件系统的设计与实现3.1数据库设计要求由于该系统的开发涉及到各专业知识的交叉和整合,数据库的设计需要项目所涉及专业领域的参与方进行协同设计开发,所以系统数据结构的设计与通常的数据库应用有较大区别.系统首先要求能够在一个较长的时间内维持其主要结构,也就是保持数据库的主要关系结构,其次要求数据库系统能灵活地适应观测项目的改变和新增观测项目,同时,还要求数据库的设计与现场的实际情况脱钩,保证相同的数据库结构能够适用于不同电厂.3.2大坝安全监测管理信息系统功能简介(1)工程基础信息概况.使有关人员及用户能够在网上查询与工程的勘察,设计,施工及运行等有关的基础信息和资料,了解工程建设的概况,进行工程建设的辅助决策与管理.工程信息管理包括工程概况,大坝特性,工程技术参数和重要文件.(2)观测仪器考证库管理.观测仪器考证库资料包括测点位置,编号,埋设位置(桩号,坝轴距,高程),孑L口(管口)高程,孑L底(管底)高程,仪器编号,型号,型式,生产厂家,电缆长度,型号,仪器技术性能(量程,分辨率,精度,率定参数,温度修正系数),埋设前,后初始读数,埋设日期,气温,周围介质温度,上下游水位,埋设人员,电缆接头与截水环数量和位置,回填材料与质量,封孑L材料与质量等.(3)变形监测.天生桥水电站大坝建立了包括坝体表面变形,坝体内部监测,坝体深层位移,砼面板变形等监测内容的完整监测系统.坝体内部监测项目包括坝体深层水平位移,竖向位移,坝体应力,垫层料坡面和面板之间的作用力;砼面板变形监测包括:周边缝位移观测,竖向缝位移观测,面板挠度观测和面板脱空观测.部分观测界面如图4,图5所示.(4)砼面板应力应变观测.为了解砼面板的应力应变,在面板内的相应部位布置了砼应变计,无应力计,钢筋应力计和温度计.部分观测界面如图6,图7所示.(5)渗流监测.渗流量和渗水压力是大坝工作状态的综合指标,特别是在水库蓄水期,是评估大坝施工质量和判别大坝工作状态是否正常的重要依据.在水库正常运行后,渗流状况的演变又是大坝,坝基和两坝肩岸坡工作状态的指示,可以及时地发现问题,采取措施,控制运行条件,保障工程安全运行并发挥更大的效益.具体包括坝址渗流流量,右坝肩绕坝渗流流量,左右岸坝肩绕坝渗流水位,趾板灌浆帷幕的防渗效果,上下游贯穿地质构造带处理的防渗效果和周边缝变形和止水防渗效果6个方面.部分观测界面如图8,图9所示.运程用户1运程用户2运程用户n图3面板堆石坝安全监测信息系统网络结构图第29卷第12期段国定,等:天生桥水电站大坝安全监测管理信息系统开发?175?犬生桥一级水电站人坝三向测缝计THJ12变化过程线图4测缝计观测量与库水位变化过程线天生桥级水电站臆计变化过程线,.,_/厂.,/,;/,_,f,f,:,一j,jrIINS2l一库水位/mI图5大坝面板应变与库水位变化过程(6)水文气象观测.坝区建立了水位站和气象各种观测物理量的列表统计(包括月报表,年报站,用以观测上下游水位,坝区降水量,水温和气温.表),各观测物理量在时间和空间分布特征的图形.水库水位是坝体和面板变形,面板应力应变,渗水流必要时应加绘相关的物理量,如坝体填充过程与蓄量和渗水压力的最主要影响因素,在库区建2个水水过程.巡视检查,水文,气象,波浪,泥沙,地震反尺和自动水位计的水位站,逐日观测,记录库水位.应,水力学等观测也有相应的列表统计与图形编绘.坝区降水量直接影响渗流量和绕坝渗流水位,水温系统应该能够存储,处理各监测仪器所采集的不同和气温影响砼面板的变形和应力,这些环境变化量时段的监测数据,并按需要显示其时程过程的相关是观测资料分析中必须掌握的基本资料.图表,供用户使用.部分观测成果表界面如图10和(7)观测成果表.安全资料观测成果表包括:图11所示.目恒*世88Te65544?176?水利电力机械2007年12月赠天生桥一级水电站钢筋计变化过程线,一.:一.一一.,一一一-0_I,i_.,一_._.=_-,_0lt0,:?-5-ll_&奠;j0连tj:t乏毫.SBH12温度值SBH12应力降水量/rllm图6钢筋计应力与降雨量变化过程天生桥一级水电站温度计变化过程线:-,一.一.,_一_1l0llll,._;OOg-11120021I一0118002-0117200207?0011022200Z03152002071920002052002-0324200p*220021r2e2002040820000e2003029200308222O00一O719r一一一一一一一一I一TH2温度值TH3温度值TH41l温度值TH5一lO温度值日平均气温/I图7温度计与日平均气温变化过程4存在的问题和改进措施大坝安全监测管理信息系统是一个庞大,复杂的研究课题,所涉及的内容十分广泛.鉴于系统的复杂性,有些功能的实现无法令人满意,有些技术还不太成熟,因此,本文所作的只是监测系统开发这一复杂而庞大的工程的部分内容,还有许多问题有待于进一步研究.今后大坝安全监测管理信息系统的开发及其应用研究应注意以下方面:(1)数据库设计方面.应根据最新的数据库技术设计出合理的数据库结构和查询语句,实现监测数据计算的自动化和提高数据访问速度,同时系统应具备一定的通用性,能推广应用于不同电厂.(2)决策支持系统方面.大坝安全监测决策支持系统个性较强,研制具有通用意义的系统尚有很多科学难题要解决,包括知识库的构建,推理机制的建立等尚需进一步研究,将目前成熟的大坝监测数学模型和其他领域已成熟的新方法和新理论应用于大坝安全监测之中.(3)三维可视化技术方面.将最新的三维可视化技术应用于大坝安全监测,系统利用三维图形交互技术建立友好界面并实现监测信息重要数据可视化,推动水电工程设计施工管理一体化,智能化的进程,加快水电建设的发展.5结束语水电站大坝在为人类利用自然资源,改造自然环境,兴利除弊方面发挥巨大作用,创造巨大财富的第29卷第12期段国定,等:天生桥水电站大坝安全监测管理信息系统开发?177?天生桥级水电站量水堰流量表变化过程线.曼坝后量水堰/(1/s)一降水量/mm图8大坝量水堰流量与降雨量变化过程匝耍二二习璃刹日期;新霹篓:女糯i保存i舒;遮目墉号l天生桥一级水电站钻孔水位计Hw一256变化过程线l蔓1设蒿程广1写堰设区域现属术毋Ll言.擞懿黪露蕊褰l秦触r_一Il掣I60广惺燃女日199871010:30:O0*740观8期199871010:30:00f替譬IIlIIlllllIIlllllltllllJlllIlllllllllllllIllIlg鸯二二二二二二ILLLk二二二:2:lg:-g罐一瑚2强蝎湘_私a嘣E4能舶.碍2HI一曲2海戡;#翻桃l捌IH髓#l盼静薹藿棚B搬觏黼2螭嘲;l鞴嘲l8瓣翻溉一2瞬姐鲫柑逝la$3S曲222抽辩5鲫2.鞠黼lg98一l鼬罅雌Oj8黔2错;艄B酿s蝴删I.雠.一_P鲆2卿嘴哪l酶裁嘛gn嘲黼l自|nnh259一秘nB辨s.BB2l目瞅58BB肫zl9g脚2l的舢岳2.nn釉i一一,-一图9大坝钻孔水位计观测记录同时,又具有潜在的重大安全风险.因此,水电站大坝的安全运行,不仅关系到电力企业本身的安全生产和经济效益,更关系到大坝下游千百万人民的生命财产安全乃至国民经济的可持续发展.水电站大坝安全始终是关系