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1、智慧大坝安全监测系统解决方案 V3.0 智慧 大坝安全监测系统解决方案 智慧大坝安全监测系统解决方案 V3.0 - 1 - 目录 第 1 章 概论 . 2 1.1 系统概览 . 2 1.2 历史回望 . 2 1.3 现状分析 . 3 1.4 目标阐述 . 3 第 2 章 总体设计 . 4 2.1 设计原则及依据 . 4 2.2 系统体系结构 . 5 2.3 信息流程 . 8 2.4 系统组成 . 9 2.5 系统功能 . 10 第 3 章 信息采集系统 . 11 3.1 需求分析 . 11 3.2 技术解决方案 . 12 第 4 章 通信网络系统 . 17 4.1 测控单元和监测中心之间的通信
2、 . 17 4.2 监测中心和监测分中心之间的网络 . 错误 !未定义书签。 第 5 章 软件系统 . 22 5.1 建设原则 . 22 5.2 技术解决方案 . 24 智慧大坝安全监测系统解决方案 V3.0 - 2 - 第 1章 概论 1.1 系统概览 大坝作为特殊的建筑，其安全性质与房屋等建筑物完全不同，大坝安全出现问题，将会引发大坝下游一定范围的人员和财产、环境损失。 在加强水利建设的大环境下，提高水工建筑物的安全，特别是提高大坝安全监测水平，保证水库大坝的安全，是关系到国家利益和社会稳定的头等大事。 大坝安全 监测系统 主要由观测传感器、遥测 数据采集模块、工业控制网络 和自动 监测管
3、理软件 系统组成 ，通 过计算机的工作，能够实现大坝观测数据自动采集、处理和分析计算，对大坝的性 态正常与否 作出 初步判断和分级报警 为监测对象提供早期安全预警报告 的自动化系统 。 建立大坝安全自动监测系统，可以缩短数据采集周期，提高大坝观测的工作效率，减轻劳动强度；并能充分利用水库调蓄能力，使其在防洪和供水两方面发挥最大的效益，同时可提高水库管理水平，及时发现大坝隐患，为水库的安全运行提供有力的保障。 1.2 历史回望 大坝安全 监测系统 在西方发达国家已有 30 多年的历史。如法国要求对高于20 的大坝和库容超过 1500 万 的水库，均需设置报警系统，并提出垮坝后库水的淹没范围、冲击
4、波到达时间、淹没持续时间和相应的居民疏 散计划等。而葡萄牙大坝安全条例（ 1990）也要求大坝业主提交有关溃坝所引起洪水波传播的研究报告，编制下游预警系统、应急计划和疏散计划。美国的联邦大坝安全导则和加拿大的大坝安全导则都强调要求采取险情预计、报警系统、撤退计划等应急措施，以便万一发生不测时，将损失减少到最小程度。 1976 年美国92.96 高的堤堂坝（）失事前，大坝管理机构根据大坝安全 监测系统监测到的 事故的发展 状况 及时通过下游的行政司法当局向可能被淹的群众发出警报，有组织地进行人员疏散，尽管大坝失事后堤堂河和斯内克河下游 130km，约 780 km2 的地区遭洪水肆虐，造成 25
5、000 人无家可归、损失牲畜约万头的巨大物质损失，但人员死亡只有 11 人，初步体现了大坝安全 监测系统 的重要意义。 智慧大坝安全监测系统解决方案 V3.0 - 3 - 1.3 现状分析 中国已建成近 8.5 万座水库，数量居世界首位。但是，由于历史原因，这些水库大部分防洪标准偏低，且大都存在不同程度的质量问题。一些水库大坝的病险情况较为严重，影响了水库综合效益的发挥，也严重威胁着人民生命财产安全。为了确保水库大坝的安全运行，充分发挥水利工程的预期效益，对水库大坝实施安全监测和科学管理，已成为中国各级水行政主管部门所面临的一个迫切 需要解决的重大问题。 大坝监测自动化经历了从单台仪器遥测、专
6、用测量装置、集中式数据采集系统到分布式数据采集系统的发展过程，其发展与基于仪器设备的监测系统的发展和进步密切相关，而监测系统的发展是以所有监测元件的迅猛发展为标志的，包括从相关的传感器、测量仪器到转换、处理、存储、打印和分析设备的发展。 目前， 全国 的 大部分的水库大坝监测 报手段落后，测验设施设备老化 ，信息的采集精度低，甚至很多水库没有对大坝的监测手段 。 大坝带病运行，一旦遇大洪水来临严重威胁大坝及下游 人员和财产 安全。因此， 迫切需要建设一套自动化程度高、 有先进的 大坝监测系统 ，以提高防洪减灾能力，保障人民生命财产的安全。 1.4 目标阐述 大坝安全监控系统是一个庞大的系统工程
7、 ，并且具有涉及 信息量大、覆盖的知识面广等特点 。 众所周知，大坝安全监测仪器是人们了解大坝运行状态的耳目，它要能够在恶劣环境下长期稳定可靠的检测出大坝微小的物理量变化，所以在某些方面（如在测量精度、长期稳定性方面）与其它工业监测行业相比，其要求更高、难度更大。从外部观测的静力水准、正倒锤、激光准直到内部观测的渗压计、沉降计、测斜仪、土体应变计、土压计，其自动化遥测都是建立在高可靠性的传感器的基础上 。近年来，随着大型水坝建筑的增多和高科技的应用，大坝安全监测正向一体化、自动化、数字化、智能化的方向发展。 大坝安全 监测系统建设的总 的目的是以国家 对大坝安全监测 工程建设 的 标准 和要求
8、 为依据，以实时采集 监测信息 并传输到 大坝安全监测中心进行分析、处理 为目的，将现代化工业自动化控制 、现代通信技术、计算机网络技术、数据库技术、地理信息技术和信息分析预测技术 与 大坝安全监测 业务需求紧密结合， 建智慧大坝安全监测系统解决方案 V3.0 - 4 - 成 一个先进实用、高效可靠、自动化程度高的 大坝安全监测 系统，达到 监测数据采集自动化、传输网络化、处理标准化、分析科学化，有效地提高水 情信息采集、传输、处理、分析、预报的准确性、可靠性，更好地为各级大坝管理部门的决策和指挥抢险救灾提供科学依据。 第 2章 总体设计 2.1 设计原则及依据 2.1.1 设计原则 1. 实
9、用性 适应施工期、蓄水期、运行期及已建工程更新改造的不同需要，便于维护和扩充，每次扩充时不影响已建系统的正常运行，并能针对工程的实际情况兼容各类传感器。能在温度 30 60、湿度 95以上及规定水压条件下正常工作，能防雷和抗电磁干扰，系统中各测值宜变换为标准数字量输出。操作简单，安装、埋设方便，易于维护。 2. 准确性 对于大坝安全监测系统而言，信息的准确性直 接关系到决策的成败。因此该系统在监测数据自动采集、传输、处理等工作环节的设备选型和技术处理上要充分考虑误差控制和误差处理，确保提高系统整体的准确性。 3. 可靠性 为保证系统长期稳定运行，观测数据具有可靠的精度和准确度。系统设备能自检自
10、校及显示故障诊断结果并具有断电保护功能，同时具有独立于自动监测量仪器的人工观测接口。 4. 先进性 力求高起点，既满足现实需求，又适应长远发展的需要，确保系统所采用的技术与当前技术发展趋势保持一致，并便于系统的扩展、升级和优化。 5. 开放性 坚持统一标准，采用行业标准和规范进行统一设计，按开 放式系统的要求选择设备，组建系统，以利于调整和扩展，便于信息的共享。 智慧大坝安全监测系统解决方案 V3.0 - 5 - 6. 经济性 系统设计时坚持经济性原则，在功能和采集范围上可多可少，可大可小，以满足不同投资规模和不同建设规模的需要，在追加投资后系统能方便的扩充功能和扩大监测范围。系统采用为分布式
11、结构，设备间连线简单，施工费用极低。整体优化设计，强化软件，简化硬件，降低了设备造价。 2.1.2 设计依据 混凝土大坝安全监测技术规范（ DL/T5178-2003）； 土石坝安全监测技术规范（ SL/60-94）； 水利水电工程测量规范（ DLJ202-81）； 水 利水电工程施工测量规范（ SL52-93）； 国家一、二等水准测量规范（ GB50026-93）； 国家水电工程测量规范（ DLJ202-81）； 水位观测标准（ GBJ138-90）； 水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范（ SL 47）； 砌体工程施工及验收规范（ GB 50203）； 水利水电工程钻探规程（ DL 50
12、13）； 大坝安全自动化监测系统设备基本技术条件（ SL268-2001）； 土石坝安全监测资料整编规程（ SL169-96）； 混凝土拱坝设计规范（ SL282-2003）。 2.2 系统体系结构 根据业务需求的分析，确定系统的体系结构由采集层、通信层、网络层、数据层、应用层 5 部分组成。系统体系结构如 图 1 所示。 智慧大坝安全监测系统解决方案 V3.0 - 6 - 综 合 数 据 库变 形监 测数 据库 管理 系统资 料整 编系 统信 息采 集处 理系 统采 集 层应 用 层渗 流监 测计 算 机 网 络 层通 信 层应 力 、 应 变 及 温 度 或压 力 （ 应 力 ） 监 测环
13、 境 量 或 水文 、 气 象 监 测统 计分 析预 警系 统W E B查 询系 统图 1 系统体系结构图 2.2.1 采集层 采集层是信息来源的基础，通过不同的监测方法和技术来完成，主要监测项目为 : 1. 变形监测 变形监测包括水平位移（横向和纵向）、垂直位移（竖向位移）坝体及坝基倾斜、表面接缝和裂缝监测。对于土石坝除设 有上述变形（称之为表面变形）监测项目外，还设有内部变形监测。内部变形包括分层竖向位移、分层水平位移、界面位移及深层应变观测。对于混凝土面板坝还有混凝土面板变形监测，具体包括表面位移、挠度、应变及接缝开度监测。另外岸坡及基岩表面和深层位移监测智慧大坝安全监测系统解决方案 V
14、3.0 - 7 - 也属变形监测。 2. 渗流监测 混凝土坝渗流监测包括坝基和坝体扬压力、坝基和坝体渗漏量、绕坝渗流和地下水位监测。 土石坝渗流监测包括坝体渗流压力、坝基渗流压力、绕坝渗流、渗流量监测。 3. 应力、应变及温度监测或压力（应力）监测 混凝土坝的应力、应变及温度监测包括混土的应力和应变、无 应力、钢筋应力、钢板应力、坝体和坝基温度、接缝和裂缝开度监测。 土石坝的压力（应力）监测包括孔隙水压力、土压力、接触土压力、混凝土面板应力监测。 4. 环境量监测或水文、气象监测 大坝所在位置的环境对大坝和坝基工作性态有重大影响，需予以监测。监测项目有大坝上下游水位、水温、气温、库区雨量等。
15、以上四大类监测项目涉及几十种物理量的监测，每一种物理量监测都需要在设计时布置必要的测点、选择适当的监测仪器。 监测项目的选择和测点的设计布置在两部规范中按照工程等级、建筑物等级、坝型、坝基和基岩地质条件以及大坝设计施工的特点 作了规定。监测项目和测点布置既不能太多，也不太少，力求保持在合理水平，可参照前面述叙的国际上的相应指标，即监测设施和实施费用相当于工程总造价的 1%来确定。大中型工程或大坝安全特别重要的小型工程均应考虑到现代化管理的需要，即实现主要监测项目的自动化。 2.2.2 通信层 通信层是监测数据传输交流的基础，是数据传输的介质。系统现场采集的数据可以通过有线数据通信（现场总线）或
16、无线数据通信的方式传输到监测中心，其中有线数据通信最远距离可以达到十几公里，无线数据通信距离可以达到数十公里。在采用有线数据通信子网和无线数据通信混合结 构时，系统数据传输具有路由自动判断机制，可以提高数据传输可靠性。 2.2.3 网络层 网络层主要指是监测中心或者分中心的计算机网络，主要是为应用软件系统智慧大坝安全监测系统解决方案 V3.0 - 8 - 运行的基础环境，是日常行政办公、内部信息交流、信息共享的网络基础。 2.2.4 数据层 数据层是整个业务综合数据的平台，是业务应用软件系统运行的基础，由多个相对独立又互有关系的数据库组成，该数据层主要是监测数据库部分。主要包括基本数据库、监测
17、数据库、实时数据库、历史数据库、空间地理数据库等。 2.2.5 应用层 应用层是以大坝安全监测管理软件为核心，主要进行监测数据的接收、 检测 、计算处理 、存储 、分析、 安全评价 预警、统计、 整编、 查询等过程。大坝安全监测管理软件包括信息采集处理系统、资料整编系统、统计分析预警系统、 WEB 查询系统、数据库管理系统。 2.3 信息流程 该系统的总体信息流程如 图 2 所示。监 测 信 息通 信 系 统传 输综 合 数 据 库数 据库 管理 系统资 料整 编系 统信 息采 集处 理系 统计 算 机 网 络统 计分 析预 警系 统W E B查 询系 统传 输监 测 中 心综 合 数 据 库
18、数 据库 管理 系统资 料整 编系 统信 息采 集处 理系 统统 计分 析预 警系 统W E B查 询系 统监 测 分 中 心综 合 数 据 库数 据库 管理 系统资 料整 编系 统信 息采 集处 理系 统统 计分 析预 警系 统W E B查 询系 统监 测 分 中 心图 2 系统信息流程图 智慧大坝安全监测系统解决方案 V3.0 - 9 - 主要的信息流程包括信息采集、信息存储、信息查询、信息统计分析预警、数据库管理系统、信息展示。 信息采集：主要 对 所有接入系统中的各类监测仪器进行一定方式的自动化测量， 采集 所测数据，并传送到中央控制装置集中储存或处理。 信息存储：主要通过信息采集系统
19、对接收的数据进行解码、校验、入库、存储。 信息查询：主要对入库的 自动化测量数据 根据任意时段和各点的数据进行查询。 信息统计分析预警：主要对根据 采集值和时间为轴，显示信号的时间变化过程，时间轴可以定义，如秒、分、小时、天；数据库可以随时调出查看、编辑、另行存储 。 对大坝监测数据进行离线分析处理、为大坝安全评判和运行管理提供监控模型、监控数据图表。 如 自动采集的孔隙水压力过程线的 显示页面形式 等等。 数据库管理：主要对根据监测数据进行数据转贮、数据库查询 /修改、人工插补等。 信息展示：主要对客户提供报表显示、图形形式、电子地图显示、报警、视频图像等方式展示。 2.4 系统组成 大坝安全监测系统由信息采集系统、通信系统、网络系统、综合数据库系统、应用软件系统，包括 自动 采集或人工观测埋入坝体或安装的传感器 (大坝的变形、渗流、应力应变 、 温度 、 降雨、水位、气温和地震等 )等、测控单元（ MCU）上位机、监测中心、监测分中心组成，系统组成如 图 3 所示。系统 结构采用分布式体系结构，数据采集工作分散到靠近较多传感器的测控单元来完成，然后将所测数据传送到主机。系统每个观测现场的测控单元都是多功能智能型仪器，能对各种类型的传感器进行控制测量。