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引江濟漢工程安全監(jiān)測自動化

文檔作者：嚴謹1，袁君寶2，沈培芬1 文檔來源： 1．湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院 2．湖北省水利水電科學(xué)研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年11月30日
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水利水電技術(shù)第47卷2016年第7期
引江濟漢工程安全監(jiān)測自動化
嚴謹1，袁君寶2，沈培芬1
(1．湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北武漢430064；2．湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北武漢430070)
關(guān)鍵詞：安全監(jiān)測；監(jiān)測自動化；引江濟漢工程
doi：10．13928／j．cnki．wrahe．2016．07．018
中圖分類號：TV698．1(263) 文獻標識碼：A 文章編號：1000—0860(2016)07．0071．04
1 工程概況
引江濟漢工程作為南水北調(diào)中線水源區(qū)工程之
一，是從長江上荊江河段附近引水至漢江興隆河
段、補濟漢江下游流量的一項大型輸水工程。工程
由引水干渠、進出口控制工程、跨渠倒虹吸、路渠
交叉及東荊河節(jié)制工程等建筑物組成。引水干渠的
引水口位于荊州市龍洲垸、出水口為潛江市高石
碑，線路地跨荊州、荊門兩地級市所轄的荊州區(qū)和
沙洋縣，以及省直管市潛江市和仙桃市，途中穿越
荊江大堤、漢江干堤、長湖湖叉、拾橋河、西荊河
等多條河流及灌排渠道。引水干渠全長67．23 km，
設(shè)計引水流量350 m3／s，最大引水流量500 m3／s，
干渠上布置交叉建筑物74座，其中各種水閘10
座，泵站1座，船閘2座，倒虹吸30座，公路橋
30座，鐵路橋1座。
2監(jiān)測布置
引江濟漢工程根據(jù)輸水工程水工建筑物的結(jié)構(gòu)
特點、水文地質(zhì)條件等選擇以下建筑物作為監(jiān)測重
點：引水干渠、進口節(jié)制閘和泵站、荊江大堤防洪
閘、港總渠倒虹吸、海子湖湖汊倒虹吸、拾橋河倒
虹吸、拾橋河上下游泄洪閘2座、拾橋河節(jié)制閘、
后港長湖湖汊倒虹吸、殷家河倒虹吸、西荊河倒虹
吸、西荊河船閘、后港船閘、興隆河倒虹吸、高石
碑出水閘及東荊河上的黃家口橡膠壩、馮家口橡膠
壩和馬口橡膠壩。
建筑物儀器監(jiān)測包括變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)
力應(yīng)變監(jiān)測、環(huán)境量及水力學(xué)監(jiān)測等。監(jiān)測項目如
下：(1)引水干渠及各類建筑物的水平位移、垂直
Water Resources and Hydropower Engineering Vol 47 No．7
位移(沉降)、水位、流量的監(jiān)測；(2)對于砂基、
膨脹土和軟基段引水干渠另設(shè)渠道浸潤線和堤身
位移的監(jiān)測；(3)對于規(guī)模較大的倒虹吸除布置上
述監(jiān)測項目外，還設(shè)置閘室及箱涵基礎(chǔ)變位、兩
結(jié)構(gòu)縫間不均勻沉降、揚壓力、墻后土壓力及滲
壓等監(jiān)測項目；(4)涵閘和船閘除布置上述觀測項
目外，還設(shè)置閘基變位、揚壓力、鋼筋應(yīng)力、墻
后土壓力、側(cè)向繞滲及接縫等監(jiān)測項目；(5)定期
對干渠及建筑物進行水流性態(tài)、沖刷及淤積等監(jiān)
測。
除上述監(jiān)測外，還對進出水口河段及渠道的水文
泥沙進行觀測。
3監(jiān)測自動化系統(tǒng)
引江濟漢工程輸水線路較長，工程監(jiān)測對象多且
分散，監(jiān)測站點星羅棋布，任一個建筑物出現(xiàn)安全問
題將影響整個輸水工程運行，因此對工程安全進行自
動化監(jiān)控，將安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)納入工程運行調(diào)度
管理系統(tǒng)中統(tǒng)一管理是非常有必要的。
本工程安全監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通
信、信息管理及綜合分析。數(shù)據(jù)采集包括MCU自
動采集、集線箱采集、人工采集和巡視檢查；數(shù)據(jù)
通信包括現(xiàn)場監(jiān)控級、現(xiàn)場管理級以及監(jiān)控中心間
的數(shù)據(jù)通信，還包括同系統(tǒng)外部的網(wǎng)絡(luò)計算機之間
的數(shù)據(jù)通信；信息管理包括對原始數(shù)據(jù)的可靠性檢
驗和必要的處理，使之成為可供分析用的實測資
料，并將其存儲管理；綜合分析為對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行
收稿日期：2016-03—17
作者簡介：嚴謹(1983一)，女，工程師。
71
萬方數(shù)據(jù)
嚴謹，等∥引江濟漢工程安全監(jiān)測自動化
初步分析及預(yù)警。
3．1 自動化系統(tǒng)總體構(gòu)架
引江濟漢采用分布式數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)加遠程通
信管理方案，根據(jù)管理結(jié)構(gòu)劃分為三級：第一級為現(xiàn)
場監(jiān)控級(現(xiàn)場監(jiān)測站)；第二級為現(xiàn)場管理級(現(xiàn)場
管理站)，按行政區(qū)域分布4個現(xiàn)場管理站，其分別
為泵站節(jié)制閘管理站、拾橋河管理站、高石碑管理站
和東荊河管理所；第三級為監(jiān)控中心(南水北調(diào)引江
濟漢管理處)。
每個現(xiàn)場管理站分別配備服務(wù)器、工控機、工
作站和采集及監(jiān)測信息管理軟件等，能各自獨立運
行。引江濟漢管理處通過通信系統(tǒng)能實時查看和調(diào)
用每個現(xiàn)場管理站采集的數(shù)據(jù)，并且將安全監(jiān)測自
動化系統(tǒng)納入至引江濟漢運行管理的應(yīng)用及決策支
持系統(tǒng)中，以提高工程決策調(diào)度的合理性，安全性
和及時性。
3．2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)采集裝置、工控
機(采集計算機)、數(shù)據(jù)采集軟件等組成。
納入工程自動化的監(jiān)測儀器主要包括：基礎(chǔ)變位
計、位錯計、測縫計、測斜儀、滲壓計、應(yīng)變計、無
應(yīng)力計、鋼筋計、土壓力計和遙測水位計等，共布置
665支自動化監(jiān)測儀器，沿建筑物和渠道沿線共設(shè)有
42個現(xiàn)場監(jiān)測站，每個測站內(nèi)放置1套或2套數(shù)據(jù)
采集裝置。
數(shù)據(jù)采集裝置主要功能是把分布在建筑物的各
類監(jiān)測傳感器標準和非標準的電信號進行準確地采
集、傳輸?shù)街付ǖ拇鎯υO(shè)備上并按照一定的格式進
行儲存。一般情況下分為兩級系統(tǒng)，其一為采集模
塊通過和傳感器類型相匹配的激勵模式電路和A／D
數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，對現(xiàn)場傳感器的模擬信號進行數(shù)據(jù)
采集、轉(zhuǎn)換和存儲；其二為管理站工控機通過通信
系統(tǒng)對采集模塊進行操作、控制，將觀測數(shù)據(jù)以數(shù)
值量的方式傳輸?shù)街付ǖ拇鎯υO(shè)備上并按照一定的
格式進行儲存。
數(shù)據(jù)采集裝置(MCU)性能指標：采集裝置包括
機箱、采集模塊、防雷裝置、轉(zhuǎn)換器、蓄電池等。機
箱防護等級IP56，具有防水功能；蓄電池應(yīng)保證測
控單元在斷電后能連續(xù)工作1周。
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下特點：(1)采用單模光
纜通信，在光纜的兩端使用光端機進行連接，通過光
端機與測控單元組成高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，波特率≥
9 600 bps，通信距離≥10 km，光纖通信還具有優(yōu)異
的防雷效果。(2)每個測量單元的通道數(shù)有8、16、
24、32、40通道可選。(3)采樣對象可為電阻式、電
容式、電感式、壓阻式、振弦式、光電式、步進電機
測量裝置、電位器式以及輸出為電流、電壓等帶有變
送器的監(jiān)測儀器和其他測量裝置。(4)測量方式包括
定時、間斷、單檢、巡檢、選測或任設(shè)測點群。
(5)定時間隔大于10 min，可根據(jù)需要設(shè)置。(6)采
樣時間為(2～5)s／點。(7)具有同采集計算機進行
通信的功能；可接收采集計算機的命令設(shè)定、修改
時鐘和測控參數(shù)；可使用便攜式計算機或讀數(shù)儀實
施現(xiàn)場測量，可用采集計算機、便攜式計算機從
MCU中獲取其暫存的測量數(shù)據(jù)；具有人工測量接口，
以方便人工比測或在MCU發(fā)生故障時人工測讀數(shù)據(jù)。
(8)適應(yīng)工作環(huán)境，溫度一10～+50℃(一25一+60℃
可選)，濕度≤95％。(9)系統(tǒng)具有防雷、電功能，
防雷電感應(yīng)500～1 500 W；具有一定的自檢、自診
斷功能，能自動檢查各部位運行狀態(tài)，將故障信息
傳輸?shù)讲杉嬎銠C，以便用戶維修。(10)數(shù)據(jù)存儲
容量大于1 000測次。(11)平均無故障時間(MTBF)
6 300 h。
采集軟件是一套圖視化的窗口軟件，所有測點均
顯示在布置圖中，每一個測點都與數(shù)據(jù)庫相連結(jié)。同
時，布置圖中的每一個測點又與現(xiàn)場MCU的對應(yīng)儀
器相通。因此，操縱和選擇屏幕上的測點狀態(tài)就可以
完成對測點的采集(單點、選測、巡測、定時等)、
換算、處理、入庫、顯示打印以及越限報警、自診斷
等全部過程，能適應(yīng)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與計算機系統(tǒng)的不同通
信方式。采集軟件配合數(shù)據(jù)管理與分析軟件，并留有
接口，以便自動采集的數(shù)據(jù)能夠直接進行數(shù)據(jù)管理與
分析。
3．3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)
通信系統(tǒng)主要功能是根據(jù)相關(guān)協(xié)議建立各設(shè)備之
間的物理聯(lián)系進行信息傳遞，主要包括現(xiàn)場監(jiān)測站
(現(xiàn)地建筑物或渠道)與傳感器之間、現(xiàn)場監(jiān)測站與
管理站之間、管理站與管理處(引江濟漢管理處)之
間的通信。
3．3．1通信連接
現(xiàn)場監(jiān)測站(放置數(shù)據(jù)采集裝置)與傳感器之間
的連接：監(jiān)測站布置在各建筑物附近，數(shù)據(jù)采集裝
置與傳感器間通過儀器電纜直接連接。監(jiān)測站與管
理站，管理站與管理處之間的信號傳輸采用基于
SDH的MSTP傳輸網(wǎng)絡(luò)，傳輸介質(zhì)包括光纖和無線
(見圖1)。
3．3．2通信設(shè)備技術(shù)指標
光纜與數(shù)據(jù)采集裝置、工控機間采用光端機連接
水利水電技術(shù)第47卷2016年第7期
萬方數(shù)據(jù)
圖1 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)傳輸環(huán)網(wǎng)示意
轉(zhuǎn)換。光端機技術(shù)指標：采用單模光端機，與單模
光纜、數(shù)據(jù)采集單元配套；通信格式，8位，1位
停止位，無校驗位；標準，符合EIA PS一232、RS一
485標準；光纖信號，IN OUT；工作方式，異步工
作、點對點；波特率，1 200 bps或2 400 bps，自
動偵測信號速率；光纖形式，采用FC／SC／ST接
口。
具體技術(shù)指標如下：GPRS通信終端技術(shù)指標，
GPRS數(shù)據(jù)通信模塊支持GSM／GPRS、900／1 800 MHz
雙頻和850／1 900 MHz雙頻可選，GPRS Class 10；編
碼方案，CSl一CS4；天線接口，SMA—K(陰頭)；
SIM／UIM卡，3 V；串行數(shù)據(jù)接口類型，33"L／RS一
232／RS一422／RS一485；供電，電壓5～26VDC；工
業(yè)級設(shè)計，滿足惡劣應(yīng)用環(huán)境需求；模塊化設(shè)計，超
強的擴展性；內(nèi)嵌多種通信協(xié)議；多種工作模式；永
遠在線，支持多方通信。
3．4供電系統(tǒng)及防雷保護
供電方式：根據(jù)工程現(xiàn)場特點，對于監(jiān)測站附近
有交流電源的，采取直接引入220 V交流電對系統(tǒng)供
電，并設(shè)置電源防雷器及接地；沒有電源的采取架設(shè)
太陽能電源供電。管理站和管理處均配備UPS電源
和交流電源。
供電設(shè)備技術(shù)指標：太陽能電源包括太陽能
電池板、充電控制器、蓄電池和太陽能安裝支架。
其中：太陽能電池板主要技術(shù)指標，功率80 W，
輸出電壓12VDC；充電控制器主要技術(shù)指標，最
大充電電流8 A，系統(tǒng)電壓12VDC，免維護蓄電池
輸出直流12 V，容量100 AH，工作環(huán)境一15℃～
50℃。
電源防雷器主要技術(shù)指標：內(nèi)置高能大功率防護
水利水電技術(shù)第47卷2016年第7期
嚴謹，等∥引江濟漢工程安全監(jiān)測自動化
模塊設(shè)計；高冗余防護設(shè)計；具
備過熱、過流保護；標準35導(dǎo)
軌安裝；通過不同防護模式組合
可用于IT、TF、TN—S供電系
統(tǒng)。
防雷和接地：雷電防護等
級為C級；外露通信線路、電
源線路，傳感器電纜采用鍍鋅
鋼管保護，并做可靠接地；電
源線路在進人建筑物和觀測站
時挖溝槽埋設(shè)，并設(shè)置浪涌保
護器；傳輸線纜在進出建筑物
處設(shè)置浪涌保護器，計算機和
各MCU輸入／輸出端口處應(yīng)安
裝適配的浪涌保護器；監(jiān)測站接地電阻要求不大于
10 Q，監(jiān)測管理站和監(jiān)測管理處接地電阻要不大于
4 Q。
3．5信息管理及綜合分析
信息管理及綜合分析系統(tǒng)主要作用是對自動采集
或人工采集的監(jiān)測資料以及與安全有關(guān)的設(shè)計、施工
和類似工程資料進行科學(xué)管理，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行在線
和離線的系統(tǒng)分析、實現(xiàn)報表生成、信息可視化、信
息發(fā)布等，并為將來視需要可能建立的專家系統(tǒng)提供
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。
安全監(jiān)測信息管理及綜合分析系統(tǒng)包括：(1)
系統(tǒng)管理，包括具有用戶管理及系統(tǒng)日志管理、可
視化的系統(tǒng)配置、參數(shù)修改、測點屬性編輯、綜合
查詢等。(2)數(shù)據(jù)庫管理，測值換算及測值維護，
包括成果計算、公式編輯、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)編輯、
不同平臺之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和連接，以及數(shù)據(jù)入庫、數(shù)
據(jù)庫備份等。(3)圖形報表制作，靈活方便地制作
各種過程圖、分布圖及報表等。(4)離線分析，初
步分析和評估建筑物的實際運行性態(tài)，提供對建筑
物及渠道變形、滲流等監(jiān)測資料進行計算、分析處
理的工具；根據(jù)各類儀器特性對各監(jiān)測量進行誤差
檢驗；提供豐富的圖形和表格功能，使整個分析過
程窗口化，分析結(jié)果圖表化。(5)測值預(yù)報，根據(jù)
監(jiān)測量已建的預(yù)報／監(jiān)測模型，按一定要求生成環(huán)
境量，然后自動對該監(jiān)測量進行預(yù)報。(6)網(wǎng)絡(luò)瀏
覽，有關(guān)部門有權(quán)限的人員可以瀏覽查詢工程發(fā)布
的安全監(jiān)測信息，工程技術(shù)人員可隨時隨地查詢各
監(jiān)測資料，上級主管部門可直接通過瀏覽器了解工
程安全監(jiān)測情況，以方便管理。(7)遠程控制，包
括遠程召測等監(jiān)控管理和定時上報功能，是指管理
萬方數(shù)據(jù)
嚴謹，等∥引江濟漢工程安全監(jiān)測自動化
站實現(xiàn)對各測控單元實現(xiàn)遠方召測，同時具備定時
向管理處自動報送相關(guān)監(jiān)測信息并傳送相關(guān)監(jiān)測信
息到引江濟漢自動化系統(tǒng)。
安全監(jiān)測信息管理及綜合分析系統(tǒng)軟硬件平
臺：(1)硬件平臺，在每個監(jiān)測管理站監(jiān)控中心各
設(shè)置l臺工控機用于數(shù)據(jù)的采集，設(shè)置2臺PC機
和l～2臺便攜式電腦作為客戶機，用于日常監(jiān)測
資料的分析和維護工作；設(shè)置1臺服務(wù)器用于數(shù)據(jù)
存儲。同時配備相應(yīng)的附屬設(shè)備，如打印機、復(fù)印
機、UPS電源、凈化電源、交換機及機柜等。(2)
軟件平臺，系統(tǒng)支撐軟件包括Windows操作系統(tǒng)、
通信軟件、微軟辦公軟件等；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用
MS SQL Server2012數(shù)據(jù)庫，提供TB級的數(shù)據(jù)存儲
能力，支持分布式數(shù)據(jù)存貯與操作，具有C2級的
安全級別，有豐富的前臺開發(fā)軟件，能滿足用戶的
并發(fā)數(shù)據(jù)操作。
4監(jiān)測自動化系統(tǒng)的主要功能
監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)
加遠程通信管理方案，系統(tǒng)具有高度的兼容性、實
時性、可靠性、精確性、可維護性和可擴展性，其
主要功能如下：(1)監(jiān)測功能，能自動采集各類傳
感器的實測數(shù)據(jù)，同時具備人工測量的接口；當測
值超過警戒值，系統(tǒng)能夠進行自動報警。(2)可視
化功能，可顯示建筑物及監(jiān)測系統(tǒng)的總貌、各監(jiān)測
斷面結(jié)構(gòu)輪廓和儀器分布；可進行圖示化選測和過
程曲線顯示，以及監(jiān)控圖編輯、報警位置和狀態(tài)顯
示等。(3)存儲功能，具備數(shù)據(jù)自動存貯和備份功
能，在外部電源突然中斷時，保證內(nèi)存數(shù)據(jù)和參
數(shù)不丟失。(4)操作功能，在管理站和管理處可對
74
現(xiàn)場的采集裝置進行遠程各項操作；能監(jiān)視操作、
輸入／輸出、顯示打印、報告現(xiàn)在測值狀態(tài)、調(diào)用
歷史數(shù)據(jù)、評估系統(tǒng)運行狀態(tài)；修改系統(tǒng)配置、
系統(tǒng)測試、系統(tǒng)維護等功能。(5)自檢功能，具有
自檢能力，能對現(xiàn)場設(shè)備進行自動檢查，并在采
集數(shù)據(jù)服務(wù)器上顯示故障部位及類型，為及時維
修提供方便。(6)數(shù)據(jù)通信功能，具備數(shù)據(jù)通信功
能，包括數(shù)據(jù)采集裝置與管理站計算機之間的雙
向數(shù)據(jù)通信，以及管理站和管理處及其同系統(tǒng)外
部的網(wǎng)絡(luò)計算機之間的雙向數(shù)據(jù)通信。(7)網(wǎng)絡(luò)安
全防護功能，具有網(wǎng)絡(luò)安全防護功能，確保網(wǎng)絡(luò)
的安全運行；具有多級用戶管理的功能，設(shè)置有
多級用戶權(quán)限、多級安全密碼，對系統(tǒng)進行有效
的安全管理。(8)適應(yīng)能力，具有較強的環(huán)境適應(yīng)
性和耐惡劣環(huán)境性，具備防雷、防潮、防銹蝕、
防鼠、抗振、抗電磁干擾等性能；能在潮濕、高
雷擊、強電磁干擾條件下長期連續(xù)穩(wěn)定正常運行。
(9)備用／檢校測量，具有與便攜式測量儀器儀表
的接口，能夠使用便攜式測量儀器儀表進行人工
補測、比測，以防止監(jiān)測資料中斷。人工監(jiān)測與
自動化監(jiān)測互不干擾，以便對自動化系統(tǒng)進行定
期校測，并作為自動化系統(tǒng)發(fā)生故障時的備用監(jiān)
測手段。
參考文獻：
[1] sL 601—2013，混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[s]．
[2] SL 551—2012，土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[s]．
[3] SL 268--2001，大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)條件[s]
[4]DL／T 521 l—2005，大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范[s]．
戶臺國波
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