三峡大坝安全监测自动化系统简介(图)

　　摘要:三峡工程安全监测覆盖整个枢纽建筑物及基础,接入系统的变形、渗流、应力应变等监测点共计有2 153点。安全监测的特点是测点多、分布面广、传感器品种多、工作环境恶劣、监测数据量大。结构建设充分考虑上述特点,并结合当前计算机网络技术发展现状和趋势,考虑分期实施要求,安全监测自动化系统网络总体分为监测中心至采集站层和采集站层至DAU (数据采集站)两层。系统主要包括1个监测中心、5个数据采集站、61个数据采集单元区。系统的数据管理与分析软件采用面向对象的软件设计方法,达到功能完善、操作灵活、运行可靠、先进实用的目标。

　　关键词:安全监测; 自动化系统; 防雷保护; 三峡大坝

　　中图分类号: TV698 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 4179 (2009) 23 - 0071 - 02

　　三峡工程安全监测测点多,观测工作量大,为适应电站现代化管理的需要,运行期建立自动化监测系统,实现安全监测的实时采集、传输、分析以及快速决策是必要的。目前,三峡工程基本竣工,具备安装监测自动化系统的条件。

　　1　监测自动化系统规模

　　三峡工程安全监测覆盖了整个枢纽建筑物及其基础,且项目齐全,施工期长。三峡大坝安全监测自动化系统方案是在充分调查国内外大坝安全监测自动化系统运行情况的基础上设计的,将满足运行期对主要建筑物的安全监测及实时快速安全评价作为主要目的。根据各建筑物的特点和多年监测成果的分析,选取对建筑物工作性态变化较为敏感的测点接入自动化系统,测点以变形和渗流为主,并将关键部位的部分应力应变测点接入系统。接入系统的测点共计约2 153点(见表1) 。如挡水一线大坝各坝段坝顶及基础的水平位移测点、各坝段主排水幕线上的测压管渗压测点,船闸各闸首闸墩水平位移的垂线测点均接入了系统。

表1　拟接入自动化监测系统测点数量个

　　2　系统的总体结构

　　2. 1　三峡安全监测的主要特点

　　(1) 三峡安全监测测点多、分布面广、传感器品种多。有关变形、渗流及应力应变的测点近10 000个,其中通过安装传感器可实现自动化监测的传感器6 000余个。这些测点分布面广(建筑物轴线总长约5 km) ,涉及混凝土大坝、船闸及高边坡、沥青混凝土心墙土石坝、地下电站、河床电站及垂直升船机等不同类型的建筑物。每一建筑物均是目前世界上已建同类建筑物中规模最大的。另外,监测仪器种类多,包括了约27种观测仪器及设施的振弦式、差阻式、差动变压式、差动变磁式、步进电机式、CCD式等各型传感器。

　　(2) 运行环境较恶劣。基础廊道内潮湿,整个坝区属雷击危害区,加之各部位输电及电器设备较多,存在电磁干扰。

　　(3) 监测数据量大,资料处理及分析工作复杂。三峡建筑物类型多,需针对不同建筑物类型建立资料分析方法和判别标准。

　　2. 2　网络结构

　　根据目前安全监测自动化技术的发展水平及三峡安全监测测点的分布特点,系统网络结构及配置主要基于可靠性和先进性进行设计。针对三峡水利枢纽安全监测系统特点,结合计算机网络技术的发展现状,并考虑分期实施的要求,安全监测自动化系统网络总体分成:监测中心至采集站层和采集站至DAU(数据采集站)两层。为便于安全监测自动化系统的分阶段实施,采集站与相关的DAU组成相互独立的网络系统。监测中心与每个采集站进行网络互联,形成覆盖整个三峡坝区的安全监测自动化网络系统。三峡安全监测自动化系统( SafeMonitoring Automation System,简称SMAS)采用分布式网络结构的数据采集系统(见图1) 。

　　三峡安全监测自动化系统SMAS划分为监测中心、数据采集站(MS) 、数据采集单元(Data Acquisition Unit,缩写DAU)三级。系统主要包括1个监测中心(距大坝约5 km) 、5个数据采集站MS1～MS5、61个数据采集单元区(每个DAU区包括1个或数个DAU) 。其中5个采集站分别为: ①船闸采集站MS1; ②左岸厂房及大坝采集站MS2; ③右岸厂房及大坝(含泄洪坝段、右岸地下电站、茅坪溪防护坝)采集站MS3; ④大坝激光准直变形自动测量系统MS4; ⑤三峡船闸高边坡表面变形自动测量系统MS5。MS4及MS5为远景规划的子系统,暂不实施。

　　监测中心与每个采集站进行网络互联,形成覆盖整个三峡坝区的安全监测自动化网络系统。

　　三峡安全监测自动化系统监测中心—采集站间的网络采用工业标准的100M光纤以太环形结构,采用TCP / IP协议。采集站—DAU层间的网络接口为RS - 485标准接口,通讯介质为光缆,相应的拓扑结构为星形与总线混合拓扑结构。采用光纤作为主要的通讯介质可适应这种较远距离的通讯,并保证通讯质量,避免电磁及雷电干扰。

图1　三峡安全监测自动化系统结构示意

　　2. 3　数据管理与分析

　　三峡工程安全监测自动化系统包括数据自动采集系统、数据管理软件及离线信息分析软件系统等。三峡安全监测自动化系统内的数据包括整个三峡的全部安全监测数据和信息,也就是包括了全部的自动化测点的采集数据和其他未进入自动化采集系统内的人工观测和录入的数据及信息,这些数据(包括原始数据和经转换的成果数据)均存储在三峡自动化系统的相应数据库内,并由安全监测自动化系统的数据管理软件系统统一管理,由离线信息分析软件系统统一进行系统分析。

　　数据管理与分析软件采用面向对象的软件设计方法,达到功能完善、操作灵活、运行可靠、先进而又实用的目标,并具有以下特点。

　　(1) 实用性。系统具有良好的视图设计和绘图功能,可迅速形成有条理的、系统化的、交互式的屏幕图形和文字信息,清晰直观地反映各建筑物性态变化,方便分析人员完成交互式的综合分析。系统应具有很强的数据分析功能,可建立多种在线分析模型,描述三峡工程的主要建筑物整体性态,以便为进一步进行整体安全评估和领导决策提供支持依据。

　　(2) 安全可靠性。在进行系统开发时,优先选用稳定可靠的产品和技术。系统有必要的冗余能力。另外,引入防火墙技术,保证系统不受侵害;对于系统用户,按使用对象设置多级使用权限。

　　(3) 先进性和标准化。系统开发过程中,充分吸收经过考验的近期科研成果和实践经验,尽可能采用当今较为成熟的先进的软、硬件技术,并且有一定的前瞻性,以确保系统在交付使用时及运行若干年后,其关键技术仍然比较先进。同时做到监测信息的标准化、规范化,建立监测信息管理基础标准,保证监测信息高质量、高效率及时处理、顺畅流通(4) 开放性。系统开发周期长,而计算机软、硬件技术及网络技术日新月异,因此系统具有升级和更新的能力。为系统的扩充、进一步完善提高留有余地。

　　(5) 系统具有完善的外信息传输接口,包括人工观测数据的键入、便携式记录存储输入接口,并为今后的自动化采集系统提供数据接口。

　　3　系统建设与运行管理

　　根据国内外安全监测自动化系统的运行经验,为达到系统的长期可靠运行,除系统设计可靠外,三峡大坝安全监测自动化系统的建设和运行管理还采取了以下几项措施。

　　(1) 选择性能可靠的传感器。传感器是自动化系统的前端,应选择经实践检验的具有长期可靠性的传感器。为此,三峡对多个厂家的传感器在现场进行了较长时间的比测,取得了一些经验。

　　(2) 重视系统的安装质量。保证系统的各项配件及仪器的安装精度,做好仪器和线缆的保护,减少系统运行后的维护工作量。

　　(3) 有效的防雷措施。三峡工程公用接地网接地电阻小于1Ω,为自动化系统提供了良好的接地条件。实施过程中除应做好各环接的有效接地外,还要在传感器与DAU模块间安装防雷模块,DAU电源入口处应安装电源防雷器、隔离变压器。采集站及监测中心电源入口处应依次安装电源防雷器、隔离变压器、电源稳压器、不间断电源。

　　(4) 有效的防潮措施。数据采集单元、垂线及引张线传感器等部位往往在潮湿的廊道处。除这些设备本身的除湿加热器应长期可靠运行外,在较潮湿的月份还应另外在观测室加装灯泡烘烤,以保证设备能正常工作。

　　(5) 保持观测数据的连续性。目前,三峡工程已积累了10余年的人工观测数据,在建立自动化监测系统的过程中,这些数据转入系统的数据库中统一管理和分析,保证观测数据在系统建立前后基准值是一致的。

　　(6) 有效的管理与维护措施。系统建立起来以后,规范初期运行,制订有效的管理措施,加强对系统的设备维护和现场巡查,定期进行人工比测,出现故障应及时处理。

　　4　展望

　　三峡工程近期主要是建立已有常规监测项目数据采集站MS1～MS3的监测自动化系统,未来将在充分论证和研究的基础上建立大坝坝顶和基础廊道处的真空管道激光准真测量系统(MS4) ,实现大坝水平和垂直位移更高精度的自动化观测。船闸高边坡是关键监测部位,反映其整体变形情况的大地测量的表面变形测点目前还是靠人工观测,观测工作量大。未来将研究高精度GPS自动测量系统(MS5)用于船闸边坡的表面变形测量,并取代人工观测。以上两个系统属三峡自动化监测子系统(采集站MS4、MS5) ,可通过网络与监测中心相联,实现统一的远程监控。

　　作者简介:段国学,男,长江水利委员会设计院枢纽处,高级工程师。