水利工程安全监测项目的自动化系统应用

李佳宇

(广东省水利电力勘测设计研究院，广州510635)

0 前 言

水电站建设工程不仅工程量大，而且技术要求高，结构更加复杂，所以，在施工时除了控制好质量之外，还要确保施工技术过关，才能保证水电站后期使用安全。

安全监测自动化系统能够及时有效掌握水电站施工现状，并就施工全过程进行形状演变，为管理人员提供关键信息，从而为施工决策提供依据。文澡就水电站工程安全监测项目的自动化系统应用进行如下分析。

1 自动化监测系统的测点选择

1.1 自动化监测系统测点选择

在自动化系统测点选择时，应考虑到实现自动化监测系统的难易程度，以及自动化系统的使用规模，通常情况下应有两种选择方案:

1)将实现自动化监测系统所需要的变形监测仪器及渗流监测仪器等接入到自动化系统中。

2)将不受施工干扰能够实现监测系统自动化的全部仪器，如渗流监测仪器、坝基扬压力监测、测缝计等，均接入自动化系统［1］。

1.2 接入自动化监测系统的测点比选

两种方案选定之后，就要从中选出比较适合的方案。选择时，通常应考虑到接入系统的总测点数量，MCU 的型号及配置等，此外还要对两种方案的优点和缺点进行全面分析，才能做决定。

1.2.1 方案一

方案一的优点是能将测点数目及项目关键部分表现出来，也能很好的控制自动化系统的规模。

此外，由于其测点数量较少，使得运行速度较快，稳定性也较高，前期投资也就相应的低一些。另外，由于测点都是在系统的重点部分，使得针对性更高，更明确，并且这种测点布置特点符合国际公认的“变形和渗流监测为重点，适当配置一些应力应变测点”的思路。该方案存在的不足之处是在运行过程中，需要的较大的测量工作，无形中增加了数据录入量。

1.2.2 方案二

方案二的优点主要表现在，有大量的测点被接入到监测系统中，所以运行速度加快，有效的降低了人工测度工作。

不足之处表现在，前期投资较大，如果施工企业资金不充足，将会影响该方案的施工效果。

此外，运行过程复杂，运行的准确性及可靠性均较差，从而严重影响了其应用范围。

2 自动化监测系统数据采集单元(MCU)的比选

监测自动化系统的更新经历了从集中式到分布式的改变。集中式系统所采用的是模拟信号，具有大量的噪音，并且传输距离短，精确性不高，导致应用受到限制。

而分布式系统传输的信号为数字型的，能够接入智能化的数据采集单元，以完成数据的快速传输及转换，并促进分布式系统的更新，使之升级成为节点驱动的运行方式。

分布式系统从根本上克服了集中式系统的稳定性差、运行速度缓慢等不足，更加适应现代测点较多、总线距离较长的自动化监测系统，从而促进了其应用范围［2］。

在数据采集单元选择时，应结合运行情况，选出适合自身特征的数据采集单元。

一般情况下，数据采集单元选择时主要考虑以下几点:

1)运行可靠性、先进性、运行的准确性及开放性。

2)是否具有自诊断功能、使用环境的能力及避雷效果好坏。

3)是否具有人工读数接口及比测接口，以便于系统出现故障时，能够继续实施校对工作。

3 自动化监测系统网络方案比选

3.1 网络信息特点及接口分布

根据施工特点，做好建筑物形式及监测点分布特点，并将工程网络接口进行合理规划，网络接口一般设置在高程廊道、通风或者排水通道之内，还可以设置在船闸部位以及机房之内。

3.2 网络通讯方式的比选

通讯方式通常取决于数据采集单元的类型及组网的功能情况，目前，数据采集单元支持的通讯协议有以下几种，如RS—485(串行接口)、CANRUS 工业总线及电话网络接口等。

通过对不同通讯协议对比，发现RS—485 具有很好的优越性，还具有快速的传输速度，传输距离及使用性都具有较好优势。所以，在通讯方式选择时，可以考虑这种方式［3］。

3.3 网络信息介质比选

通常情况下，数据采集单元支持的通讯介质有光缆、双绞线、同轴电缆及电话线。它们各具优点，在选择时，应考虑各自的综合性能。

3.3.1 光缆

信息传输量大，传输距离远，在信息传输时能够很好的减少噪音干扰，并且具有宽带功能，再加上初期投资较小等优点，使得光缆具有宽广的只用范围。

3.3.2 双绞线

它的主要优点是信息传输速度快，传输错误率低，并且前期投资较小，所以，也具有一定的使用范围。这种传输介质的不足之处是，当信息传输距离增加之后，为了保证较高的传输率，宜设置中继器，以提高信息传输正确率。

3.3.3 同轴电缆

该传输介质的优点也是信息传输速度高，传输准确性高，还具有较强的抗干扰能力等。不足之处是，前期投资较大。

3.3.4 电话线

这种传输介质也具有信息传输速度高，传输距离远及具有较强的抗干扰能力，不足之处是，信息传输准确性不够高，并且在使用时通常还要配备其它设备如MODEM，所以提高了投资费用。

3.4 网络拓扑结构选择

在网络拓扑结构选择时，需要考虑到数据采集单元及网络接口的分布情况，目前情况下，可以选择的网络拓扑结构主要有总线型、星型、树型、环型及这几种类型的混合类型，总共有6 种。以下就这6种拓扑结构一一简述。

3.4.1 总线拓扑结构类型

这种在数据采集单元的连接上呈现一条线的形式，也就是说在传输介质上，每隔一段距离都会连接一个数据采集单元，采集单元和传输介质是通过“T”字接头连接的，这样，不同的数据采集单元被有效的连接在一起，发挥信息采集功能。

这种拓扑结构的优点主要表现为结构紧凑，传输介质少，施工投资小等，适合于资金少及工程规模小的水电站使用。

不足之处为，一旦发生中断，整个网络将会遭到严重破坏，维修时，需要采取精确度较高的维修工具，另外，当网络节点增加时，传输速度将会大幅度下降。

3.4.2 星型网络拓扑结构

这种机构在数据采集单元的连接上和总线型有较大差异，它直接将采集单元和监测管理站相连接，形成的结构以管理站为中心，每个数据采集单元呈现放射形状，星型拓扑结构也由此而得来。

这种网络结构的优势主要表现在信息传输速度快，具有较强的抗外界干扰能力;当某一个数据采集单元出现故障之后，并不影响整个网络的运行情况。

不足之处表现在构建拓扑结构时，需要大量的传输介质。

基于这几方面的优缺点，星型网络结构主要适用于数据采集单元少，无法直接传送到中控室的水利工程。

3.4.3 树型拓扑结构

和前两种网络结构相比较，这种结构复杂性更高，从而在一般的水利工程中不常见。

但它也具有自身特点，如具有良好的连通性、灵活性，当网络末端出现故障之后，也不影响数据采集单元的运行情况。

3.4.4 环型结构

这种网络结构的主要优点为材料使用量少，信息传输速度。

不足之处表现在，网络接口只适合少量的数据采集单元。

3.4.5 星型和总线型混合拓扑结构

这种网络结构将星型和总线型结构的优点给予集中，使得自身功能大幅度提高。

这种结构最明显的特征为，数据采集单元根据监测部位分成不同区域，每一个区域设置一条总线，上面连接对应的数据采集单元。

由于集合了两种网络结构的优点，所以使用范围相对较广。

3.4.6 环型多分支拓扑结构

这种拓扑结构不同于以上几种结构，它是以通过环型将不同的监测部位连接起来，每个监测部位都预留接口，接口部位连接总线，以形成分支，各条分支上依次连接对应的数据采集单位，从而实现了数据采集单位的信息通过总线顺利进入环网结构。

这种网络结构的主要优点是施工量少，传输介质使用量少，还具有信息传输速度快，信息处理灵活等特点。

3.5 网络选择方案

当对网络通讯方式、通讯介质及网络拓扑结构近有全面了解之后，网络选择将不再有困难之处，这时，只需要将实际情况给予详细考察，再对网络结构、传输介质及通讯方式进行对比，进而选出适合运行的网络方案。

如某水电站地理位置复杂多变，在构建自动化监测系统时，应采用环型分支拓扑结构，主网信息传输介质应采用光缆，分支介质则采用双绞线，分支线上的数据采集单元应以总线控制的方式和光端机连接。监测站内的计算机通过双绞线和交换机连接。当采用这种网络方案之后，网络运行的可靠性将会进一步提高。

如当环网或者支线中任何一个部位出现断开情况时，都不会影响整个网络运行情况，并且这种网络结构施工规模小，材料使用量也减少，在信息传输方面具有灵活性，也就是既可以传输数据，也可以传输图片，从而提高了信息传输效率。

另外，支线接入方式也具有灵活性，可以根据监测点及数据采集单元的分布情况，增设支线。此外，当这种网络结构的一个支线被卸去之后，其它支线部分仍旧正常运行。

4 工程安全监测控制与管理软件

水利工程安全监测控制与管理软件主要包括信息管理软件、工程评价软件及决策支持软件等。其中信息管理软件的功能主要是检查，主要对数据采集系统采集到的信息进行详细检查，同时对检查过的信息做进一步处理，最后输入数据库。另外，在信息检查时，对所有信息数据进行统一管理。工程安全评估与决策的功能主要有，在充分了解建筑物的基础上，通过使用多种数学模型，对采集到的信息进行定性及定量分析，同时对建筑物的安全性及稳定性做出综合判断，从而表现出良好的综合处理信息能力。

5 结 语

随着水利工程施工规模不断增加，施工要求也相应提高，安全监测自动化系统的广泛应用，对于提高水利工程施工安全具有重要意义。文章就水利工程安全监测项目的自动化系统应用进行分析，希望具有参考价值。

［1］占亮亮. 小湾水电站工程安全监测自动化系统性能优化［J］. 大坝与安全，2014，10(03):15 －22.

［2］胡波. 工程安全监测信息管理与分析系统研究及其在特大工程中的应用［J］. 水电自动 化与大坝监测，2013，37(05):1 －7.

［3］李俊富. 蒲石河抽水蓄能电站安全监测自动化系统设计［J］. 水力发电，2012，38(05):84 －87.