北江大堤滲流自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究及應(yīng)用

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簡(jiǎn)介： 北江大堤上下靈洲段測(cè)壓管自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是“北江大堤安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”的關(guān)鍵技術(shù)之一，是為“預(yù)警系統(tǒng)”所進(jìn)行的部分前期工作。該技術(shù)是真正意義上的分布式安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它能適用惡劣的環(huán)境，安裝方便，組網(wǎng)靈活，不受場(chǎng)地的限制，可埋設(shè)在泥土里，較好地解決了北江大堤的防盜難題。
關(guān)鍵字：北江大壩 滲流監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)采集

　　北江流域水患?xì)v來(lái)十分突出，是我省的重點(diǎn)防洪區(qū)域，作為防洪抗災(zāi)的主要設(shè)施——北江大堤的安全十分重要，它直接關(guān)系到整個(gè)流域及珠江三角洲人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。確保北江大堤的安全，就是確保人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，也是確保我省20多年以來(lái)的改革開放的成果。我們必須走“科技興水，科技興省”的道路，充分運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，采取一定的非工程措施，對(duì)影響堤圍安全的一些重要因素進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)和分析，確保能夠?qū)崟r(shí)地掌握大堤的運(yùn)行情況及安全狀態(tài)。

　　為了更好地管理北江大堤，實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化，廣東省北江大堤管理局委托廣東省水利水電科學(xué)研究院對(duì)石角上下靈洲段的3個(gè)斷面(7+330、7+505、7+932)　的15孔測(cè)壓管進(jìn)行滲流自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工程的試點(diǎn)工作。

　　北江大堤石角段約5.4km，由于大堤修筑在深厚沖洪積層上，強(qiáng)透水砂層及卵石層厚達(dá)20m以上，歷史上曾多次決堤，是北江大堤的險(xiǎn)段之一。

　　自20世紀(jì)80年代以來(lái)，大堤經(jīng)過(guò)多次加高、培厚、壓滲、減壓、排滲等工程處理，特別是1990年至1994年進(jìn)行了四期高壓定噴防滲處理，投入了大量的人力和物力，但是在1994年及1997年較大洪水時(shí)，仍出現(xiàn)了一些險(xiǎn)情。

　　石角段現(xiàn)有測(cè)壓管83孔，用來(lái)觀測(cè)堤壩的滲漏和浸潤(rùn)線，測(cè)點(diǎn)的分布廣而散，一些測(cè)點(diǎn)穿過(guò)村莊(如樁號(hào)8+806、8+930等)，有的測(cè)點(diǎn)則跨過(guò)池塘(如樁號(hào)8+504)。目前，這些測(cè)壓管內(nèi)的水位，全部采用人工的觀測(cè)方法進(jìn)行施測(cè)。巡測(cè)一遍需要花費(fèi)很多的時(shí)間和精力，測(cè)量的結(jié)果和精度與監(jiān)測(cè)人員的素質(zhì)關(guān)系較大。如果是在防洪搶險(xiǎn)的緊急時(shí)期，靠人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，則很難滿足要求，因?yàn)檫@時(shí)需要一小時(shí)或更短的時(shí)間測(cè)量一次數(shù)據(jù)，這樣就必需投入大量的人力物力，而且還容易出現(xiàn)錯(cuò)測(cè)漏測(cè)現(xiàn)象。只有實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，才能夠滿足現(xiàn)代水利工程和防洪指揮的需要。實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，不僅可以對(duì)堤壩的所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)特定的數(shù)學(xué)模型演算，對(duì)堤壩的安全性態(tài)可做出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，供有關(guān)部門決策。

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　北江大堤石角上下靈洲段滲流自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由傳感器、分布式數(shù)據(jù)采集模塊、通信線路、防雷器、供電裝置等硬件及數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、通信、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)分析和信息管理等軟件部分構(gòu)成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

　　2.1 傳感器的選型與檢測(cè)

　　據(jù)相關(guān)專家對(duì)堤壩滲流的長(zhǎng)期研究，認(rèn)為要準(zhǔn)確地掌握堤壩的滲流狀態(tài)，測(cè)壓管內(nèi)水位監(jiān)測(cè)的精度應(yīng)在0.02mH2O以內(nèi)，才能夠滿足安全分析及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的需要。因此，堤壩的滲流監(jiān)測(cè)對(duì)傳感器的技術(shù)要求較苛刻。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　根據(jù)我們長(zhǎng)期從事安全監(jiān)測(cè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及北江大堤的具體情況，本自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用MPM426W壓阻式液位壓力傳感器，其敏感元件為瑞士KELLER公司生產(chǎn)的高穩(wěn)定性PR-10系列帶隔離膜擴(kuò)散硅，精度為0.1%F.S。該傳感器的壓力與溫度信號(hào)，經(jīng)專用放大電路的多路14位A/D轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換速率＞100次/秒)及微處理器的運(yùn)算、補(bǔ)償、修正后，再由16位D/A轉(zhuǎn)換器輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA模擬信號(hào)，輸出信號(hào)每10ms更新一次。

　　用于本工程的所有傳感器，除要求生產(chǎn)廠家嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)外，我們還專門委托武漢大學(xué)對(duì)測(cè)量精度、零漂和溫漂等控制參數(shù)，首先進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)和測(cè)試，然后再拿去水庫(kù)進(jìn)行實(shí)體標(biāo)定。第一批的15支傳感器，經(jīng)過(guò)這些措施的檢驗(yàn)和測(cè)試，未能達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求，全部退回廠家重新制造。重新生產(chǎn)的15支傳感器，仍有一支未能通過(guò)檢測(cè)。經(jīng)過(guò)這樣嚴(yán)格的三次檢測(cè)，本試驗(yàn)段的15支傳感器的質(zhì)量均達(dá)到了要求。

　　每支傳感器檢測(cè)后的修正數(shù)據(jù)，輸入系統(tǒng)的參數(shù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，采集軟件將會(huì)根據(jù)各支傳感器的具體情況，對(duì)其輸出的結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)修正。用戶可通過(guò)RS-485接口，對(duì)傳感器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化溫度補(bǔ)償及非線性修正。

　　2.2 分布式數(shù)據(jù)采集模塊

　　分布式數(shù)據(jù)采集模塊主要由I/V轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、時(shí)鐘電路、通信接口電路、光電隔離電路、過(guò)壓保護(hù)器以及電源等構(gòu)成。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖

　　I/V轉(zhuǎn)換電路將傳感器輸出的4～20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換電路將1～5V的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以獲得測(cè)點(diǎn)的水位值，然后，將測(cè)點(diǎn)號(hào)、水位值及測(cè)量時(shí)間等存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)可存儲(chǔ)10天的測(cè)量信息。

　　數(shù)據(jù)采集模塊每天定時(shí)地自動(dòng)地進(jìn)行測(cè)量。用戶可通過(guò)監(jiān)控機(jī)，令系統(tǒng)的每個(gè)或某個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行測(cè)量或?qū)?shù)據(jù)等信息上傳；也可對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行系統(tǒng)授時(shí)，修改其時(shí)鐘芯片的時(shí)間，以保證整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)間的統(tǒng)一性。

　　通信接口將輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合RS-485電氣接口規(guī)范的信號(hào)，以便數(shù)據(jù)的傳輸。時(shí)鐘電路為數(shù)據(jù)采集模塊提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，供測(cè)量和控制用。為了避免雷擊和各種強(qiáng)電的干擾，在數(shù)據(jù)采集模塊的電源及通信接口的進(jìn)線處均設(shè)置了過(guò)壓保護(hù)電路，對(duì)傳感器則采取了隔離措施，從而大大提高了數(shù)據(jù)采集模塊的可靠性。

　　2.3 系統(tǒng)的功能與特點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)物圖片

　　2.3.1系統(tǒng)的功能

　　① 控制功能：可接受上位機(jī)或筆記本電腦的命令，　實(shí)現(xiàn)集中控制方式的巡測(cè)或選測(cè)及自動(dòng)控制方式的巡測(cè)。

　?、?測(cè)量功能：自動(dòng)對(duì)所接入的傳感器進(jìn)行巡測(cè)——逐點(diǎn)依次自動(dòng)測(cè)量并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，或選測(cè)——對(duì)選定的某一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

　　上下靈洲段各測(cè)點(diǎn)的分布，以電子地圖的形式顯示在監(jiān)控機(jī)的屏幕上，用戶一目了然，操作簡(jiǎn)捷、直觀，只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖上的測(cè)點(diǎn)，就可以查看對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)等信息。

　?、?計(jì)時(shí)和定時(shí)功能：所設(shè)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，供用戶查詢和修改時(shí)間，或設(shè)定起始測(cè)量時(shí)間和測(cè)量時(shí)間間隔。

　?、?通訊功能：可與上位機(jī)或筆記本電腦實(shí)現(xiàn)雙向通訊。設(shè)定分為RS-485和Modem通訊參數(shù)，其中RS-485通訊參數(shù)除通訊端口外，其它參數(shù)則禁止修改。

　　測(cè)點(diǎn)名稱、傳感器編號(hào)等相關(guān)信息的設(shè)置，其界面如右圖所示。

　?、輸?shù)據(jù)查詢功能：可以指定具體的測(cè)點(diǎn)、日期進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)查詢，并根據(jù)查詢的結(jié)果，在數(shù)據(jù)表格中體現(xiàn)出來(lái)。數(shù)據(jù)表格是將監(jiān)測(cè)返回的數(shù)據(jù)以表格的形式反映，并以日期加以限制。當(dāng)汛期采集功能啟用時(shí)，可以選擇汛期方式進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)圖形功能中，將采集水位以圖形的方式顯示。

　　另外，還可以按照指定的日期查看水位的趨勢(shì)圖，　也可以指定具體的某一天，查看對(duì)應(yīng)的時(shí)刻趨勢(shì)圖。

　?、蘩纂姳Ｗo(hù)功能：在電源、通訊和傳感器接口的入口處均設(shè)有防雷保護(hù)電路，以防止感應(yīng)雷電流對(duì)內(nèi)部電路造成損壞，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠地工作。

　　2.3.2系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　將網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)應(yīng)用到水利工程的安全監(jiān)測(cè)中，是本系統(tǒng)的特色之一，這對(duì)提高測(cè)量的可靠性很有意義。在目前的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域使用一臺(tái)MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。每臺(tái)MCU連接著數(shù)十只傳感器，一旦MCU發(fā)生故障，則由該MCU所監(jiān)測(cè)的測(cè)量數(shù)據(jù)就會(huì)全部丟失，從而影響大壩安全數(shù)據(jù)采集的完整性和可靠性。而在本技術(shù)中，每只傳感器都是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，分別直接與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的分布式監(jiān)測(cè)。某個(gè)節(jié)點(diǎn)一旦發(fā)生故障，只會(huì)丟失一個(gè)數(shù)據(jù)，而不會(huì)影響到安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的完整性與可靠性。

　　能適用惡劣的環(huán)境，安裝方便，組網(wǎng)靈活，不受場(chǎng)地的限制，　可埋設(shè)在泥土里，是該技術(shù)的特色之二，它較好地解決了北江大堤的防盜難題。

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控則是本系統(tǒng)的第三大特點(diǎn)，它極大地方便了我們及用戶對(duì)本系統(tǒng)的管理。通過(guò)電腦與電話線或手機(jī)(要求電腦裝有無(wú)線Modem)，具有一定權(quán)限的管理人員，均可隨時(shí)在任何地方對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視及調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)里的信息，以便及時(shí)地了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況和堤圍的狀況。

3 結(jié)語(yǔ)

　　北江大堤石角上下靈洲段測(cè)壓管自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由廣東省水利水電科學(xué)研究院研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，是真正意義上的分布式安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，　是“北江大堤安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”的關(guān)鍵技術(shù)之一，是為“預(yù)警系統(tǒng)”所進(jìn)行的部分前期工作。該技術(shù)解決了數(shù)據(jù)的快速采集、預(yù)處理、傳輸及遠(yuǎn)程監(jiān)控問(wèn)題，特別是解決了北江大堤的防盜難題。

　　該系統(tǒng)測(cè)量迅速、準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，軟件界面友好，操作方便。系統(tǒng)的免維護(hù)和自恢復(fù)功能，適合無(wú)人值班需要。

　　2005年1月28日，我們用DGK-110平尺電測(cè)水位儀，對(duì)測(cè)壓管內(nèi)的水位進(jìn)行了人工比測(cè)，綜合測(cè)量誤差小于0.02mH2O，達(dá)到了預(yù)期效果。

　　圖3是B3號(hào)測(cè)壓管內(nèi)從2005年1月1日～2005年2月28日的水位變化過(guò)程曲線，從圖中可以看出飛來(lái)峽水利樞紐三次大的放水過(guò)程。頭尾兩個(gè)曲線波峰，反映的是為疏通北江的航運(yùn)而放水的情況；中間的一個(gè)曲線波峰，是飛來(lái)峽水利樞紐為配合從千里之外的廣西、貴州進(jìn)行應(yīng)急調(diào)水入粵，實(shí)施“壓咸補(bǔ)談”與解旱，進(jìn)行放水的情況。另一方面，從圖中還可以看出：　北江大堤底部的透水性非常強(qiáng)，　幾乎形成“通道”。

圖3 B3測(cè)壓管水位過(guò)程曲線

參考文獻(xiàn)

　　[1] 北江大堤石角段安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)竣工報(bào)告，廣東省水利水電科學(xué)研究院，2004，12

　　[2] 李珍照主編，大壩安全監(jiān)測(cè)(高等學(xué)校教材)，中國(guó)電力出版社，1997，11

　　[3] 何立民，MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社，1991，