安防之家讯：针对水库大坝安全监测系统在设计时的问题，提出按体系机构框架进行设计的思想，本文阐述了在大坝安全监测系统的五层体系结构框架，并对每一层的能进行了详细的阐述。对在进行项目设计及实施有一定的实际意义。
关键词：大坝安全监测系统；水库大坝；传感器
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做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。
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。我们在大量大坝安全项目的建设的实际应用中,对大坝安全监测系统提出了进行体系结构研究的方法，通过确定每个项目不同的系统体系结构来对项目进行层次上的设计。这种方法实现了在项目设计和实施方面结构化和条理化。
一、系统体系结构
根据实际情况提出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。
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。
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，可参照前面叙述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.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）或无线数据通信的方式传输到监控中心，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。
3.网络层
网络层主要指是监控中心或者分中心的计算机网络，主要是为应用软件系统运行的基础环境，是日常行政办公、内部信息交流、信息共享的网络基础。
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、监测数据库、实时数据库、历史数据库、空间地理数据库等。
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。
二、信息流程
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。
三、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。
四、系统功能
1.传感器
感应大坝变形、渗流、压力（应力）、应变、温度、环境量、水文、气象等各种物理量，将模拟量、数字量、脉冲量、状态量等信号输入到测控单元。传感器种类可分为：电阻式、电感式、电容式、振弦式、光纤式、调频式、压阻式、变压器式、电位式等。
2.测控单元
●根据确定的观测参数、计划和顺序进行实际测量、计算和存储，并有自检、自动诊断功能和人工观测接口。
●根据确定的记录条件，将观测结果及出错信息与指定的监测中心或其他测控单元进行通信。能选配不同的测量模块或板卡，以实现对各种类型传感器的信号采集。
●检测指点的报警条件，一旦报警状态或条件改变则通知指定的监测中心。
●将所有观测结果保存在存储单元中，直到这些数据被监测中心准确接收完。
●管理电能消耗，在断电、过电流引起重启动或正常关机时保留所有配置设定的信息。并具有防雷、抗干扰、防尘、防腐，适用于恶劣温湿环境。
●采集系统的运行方式有应答式和自报式两种，必要时也可采用任意控制。
3.通信系统
通信系统根据站点情况采用有线或无线方式。且可以采用两种通信方式互为备用信道，建立一套双信道互为备份的通信系统。
4.业务应用系统
业务应用系统主要为大坝安全管理软件系统；可以在监测中心、分中心进行数据接收、处理、存贮、分析、预警等功能。
对接收的数据进行容错校验、数据可靠性和准确度检查及数学模型检查，数据存储、删除、插入、记录、显示、换算、打印、查询及仪器位置、参数工作状态的显示，建立、标定安全监控数学模型、并进行影响因素分解及综合性的分析、预报报警及安全性评价，以满足对大坝安全监测的需要。
综合数据库系统：可以对大坝安全监测信息建立统一数据平台，统一数据格式，规范数据标准，可以有效地进行数据共享，数据分析，为业务应用系统提供可靠基础。也可以对其它相关系统的数据接入提供接口。
结语
大坝安全监测系统是集先进的坝工、计算机、电子、通讯、管理技术为一体的符合现代社会发展、管理需要，是加强政府监督的有力工具，是企业大坝安全工作的目标，是提高我国大坝安全管理工作的根本。作好系统设计及实施要根据规范结合具体大坝的具体情况和自动化发展水平进行，以便建立一个实用的自动化系统。
（由西安山脉科技发展有限公司供稿）
参考文献
1赵志仁.大坝安全监测设计.黄河水利出版社,2003.7安防之家专注于各种家居的安防,监控,防盗,安防监控,安防器材,安防设备的新闻资讯和O2O电商导购服务，敬请登陆安防之家：http://anfang.jc68.com/