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我國已建堤壩約8.3萬多座，壩高15m以上的約1.86萬座；堤防長約25萬多km，其中，大江大河上的重要堤防6.57萬km。這些水利水電工程在防洪、發電、灌溉、供水和航運等方面，發揮了巨大的社會效益和經濟效益,是我國國民經濟的重要基礎設施。然而，由于工作和運行條件極其復雜，并隨著時間的增長，堤壩的病害和老化日趨嚴重。據不完全統計[1]，在3100座大、中型水庫大壩中，病險大壩有1248座；8萬多座小型水庫中，病險壩約占36%，堤防的安全狀況也相當嚴峻。隨著西部大開發和西電東送戰略目標的逐步實施，高壩大庫也越來越多，工程的安全重要性顯得越來越突出。并且，大中型水利水電工程規模大、投資多，造價高，少則幾億、幾十億元，多則幾百億元，甚至上千億元。因此，工程質量的好壞和能否安全運行，不僅會影響工程效益的充分發揮，還將直接關系到下游或兩岸人民的生命財產安全。

國內外大量工程實踐表明，對水利水電工程進行全面的監測和監控，是保證工程安全運行的重要措施之一。同時，將監測和監控的資料及時反饋給設計、施工和運行管理部門，又可為提高水利水電工程的設計及運行管理水平提供可靠的科學依據。

1高新測控技術的基本要素及其功能

現代化的測控技術[2],應該具有采集數據、科學管理數據，及時或實時對水利水電工程的安全狀況作出分析和評價，并對其異常或險情作出輔助決策等功能.因此,高新測控技術的基本要素包括數據采集系統、數據管理系統和分析評價系統及其計算機通訊網絡支撐等(見圖1)。

圖1水利水電工程高新測控技術示意圖

1.1數據采集系統

通過測控單元(MCU)自動采集、筆記本電腦現場采集或人工觀測埋入壩體或安裝的傳感器采集的監測效應量(大壩的變形、滲流、應力應變和溫度等)和影響量(水位、氣溫、降雨和地震等)，并輸入計算機的數據庫。其中，自動化數據采集系統可以實現實時采集，半自動化和人工采集為定期采集。因此，自動化采集數據一般是對水利水電工程關鍵部位(或壩段)主要監測量(變形和滲流等)的采集。

1.2數據管理系統

由數據采集系統采集的數據進入計算機數據庫后，由數據管理系統對其進行科學有序的管理。包括將電容、電感、電阻、電壓、頻率等轉換為位移、揚壓力、滲流量、應力應變、裂縫開合度以及溫度等，及它們的誤差識別和處理，并將監測量按有關監測規范進行整編和初分析；編制月報和年報等。

1.3分析評價系統

分析評價系統根據監測到的數據，進行觀測資料的分析和反分析，結構和滲流正、反分析，建立各類監控模型和擬定監控技術指標等；將收集到的工程設計、施工、運行管理、有關法規和規范等方面的專家知識進行編輯，構成分析、評價、輔助決策等方面的知識庫和推理分析知識。

現簡述幾種傳感器的主要工作原理及其應用情況.

(1)差動電阻式傳感器

該傳感器為美國加州大學卡爾遜教授所研制。置于其內腔的兩根彈性鋼絲作為傳感元件，受力后一根受拉、一根受壓.當環境量發生變化時，兩者的電阻值向相反方向變化，根據兩個元件的電阻值比值,測出物理量的數值。

我國南京電力自動化設備廠從20世紀50年代開始，已研制出幾十萬支差動電阻式傳感器，并應用于大量的水利水電工程中，取得了成功經驗。

(2)振弦式傳感器

由前蘇聯的達維金可夫發明。其核心元件是一根鋼弦，鋼弦的一端固定，另一端則固定在測量元件(受壓膜片或測量端塊)上。當受力后，鋼弦長度將產生微小變化，引起固定頻率的變化，從而測出物理量的數值。

加拿大的Rocktest公司，美國的Sinco,Geokon公司等生產的振弦式傳感器性能良好，其中真空式為最佳。近幾十年來，我國較多的工程應用了這種傳感器。

(3)差動電容式傳感器

由我國南京電力自動化研究院研制。其工作原理是，將垂線或引張線穿過由4塊組成矩形的電容極板中，當測線發生位移時，電容極板的電容產生變化，從而測出位移量。

該傳感器經過20多年的完善，其精度和長期穩定性等均有較大提高，已在不少水利水電工程中應用。

(4)差動電感式傳感器

首先由原法國的Telemac公司研制。其工作原理是，當高頻交變電流通過垂線坐標儀時，在周圍產生交變磁場,接收點的磁感應強度與導線距離成反比；當垂線產生位移時，接收點測得的感應電勢發生變化,其變化量的大小反映位移量的大小。

該傳感器在我國龍羊峽等水利水電工程中得到成功應用。我國有關廠家也仿制了這類傳感器。

(5)步進馬達式傳感器

由原法國Telemac和意大利ISMS公司研制.其工作原理是，由步進電機驅動光電探頭，探頭中的光照準器先后對準基準桿和垂線鋼絲，然后返回原點，在此過程中，測量電路記錄探頭前進及返回基準點和垂線鋼絲的脈沖數,經計算得到位移量。

該傳感器的機械部件較多，易出現故障，其長期穩定性也不易保證。我國有關廠家也仿制了這類傳感器，在實際工程應用中的故障率較高。

(6)CCD傳感器

由河海大學結合國家三峽工程重大基金項目研制。該傳感器由若干個特別研制的CCD線陣模塊和發光二極管陣列模塊組成，當垂線穿過并產生位移時，CCD線陣模塊記錄垂線位移與基準點的位置，從而計算出位移量。

該傳感器技術先進，精度和可靠性高，在上標和響洪甸等水利水電工程中得到應用。

(7)其它新穎傳感技術

①光纖傳感技術光導纖維是由不同折射率的石英玻璃包層及石英玻璃細芯組合而成的纖維。它能使感受到的各種物理量而計算出監測量，以及傳送感受的信息通訊。目前，應用于光纖傳感的監測量主要是裂縫，應力應變尚需進一步研究。應用信息通訊較為廣泛，且安全可靠。

②CT技術意稱計算機層析成像。它指的是在不破壞物體結構的前提下，根據物體周邊所獲取的某種物理量(如波速、X線光強)的一維投影數據，應用數學方法，通過計算機處理，重構物體特定層面的二維圖像及其由此重構的三維圖像；從而定量描述物體內部材料分布和缺陷。該技術將成為工程結構物內部隱患監測和老化評估的一種重要手段，在國內外得到應用，我國豐滿水電站等工程中也得到成功應用。

③滲流熱技術依據滲流場與溫度場同時滿足擴散方程及其初始和邊界條件的原理，利用埋設的溫度計測值分析滲流場的分布及其異常部位。

④GPS技術利用衛星定位技術(GPS)監測堤壩和巖土邊坡的表面變形.

⑤激光傳感技術由激光點光源(即發射點)發射的激光與激光探測儀(即接收端點)構成激光淮直線，由發射的激光在波帶板及支架(測點)上觀測位移量。它可分大氣激光和真空激光準直，其中的真空激光準直除包括激光點光源、波帶板及其支架和激光探測儀，即發射點、測點和接收端點以外，,還有真空管道。我國豐滿和太平哨水電站等大壩壩頂水平位移和垂直位移的10多年觀測資料表明，真空激光準直具有精度高、長期穩定等優點。

2.1.2數據采集裝置數據采集裝置將各類傳感器測出的物理量(如電阻、電阻比、電容、電感和頻率等)轉化為數字量(如位移、滲壓、應變和溫度等)，即A/D轉換,以便遠程輸送。當距離超過100m以后，傳感器輸出的電量和頻率等信號，隨距離的增大急劇衰減，以至無法測出物理量，但數字量可遠距離輸送。因此，一般將幾十個傳感器按部位接入數據采集裝置，使傳感器觀測的物理量轉換為數字量。按監測方式不同，數據采集裝置可大致分為以下幾種類型。

(1)自動化數據采集裝置國內外自動化數據采集裝置主要有，美國Geomation公司的2300系統、Sinco公司的IDA系統；我國臺灣研華公司的ADAM4000和ADAM5000系統；南京電力自動化設備廠的FWC-1系統等。按結構的不同可歸納為總線型和集散型兩大類。

①總線型結構Geomation公司的2370型、IDA、ADAM4000、ADAM5000以及FWC-1等系統均屬于總線型結構.以IDA系統為例,其系統結構見圖2(a)，模塊箱的結構見圖2(b).圖中主機為工控機，中繼起聯接和中斷作用。

IDA母線有二線信號、二線電源；A1～An是智能測量模塊，每個模塊可接8個傳感器；B1～Bm是智能傳感器。A和B有解釋指令、多路傳輸、A/D轉換和錯誤查詢等功能。同時具有自動和人工測讀的兩種功能，并可防雷。

②集散型結構Geomation公司研制的2350型、2380型等系統屬集散型結構。其系統結構見圖3。

從圖3中可見，NMS為主機；NRU起中繼和網點(即可轉成有線的調制信號)的作用；MCU(3)是異地單元,也起中繼作用(距離近的可以不用)；MCU(4)和MCU(5)也是異地單元，但它能起無線電發射和接收作用；MCU(6)～MCU(N)是監測傳感器。在這兩種型式中，總線型結構具有抗干擾能力強、可靠性高、現場調機方便和造價低等優點。其中Geomation公司的2370型、IDA等系統可接入電式和頻率式傳感器。

(2)人工或半自動化數據采集裝置人工或半自動化數據采集儀可在現場測讀傳感器的測值，或用筆記本電腦采集。其中，差動電阻式采集儀主要有SQ-2型數字電橋、XJ型數字式電阻比檢測儀、ZJ型數字式和PSM-R型電阻比檢測儀等；鋼弦式采集儀主要有SDP-3型鋼弦溫度測試儀和GPC-1型袖珍式鋼弦頻率測定儀等。

2.2數據管理系統

水利水電工程大壩可埋有幾百個、幾千個甚至上萬個傳感器。如長江三峽水利樞紐建筑物就埋設約一萬多個傳感器，其采集數據每年達幾百萬個，并隨著觀測年限的增加，數據將越來越多，對這些海量數據必須進行科學有序地管理，以便為分析評價系統提供可靠的信息。數據管理系統的核心是數據管理軟件和應用軟件。

2.2.1數據庫管理軟件平臺在大、中型水利水電工程中，目前常用的數據庫管理系統有Oracle、Sybase、Informix以及SQLServer等4大類。其中以Oracle和Sybase數據庫在中國應用最廣。而Sybase為單進程、多線索結構，即通過單進程的多重通路來同時服務于多用戶，提高內存的有效使用率，便于優先程序的查詢。因此，Sybase數據庫無論在總體結構、功能和特性等方面都有較大優勢。本文作者開發和研制的7個大型水電工程的數據(或信息)管理及專家綜合評價系統，主要采用了Sybase數據管理系統。在小型水利水電工程中，目前常用的數據庫管理系統有DBase，Foxbase和Foxpro等。而Foxpro為用戶級數據庫系統,目前采用較多。

2.2.2數據庫邏輯模型檢測的目的是分析評價工程的安全狀況。因此，根據分析評價的需要，數據庫的邏輯模型包括工程檔案、原始數據、整編數據和生成數據等4個分庫(見圖4)。

(1)工程檔案分庫該分庫管理工程概況以及與工程安全有關的設計、施工資料等.

(2)原始數據分庫管理監測資料的原始數據，包括物理量(電阻、電阻比、電感、電容、頻率等)和監測效應量(變形、揚壓力、滲流量、應力應變和溫度等)，并應保證原始數據的真實性。

(3)整編數據分庫依據有關標準和規范，對原始數據進行誤差識別和轉換；按結構單元和監測項目進行整編，包括測值統計表及其過程線圖，以及特征值(如最大值、最小值等)和環境量(如水位、氣溫、降雨、地下水位等)的統計等；對測值進行初步分析，初步識別異常值以及復測；編制日報、月報和年報，其中，日報是刊錄測頻高(每日一次或數次)的自動化監測系統的數據。

(4)生成數據分庫對監測資料分析和反分析的成果，結構和滲流分析和反分析的成果，以及與工程安全有關的設計、施工和運行的專家知識等進行管理，為工程安全分析評價提供定性和定量的依據。主要包括大壩或各結構單元在各荷載組合工況下的應力和位移、壩體溫度場、壩體和壩基滲流場(等勢線和流線)；位移和揚壓力的力學規律計算值；各測點的統計模型，變形測點和空間位移場的確定性模型和混合模型；變形、應力和揚壓力的監控指標；歷次異常或險情的分析評價成果等。

2.2.3應用軟件根據數據庫的邏輯模型,在數據庫的軟件平臺上，開發和研制數據庫的應用軟件，主要包括：

(1)菜單編程對數據庫的菜單和各個分庫的菜單等編制應用程序。可以采用下拉式或全屏幕式。

（2)原始數據管理的應用軟件包括與采集系統相聯的通訊軟件；按結構單元和測控裝置將傳感器監測的物理量(電阻、電阻比、電感、電容和頻率等)或數字量(變形、滲壓、滲流量、應力應變和溫度等)編制成圖表的軟件。

(3)整編數據管理的應用軟件包括誤差識別和處理程序；將物理量轉化為數字量(應變轉化為應力，以及測控裝置沒有轉換為數字量的物理量)；按結構單元，將數字量及其相應環境量編制整編成圖表的軟件；初分析軟件；編制日報、月報和年報的軟件等。

(4)生成數據管理的應用軟件包括對監測資料分析和反分析成果、結構和滲流分析和反分析成果，以及有關專家知識等，并編制成相應圖表的軟件。

2.3分析評價系統[3]

對水利水電工程監測和監控的目的是，依據監測資料和相應的專家知識，對工程的安全狀況作出綜合分析和評價。因此，完整的現代測控系統必須包括分析評價系統.其功能是依據監測資料、結構、滲流等分析和反分析成果，以及與工程安全有關的設計、施工、運行管理、法規和規劃等專家知識，對監測資料進行分析和評價，從中尋找異常值或不安全因素，并對此進行成因分析和輔助決策等。因此，分析評價系統應包括資料評價、綜合檢查分析、觀測檢查、物理成因分析、專家綜合診斷和輔助決策等部分，其結構和流程分別見圖5和圖6。

2.3.1資料評價應用時空分布、力學規律、監控模型、監控指標、日常巡查和關鍵問題等6類評判準則，對監測值進行分析評判，從中識別異常值或不安全因素。

2.3.2檢查分析對異常值或不安全因素，通過同一部位的同類監測量、相關監測量和環境量的綜合分析(或相關分析)檢查，從中識別引起異常值或不安全因素的成因。如由觀測引起的，則進入觀測檢查；是由結構和荷載引起的，則進入物理成因分析。

2.3.3觀測檢查對由觀測引起的異常測值，首先檢查觀測記錄，然后檢查采集系統。對觀測記錄錯誤的測值宜進行刪除或修改；對監測采集系統引起的異常測值，在排除故障后重測并進行修正。

2.3.4物理成因分析對由結構和荷載引起的異常值或不安全因素，首先檢查環境量(或外因)有無產生特殊荷載工況。若有，則分析壩基異常(包括變形、穩定和應力等)成因，然后分析建筑物異常(變形、應力、裂縫等)成因，當穩定和強度滿足安全要求時，則“異常”或“不安全因素”是由荷載引起的，為結構調整所致,所以屬基本正常。若無特殊荷載工況，則反分析壩基和壩體的計算模型和計算參數等；然后，正演分析監測量,若與實測值一致，則為計算條件改變而引起的；并復核壩基和壩體的穩定和強度，若滿足安全要求，則雖為結構引起，但尚屬基本正常；若穩定和強度不滿足安全要求，則為異常或險情，隨即進入輔助決策。若分析不出物理成因，則進入專家綜合診斷。

2.3.5專家綜合診斷對異常或不安全因素的疑難雜癥，即難以分析成因的，進行專家綜合診斷，包括對其影響因素和安全度的專家綜合評判。

2.3.6輔助決策依據異常或險情的程度，首先提出報警級別，然后提出輔助決策的建議。其中報警級別分三級，一級為險情，二級為異常，三級為局部異常。輔助決策建議包括運行控制水位和補強加固處理措施的建議等。

2.3.7支持庫群為了給以上分析評價提供定量依據，該系統還包括數據庫、方法庫、知識庫和圖庫等支持庫群。

(1)數據庫主要管理監測資料及其分析和反分析成果，與工程安全有關的設計、施工和運行資料等。

(2)方法庫依據安全分析評價需求，方法庫主要包括監測資料分析和反分析軟件包，結構和滲流分析軟件包,綜合分析和評價程序，以及輔助決策程序等。如本文作者給多座水利水電工程開發的分析評價系統中，共設置40個程序。其中，監測資料分析和反分析軟件包有監測資料預處理、資料分析和反分析等22個程序；結構和滲流分析軟件包有規范法的應力和穩定分析，有限元靜力、動力以及粘彈性和粘彈塑性分析等13個程序；綜合分析和評價包括影響因素和安全度評價等2個程序；輔助決策包括報警、洪水反調節等3個程序。從而，總體上能滿足安全分析和評價的定量分析需要。

(3)知識庫包括專家語言的定量化知識,隱蔽薄弱部位的設計和施工的專家知識，歷次安全定期檢查以及異常或不安全因素的分析評價成果等。

(4)圖庫包括圖形庫和圖像庫。其中，圖形庫包括分析和評價過程中的各類圖表；圖像庫包括分析評價結論的多媒體演示等。

2.3.8分析評價的人工智能技術為了實現分析評價的人工智能化，分析評價系統采用正向推理、反向推理、混合推理和元控制等4種技術。其中，正向推理為已知問題的事實，在知識集中尋找匹配知識，反復循環直至找到有解結論；反向推理為已知或假設結構，從知識集中尋找匹配的解，反復循環，直至找到匹配的解；混合推理為融合正向和反向推理的原理，先正向后反向或先反向后正向；元控制是將元知識(即知識的知識)構成元知識庫，以求解問題的目標。

2.4計算機及通訊網絡技術

由于高新測控技術是將數據采集、信息管理和分析評價融匯在一起的龐大系統工程，必須在現代計算機及通訊網絡技術的支持下才能實現。

2.4.1計算機網絡拓撲結構常用的拓撲結構有總線形、星形和樹形等(見圖7)。其中，總線形結構為網絡所有結點連在通信總線上；星形結構為網絡所有結點連接在中心結點上，由中心結點負責數據處理和交換；樹形結構為自頂而下的層次化的擴展式結構，頂部結點為根結點，連接2個以上結點的稱為支節點，以下為端結點，以根結點為網絡核心、支結點為子網絡中心、端結點為面向用戶的桌面。

一般大中型水利水電工程結構單元(如壩段)較多、布置的測點也較多，宜用總線形；對省局(廳)或大網局，由于所屬水利水電工程較多，分布也廣，而需要由局中心控制時，宜用星形結構，其中一個結點為一座水利水電工程；對特大型水利水電工程.如三峽工程，由于分項工程較多，宜用樹形結構(見圖8)。

2.4.2計算機通訊網絡平臺單個的水利水電工程一般用局域網，可采用高速光纖、載波或微波等網絡通訊。對省網局(廳)或大型水利水電工程需要有外部技術支持的，一般采用廣域網，亦可采用以太網或Intranet網等。

2.4.3計算機工作方式一般采用C/S(客戶機/服務器)方式。其中，服務器主要存儲監測數據以及與工程安全有關的設計和施工等資料，應該有強大的存儲和處理數據的功能；其型號和數量視工程規模、監測項目的多少，由需求分析確定，一般應有雙機或多機熱備份。客戶機主要面向用戶的分析評價和輔助決策等，可由多臺并行計算機完成。

3結語

(1)現代化測控技術應包括數據采集、管理和分析評價等功能，以及完成這些功能的計算機軟硬件環境和通訊網絡環境。

(2)數據采集包括傳感器和測控裝置，完成A/D轉換，以便監測的數字量能遠距離輸送。

(3)信息管理系統具有對監測的原始數據采集和管理、整編和處理以及生成等功能，并對涉及工程安全的設計、施工資料進行管理，以便為分析評價提供科學的信息。

(4)分析評價系統是對監測資料進行分析評價，從中識別異常值或不安全因素，并對其進行成因分析和輔助決策。