水库安全运行自动化监测管理系统设计研究

水库安全运行自动化监测管理系统设计研究

张本家

兰陵县水利工程保障中心  山东省  临沂市  277700

摘要：监测云平台立足于水库自动化监测行业，以物联网为基础，通过前端框架Vue+ElementUI和后端采用的也是目前主流的跨平台框架.NetCore微服务+CQRS查询职责分离模式+数据库访问，具备对安全监测设备的数据采集传输、专业数据分析和WebGIS展示服务云平台，可及时了解水库全方位安全信息，能够实现全自动智能化监测预警。

关键词：水库安全运行；自动化；监测管理；系统设计；研究

1水库监测问题现状

龙须带水库由1主坝组成。水库已有水雨情监测相关设备，根据土石坝监测规范，超过20km2的流域要在上游侧加装1套雨量监测。水库主坝有9个位移观测点，并有数个位移观测基准点，观测采用人工观测方式。水库主坝有12个渗压井，并建有渗压监测设备，但设备数据测量不准确，并且前期布设点位不合理，主坝迎水面设备常出现被淹没的情况，没有达到渗压监测的作用。水库建有集渗渠和量水堰，并建有渗流监测设备，但管理局反馈设备监测数据不准确，复核之后需要更换；水库建有视频监控，但主要观察溢洪道泄洪情况，未能兼整个水库运行情况。根据水库现状，水库原建有安全监测设施及设备，但由于时间较长，数据测量精准度已经无法达到要求，无法采集水库运行状态。水库位移依靠人工传统观测，但部分观测墩体已损坏无法正常观测，无法实时掌握水库运行状态。水库没有相关的应用系统，也没有相关信息化系统的运行环境，在水库调度指挥时，只有传统的会议室，没有相关决策指挥系统和信息化的调度指挥环境。水利部提出了“水利工程补短板，水利行业强监管”的总基调，智能信息化建设能补齐防洪、供水、生态修复、信息化的短板，项目系统结合各项监测数据，综合分析保障水利工程安全运行，及早发现预警。同时通过平台和管理提高水利工程的管理水平。

2智能化云监测系统整体架构

2.1智能化需求分析

水库安全运行监测系统的主要面向水库管理人员，负责系统稳定运行的主要责任单位，以及系统的主要使用方；系统中在线监测参数、告警信息等都面向水库管理人员；重大告警信息可自动通报上级主管单位。管理用户为水库管理领导和信息化局相关人员；拥有系统的全部管理权限，可对系统的各项功能进行权限管理，对不同用户进行权限管理。功能上需要实现对大坝形变监测、渗压、渗流监测；实现对水库的水雨情监测；实现对溢洪道的闸门开度控制和水流速监测；实现对大坝的视频监控；对自动化监测控制中心进行改造；水库安全运行监测系统所有数据来自于现场传感器，不涉及政务信息资源共享，性能需求如表1所示。

表1 性能需求表

2.2系统整体架构

网络通信采用分布式系统结构，根据各监测设备安装位置与监测中心的距离、通信稳定性等方面，综合采用移动通信组网方式，灵活构建系统。移动通信主要用于水库遥测终端机将现地实时采集数据发送到数据接收中心，视频监控采用网络传输，实现远程实时掌握水库现状。视频监控采用水库敷设的光纤与管理中心进行通讯。库区管理中心相关人员，通过互联网访问云平台的综合管理系统，掌握水库监测情况（考虑网络安全，闸门仅将运行数据传输至云平台，无法通过云平台对其进行控制）。

3智能监测预警系统建设内容

建设内容主要包括对水雨情监测、大坝安全监测（渗压、渗流）、视频监控、水质监测、气象环境监测、控制中心、综合管理系统。

3.1水雨情监测

为了掌握水库实时水位、集雨面积的降雨情况，拟在上游区域新建1套雨量监测站点。雨量监测系统由信息采集传输子系统、信息处理子系统、信息发布子系统组成。信息采集传输子系统负责流域的雨量信息采集、传输。水雨情遥测站自动采集水、雨情等信息，经GPRS/GSM无线通信方式，按照设定的传输机制自动传输到中心站。信息处理子系统负责水雨情及实时工况信息的收集、处理、查询，并进行实时雨情预报、预报结果专家分析决策等，为工程防洪、调度提供决策支持信息。信息发布子系统负责水雨情信息和预报信息的发布。由Web平台、手机短信、传真、电子邮件、电话应答等发布方式组成。实际运行过程中，根据要求选择信息发布方式。雨量监测系统的工作体制可分为自报式和应答式两种。为满足本系统的实际要求，测站采用自报式和应答式相结合的方式，在通常情况下，测站采用自报式的工作体制。系统中遥测站水文要素一旦发生变化，遥测设备立刻进行数据采集、资料经通信设备传输至中心站完成资料预处理后进入数据库，然后通过计算机网络向有关部门分发、通报。系统数据采集、传输和预处理全过程流程框图及网络结构见图1。

图1 全过程流程框图

基于此搭建的水雨监测系统遥测站能够准确、实时的采集、存储和传输雨量信息；系统遥测站具有定时报、增量报、数据招测和人工编程功能；系统中心站能实时接收有关资料，并对资料进行校检、纠错、插补、分类存储等功能。具有系统监测及报警功能、数据管理功能、系统管理功能、GSM短信查询功能和web浏览功能及有主备信道自动切换功能。

3.2大坝安全监测

主坝原有安全监测的基础设施，如渗压井、位移观测墩，但位移观测墩体上未见强制对中基座，需对墩体进行改在，安装强制对中基座。项目直接在主坝原有的测压管和渗流量水堰基础上安装相关监测设备。对主坝进行外观变形监测，包括水平位移和垂直位移。通过GNSS监测方式，对坝体进行外观变形位移监测。观测项目的布设是根据《土石坝安全监测技术规范》要求进行的。对坝体原有的9个观测墩进行改造，安装强制对中基座，并安装GNSS监测设备，包括（接收机、天线、供电系统等）在主坝原有的9个观测墩（不含溢洪道观测墩）、及坝体的相对稳定的位置挑选1个较为稳固的墩体作为基准站。并安装GNSS监测设备。GNSS由GNSS主机+天线组成，设备通过捕获、跟踪卫星，接收北斗/GPS信号并将它变换、放大和处理，测量信号传播时间进以计算坐标、时间。统一将数据接收入库，通过解算软件将数据解析后，可在平台上直观的展示。采用4G通讯方式将数据传输到物联网平台，GNSS设备本身支持4G无线传输。GNSS单个测站数据可直接通过4G通讯方式传输至物联网平台。其传输方式如图2所示。

3.3坝体渗压渗流监测

水库主坝共有10个渗压监测点和1个渗流监测点，安装相应的监测设备，传输与水雨情共用。

图2 GNSS传输结构图

图3 坝体渗压渗流监测采集方式图

安装渗压渗流监测设备，各渗压计采用无线数据采集仪进行供电并与水雨情的遥测终端机进行无线通讯方式，遥测终端机可以无线采集各个渗压计和量水堰计的水位，并上传至管理平台。硬件组成如图3所示：大坝安全配置有渗压计、渗压计太阳能板、无线数据采集仪、渗压计线缆。明细如表2所示。

表2 配置明细表

4结语

建设水库防汛管理，加快水库智能化信息建设、规范水雨情测报及安全监测，是建设现代智慧水利的发展方向。针对龙须带水库的人工监测现状，研究制定适用于小型水库雨水情测报和大坝安全监测的技术方案，通过搭建前端框架Vue+ElementUI，后端NetCore微服务+CQRS查询职责分离模式+数据库访问建立一体化的综合管理系统控制中心，系统实现了对水库的水雨情况、坝体安全、大坝渗流、闸门控制和视频监控全方位实施动态自动化监测和预警，及时了解水库雨水情和工程安全信息，指导大坝运行管理，使工程充分发挥其效益。

参考文献

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