現(xiàn)代化堤防安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)模式研究

1、現(xiàn)代化堤防安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)模式研究作者：周小文 包偉力 吳昌時(shí)間：2007-11-25 12:07:00 摘要：為了探討建立長江堤防自動(dòng)化監(jiān)測和安全預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)，以武漢市諶家磯地區(qū)堤防為試驗(yàn)基地，研制開發(fā)了分布式監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng).本文對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、量測儀器、通訊方式、安全評價(jià)模型、系統(tǒng)軟件及實(shí)現(xiàn)的功能等作了介紹，并闡述了堤防自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警的方法和原理. 關(guān)鍵詞：長江 堤防 自動(dòng)化監(jiān)測 預(yù)警系統(tǒng) 1998年洪災(zāi)暴露出我國在防洪減災(zāi)方面的科技水平不高，尤其在堤防安全的經(jīng)常性監(jiān)控和管理方面很落后，長期以來靠群眾性的抗洪搶險(xiǎn)來維護(hù)汛期的安全，防汛投入很大但效果卻不好，這種狀況亟需改變.近年來，堤防建設(shè)

2、力度加大，部分堤段的防洪能力得以提高.與此同時(shí)，如能進(jìn)行堤防運(yùn)行狀態(tài)的經(jīng)常性監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理堤防的險(xiǎn)情隱患，則能更好地保障堤防的安全.在監(jiān)測手段方面，由于堤線漫長，地層條件沿程變化大，采用一般的人工監(jiān)測方式不僅工作條件非常惡劣，工作量巨大，而且在汛期江水位猛漲的情況下，適時(shí)的監(jiān)測與分析計(jì)算很難做到.所以，實(shí)現(xiàn)堤防監(jiān)測的自動(dòng)化是必然的要求和趨勢.在自動(dòng)化監(jiān)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)科學(xué)的分析對堤防的安全狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)和預(yù)報(bào)，可以及早發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情和維護(hù)堤防安全.將堤防的自動(dòng)化監(jiān)測、安全評價(jià)和預(yù)報(bào)， 組成一個(gè)整體，就是堤防監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng).對于長江流域或中下游重要堤防而言，建立這樣的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是一項(xiàng)巨大的工程，其

3、中必然會(huì)有很多的技術(shù)難題，如何合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)施監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，需要研究和探索.為此，有必要選擇典型河段堤防進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)模式的研究.武漢諶家磯堤防在1998年洪水期間發(fā)生了大量的散浸、管涌險(xiǎn)情，汛后發(fā)生堤坡崩塌.該堤的堤身、堤基條件以及險(xiǎn)情發(fā)生的特點(diǎn)，在長江中下游堤防中具有一定的代表性.筆者以諶家磯地區(qū)堤防為試驗(yàn)基地，研制開發(fā)了分布式自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)DSEWS(Dike safety early-warning system)，本文結(jié)合對該系統(tǒng)的介紹闡述堤防自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警的方法和原理.1 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)及功能系統(tǒng)組成包括以下5個(gè)主要部分：量測儀器、自動(dòng)采集控制器、信息傳輸設(shè)

4、備、安全評價(jià)理論模型和系統(tǒng)軟件.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的分布形式有集中式、分布式和混合式3種.20世紀(jì)80年代初期最先發(fā)展出集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，20世紀(jì)80年代中期開始出現(xiàn)了分布式系統(tǒng)，隨后就有將兩者結(jié)合的混合式系統(tǒng).按照現(xiàn)代自動(dòng)監(jiān)控方式，諶家磯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，如圖1所示.系統(tǒng)分為采集站(測控單元)、監(jiān)控主站和遠(yuǎn)程信息管理中心(如洪指揮中心)3級，見圖2.以堤防監(jiān)測斷面(或堤段)為測控單元設(shè)立采集站.多個(gè)采集站分別用微波將信號傳輸?shù)奖O(jiān)控主站，監(jiān)控主站同時(shí)控制多個(gè)采集站，向各采集站發(fā)送傳感器設(shè)置、采集參數(shù)、報(bào)警參數(shù)等指令.主站的數(shù)據(jù)通過電話公網(wǎng)傳輸?shù)轿錆h市內(nèi)或其它任何地方.1.

5、2量測傳感器 一般來說，堤防監(jiān)測項(xiàng)目包括變形監(jiān)測(外部變形及內(nèi)部變形)、滲壓監(jiān)測、滲流量監(jiān)測、結(jié)構(gòu)(涵閘、防滲墻或防洪墻等)應(yīng)力應(yīng)變量測、環(huán)境監(jiān)測(包括江水位、地下水位、氣溫、雨量等)等.其中最主要的是水、土壓力和位移監(jiān)測.對于一個(gè)具體的堤防，應(yīng)該根據(jù)該堤防的水文、地質(zhì)、環(huán)境、堤身堤基隱患，選擇確定適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測項(xiàng)目，在監(jiān)測項(xiàng)目和布置上做優(yōu)化設(shè)計(jì).圖1 DSEWS結(jié)構(gòu)框圖圖2 DSEWS形象示意對于不同的監(jiān)測項(xiàng)目，傳感器類型及型號很多，監(jiān)測方式各異.為使監(jiān)測有效可靠，應(yīng)從先進(jìn)性、環(huán)境適應(yīng)性、長期運(yùn)行、能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集等方面，對傳感器進(jìn)行比選.一般而言，可以將國外高精度但價(jià)格昂貴的傳感器與國內(nèi)精

6、度稍低但價(jià)格低得多的傳感器搭配使用.在諶家磯堤防監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，主要選用了孔隙水壓力傳感器和自動(dòng)傾斜計(jì)兩種傳感器，分別監(jiān)測堤身堤基的孔隙水壓力和堤坡的滑動(dòng)位移，其中自動(dòng)傾斜計(jì)系自行研制.1.3采集站 采集站執(zhí)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、通信等功能，由以下部件組成：自動(dòng)采集控制器、電源、微波天線(也可采用總線)及通信模塊、防雷裝置.監(jiān)測斷面的選擇對于堤防安全狀態(tài)的監(jiān)控管理是非常關(guān)鍵的一步，需要根據(jù)土質(zhì)、水文、環(huán)境條件和往年險(xiǎn)情情況綜合確定.堤防線路長，監(jiān)測斷面之間距離以百米或千米計(jì).為避免電纜埋設(shè)過長，一般宜對每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)立1個(gè)采集站，因此采集站可以有多個(gè).本次諶家磯預(yù)警系統(tǒng)試驗(yàn)暫設(shè)2個(gè)，一個(gè)采集站

7、以監(jiān)測堤防滲透為主，另一個(gè)采集站以監(jiān)測崩岸(滑坡)為主.各個(gè)采集站之間以及采集站和主站之間具有獨(dú)立性，可以在主站停機(jī)的情況下自行采集和處理數(shù)據(jù).自動(dòng)采集控制器應(yīng)根據(jù)堤防監(jiān)測項(xiàng)目的輸出信號類型及通道數(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì).在可能的情況下最好為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置，以便不同類型的傳感器都可接入，且不同的采集站采用相同的軟、硬件.采樣時(shí)間間隔應(yīng)允許選擇.本系統(tǒng)研制的采集控制器分7段設(shè)置，分別為1min、5min、10min、30min、1h、2h和4h.可以自動(dòng)巡檢和手動(dòng)定點(diǎn)顯示測量數(shù)據(jù).本系統(tǒng)采集控制器可以設(shè)立報(bào)警限值，有通道報(bào)警時(shí)以每秒閃爍若干次提示，多通道報(bào)警輪巡.報(bào)警時(shí)繼電器吸合30s觸發(fā)撥號報(bào)警器聯(lián)網(wǎng)報(bào)警.

8、聯(lián)網(wǎng)撥號報(bào)警器除可由主控站設(shè)置以外，還可以通過外線或手機(jī)進(jìn)行設(shè)撤防.1.4監(jiān)控主站 主站的作用是對各個(gè)采集站進(jìn)行管理和控制、發(fā)送和接收采集的信號、評價(jià)安全狀況、報(bào)警、向遠(yuǎn)程信息中心(遠(yuǎn)程辦公室或防汛指揮中心)發(fā)送數(shù)據(jù).為了便于堤防安全管理和系統(tǒng)維護(hù)，監(jiān)控主站設(shè)在當(dāng)?shù)氐谭拦芾頇C(jī)構(gòu)的辦公用房內(nèi)較為合適.本系統(tǒng)將監(jiān)控主站設(shè)在諶家磯堤防管理所.監(jiān)控主站由以下部分組成：監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件、工控微機(jī)(包括掃描、打印機(jī)等輸入輸出設(shè)備)、微波(或總線電纜)及通信模塊、Modem(調(diào)制解調(diào)器)、電話線路、報(bào)警指示燈、防雷裝置等.1.5 通信網(wǎng)絡(luò) 指在傳感器、采集站、監(jiān)控主站、遠(yuǎn)程信息中心之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令傳輸?shù)挠?/p>

9、電纜、微波、電話網(wǎng)等組成的通信網(wǎng)絡(luò). 圖3 監(jiān)控主站采集數(shù)據(jù)曲線顯示界面信息傳輸方式可以根據(jù)實(shí)際需要和環(huán)境條件選擇，專用電纜、超短波、微波、電話網(wǎng)絡(luò)以及地球同步數(shù)字衛(wèi)星等都可以作為信息通訊的手段.本系統(tǒng)中包含有3種通信方式：在傳感器與采集器之間是電纜線連接(電纜線以埋在地下較為恰當(dāng)，要注意防水和防破壞)，采集站與監(jiān)控主站之間用微波(無線)方式，而主站信息可以通過電話網(wǎng)絡(luò)傳至任何一個(gè)地方.微波通信采用RS485方式，電話通信采用Modem方式.各通訊環(huán)節(jié)都需在使用前檢測，以保證不發(fā)生通信故障或失真.1.6 安全評價(jià)模型 在預(yù)警系統(tǒng)中，安全評價(jià)模型是至關(guān)重要的部分.有了安全評價(jià)模型，才能根據(jù)監(jiān)測數(shù)

10、據(jù)評價(jià)堤防的安全.而安全評價(jià)的可靠性除了依賴于監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，主要就取決于評價(jià)模型的合理性.因此，在預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制中，一定要建立針對堤防具體條件和運(yùn)行環(huán)境的合理的安全評價(jià)模型.但是，由于問題的復(fù)雜性，合理的安全評價(jià)模型有待于在堤防監(jiān)測實(shí)踐中摸索.堤防滲流是一個(gè)飽和-非飽和、非穩(wěn)定-穩(wěn)定的發(fā)展過程.加之滲流場有不同程度的非均質(zhì)和各向異性，幾何形狀和邊界條件又很復(fù)雜.使得采用確定性方法計(jì)算堤防的汛期動(dòng)態(tài)滲流非常困難，難以準(zhǔn)確計(jì)算和考慮各種復(fù)雜情況.對于這種非確定的、動(dòng)態(tài)變化的、部分信息環(huán)境的情況，基于現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、處理、推斷方法，直接用于堤防滲流險(xiǎn)情的判斷和預(yù)報(bào)是比較合理的.但是，這方

11、面的研究工作還很少見.在邊坡穩(wěn)定方面，力學(xué)性分析方面(極限平衡法和有限元法)對于一些基本穩(wěn)定或基本不穩(wěn)定的邊坡，能夠作出合理的定性的判斷，但對于一些介于穩(wěn)定與非穩(wěn)定之間的邊坡，卻難以準(zhǔn)確計(jì)算安全程度.尤其對于發(fā)生了一定位移的邊坡，力學(xué)分析法很難判斷是否會(huì)繼續(xù)滑動(dòng)抑或保持穩(wěn)定.這一方面是由于力學(xué)分析法本身含有諸多假定，不能精確，另一方面是由于邊坡土性不均勻和邊界條件復(fù)雜.因此，對于一個(gè)滑坡的評價(jià)和預(yù)報(bào)，除了做一些力學(xué)分析外，主要也是以現(xiàn)場的位移監(jiān)測成果為依據(jù).基于現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)推斷方法，早已用于滑坡的判斷和預(yù)報(bào).在這方面國內(nèi)外已有很多的研究工作和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).但是，位移的發(fā)展究竟達(dá)到什么速率和滿

12、足什么條件，就能判定是否將發(fā)生滑坡，尚沒有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)，也就是說還沒有一個(gè)滑坡發(fā)生的充分的判據(jù)，實(shí)踐中不同研究者采用了各種不同的數(shù)學(xué)或經(jīng)驗(yàn)的方法.堤防的滑坡又有自身的特點(diǎn)，它往往是與河流沖刷引起的崩岸聯(lián)系在一起，其安全評價(jià)和預(yù)報(bào)有更大的難度，研究也很少.圖4 滲透安全評價(jià)結(jié)果顯示界面基于預(yù)警系統(tǒng)的需要和上述研究現(xiàn)狀，本項(xiàng)目研究和建立了初步的以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的滲流安全評價(jià)模型和滑坡預(yù)測模型.前者系以土層實(shí)際承受的滲透水力坡降與土的臨界水力坡降進(jìn)行比較，分為安全、輕度危險(xiǎn)、嚴(yán)重危險(xiǎn)和即將破壞4級標(biāo)準(zhǔn).后者為采用灰色和突變理論對堤坡位移和滑坡與否進(jìn)行預(yù)測.此外，為考慮各種土層厚度不均勻和土的抗?jié)B強(qiáng)

13、度的不均勻性，建立了滲流安全評價(jià)的概率模型.為了對下一時(shí)刻的滲流安全進(jìn)行預(yù)測，建立了滲流安全灰色預(yù)測模型.表1是所建立的模型種類名稱.表1 安全評價(jià)模型1.7 系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能包括；采集、檢測、控制、存儲(chǔ)、計(jì)算處理、安全評價(jià)及預(yù)測、通信等.1.7.1軟件開發(fā)工具 選用目前普遍使用Windows9x的32位操作系統(tǒng)的PC電腦平臺(tái)作為本軟件的開發(fā)平臺(tái)，可以滿足本預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)要求.采用MS公司的VC+的VB6.0作為開發(fā)環(huán)境，可以廣泛利用Windows下的各種資源，如各種控件、OLE對象等，其提供的數(shù)據(jù)控件、訪問對象等可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)，VC可以直接對底層進(jìn)行訪問.1.

14、7.2 實(shí)現(xiàn)的功能 軟件采用模塊結(jié)構(gòu)，有數(shù)據(jù)采集處理和安全評價(jià)預(yù)警兩大模塊.實(shí)現(xiàn)的主要功能有：(1)數(shù)據(jù)采集處理模塊：設(shè)采集站選擇菜單，監(jiān)測剖面圖形可以繪制和修改；傳感器可以逐個(gè)在監(jiān)測剖面上安裝(或撤消)并以填表形式輸入編號，類型、型號、量測范圍、生產(chǎn)廠家、標(biāo)定系數(shù)(方程)、安裝部位以及安裝時(shí)間；可以隨時(shí)設(shè)置或取消報(bào)警限值；采集的數(shù)據(jù)以傳感器編號順序列表，注明采集時(shí)間；以采集值和時(shí)間為軸，顯示信號的時(shí)間變化過程，時(shí)間軸可以定義，如秒、分、小時(shí)、天；數(shù)據(jù)庫可以隨時(shí)調(diào)出查看、編輯、另行存儲(chǔ).圖3是自動(dòng)采集的孔隙水壓力過程線的顯示頁面形式.(2)安全評價(jià)預(yù)警模塊：設(shè)有采集站選擇菜單；調(diào)用采集處理模塊

15、的數(shù)據(jù)；有滲流評價(jià)、預(yù)測模型及滑坡預(yù)測模型；評價(jià)結(jié)果自動(dòng)彈出；當(dāng)有警情時(shí)自動(dòng)彈出報(bào)警窗口、發(fā)布報(bào)警蜂鳴和電話撥號指令.圖4是滲流安全評價(jià)結(jié)果的顯示頁面形式.(3)遠(yuǎn)程信息管理：接收監(jiān)控主站的參數(shù)與數(shù)據(jù)庫，隨時(shí)了解堤防運(yùn)行現(xiàn)狀；安裝有與主站相同的安全評價(jià)與預(yù)警軟件，以便能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程的安全評價(jià)和預(yù)測.總之，本系統(tǒng)軟件靈活適用、功能齊全，適用于堤防的監(jiān)測與安全預(yù)警.2 結(jié)語監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要需要解決以下3方面的關(guān)鍵技術(shù)問題：(1)合理的監(jiān)測布置原則；(2)自動(dòng)化采集和通信技術(shù)；(3)安全評價(jià)和預(yù)測的理論模型.諶家磯堤防監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)DSEWS作為一個(gè)試驗(yàn)研究項(xiàng)目，進(jìn)行了各方面的研究和摸索，系統(tǒng)已經(jīng)建成并經(jīng)歷過了一段時(shí)期的運(yùn)行考驗(yàn)，顯示系統(tǒng)的自動(dòng)化采集及遠(yuǎn)程通信穩(wěn)定可靠，監(jiān)控主站和遠(yuǎn)程終端可隨時(shí)監(jiān)視堤防運(yùn)行情況及安全狀態(tài).通過模擬演示，表明系統(tǒng)具有可靠的自動(dòng)報(bào)警功能.系統(tǒng)的軟件界面功能豐富、直觀、使用方便，符合工程專業(yè)特點(diǎn).DSEWS是一個(gè)利用現(xiàn)代科技手段建立的國內(nèi)第一個(gè)堤防安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，在長江堤防、病險(xiǎn)水庫的管理以及滑坡預(yù)測等方面具有廣泛的推廣應(yīng)用前景.參 考 文 獻(xiàn)：1 長江水利委員會(huì).一九九八