水利自動(dòng)化(系統(tǒng))

水利自動(dòng)化（系統(tǒng)）水利電力學(xué)院張勁松2014年3月第5章水利自動(dòng)化（系統(tǒng)）5.1概述5.2水利通訊（系統(tǒng)）5.3大壩自動(dòng)監(jiān)測(cè)（系統(tǒng)）5.4渠道運(yùn)行控制5.1概述5.1.1定義：水利自動(dòng)化系統(tǒng)（automaticsystemforwaterresources）

——應(yīng)用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、通信、遙感和遙測(cè)技術(shù)，使水利工程運(yùn)行管理中相關(guān)的一系列技術(shù)措施和手段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。它與多種專業(yè)、學(xué)科緊密相關(guān)，包括水利工程學(xué)、管理學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)以及通信技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、傳感器技術(shù)等。水資源相對(duì)貧乏，人均水資源占有量約2200立方米(1997)，相當(dāng)于世界人均水資源量的四分之一，居世界第121位。(到2030年我國(guó)人均水資源占有量將從現(xiàn)在的2200立方米降至1700至1800立方米)?？陀^上要求合理高效地利用有限的水資源：要管好、用好有限的水資源，就要重視水利工程管理，并引進(jìn)現(xiàn)代化管理科學(xué)理論和一切先進(jìn)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)水利工程管理綜合自動(dòng)化。***西藏巴昔卡年降雨量4495毫米，為中國(guó)之最，號(hào)稱“中國(guó)雨都”。5.1.2水利工程自動(dòng)化的特點(diǎn)及研究對(duì)象

水利工程管理自動(dòng)化和其他許多行業(yè)和部門的自動(dòng)化系統(tǒng)有很多相同之處，但也有其獨(dú)特的地方，例如，自動(dòng)化裝置工作環(huán)境惡劣、分布時(shí)空廣、可變、不可預(yù)測(cè)因素多，尤其是水流很難駕馭。實(shí)現(xiàn)水利工程管理自動(dòng)化就是要把其他行業(yè)或部門一些成熟的自動(dòng)化裝置、技術(shù)引進(jìn)到水利工程管理中來(lái)，并結(jié)合水利系統(tǒng)中的一些特點(diǎn)，研制出適應(yīng)水利行業(yè)條件的自動(dòng)化裝置、設(shè)備或系統(tǒng)。

5.1.3實(shí)施水利自動(dòng)化的內(nèi)容

按照監(jiān)控裝置或系統(tǒng)來(lái)分，大體上包括：水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)（區(qū)域降水、江河庫(kù)水位，流量和流速等）；氣象自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（風(fēng)向、風(fēng)速、蒸發(fā)量、濕度、溫度等）；水庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)（水位、流量、閘位等）；大壩等工程安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（水位、滲流、變形等）；渠系自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)（水位、流量、流速、閘位等）；水機(jī)電自動(dòng)控制系統(tǒng)（水位、流量、流速、機(jī)電運(yùn)轉(zhuǎn)速度、電流、電壓）；河口、海岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；次生地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

5.1.4現(xiàn)狀與發(fā)展中國(guó)發(fā)展水利通信和自動(dòng)化系統(tǒng)已有40多年歷史，建成了一大批水利專用通信系統(tǒng)和各種形式的水利自動(dòng)化系統(tǒng)，基本上滿足了工程管理部門和重點(diǎn)工程的需求。中國(guó)水利行業(yè)正在建設(shè)國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)，其中包括4個(gè)子系統(tǒng)：通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)的總目標(biāo)是用5年的時(shí)間，建成一個(gè)以信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為手段，以決策支持系統(tǒng)為核心的國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)日益突飛猛進(jìn)地發(fā)展，許多最先進(jìn)的技術(shù)也正逐步應(yīng)用到水利工程管理自動(dòng)化中來(lái)。例如，數(shù)據(jù)移動(dòng)通信技術(shù)、遙感技術(shù)、3S技術(shù)等，正開(kāi)始應(yīng)用于防汛抗旱、洪水預(yù)警、工程安全監(jiān)測(cè)等方面，相信不久的將來(lái)，將逐步趕上其他行業(yè)，使水利事業(yè)更好地

5.2水利通信（系統(tǒng)）

水利通信（thecommunicationforwaterresources）傳輸語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等各種信息的水利專用通信系統(tǒng)，用于水利管理、防汛抗旱、水利量測(cè)、水資源調(diào)度等。由于水利工程多處于偏僻地區(qū)，交通不便，供電困難、地形復(fù)雜，而且通信業(yè)務(wù)量集中在雨季，水利通信系統(tǒng)以無(wú)線通信為主。建設(shè)水利專用無(wú)線通信系統(tǒng)必須先進(jìn)行無(wú)線電通信線路設(shè)計(jì)，合理地選定通信站點(diǎn)位置，確定設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，包括天線增益及其架設(shè)高度和方位、通信機(jī)技術(shù)指標(biāo)、供電及防雷要求等，使所建設(shè)的通信系統(tǒng)具有最佳的性能價(jià)格比。

中國(guó)水利通信的現(xiàn)狀與發(fā)展

1975年8月（6、7、8日）淮河上游大水（板橋、石漫灘水庫(kù)失事）給國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了重大損失，其原因之一是通信中斷，信息不明，失去指揮。為了吸取這一嚴(yán)重教訓(xùn)，從1976年開(kāi)始，中國(guó)水利通信進(jìn)入了迅速發(fā)展時(shí)期，經(jīng)過(guò)30多年的努力，已經(jīng)建成了一大批分布在全國(guó)大江大河的重點(diǎn)河段、重要大中型水利工程和重點(diǎn)防洪地區(qū)的短波、超短波、微波和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。根據(jù)全國(guó)水利通信建設(shè)“十五”計(jì)劃的要求，從中央到地方，都投入了大量的人力和財(cái)力，在充分利用公共電信網(wǎng)的基礎(chǔ)上，加快建設(shè)、改造和完善水利專用通信網(wǎng)。

例如：國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)通信分系統(tǒng)

包括衛(wèi)星通信網(wǎng)、微波通信網(wǎng)、集群移動(dòng)通信網(wǎng)、蓄滯洪區(qū)預(yù)警反饋通信網(wǎng)四部分。它的任務(wù)是為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和其他各種通信業(yè)務(wù)(語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù))提供透明通道,完成水情信息的上傳及分發(fā)、工情信息的上傳、災(zāi)情信息的上傳、國(guó)家防辦與流域及各省市的異地防汛會(huì)商、防汛調(diào)度指揮和水利防洪工程單位之間的聯(lián)絡(luò)、蓄滯洪區(qū)警報(bào)信息的傳遞及反饋等七個(gè)方面的任務(wù)。

移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展：1995年，1G，語(yǔ)音通話；1996~1997年，2G（GSM、CDMA），數(shù)字式手機(jī)增加了接收數(shù)據(jù)功能；2000年，2.5G，GPRS和EDGE技術(shù)，高速無(wú)線IP；2000~2010，3G（WCDMA三代技術(shù)），2Mbit/s傳輸速率，實(shí)現(xiàn)個(gè)人多媒體業(yè)務(wù)；2010年，4G推出，下載速率100Mbit/s，網(wǎng)速快，靈活方便是移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)勢(shì)，區(qū)別于普通寬帶上網(wǎng)的空間局限和無(wú)線上網(wǎng)網(wǎng)速的限制。5.2.1水利通信系統(tǒng)分類與構(gòu)成1.通信系統(tǒng)的分類：

2.通信系統(tǒng)的組成：

5.2.2有線通信系統(tǒng)通信線路

架空明線；通信電纜；電力傳輸線（載波）；光纜

。

2.有線通信系統(tǒng)的類型及結(jié)構(gòu)

（1）實(shí)線通信系統(tǒng)；（2）明線和電纜線載波系統(tǒng)；（3）電力線載波系統(tǒng)。

5.2.2

無(wú)線通信系統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)根據(jù)所采用的波長(zhǎng)或頻率的不同，又可分為短波（含超短波）、微波、散射、衛(wèi)星和激光通信等。在水利工程管理中，如防洪、搶險(xiǎn)、救災(zāi)、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)等多使用短波通信系統(tǒng)。（1）短波通信頻率在3MHZ～30MHZ，依靠無(wú)線電波從電離層反射傳播實(shí)現(xiàn)通信。超短波通信習(xí)慣上把30MHZ～1000MHZ頻段稱為超短波頻段。短波通信系統(tǒng)的組成：

超短波通信的電波傳播機(jī)理主要有：視線傳播；繞射傳播。

（2）微波通信

微波通常指高于1000MHz、低于紅外線頻率的范圍，完全靠視線傳播。有：1）地面微波通信；2）衛(wèi)星通信。微波中繼通信可以解決區(qū)域之間大容量信息的傳輸，主要用于長(zhǎng)途電話、電視節(jié)目、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信等的傳輸，亦可用來(lái)傳輸遙控、遙測(cè)及遙感信號(hào)。微波通信的特點(diǎn)①微波頻段占有頻帶很寬，波長(zhǎng)從分米波到毫米波多種頻段，頻率從300MHz到300000MHz，可以適用于更多的無(wú)線電設(shè)備。②在微波頻段，受工業(yè)、天電和宇宙外部干擾的影響很小，使微波通信的傳輸質(zhì)量高。③微波受風(fēng)雨冰雪等惡劣氣象條件、晝夜、季節(jié)的影響很小，所以微波通信穩(wěn)定度高。④微波段采用高增益定向天線，所以可用較小的發(fā)射功率而獲得滿意的通信效果。⑤微波是一種波長(zhǎng)很短的電波，在自由空間只能像光波一樣沿直線傳播，繞射能力很弱，在傳播過(guò)程中遇到不均勻介質(zhì)時(shí)將產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象。因此在進(jìn)行遠(yuǎn)距離微波通信時(shí)要采用“中繼”方式（標(biāo)準(zhǔn)中繼站為46km）。這就要設(shè)立多個(gè)中繼站，給維護(hù)檢修工作帶來(lái)不便。

微波中繼通信系統(tǒng)的組成微波站收發(fā)設(shè)備及其工作過(guò)程（3）衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無(wú)線電波，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。與其他通信手段相比，衛(wèi)星通信的主要優(yōu)點(diǎn)是：①通信距離遠(yuǎn)，且費(fèi)用和通信距離無(wú)關(guān)；②工作頻段寬，通信容量大，適用于多種業(yè)務(wù)傳輸；③通信線路穩(wěn)定可靠，通信質(zhì)量高；④以廣播方式工作，具有大面積覆蓋能力，可以實(shí)現(xiàn)多址通信和信道的按需分配屈而通信靈活機(jī)動(dòng)；⑤可以自發(fā)自收進(jìn)行監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星通信線路的組成通信衛(wèi)星及地球站通信衛(wèi)星的基本功能是為各個(gè)有關(guān)的地球站轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)以實(shí)現(xiàn)多地址的中繼通信，同時(shí)，通信衛(wèi)星還應(yīng)具有一些必要的輔助功能，以保證通信任務(wù)可靠地進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)，通信衛(wèi)星主要由天線分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、遙測(cè)與指令分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)五大部分組成。地球站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分。它可以按不同的方法來(lái)分類。如按安裝方式可分為固定站、移動(dòng)站和可搬運(yùn)站；按天線主反射面口徑的大小分有30m、20m、15m、10m、5m、1m等；按傳輸信號(hào)特征分有模擬站和數(shù)字站。按用途分有民用、軍用、廣播、航空、航海及實(shí)驗(yàn)站等；按業(yè)務(wù)性質(zhì)分有遙控遙測(cè)跟蹤站、通信參數(shù)測(cè)量站和通信業(yè)務(wù)站。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地球站由天線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)、終站系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等六部分組成。

5.2.4計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)（1）計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的組成計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)日益發(fā)展相結(jié)合的產(chǎn)物。凡將地理位置不同、具備獨(dú)立功能的多臺(tái)計(jì)算機(jī)、終端及其附屬設(shè)備，用通信設(shè)備和線路連接起來(lái)，且配以相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)軟件實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)資源共享者，稱為計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。通常，網(wǎng)絡(luò)中有多臺(tái)計(jì)算機(jī)，各計(jì)算機(jī)除完成本身的業(yè)務(wù)外，還彼此交換情報(bào)。各計(jì)算機(jī)用戶或聯(lián)合起來(lái)共同完成某項(xiàng)業(yè)務(wù)，或共享其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬、軟件資源，這時(shí)除了要求有可靠的通信系統(tǒng)外，還要求制定一個(gè)全網(wǎng)一致遵守的“協(xié)議”，以及配置支持這些協(xié)議的軟件。

（2）計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的主要功能①在終端與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間相互傳送數(shù)據(jù)和信息。②對(duì)地理上分散的生產(chǎn)單位或業(yè)務(wù)部門提供實(shí)時(shí)集中控制。③實(shí)現(xiàn)資源共享（包括硬件、軟件及數(shù)據(jù)資源等）。④提供高度的可靠性及可用性。（3）計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的基本組成計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)是由終端、集中器、計(jì)算機(jī)、交換中心等通信線路連接而成的，主要由以下幾個(gè)部分組成。①主機(jī)。主機(jī)是負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以是單機(jī)，也可以是多機(jī)系統(tǒng)。②通信處理機(jī)。做網(wǎng)絡(luò)通信處理工作，如差．錯(cuò)控制、代碼變換、報(bào)文分組或重裝、路由選擇等，以減輕主機(jī)負(fù)擔(dān)，也稱前端處理機(jī)。③集中器。集中器也是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，其作用是把若干終端經(jīng)本地線路（低速線路）集中起來(lái)連接到1－2條高速線路上，以提高通信效率和降低通信費(fèi)用。實(shí)質(zhì)上是終端側(cè)的通信處理機(jī)。④調(diào)制解調(diào)器。⑤終端。大量用戶通過(guò)終端與計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)發(fā)生關(guān)系，構(gòu)成人一機(jī)對(duì)話或共享資源。⑥通信線路。有架空明線、電纜、微波線路、纖維光纜和衛(wèi)星線路等。

5.2.5光纖通信光纖通信通信科學(xué)的發(fā)展歷史悠久。近代通信技術(shù)分為電通信和光通信兩類。電通信又分為有線通信和無(wú)線通信，這是兩種相當(dāng)成熟的通信技術(shù)。通信技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，圍繞著增加信息傳輸?shù)乃俾屎途嚯x，提高通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行了許多工作，取得了卓越的成就。光通信技術(shù)就是當(dāng)代通信技術(shù)發(fā)展的最新成就，已成為現(xiàn)代通信的基石。2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)華裔科學(xué)家高錕以及兩位美國(guó)科學(xué)家。高錕獲獎(jiǎng)，是因?yàn)樗凇坝嘘P(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”做出了突破性成就。高錕被譽(yù)為“光纖之父”。早在1966年，高錕就在一篇論文中首次提出用玻璃纖維作為光波導(dǎo)用于通訊的理論。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是提出以玻璃制造比頭發(fā)絲更細(xì)的光纖，取代銅導(dǎo)線作為長(zhǎng)距離的通訊線路。這個(gè)理論引起了世界通信技術(shù)的一次革命。隨著第一個(gè)光纖系統(tǒng)于1981年成功問(wèn)世，高錕“光纖之父”美譽(yù)傳遍世界。光纖通信工作在近紅外區(qū)，其波長(zhǎng)是0.8～l.8μm對(duì)應(yīng)的頻率為167～375THz。光纖通信技術(shù)的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)起到了舉足輕重的地位，發(fā)展前景十分廣闊。光波通信的發(fā)展至今不過(guò)40年，但其進(jìn)展之快，對(duì)通信技術(shù)影響之大，始所未料。光纖通信發(fā)展經(jīng)歷了5代：第1代：1978年工作于0.8μm的第一代光波系統(tǒng)正式投人商業(yè)應(yīng)用，其比特率在20～100Mb人之間，最大中繼間距約10km，最大通信容量（BL）約500Mb／s·km。第2代：1987年1.3μm單模第二代光波系統(tǒng)開(kāi)始投人商業(yè)運(yùn)營(yíng)，其比特率高達(dá)1.7Gb／s，中繼距離約50km。第3代：1990年，工作于2.4Gb／S，1.55μm的第三代光波系統(tǒng)已能提供通信商業(yè)業(yè)務(wù)第4代：20世紀(jì)90年代初期，光纖放大器的問(wèn)世已引起了光纖通信領(lǐng)域的重大變革第5代：基于光纖非線性壓縮抵消光纖色散展寬的新概念產(chǎn)生的光孤子，實(shí)現(xiàn)光脈沖信號(hào)保形傳輸。1994年和1995年80Gb／s和160Gb／s的高速數(shù)據(jù)也分別傳輸500km和200km。光纖通信具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）傳輸頻帶寬，通信容量大。目前使用的光波頻率比微波高103～104倍，通信容量約可增加103～104倍。理論上兩根光纖可傳送上百萬(wàn)個(gè)電話和上百套電視節(jié)目。目前已試驗(yàn)成可通數(shù)萬(wàn)路電話的系統(tǒng)。（2）中繼距離遠(yuǎn)。光纖通信無(wú)中繼的直通距離可比金屬線纜遠(yuǎn)得多，目前可達(dá)100km以上，比同軸電纜大幾十倍。（3）抗電磁干擾能力強(qiáng)，無(wú)串話。光纖是非金屬的光導(dǎo)纖維，即使工作在強(qiáng)電磁場(chǎng)附近或處于核爆炸后強(qiáng)大的電磁干擾的環(huán)境中。光纖也不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓、電流。這有利于傳送動(dòng)態(tài)圖像（如可視電話和電視節(jié)目）。靠近高壓輸電線和與電氣化鐵道并行鋪設(shè)，通信也不受干擾，適于在工廠內(nèi)部的自動(dòng)控制和監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)用，也有利于在多雷地區(qū)、飛機(jī)上以及保密性要求高的軍政單位使用。由于光纖信息限制在光纖內(nèi)傳輸，不會(huì)逸出光纖。所以光纜的光纖之間不會(huì)“串話”，即沒(méi)有纖間串?dāng)_，不易被竊聽(tīng)。（4）光纖細(xì)，光纜輕。光纖直徑一般只有幾微米至上百微米數(shù)量級(jí)，相同容量話路光纜，要比電纜輕90％～95％（光纜的重量?jī)H為電纜的1／10～1／20），直徑不到電纜的1／5，故運(yùn)輸和鋪設(shè)均比銅線電纜方便，并利于在軍用戰(zhàn)斗機(jī)上作信號(hào)控制用。（5）資源豐富，節(jié)約有色金屬和能源。光纖的纖芯和包層的主要原料是二氧化硅，資源豐富且價(jià)格便宜，取之不盡。而電纜所需的銅、鋁礦產(chǎn)則是有限的，采用光纖后可節(jié)省大量的銅材。制造10000km光纖比10000km單管同軸銅線節(jié)約能源2.64×1011J折合標(biāo)準(zhǔn)煤為9×105kg。（6）均衡容易。在工作頻帶內(nèi)，光纖對(duì)每一頻率成分的損耗幾乎是相等的，一般不需在中繼站和接收端采取幅度均衡措施。若需要均衡，一般也容易達(dá)到要求。（7）經(jīng)濟(jì)效益好。由于其通信容量大，中繼距離長(zhǎng)，節(jié)省有色金屬和鋪設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。34Gb/s上光纖通信系統(tǒng)的價(jià)格比同軸電纜便宜30％以上。（8）抗腐蝕、不怕潮濕。即使光纖的外保護(hù)層有小孔、裂縫而進(jìn)水或受潮，也不會(huì)影響光的傳遞，但進(jìn)水和受潮對(duì)金屬導(dǎo)線意味著接地和短路。光纖系統(tǒng)也不存在發(fā)生火花的危險(xiǎn)，安全性好。

光纖通信系統(tǒng)的組成

：系統(tǒng)主要包括3大部分，即光發(fā)送設(shè)備、光接收設(shè)備和光傳輸設(shè)備。光發(fā)送設(shè)備主要有驅(qū)動(dòng)器和光源，其作用是把電端機(jī)輸人的電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，使光源產(chǎn)生出與電信號(hào)相對(duì)應(yīng)的光信號(hào)進(jìn)人光纖。光接收設(shè)備主要有光檢測(cè)器和放大器。當(dāng)光信號(hào)通過(guò)光纖到達(dá)光接收設(shè)備時(shí)，光檢測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大后進(jìn)人電端機(jī)。在沒(méi)有中繼器的短距離通信系統(tǒng)中，傳輸設(shè)備指的是光纜。在遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)中，為了補(bǔ)償光纖的損耗并消除信號(hào)失真與噪聲的影響，光纜經(jīng)過(guò)一定距離需加裝中繼器。中繼器由光檢測(cè)器、電信號(hào)放大器、判決再生電路、驅(qū)動(dòng)器和光源等組成，其作用是將光信號(hào)變成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和再生，然后再交換成光信號(hào)送人下一段光纖中

光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)

：光載波有無(wú)比巨大的通信容量，預(yù)測(cè)光通信的容量可達(dá)40000Gb/s，如此巨大的天文數(shù)字通信容量正在奇跡般地一步一步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。光纖通信未來(lái)的發(fā)展仍具有巨大的潛力。（1）電時(shí)分復(fù)用技術(shù)（2）光波分復(fù)用（WDM）（3）全光通信網(wǎng)絡(luò)以上技術(shù)的實(shí)現(xiàn)取決于近些年來(lái)光電子器件的迅速發(fā)展。由于光電子器件的發(fā)展，光纖通信的試驗(yàn)水平不斷發(fā)展必將帶動(dòng)光纖通信商用系統(tǒng)水平的提高。5.3.6水利工程管理通信系統(tǒng)的主要任務(wù)和設(shè)計(jì)原則1．主要任務(wù)（1）在本工程管理范圍內(nèi)傳輸各種數(shù)據(jù)和命令。（2）與上級(jí)主管部門、氣象部門以及兄弟單位之間傳輸各種資料、信息。（3）防洪、抗旱、排澇等緊急任務(wù)通信。（4）日常工程管理的隨機(jī)信息的通信。（5）一般行政業(yè)務(wù)通信。2．要求通信系統(tǒng)是水利工程現(xiàn)代化管理系統(tǒng)的關(guān)鍵項(xiàng)目之一。其他一些系統(tǒng)，如水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)、防洪抗旱排澇預(yù)警調(diào)度系統(tǒng)、閘門遙控系統(tǒng)等，均必須以建立一個(gè)可靠的通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，因此，通信系統(tǒng)應(yīng)完全符合現(xiàn)代化管理總體功能的需要，具體要求如下：（1）兼有數(shù)據(jù)和話音傳輸功能現(xiàn)代通信系統(tǒng)不僅需要傳輸話音信息，而且在更多的情況下，需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，有時(shí)甚至是圖片，如衛(wèi)星云圖、大壩洪水期變形（或位移）攝像圖等。（2）系統(tǒng)性能要符合要求通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)包括有效性、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性、可維護(hù)性等。其中，從信息傳輸?shù)慕嵌瓤?，最基本、最重要的是有效性和可靠性?）模擬通信系統(tǒng)的有效性和可靠性；2）數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性和可靠性3．系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和步驟（1）設(shè)計(jì)原則1）在布局上，通信系統(tǒng)應(yīng)與行政管理機(jī)構(gòu)相適應(yīng)。2）通信系統(tǒng)中心與重要的水利工程設(shè)施管理單位（如泄洪閘管理站，重要的雨量、水位站）之間應(yīng)具備主副兩個(gè)信道。一般水利工程系統(tǒng)在野外，甚至偏僻山區(qū)，通信受自然環(huán)境條件影響極大，為了保證系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)盡量建立主副兩個(gè)信道，如有線通信和無(wú)線通信。3）通信系統(tǒng)在各節(jié)點(diǎn)上盡可能與郵電公網(wǎng)匯接。目前，我國(guó)郵電公共通信網(wǎng)已經(jīng)深入到廣大城鄉(xiāng)，而且還在不斷地完善之中。水利工程管理的通信系統(tǒng)如能與郵電公網(wǎng)匯接，即便費(fèi)用高一點(diǎn)也是值得的。4）所有設(shè)備均應(yīng)考慮能在惡劣的氣候條件下不間斷工作，在遭遇到最不利情況下仍然可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳輸最基本信息的要求。5）以盡可能低的成本，采用盡可能先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備來(lái)組成一個(gè)有效的、可靠的通信系統(tǒng)，同時(shí)要給系統(tǒng)的適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性和可維護(hù)性以極大的注意。（2）通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序步驟通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序大體可分為如下四個(gè)步驟。1）明確目的和信息量的多少；2）確定系統(tǒng)的質(zhì)量要求及對(duì)運(yùn)行管理人員的素質(zhì)要求；3）決定可用性設(shè)備；4）通信系統(tǒng)的評(píng)定。①系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性與投人的成本和運(yùn)費(fèi)的比較。②需要的管理人員其能力與培訓(xùn)資金和運(yùn)行費(fèi)用的比較。③研究設(shè)備更新，以確定在最后分析中還需要多少附加的資金、時(shí)間和人力，以便在今后系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展中能有一定程度的靈活性和適應(yīng)性等。當(dāng)以上因素都被評(píng)估為良好時(shí)，則“通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)”就達(dá)到要求，可按計(jì)劃進(jìn)行研究、訂購(gòu)和制造新的設(shè)備，最后組建通信系統(tǒng)，完成各種不同的通信目的。5.3大壩自動(dòng)監(jiān)測(cè)（系統(tǒng)）

5.3.1概述

大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（automaticmonitoringsystemfordamsafety）由監(jiān)測(cè)儀器（傳感器）、數(shù)據(jù)采集裝置、通信和電源線路、電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成的自動(dòng)化系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)處理、在線監(jiān)控、離線分析、信息管理、安全評(píng)判和輔助決策，以便采取正確合理的措施，保證大壩安全。它是實(shí)現(xiàn)大壩安全管理現(xiàn)代化的重要手段。系統(tǒng)的應(yīng)用將大大提高大壩安全管理的效率、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性及監(jiān)測(cè)成果的質(zhì)量，還起到減員增效的作用。大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)和大壩安全信息管理系統(tǒng)組成。

大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)分類有3種類型：即集中式、分布式和混合式。（1）集中式系統(tǒng)。由監(jiān)測(cè)儀器（傳感器）、集線箱（轉(zhuǎn)換裝置）和檢測(cè)裝置等組成。該系統(tǒng)的可靠性較低，已逐漸為分布式系統(tǒng)所取代。（2）分布式系統(tǒng)。由監(jiān)測(cè)儀器、監(jiān)測(cè)控制裝置和中央控制裝置組成。系統(tǒng)設(shè)備一般采用總線拓?fù)浣M成通信網(wǎng)絡(luò)，也可組成星形或環(huán)形拓?fù)?。系統(tǒng)內(nèi)外的通信方式可根據(jù)工程特點(diǎn)和實(shí)際要求采用有線、無(wú)線、微波或光纜通信。分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度快，可靠性高，已成大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的主流。（3）混合式系統(tǒng)。由上述2種系統(tǒng)組合而成，兩個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均輸人同一個(gè)信息管理系統(tǒng)，以便統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和管理。大壩采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大壩安全信息管理系統(tǒng)是管理和應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為大壩安全服務(wù)的硬件和軟件的組合，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及相應(yīng)的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、各種有關(guān)支撐軟件及應(yīng)用軟件等組成，具有大壩安全信息管理、資料分析、在線安全監(jiān)控和輔助決策等功能，為工程安全運(yùn)行和技術(shù)發(fā)展服務(wù)。（1）大壩安全信息管理。通過(guò)多種控制模塊、功能模塊和所建數(shù)據(jù)庫(kù)，能對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息，包括在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、人工輸人監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變換的各種監(jiān)測(cè)成果、監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型、安全監(jiān)控指標(biāo)、監(jiān)測(cè)報(bào)表和圖形曲線、大壩工程資料和工程圖、人工巡視檢查信息等進(jìn)行管理，可通過(guò)檢索、排序、合并、變換、匯總、創(chuàng)覽等方法提取有關(guān)大壩安全信息，供進(jìn)一步分析處理或運(yùn)行管理應(yīng)用?？刹捎么蛴　⒗L圖、制表等方式輸出這些信息，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信供有關(guān)部門共享。為了便于運(yùn)行人員操作，保證系統(tǒng)安全，更新維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)一般都備有在線幫助、安全保密、備份管理、維護(hù)升級(jí)等有關(guān)模塊和功能。大壩安全信息管理系統(tǒng)

（2）資料分析。系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要及時(shí)分析，以了解大壩運(yùn)行性態(tài)，對(duì)大壩安全進(jìn)行評(píng)判，提出分析報(bào)告，為大壩運(yùn)行管理和定期檢查鑒定提供依據(jù)。資料分析又為在線安全監(jiān)控和輔助決策提供分析成果，以提高大壩安全管理的自動(dòng)化程度。（3）安全監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型。用于安全監(jiān)測(cè)的數(shù)學(xué)模型有3種，即統(tǒng)計(jì)模型、確定性模型和混合模型。①統(tǒng)計(jì)模型。對(duì)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)資料，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立原因量和效應(yīng)量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，是一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。②確定性模型。是以有限元等力學(xué)計(jì)算方法進(jìn)行大壩結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)建立的數(shù)學(xué)模型。③混合模型。是指水壓分量用有限元計(jì)算，其他分量仍用統(tǒng)計(jì)模式，然后與實(shí)測(cè)值進(jìn)行優(yōu)化擬合建立的數(shù)學(xué)模型。（4）在線大壩安全監(jiān)控。反映大壩性態(tài)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型建立后，還需要根據(jù)設(shè)計(jì)資料和運(yùn)行條件確定大壩安全監(jiān)控指標(biāo)，編制程序，用電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)控。（其原理見(jiàn)圖）（5）輔助決策。由于水工建筑物及其地基的復(fù)雜性，僅僅根據(jù)有限測(cè)點(diǎn)和某些監(jiān)測(cè)物理量的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)或安全評(píng)價(jià)是不夠的。因此，研究以專家系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立大壩安全評(píng)判和決策支持系統(tǒng)，在異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或異常大壩性態(tài)出現(xiàn)時(shí)用以評(píng)判大壩安全程度并迅速?zèng)Q策，以便采取有效措施保證大壩安全。大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)發(fā)展20世紀(jì)60年代以前，大壩監(jiān)測(cè)和安全管理以人工為主。為了減輕觀測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了部分傳感器的集中遙測(cè)，資料整理和分析通常仍由人工進(jìn)行。在60年代～70年代，日本、意大利、西班牙、法國(guó)、美國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)實(shí)現(xiàn)了大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化，同時(shí)在資料整理分析方面普遍應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)，提高了工作效率。有些國(guó)家，如美國(guó)、意大利、法國(guó)等還采取了大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集中管理，利用計(jì)算機(jī)加快了資料分析和反饋的過(guò)程。70年代后期到80年代中期，意大利提出建立安全監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型，利用微型計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的方法。80年代中期一些國(guó)家發(fā)展了分布式大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的可靠性進(jìn)一步提高。中國(guó)于20世紀(jì)70年代開(kāi)展大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化的研究，80年代在一些大壩上實(shí)現(xiàn)了部分監(jiān)測(cè)物理量的數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化。90年代初期，研制成功分布式大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，很快使大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化趨于實(shí)用，趕上了國(guó)際先進(jìn)水平。三峽大壩、小浪底。5.3.2自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本要求

1．實(shí)用性：要適應(yīng)施工期、蓄水期、運(yùn)行期及已建工程更新改造的不同需要，便于維護(hù)和擴(kuò)充，每次擴(kuò)充時(shí)不影響已建系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并能針對(duì)工程的實(shí)際情況兼容各類傳感器。能在溫度-30～+60℃、濕度95％以上及規(guī)定水壓條件下正常工作，能防雷和抗電磁干擾．系統(tǒng)中各測(cè)值宜變換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字量輸出。操作簡(jiǎn)單，安裝、埋設(shè)方便，易于維護(hù)。2．可靠性：保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定、經(jīng)久耐用，觀測(cè)數(shù)據(jù)具有可靠的精度和準(zhǔn)確度，能自檢自校及顯示故障診斷結(jié)果并具有斷電保護(hù)功能。同時(shí)具有獨(dú)立于自動(dòng)測(cè)量?jī)x器的人工觀測(cè)接口。3．先進(jìn)性：自動(dòng)化系統(tǒng)的原理和性能應(yīng)具備先進(jìn)性，根據(jù)需要和可能采用各種先進(jìn)技術(shù)手段和元器件，使系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)外同類系統(tǒng)的先進(jìn)水平。4．經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)中軟硬件要力求價(jià)格低廉，經(jīng)濟(jì)合理，在同樣監(jiān)測(cè)功能下，性能價(jià)格比最優(yōu)，且有良好的售后服務(wù)。除能在線及時(shí)測(cè)量和處理數(shù)據(jù)外，還應(yīng)具有離線輸人接口。5.3.3自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1．集中式（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1）集中式系統(tǒng)是將傳感器通過(guò)集線箱或直接連接到采集器的一端進(jìn)行集中觀測(cè)。在這種系統(tǒng)中，不同類型的傳感器要用不同的采集器控制測(cè)量，由一條總線連接，形成一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。系統(tǒng)中有幾種傳感器，就有幾個(gè)子系統(tǒng)和幾條總線。2）所有采集器都集中在主機(jī)附近，由主機(jī)存儲(chǔ)和管理各個(gè)采集器數(shù)據(jù)。采集器通過(guò)集線箱實(shí)現(xiàn)選點(diǎn)，如直接選點(diǎn)則可靠性較差。（2）系統(tǒng)特點(diǎn)1）當(dāng)傳感器種類單一時(shí)，采集器數(shù)量與傳感器個(gè)數(shù)沒(méi)有關(guān)系，可減少采集器數(shù)量，降低成本。2）因?yàn)椴杉鞔蠖荚谥鳈C(jī)附近，與傳感器距離較遠(yuǎn)。傳感器信號(hào)在總線上傳輸時(shí)，將帶來(lái)信號(hào)衰減及外界干擾等問(wèn)題，使系統(tǒng)可靠度降低。3）因眾多的傳感器接到一條總線上，一旦某種傳感器總線或某臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，則影響整個(gè)系統(tǒng)的觀測(cè)。4）系統(tǒng)組成不合理，因大壩布設(shè)的各類傳感器數(shù)量并不均勻，造成各采集器負(fù)載不同，使系統(tǒng)負(fù)載不平衡。2．分布式（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1）分布式系統(tǒng)是把數(shù)據(jù)采集工作分散到靠近較多傳感器的采集站(測(cè)控單元）來(lái)完成，然后將所測(cè)數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)。這種系統(tǒng)要求每個(gè)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控單元應(yīng)是多功能智能型儀器，能對(duì)各種類型的傳感器進(jìn)行控制測(cè)量。2）在這種系統(tǒng)中，采集站（測(cè)控單元）一般布置在較集中的測(cè)點(diǎn)附近，不僅起開(kāi)關(guān)切換作用，而且將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成抗干擾性能好、便于傳送的數(shù)字信號(hào)。（2）系統(tǒng)特點(diǎn)1）系統(tǒng)中采集站可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模大小及測(cè)點(diǎn)分布位置來(lái)選擇，可按標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，使各采集站的功能相同，但配置不同（硬件配置可根據(jù)傳感器種類而定）。2）系統(tǒng)中各采集站軟硬件通用，減少了備品備件數(shù)量和費(fèi)用，維護(hù)方便、可靠性高、不會(huì)因局部故障影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。同時(shí)因各采集站可同時(shí)工作，采集速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。3）采集站位于現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境中，防潮條件要求高。4）數(shù)據(jù)采集工作是在傳感器附近完成的，不存在各種電子信號(hào)的遠(yuǎn)傳問(wèn)題。雖然主機(jī)與采集站間的通訊線路距離較長(zhǎng)，但線路上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)、抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)需增加特殊處理措施。

3．方案比較（1）數(shù)據(jù)采集方面1）集中式系統(tǒng)是將傳感器連接到靠近主機(jī)的采集器一端進(jìn)行集中觀測(cè)；而分布式系統(tǒng)則把數(shù)據(jù)采集工作分散到各采集站來(lái)完成，可直接傳送到主機(jī)，也可到現(xiàn)場(chǎng)用便攜式微機(jī)或數(shù)據(jù)儲(chǔ)存卡記錄再輸人主機(jī)。2）集中式系統(tǒng)只有一條總線控制測(cè)量裝置，一旦損壞，系統(tǒng)運(yùn)行即告中斷；分布式系統(tǒng)在各采集站分別進(jìn)行觀測(cè)，如發(fā)生故障只影響本采集站，而不影響系統(tǒng)其余各站的觀測(cè)。3）集中式系統(tǒng)觀測(cè)時(shí)各傳感器需在采集器前排隊(duì)，觀測(cè)速度慢，降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；分布式系統(tǒng)各采集站可同時(shí)工作，觀測(cè)速度快，且數(shù)據(jù)采集和處理可同步進(jìn)行。3．方案比較（2）系統(tǒng)擴(kuò)展方面1）集中式系統(tǒng)傳感器與采集器相距較遠(yuǎn)，一般傳送的是模擬信號(hào)。當(dāng)信號(hào)較小時(shí)會(huì)受到干擾，且有較大衰減；分布式系統(tǒng)采集站傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，便于遠(yuǎn)距離傳送。2）集中式系統(tǒng)對(duì)總線電纜要求高（阻抗特性、屏蔽、絕緣電阻），芯數(shù)多、數(shù)量大、易受干擾；分布式系統(tǒng)采集站與傳感器間距離短，與主機(jī)間僅一條總線且僅用一般通訊線即可，芯數(shù)較少。3）集中式系統(tǒng)組成基本上是一個(gè)固定模式，建成后不便于擴(kuò)展；分布式系統(tǒng)只需在原有系統(tǒng)上延伸數(shù)據(jù)總線，增加采集站，就可以在不影響原系統(tǒng)工作情況下擴(kuò)展系統(tǒng)，具有較好的靈活性。3．方案比較（3）適用條件方面1）集中式系統(tǒng)適用于測(cè)點(diǎn)數(shù)量分布均勻，傳感器種類和數(shù)量較少，總線距離又較短及儀器布置集中的小型自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2）分布式系統(tǒng)適用于測(cè)點(diǎn)分布廣，數(shù)量不均勻，傳感器種類和數(shù)量較多，總線距離又較長(zhǎng)的大中型自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。3）混合式系統(tǒng)為上述兩種系統(tǒng)組合而成，必要時(shí)可結(jié)合工程的實(shí)際情況設(shè)計(jì)選用。5.3.4自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成與功能

1．系統(tǒng)組成（1）系統(tǒng)聯(lián)接通常采用分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為中心的輻射狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的中心為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總站，各輻射點(diǎn)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分站。監(jiān)測(cè)分站與傳感器及采集站之間采用有線聯(lián)接，與監(jiān)測(cè)總站及管理中心之間除有線（電線、光纖）外，還可采用無(wú)線（衛(wèi)星、微波、短波、超短波）、電話或網(wǎng)絡(luò)通訊聯(lián)接。（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1）電纜；2）傳感器包括滲壓計(jì)、滲流量計(jì)、垂線儀、傾斜儀、測(cè)縫計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)等各種儀器。應(yīng)選擇其中對(duì)監(jiān)控工程安全起重要作用且人工觀測(cè)又不能滿足要求的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)納人自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)所有納人自動(dòng)化系統(tǒng)的儀器，都應(yīng)預(yù)先經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)值可靠性鑒定，證明其工作性態(tài)正常。3）采集站由測(cè)控單元組成并根據(jù)儀器分布情況決定其布置，一般設(shè)在較集中的儀器測(cè)點(diǎn)附近。4）監(jiān)測(cè)分站一般根據(jù)建筑物規(guī)模及布置情況決定，如大壩、泄水道、電站等可分別設(shè)置分站，應(yīng)避免強(qiáng)電磁干擾。如系統(tǒng)規(guī)模較小，也可以不設(shè)分站。5）監(jiān)測(cè)總站一個(gè)工程設(shè)一個(gè)總站，即現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控中心。應(yīng)有足夠的設(shè)備和工作空間，良好的照明、通風(fēng)和溫控條件。6）管理中心即樞紐管理局或需要遠(yuǎn)傳觀測(cè)數(shù)據(jù)的上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)單位。

2．系統(tǒng)功能（1）傳感器感應(yīng)大壩變形、滲流、應(yīng)力、溫度等各種物理量，將模擬量、數(shù)字量、脈沖量、狀態(tài)量等信號(hào)輸送到采集站。傳感器種類可分為：電阻式、電感式、電容式、振弦式、調(diào)頻式、壓阻式、變壓器式、電位器式等。（2）采集站1）根據(jù)確定的觀測(cè)參數(shù)、計(jì)劃和順序進(jìn)行實(shí)際測(cè)量、計(jì)算和存儲(chǔ)，并有自檢、自動(dòng)診斷功能和人工觀測(cè)接口。除與主機(jī)通訊外，還可定期用便攜式計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)。2）根據(jù)確定的記錄條件，將觀測(cè)結(jié)果及出錯(cuò)信息與指定監(jiān)測(cè)分站或其他測(cè)控單元進(jìn)行通信。能選配不同的測(cè)量模塊或板卡，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種類型傳感器的信號(hào)采集。3）檢測(cè)指定的報(bào)警條件，一旦報(bào)警狀態(tài)或條件改變則通知指定的監(jiān)測(cè)分站。4）將所有觀測(cè)結(jié)果保存在緩沖區(qū)中，直到這些信息被所有指定監(jiān)測(cè)分站明確無(wú)誤地接收完為止。5）管理電能消耗，在斷電、過(guò)電流引起重啟動(dòng)或正常關(guān)機(jī)時(shí)，保留所有配置設(shè)定的信息。并具有防雷、抗干擾、防塵、防腐，適用于惡劣溫濕度環(huán)境。6）采集系統(tǒng)的運(yùn)行方式主要分中央控制式（應(yīng)答式）及自動(dòng)控制式(匯報(bào)式），必要時(shí)也可采用任意控制式。

（3）監(jiān)測(cè)分站1）系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集：巡測(cè)、選測(cè)、正常及加速周期等數(shù)據(jù)采集。2）輸人人工讀數(shù)或記錄器讀數(shù)，將所屬測(cè)控單元內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)匯集到監(jiān)測(cè)分站中。3）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)檢查校核，包括軟硬件系統(tǒng)自身檢查、數(shù)據(jù)可靠性和準(zhǔn)確度檢查及數(shù)學(xué)模型檢查。4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、刪除、插人、記錄、顯示、換算、打印、查詢及儀器位置、參數(shù)工作狀態(tài)顯示。5）安全監(jiān)控、預(yù)報(bào)及報(bào)警。6）能與采集站和監(jiān)測(cè)總站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、雙向通訊。（4）監(jiān)測(cè)總站1）除監(jiān)測(cè)分站功能外，還應(yīng)具有圖像顯示、工程數(shù)據(jù)庫(kù)及其數(shù)據(jù)管理功能。2）具有較強(qiáng)的脫機(jī)（離線）處理功能，并備有齊全的數(shù)據(jù)分析處理軟件。3）將各監(jiān)測(cè)分站數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯集到總站數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，再次進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)異常即反饋到分站進(jìn)行校核或現(xiàn)場(chǎng)檢查。4）建立、標(biāo)定安全監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型，并進(jìn)行影響因素分解及綜合性的分析、預(yù)報(bào)和安全評(píng)價(jià)。5）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及雙向通訊功能。

3．軟件配置（1）配置要求1）建立數(shù)據(jù)庫(kù)。建立各種觀測(cè)資料及有關(guān)的工程設(shè)計(jì)、施工資料數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)一存人計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理，并能方便地提供資料分析調(diào)用。2）進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。利用計(jì)算機(jī)對(duì)各種原始監(jiān)測(cè)資料自動(dòng)進(jìn)行可靠性檢查，把含有粗差的測(cè)值定位和剔除，并能進(jìn)行觀測(cè)值序列的系統(tǒng)誤差檢驗(yàn)。3）建立觀測(cè)值的各種數(shù)學(xué)模型。包括建立統(tǒng)計(jì)性模型、確定性模型和混合性模型進(jìn)行安全預(yù)報(bào)和監(jiān)控，并且隨著時(shí)間的推移和觀測(cè)資料的積累而自動(dòng)對(duì)原模型參數(shù)進(jìn)行修正，以適應(yīng)水工建筑物的變化規(guī)律。4）進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析。計(jì)算各種工況下的位移、滲流。應(yīng)力和穩(wěn)定安全系數(shù)，自動(dòng)擬定安全監(jiān)控指標(biāo)，并能對(duì)混凝土和基巖彈模、導(dǎo)溫和熱膨脹系數(shù)及巖土滲透系數(shù)等特性參數(shù)進(jìn)行反演。5）繪制各種相應(yīng)的圖表及報(bào)表。自動(dòng)繪制各種過(guò)程線、相關(guān)線、分布圖及數(shù)學(xué)模型分析、分解的成果圖等，并進(jìn)行畫(huà)面及圖像顯示供管理人員方便地使用。6）對(duì)水工建筑物的各種工況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。作為大壩安全運(yùn)行、鑒定或加固的依據(jù)并對(duì)安全性作出判斷或報(bào)警。

（2）運(yùn)行環(huán)境1）計(jì)算機(jī)；2）操作系統(tǒng)；3）系統(tǒng)外設(shè)：打印機(jī)、繪圖儀、掃描儀；工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、不間斷電源、防雷接地等輸人輸出設(shè)備，還要留有數(shù)據(jù)通訊、大屏幕動(dòng)態(tài)顯示、電視圖像監(jiān)視及聯(lián)網(wǎng)接口等。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）采用層次化、模塊化的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)一般分為五大模塊，包括數(shù)據(jù)管理庫(kù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理庫(kù)、信息分析庫(kù)、監(jiān)控庫(kù)和圖表庫(kù)。2）每個(gè)功能模塊下可分為若干子模塊，模塊的調(diào)用采用中文窗口式菜單，人機(jī)交互界面，又有功能鍵激活操作，以方便使用。

5.3.5報(bào)警準(zhǔn)則1．設(shè)計(jì)要求1）應(yīng)以上述觀測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型為重點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警。隨著大壩運(yùn)行情況的變化，必要時(shí)還可在適當(dāng)位置調(diào)整或增減個(gè)別儀器觀測(cè)點(diǎn)，以增大報(bào)警系統(tǒng)的可靠性和有效性，保證工程安全。2）在公共安全報(bào)警之前要對(duì)儀器故障報(bào)警和測(cè)值超限報(bào)警的真實(shí)性進(jìn)行檢查鑒別。建議將庫(kù)水位超過(guò)設(shè)計(jì)最高洪水位和水庫(kù)泄洪量超過(guò)設(shè)計(jì)最大泄量也作為報(bào)警指標(biāo)之一，有條件時(shí)，可將安全監(jiān)測(cè)和水情測(cè)報(bào)兩種報(bào)警系統(tǒng)相結(jié)合，組成一個(gè)統(tǒng)一的報(bào)警系統(tǒng)。3）報(bào)警器最好具有遠(yuǎn)距離發(fā)送、接收及進(jìn)行無(wú)線傳輸信號(hào)的能力。4）根據(jù)需要可同時(shí)設(shè)計(jì)并安裝一套能在遠(yuǎn)離大壩的監(jiān)測(cè)分站或監(jiān)測(cè)總站進(jìn)行監(jiān)測(cè)的大壩電視圖像監(jiān)視系統(tǒng)，為對(duì)大壩和水庫(kù)的直觀檢查提供手段。5）報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求將錯(cuò)誤報(bào)警減至最少而保證真實(shí)報(bào)警能全部發(fā)送。2．報(bào)警準(zhǔn)則1）設(shè)計(jì)的事故報(bào)警系統(tǒng)分高、中、低3級(jí)。2）低級(jí)報(bào)警可在觀測(cè)人員內(nèi)部引起注意，中級(jí)報(bào)警應(yīng)提醒工程管理人員加強(qiáng)對(duì)大壩安全的管理，但大壩還沒(méi)有破壞的情況，高級(jí)報(bào)警則預(yù)示大壩可能出現(xiàn)事故或失事。3．圖像監(jiān)視（1）系統(tǒng)功能1）電視圖像監(jiān)視系統(tǒng)是為了提高報(bào)警的可靠性，更好地了解和檢查大壩的工作狀態(tài)和運(yùn)行情況，著者建議有條件的工程可建立大壩圖像監(jiān)視系統(tǒng)，作為大壩安全監(jiān)測(cè)重要的輔助手段。2）主要是對(duì)大壩、地基、岸坡的關(guān)鍵部位及觀測(cè)設(shè)施建立圖像觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將圖像傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)分站、總站或管理中心，進(jìn)行圖像監(jiān)視、顯示、錄制、回放，并對(duì)攝像設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)控。3）系統(tǒng)應(yīng)具有抗高溫、高濕、強(qiáng)電磁場(chǎng)及室外設(shè)備防雷、防雨、防塵功能。4）局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的用戶，可以通過(guò)圖像監(jiān)視服務(wù)器訪問(wèn)所有觀測(cè)點(diǎn)的圖像。（2）系統(tǒng)組成；（3）圖像傳輸5.4灌區(qū)渠道運(yùn)行控制

5.4.1渠道運(yùn)行控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

渠道運(yùn)行自動(dòng)控制是自動(dòng)控制技術(shù)在渠道系統(tǒng)運(yùn)行中的應(yīng)用，它融入了明渠水力學(xué)、自動(dòng)控制理論以及供水與用水的管理科學(xué)知識(shí)，是一個(gè)多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域。渠道自動(dòng)控制是在遵循渠道水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上實(shí)行的自動(dòng)控制，一方面控制中必須充分考慮渠道水流的水力特性、水波的傳播特性以及渠道運(yùn)行中的安全、經(jīng)濟(jì)等要求，才有可能取得好的運(yùn)行控制效果；另一方面自動(dòng)控制系統(tǒng)自身必須具備良好的自控品質(zhì)和系統(tǒng)設(shè)備適應(yīng)渠道惡劣的野外運(yùn)行環(huán)境，才有可能使渠道自控系統(tǒng)技術(shù)得以廣泛的應(yīng)用。由于渠道輸水系統(tǒng)分布空間大、水流運(yùn)動(dòng)非恒定性、外界干擾不確定性以及控制系統(tǒng)大滯后和非線性，使得渠道運(yùn)行控制復(fù)雜，因此，盡管渠道自動(dòng)控制的研究歷史很長(zhǎng)，但后期發(fā)展較為緩慢。

在國(guó)外，灌溉自動(dòng)化始于上世紀(jì)三十年代，首先由法國(guó)Neyrpic公司研制出一系列的用于明渠自動(dòng)控制的水力自動(dòng)閘門和其它灌溉渠道自動(dòng)化裝備，提出了水力自動(dòng)化灌溉的控制方式，并于1937年成功地將上游常水位控制閘門AMIL安裝于阿爾及利亞的OuedRhiou地區(qū)的灌溉工程中，實(shí)現(xiàn)了灌溉渠道水力自動(dòng)化調(diào)節(jié)和輸水，控制最大流量為10m3/s。到了上世紀(jì)40年代末，發(fā)展了常下游水位閘門（Avis.Avio閘門）。二戰(zhàn)之后，國(guó)外進(jìn)一步發(fā)展了利用電氣控制的渠系自動(dòng)化控制設(shè)備，充分利用了電氣訊號(hào)傳輸速度快的特點(diǎn)，提出了一些新的控制方式，并發(fā)展了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模擬技術(shù)。由美國(guó)肯務(wù)局1952年開(kāi)發(fā)安裝在美國(guó)ColumbiaBasin工程上的Little-Man自動(dòng)控制裝置獲得成功，它的基礎(chǔ)是三點(diǎn)控制器，即設(shè)定常水位和靜區(qū)值。三點(diǎn)控制器的工作狀態(tài)為：水位位于靜區(qū)內(nèi)，關(guān)閉狀態(tài)，沒(méi)有糾正作用；水位高于靜區(qū)上限以上，開(kāi)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)閘門降低水位；水位低于靜區(qū)下限，開(kāi)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)閘門提高水位。在三點(diǎn)控制的基礎(chǔ)上加上比例控制，Little-man被改造成Govin控制器。在國(guó)內(nèi)，由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的滯后和經(jīng)濟(jì)實(shí)力等多方面的原因，渠道自動(dòng)控制理論研究和應(yīng)用技術(shù)水平都落后于發(fā)達(dá)的國(guó)家。上世紀(jì)50年代，我國(guó)才開(kāi)始有學(xué)者著手研究和引進(jìn)渠道自動(dòng)控制技術(shù)，不過(guò)當(dāng)時(shí)渠道自動(dòng)控制技術(shù)也僅僅表現(xiàn)在水力自動(dòng)閘門的應(yīng)用上，而且具有渠道自動(dòng)控制概念上的水力自動(dòng)閘門也只是在比較發(fā)達(dá)的省份的部分水利灌溉工程中才得到運(yùn)用。從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，不少高等院校和科研機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者進(jìn)行了渠道自動(dòng)控制技術(shù)的研究工作，也取得了一些重要成果（其中以武漢大學(xué)王長(zhǎng)德教授為代表的研究隊(duì)伍和中國(guó)水電科學(xué)研究院王念慎等）。渠道運(yùn)行控制技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用并不廣泛，上世紀(jì)80年代初，水利部在韶山灌區(qū)（人民勝利渠）等典型灌區(qū)開(kāi)始實(shí)施渠道運(yùn)行自動(dòng)控制試點(diǎn)工作，但當(dāng)時(shí)自動(dòng)化程度較低，主要是顯示渠道水位和流量，閘門控制中有人為手動(dòng)指令動(dòng)作。目前，國(guó)內(nèi)渠道運(yùn)行控制，多數(shù)是以單個(gè)閘門形式來(lái)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)渠道局部水位或流量的自動(dòng)化控制，尚沒(méi)發(fā)現(xiàn)對(duì)整體灌區(qū)渠道系統(tǒng)實(shí)施全自動(dòng)控制的。渠道運(yùn)行控制理論和技術(shù)的研究，雖然取得了較多的科研成果，但在系統(tǒng)控制品質(zhì)和實(shí)際應(yīng)用技術(shù)上仍存在不少遺留問(wèn)題和困難。如：(1)實(shí)際工程中渠道系統(tǒng)控制，由于難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，使得傳統(tǒng)PID控制（在過(guò)程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器，亦稱PID調(diào)節(jié)器，是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器）的實(shí)現(xiàn)較為困難。(2)整個(gè)渠道系統(tǒng)作為大系統(tǒng)的自動(dòng)控制，其滯后時(shí)間往往是以天計(jì)，這在傳統(tǒng)的工業(yè)過(guò)程控制中難得一見(jiàn)，因此大滯后渠道系統(tǒng)作為集中控制將十分困難。(3)渠道非均勻流、控制對(duì)象的流固強(qiáng)耦合、非線性以及控制設(shè)備的適用性等，使得渠道運(yùn)行控制的許多實(shí)際應(yīng)用中技術(shù)難問(wèn)題。(4)如何充分利用當(dāng)今發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)資源，將渠道控制策略與灌區(qū)用水供求的高層決策一起考慮，這種人腦控制決策思想的高級(jí)智能控制，在實(shí)際工程應(yīng)用中還有很多技術(shù)問(wèn)題，有待于更多的探索。(5)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們所面臨的問(wèn)題越來(lái)越多，需要加以控制的對(duì)象和過(guò)程變得越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)控制質(zhì)量的要求也變得日益嚴(yán)格。在這種情況下，現(xiàn)代控制理論也顯得軟弱無(wú)力，其局限性就日益突出。

5.4.2渠道運(yùn)行特征與準(zhǔn)則

渠道正常運(yùn)行是計(jì)劃供水和配水的必要保證。渠道的良好運(yùn)行，是遵循渠道水力學(xué)規(guī)律和渠道安全運(yùn)行原則，在滿足渠道及控制建筑物等邊界約束條件下運(yùn)用合理的渠系調(diào)控方法來(lái)得以實(shí)現(xiàn)的。5.4.2.1渠道水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律無(wú)論渠道用于供水型還是需水型系統(tǒng)，渠道水流流態(tài)大體上可分為恒定流和非恒定流，實(shí)際中恒定流是一種理想狀態(tài)，當(dāng)上游水庫(kù)供水穩(wěn)定，渠系達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以認(rèn)為渠道流態(tài)是恒定流，在此情況下，各渠段可能出現(xiàn)的水流有均勻流、漸變流和急流。均勻流是一種理想流態(tài)，只有在較長(zhǎng)的順直渠道上，無(wú)分水口和節(jié)制建筑物的情況下才可能出現(xiàn)。急流一般出現(xiàn)在渠道節(jié)制閘，分水口和溢流堰等建筑物后，如水躍、跌水等急流，急流往往破壞渠道連續(xù)平緩的水面線。在渠道中較多見(jiàn)的還是漸變流。當(dāng)上游水庫(kù)供水不穩(wěn)定或在渠道各節(jié)制閘在調(diào)控過(guò)程中，渠道水流從一種穩(wěn)定狀態(tài)變到另一穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，渠道中水流為非恒定流。嚴(yán)格地講，渠道水流是非恒定流，而且非恒定流下的流態(tài)與渠段邊界條件上下游節(jié)制建筑物（節(jié)制閘）以及附近的分水口有關(guān)，即便是同一渠段，在不同運(yùn)行時(shí)刻，其流態(tài)也有變化。所以，渠道水流的基本特征要素如水位區(qū)和流量是隨時(shí)間t和沿程s發(fā)生變化的，即有：

圣維南提出了著名的明渠非恒定流基本方程：此外，渠道中開(kāi)啟和關(guān)閉閘門都會(huì)產(chǎn)生水面漲水波和落水波的傳播運(yùn)動(dòng)，其波速一般都是平均渠道水流速度的10幾倍。實(shí)際上，波的前緣傳播速度是渠道形狀的函數(shù)，如表達(dá)式所示：移動(dòng)波的速度是一個(gè)重要的運(yùn)行準(zhǔn)則，它決定了渠道中一點(diǎn)的流量變化何時(shí)影響到另一點(diǎn)。例如，當(dāng)渠的流量增大時(shí)，一般假定增加的流量以渠中水流速度向下游傳播，直至到達(dá)分水閘時(shí)，分水閘處的流量才得以增加。但事實(shí)上，下游各點(diǎn)，在移動(dòng)波峰前緣到達(dá)時(shí)流量就開(kāi)始增加，比按照明渠中平均流速預(yù)測(cè)的時(shí)間要快得多。5.4.2.2渠道運(yùn)行方式

渠道的運(yùn)行方法取決于渠段水面支樞點(diǎn)的位置（支樞點(diǎn)是渠段內(nèi)水面波動(dòng)時(shí)，水深保持不變的位置），按其在渠道的相對(duì)位置可將渠道的運(yùn)行方式分為：1.下游定水深；2.上游定水深；3.等容積；4.控制蓄量。

（a）下游定水深；（b）上游定水深；（c）等容積；（d）控制蓄量（1）下游定水深運(yùn)行方式下游定水深運(yùn)行方式是保持每一段渠下游端水深相對(duì)穩(wěn)定，如圖4-1（a）所示。該方式被廣泛采用，其優(yōu)點(diǎn)是渠道尺寸可按通過(guò)最大恒定流量設(shè)計(jì)，恒定狀態(tài)的水深從不超過(guò)設(shè)計(jì)流量下的正常水深，棱柱體渠道尺寸和超高可以達(dá)到最小，從而減少了渠道建設(shè)費(fèi)用。在以需求為主的輸水渠道中，下游定水深運(yùn)行方式存在缺點(diǎn)，即渠段蓄量必須按與自然趨勢(shì)相反的方向改變。為了實(shí)現(xiàn)蓄量變化，渠段上游端的入流變化必須超量補(bǔ)償出流變化，入流量的變化要大于出流量的變化，直至達(dá)到新的水流恒定狀態(tài)。如果可以預(yù)測(cè)需水量的變化，入流就可以超前于出流的變化而提前反應(yīng)。因此在下游定水深運(yùn)行的渠道中，需水量的變化比供水量的變化更難控制，以供給為主運(yùn)行的渠道要比需求為主的運(yùn)行渠道反應(yīng)更快、更容易，上游端較大的流量變化可能都不致發(fā)生問(wèn)題，下游段的流量變化必須小且變化緩慢以避免過(guò)大的水位波動(dòng)。通常采用預(yù)測(cè)，使上游流量變化超前于需要的變化量，以此來(lái)改善系統(tǒng)對(duì)渠段蓄量變化的反應(yīng)速度。

（2）上游定水深運(yùn)行方式水面以渠段上游端為軸運(yùn)動(dòng)，使上游保持定水深，上游定水深方法有時(shí)也叫“水平渠岸”運(yùn)行，因?yàn)榍侗仨毷撬降?，以適應(yīng)零流量水面線，如圖4-1（b）所示。修建水平渠岸是這個(gè)方法的主要缺點(diǎn)，水平渠岸大大增加了渠道建設(shè)費(fèi)用，特別是對(duì)于混凝土襯筑的渠道。除了哪些控制閘之間水位落差很小的渠道和以低于最大過(guò)流能力運(yùn)行的渠道外，大多數(shù)渠道都不能采用水平渠岸運(yùn)行方式，除非每一渠段的下游增加渠岸和襯砌。由于渠中水深至少應(yīng)處于滿流正常水深，所以分水閘可以位于渠段內(nèi)任一位置。然而，如果分水閘處需要定水頭，則應(yīng)處于渠段上游端。棄水道也應(yīng)位于同樣的地方，以達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)結(jié)合下游運(yùn)行概念時(shí)（以需求為主的運(yùn)行），上游定水深運(yùn)行方式更為有效，渠段下游端產(chǎn)生的流量變化引起渠道水深按需要的方向變化，最后達(dá)到新的恒定狀態(tài)的水面線。可見(jiàn)水平渠岸運(yùn)行的主要優(yōu)點(diǎn)是能很好地適應(yīng)水量需求變化，具有調(diào)節(jié)蓄水量的能力。通過(guò)小流量時(shí)，渠段中的蓄量增加，可增加需求供水；通過(guò)大流量時(shí)，如果出流量減少，原水面以上可蓄存額外水量供使用。水平渠岸運(yùn)行不適用于以供水為主的渠道，否則運(yùn)行低效，增加的水平渠岸建設(shè)費(fèi)用將被白白浪費(fèi)。

（3）等容積運(yùn)行方式這種運(yùn)行方式理論上是指渠段總是保持相對(duì)穩(wěn)定的蓄量，當(dāng)流量變化時(shí)，水面以渠段中心為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從一種恒定流狀態(tài)變化到另一種恒定流狀態(tài)渠段蓄量不變，這種運(yùn)行方式有時(shí)也稱“同步運(yùn)行”,因?yàn)橥竭\(yùn)行閘門通常是用來(lái)保持蓄量的不變。渠段鍥型蓄量的變化對(duì)稱地出現(xiàn)于渠段中間支樞點(diǎn)的兩側(cè),如圖4-1（c）所示。對(duì)一給定的流量變化,每一鍥形的蓄量變化相等,方向相反。當(dāng)流量減少時(shí),上游鍥形蓄量減少,下游鍥形蓄量增加,當(dāng)流量增加時(shí),則相反。等容積運(yùn)行的主要優(yōu)點(diǎn)是渠段蓄量沒(méi)有發(fā)生改變，因此能迅速改變整個(gè)渠系的水流狀態(tài)。整個(gè)渠系在上游定水深和下游定水深運(yùn)行方式條件下,水流從一種變恒定流狀態(tài)到另一種恒定流狀態(tài)的改變,往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能完成,而等容積運(yùn)行方式避免了這種運(yùn)行耗時(shí)的缺點(diǎn)。等容積運(yùn)行就增加渠岸工程來(lái)說(shuō)，則介于上游定水深和下游定水深兩種運(yùn)行方式之間,優(yōu)于上游定水深。但等容積運(yùn)行可能會(huì)增加節(jié)制閘的數(shù)量，特別是在渠道底坡較大的情況下控制渠段長(zhǎng)度受到限制，從而增加了工程投資。（4）控制蓄量運(yùn)行方式渠系運(yùn)行可以通過(guò)控制一個(gè)或多個(gè)渠段中的蓄水量來(lái)實(shí)現(xiàn),這種運(yùn)行方式的渠段沒(méi)有固定的支樞點(diǎn),如圖4-1（d）所示，運(yùn)行以蓄量為依據(jù),所以流量或水深都可用作觀測(cè)參數(shù)。在幾種運(yùn)行方式中控制蓄量運(yùn)行方式最為靈活,渠道運(yùn)行可以比較容易適應(yīng)正常、非正常和應(yīng)急工況，因?yàn)闆](méi)有固定水深的限制，運(yùn)行的靈活性主要受水位波動(dòng)范圍限制?？刂菩盍窟\(yùn)行方式下的渠系運(yùn)行能夠適應(yīng)較寬的流量變化范圍，在沒(méi)有用渠道外蓄水或使用棄水道的情況下，流量突然有大的變化時(shí)，渠段通過(guò)自身一定的調(diào)蓄能力也可以滿足渠道的正常運(yùn)行。控制蓄量運(yùn)行方式特別適合于需要考慮非峰荷時(shí)間抽水的渠系運(yùn)行。這種運(yùn)行方式的缺點(diǎn)之一是需較大的渠道調(diào)蓄能力，即較大的渠堤超高或較大的渠堤斷面，另一個(gè)缺點(diǎn)是渠段水位變幅較大，對(duì)旁側(cè)取水口的流量控制不利，此外，這種運(yùn)行方式不適合人工控制。

5.4.2.3渠道安全運(yùn)行原則

渠道安全運(yùn)行主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）渠道安全超高與漫頂一般渠道運(yùn)行的最大水深Hmax不得超過(guò)渠道襯砌高度，為了安全起見(jiàn)，渠道堤頂都預(yù)留安全超高，以防在渠道運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)漫頂，造成嚴(yán)重的侵蝕甚至潰決。2）水面降低速率限制渠道中流量突然增大，只要水位不超高，對(duì)渠道一般不會(huì)有不利影響，但是過(guò)快的水面驟降，對(duì)于襯砌破壞來(lái)說(shuō)是相當(dāng)不利的，過(guò)大的反滲壓力會(huì)導(dǎo)致襯砌破壞。所以渠道運(yùn)行中，通常要限制節(jié)制閘閘門調(diào)節(jié)變化速度，控制流量的突然變化，以防止產(chǎn)生較大的逆水波。3）渠道的調(diào)蓄庫(kù)容與棄水道一般渠道沒(méi)什么調(diào)蓄能力，渠道引多少流量，渠道就輸送多少流量，但對(duì)于有些渠道穿過(guò)一定數(shù)量的池塘和水庫(kù)，則這樣的渠道有一定的調(diào)蓄能力，有效的調(diào)蓄能力有助于增加渠系運(yùn)行的靈活性，以平衡輸水供求計(jì)劃之間的差異。當(dāng)渠道無(wú)調(diào)蓄能力時(shí)，當(dāng)區(qū)間來(lái)水增大或用水突然減少時(shí)，渠道多余流量應(yīng)當(dāng)安全泄走，所以在渠系中合適的地方布置棄水道，并在渠道棄水口設(shè)置泄水閘或溢流堰，以保證渠道的安全運(yùn)行。

5.4.2.4渠道及控制建筑物等邊界條件

渠道水流運(yùn)動(dòng)受到渠道邊界及渠道上一些控制建筑的約束，渠道控制運(yùn)行是保證水流以一定的水面坡降、流速和水深范圍在渠道中運(yùn)行。為了使渠道取水口獲得取水流量的穩(wěn)定，通常要保證取水口處的渠道水位相對(duì)穩(wěn)定。而天然渠道水位隨流量變化而變化，所以在渠道中為了配合取水口的取水，一般需要設(shè)置節(jié)制閘，對(duì)渠道中的水位和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。節(jié)制閘的位置和相鄰節(jié)制閘的間距與渠道底坡，渠測(cè)取水口的位置以及渠道運(yùn)行控制方式等有關(guān)。相鄰節(jié)制閘之間的渠道，通常叫渠池，渠段長(zhǎng)度對(duì)渠道運(yùn)行控制有較大影響。渠段長(zhǎng)，底坡大，流量變化會(huì)引起較大的水面波動(dòng)。

5.4.3渠道自動(dòng)控制及控制系統(tǒng)組成

對(duì)渠道實(shí)行自動(dòng)控制，采用的控制方式應(yīng)滿足以下三方面的要求：1）當(dāng)渠道輸水量發(fā)生突然變化時(shí)，系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間要短，即系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間Ts要短；2）渠道自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)渠道水位和流量的控制要穩(wěn)定，即要求不能出現(xiàn)嚴(yán)重的超調(diào)現(xiàn)象，不至于引起較大的波動(dòng)；3）對(duì)于設(shè)定的控制水位或流量，控制系統(tǒng)滿足一定的精度控制要求。渠道控制大致可分為：就地控制、（遠(yuǎn)地）中央控制、綜合系統(tǒng)控制三類。5.4.3.1就地控制

就地控制是對(duì)需要控制運(yùn)行的一段渠道的水位或流量實(shí)施控制，通常被控對(duì)象是該渠段的上游或下游的節(jié)制閘，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)制閘閘門開(kāi)度來(lái)調(diào)控渠道水位或流量。按照控制信息來(lái)源方向不同，就地控制可分為：①上游控制；②下游控制①上游控制是從控制閘門上游獲得水位或流量等控制信息。實(shí)際工程中常采用的是（閘）上游常水位控制，即控制下游閘門維持上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位恒定，與前面提到的渠段下游常水位運(yùn)行是相匹配的。②下游控制是從被控閘門下游獲取水位或流量等控制信息。實(shí)際工程中常采用的是（閘）下游常水位控制，即控制上游閘門維持下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位恒定，與前面提到的渠段上游常水位運(yùn)行是相匹配的。實(shí)際工程中屬下游運(yùn)行的下游常水位控制系統(tǒng)的有：NERYPIC系統(tǒng)、Bival系統(tǒng)、EL—FLO系統(tǒng)、CARDD系統(tǒng)等

5.4.3.2（遠(yuǎn)地）中央控制

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，渠系自動(dòng)化控制也向遠(yuǎn)程遙測(cè)遙控和全部渠系集中調(diào)度控制方向發(fā)展，使整個(gè)渠系或灌區(qū)的輸水系統(tǒng)的控制集中在控制中心，由中心收集水情信息，并由中心發(fā)出控制指令，這樣的控制也叫中央控制。優(yōu)點(diǎn)：中央控制較多地采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使所有渠道或渠段介入運(yùn)行，以滿足各自需求，調(diào)蓄或泄掉多余的棄水。中央控制系統(tǒng)可以使渠系調(diào)控反應(yīng)時(shí)間大大縮短，并可在各控制渠段之間建立相互協(xié)調(diào)關(guān)系，使輸水和供水趨于平衡，在保證灌區(qū)渠系蓄水或棄水在全局范圍內(nèi)達(dá)到最優(yōu)的情況下保證控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

5.4.3.3綜合控制

綜合控制是中央集中控制和就地控制相結(jié)合的一種控制方法。綜合控制方法對(duì)一般的渠系是適合的，中央控制用于渠系渠首閘門和其它主要分水口的分水閘的控制，而渠系中節(jié)制閘和其它小的取水口采用就地控制。綜合控制可以減小中央控制規(guī)模，節(jié)省監(jiān)控系統(tǒng)投資；當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，渠系在就地控制下仍能維持運(yùn)行。

5.4.3.4渠系自動(dòng)控制的基本組成

比較合理的渠道運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，如圖4－2所示。由三個(gè)基本部分組成，即①傳感器；②控制器；③執(zhí)行機(jī)構(gòu)。1）傳感器在渠道控制系統(tǒng)中，傳感器一般采用水位傳感器（步進(jìn)觸點(diǎn)電阻式、壓力式、光電式、電測(cè)水尺等），通過(guò)傳感器來(lái)檢測(cè)渠道中控制水位，或通過(guò)水位來(lái)反映斷面控制流量。2）控制器是渠道控制系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行分析、加工，并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出操作指令。隨著控制理論和技術(shù)的進(jìn)步，控制器也在向智能方向發(fā)展。3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接執(zhí)行控制操作命令，對(duì)運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生影響的機(jī)構(gòu)，如各種自動(dòng)閥門或閘門等。5.4.4大型灌區(qū)渠系運(yùn)行控制策略研究

所討論的大型灌區(qū)渠系運(yùn)行控制，是指包括自渠首到渠末端的所有分支渠道，而不是單一的某個(gè)渠段的運(yùn)行控制，因此，其運(yùn)行控制策略的制訂應(yīng)與灌區(qū)信息化建設(shè)結(jié)合起來(lái)考慮，使得它們?cè)诠鄥^(qū)管理中成為一個(gè)有機(jī)的整體。目前，全國(guó)大型灌區(qū)信息系統(tǒng)，亦把渠系系統(tǒng)自動(dòng)化控制納入其中，使其成為重要的組成部分，如圖4－3所示是一個(gè)實(shí)際的灌區(qū)信息化系統(tǒng)規(guī)劃的總體結(jié)構(gòu)示意圖。不難看出，灌區(qū)運(yùn)行管理所需要的所有信息資源和通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等決策支持系統(tǒng)，最終落到實(shí)處的是渠系自動(dòng)調(diào)控，使之實(shí)現(xiàn)安全實(shí)時(shí)適量地完成輸水任務(wù)。根據(jù)信息化建設(shè)內(nèi)容以及渠系自動(dòng)控制的自身特點(diǎn)，可以認(rèn)為渠道運(yùn)行控制與灌區(qū)來(lái)水、用水需求密切相關(guān)，需求決定供水，因此灌區(qū)渠系系統(tǒng)是需水型系統(tǒng)。5.4.4.1渠首控制系統(tǒng)

灌區(qū)渠系能否實(shí)時(shí)適量地對(duì)整個(gè)灌區(qū)供水，在很大程度上取決于渠首取水量對(duì)時(shí)間分布的合理性，因此渠首取水閘的自動(dòng)控制是渠系良好運(yùn)行控制的先決條件。一般情況下，已建灌區(qū)的渠首取水最大流量Qmax是受上游供水水庫(kù)的來(lái)水水位和流量限制，同時(shí)也受到下游干渠渠首的通過(guò)能力限制，這是一個(gè)灌區(qū)建成后所固有的特性，不好輕易改變。渠首取水流量Q（Q≤Qmax）是與需水要求和下游渠道運(yùn)行特性相關(guān)的，是時(shí)間的變量，即可以表示為Q（t），理論上Q（t）是滿足渠道安全運(yùn)行的灌區(qū)灌