4--水库安全信息管理系统与闸门监控

水库安全信息管理系统与闸门监控水利部大坝安全管理中心2010年10月向衍博士、高级工程师提纲〇、前言一、大坝安全监测自动化二、水库安全监控与管理信息化三、大坝安全监测预警系统四、闸门监控系统前言自动化控制的必要性大坝安全监测的项目众多，测点布置分散且有些地理位置偏僻、环境恶劣的地方，这些都需要花费大量时间和人力去进行观测、数据采集和计算分析。自动化系统减少了人为重复性劳动，可最终实现“无人值班，少人值守”自动化控制系统能够快速、准确地进行大坝安全参数测量、数据采集和传输，并能进行资料整编和分析，能大大减少人为因素的不确定性。自动化控制系统能极大地提高管理大坝的能力，也提高了尽早发现事故隐患的可能性提纲〇、前言一、大坝安全监测自动化二、水库安全监控与管理信息化三、大坝安全监测预警系统四、闸门监控系统一、大坝安全监测自动化系统结构一、大坝安全监测自动化数据采集装置监测仪器测量控制装置人工采集及录入数据采集装置监测仪器监测仪器是安装或埋设在工程现场基于各种原理的传感器，传感器型式包括振弦式、差阻式、电容式、电感式、压阻式、电位器式、步进马达式、CCD、光纤传感器等，目前应用以振弦式和差阻式为主测量控制装置测量通道应能接入大坝各类非电量监测仪器测量功能应能对接入的监测仪器进行准确测量数据采集过程控制功能应能用应答式或自报式对接入仪器准确测量通讯功能应能和中央控制装置或其他计算机实现双向通讯存储功能能够自动存储数据，存储容量应较大，用完应能自动覆盖自检自校功能应能对各功能模块、电源电压、蓄电池电压等自检，对数据自校，输出有关信息掉电保护功能电源突然中断时，应能保证内存数据和参数不丢失防雷功能应具备防止感应雷电能力，雷击后数据应不丢失、不失真，保证装置正常运行抗电磁干扰功能应具备抗电磁干扰的能力，干扰后数据应不丢失、不失真，保证装置正常运行短期自动供电功能应具备备用电源，外部电源中断时应能自动上电，并维护3d正常运行数据采集装置人工采集与录入对于只能采用人工测量、人工记录的数据，系统提供数据录入界面，将测量数据输入到数据库中数据录入人工录入半自动录入自动录入数据采集装置一、大坝安全监测自动化数据自动采集系统集中式监测数据采集系统分布式监测数据采集系统现场总线数据监测系统数据自动采集系统集中式监测数据采集系统集中式监测数据采集系统只有一台测控单元，安放于远离测点现场的监控室内，一般和监测主机放在一起。测点现场安装切换单元（集线箱、开关箱），由电缆将传感器信号通过切换单元接入到测控单元中集中式自动采集系统具有远程自动测量功能。它能对接入系统的传感器进行巡测或选测，也可采用其他通信方式进行远距离数据通信分布式监测数据采集系统分布式自动采集系统由大坝监测传感器、测控单元（MCU）、监测计算机组成分布式数据采集系统与集中式数据采集系统相比，有下列优点：可靠性得到提高抗干扰能力强测量时间短便于扩展数据自动采集系统现场总线式监测系统数据自动采集系统文件导入自动化采集子系统人工键入WEB传输信息管理子系统综合分析评价子系统图形库工程数据库图像库知识库方法库模型库离线分析在线监控大屏幕打印输出异地备份WEB信息发布发布输入总控（人机界面）自动化分析评价系统自动化分析评价系统自动化分析评价系统一、大坝安全监测自动化关键技术系统防雷通信网络关键技术系统防雷仪器设备中央控制室建筑物建立有均压等电位的的地网。要求接地电阻小于5Ω。供电电源必须配接交流隔离变压器和电源避雷器。测量控制单元房基础体四周建一多层环形地网，接地电阻小于5Ω；供电电源须安装交流隔离变压器和电源避雷器，MCU与中央控制室的通讯电缆安装避雷器。MCU通讯口内置防雷模块。各种类型的传感器均必须安设信号避雷器，有电源传感器同时加装交流隔离变压器和电源避雷器传输电缆采用钢管保护通信网络监测仪器与测量控制装置通常采用专用电缆通信，也可根据不同类型监测仪器采用相应的无线或光缆通信；测量控制装置与中心控制装置一般采用总线方式，通信介质包括双绞线、光纤、无线通讯和GPRS等。中央控制装置与外界通过有线、无线、公用网络等多种通信媒介实现远程控制。关键技术提纲〇、前言一、大坝安全监测自动化二、水库安全监控与管理信息化三、大坝安全监测预警系统四、闸门监控系统二、水库大坝监控与管理信息化发展过程20世纪80年代意大利最早使用了大坝安全信息管理软件MIDAS20世纪80年代末期法国电力公司建立了包括系统管理软件在内的自动遥测设施21世纪以来近些年吴中如、顾冲时、马福恒、向衍等研究预警系统20世纪90年代初期吴中如最早提出大坝安全综合评价专家系统20世纪90年代末期专家系统理论趋于完善，实现“一机四库”，在实际工程得到应用未来发展趋势预警系统与应急管理相结合二、水库安全监控与管理信息化■目标与框架基于统一平台、资源共享的理念，通过水库安全信息的采集、传输、存储和处理，构建水库安全监控与管理系统，全面提升水库安全管理与服务能力，提高防灾减灾能力，有效保障工程安全、饮水安全与公众安全起到重要技术支撑作用，为构建“数字水库”提供基础条件。目标二、水库安全监控与管理信息化框架数据采集与控制信息基础设施层应用系统层资源共享层安全监测数据工程基本数据知识库模型库应用支撑平台：应用组件系统组件（门户、GIS、工作流、消息、应用服务器组件等）数据交换平台数据传输数据存储与管理水利工程信息网（局域网、广域网）综合管理数据多媒体数据数据融合数据仓库安全分析与评价公共信息服务预警与应急预案工程运行管理系统门户洪水预报与优化调度安全监测闸门控制视频监视水情遥测内部接口外部接口二、水库安全监控与管理信息化■水库安全信息管理系统信息采集与控制系统信息传输与管理系统信息服务与应用系统信息采集与控制系统■水情自动测报系统由遥测站、中继站和中心站组成。一般以超短波，GSM手机短信等通信方式，实现流域降雨量、水位、蒸发、流量等水文数据实时采集、报送和处理。■大坝安全监测系统由各类传感器、测量控制单元和中央控制装置组成。实现对影响和控制工程安全性态的关键变量和关键部位监测信息的自动采集、传输与管理。信息采集与控制系统■闸门监控系统由闸位计、限位计、手动控制柜、PLC现地监控单元和监控主机组成。实现对溢洪道闸门开闭进行自动控制，对闸门位置、闸门状态采用现场控制和远程遥控相结合，并能根据库水位升降自动调整闸门启闭开度，使泄量保持稳定。信息采集与控制系统■供水监测系统由流量计或水位计、数据采集装置和中心控制装置组成。实现水库供水计量自动化。信息采集与控制系统■水质监测系统由采水、配水装置、水质监测仪、中央控制装置及实验室水质分析设备组成。实现对水质参数的自动监测，实时、宏观掌握水库水质及其变化趋势。信息采集与控制系统■地震反应监测系统由布设在大坝及自由基岩场地上的多个测点组成的强震动观测台阵和监控中心组成。实现实时获取、记录并显示大坝动态结构地震反应数据信息及报警，为大坝结构动态健康监测和诊断提供基础信息。信息采集与控制系统■视频监视系统由摄像设备、录像设备和中心控制装置组成。实现枢纽工程及管理设施的巡视与运行状态的存储备份，实现现场安全检查的长期性、实时性和再现性。信息采集与控制系统信息传输与管理系统■通信系统由传输介质（如通讯电缆、光缆、无线电波等）、信号传输设备（如接口转换器、光端机、无线电台等）组成。为信息采集设备与远程监控主机提供共用通信信道，实现指令与采集信息传输。视频监视系统。由传输介质（如光缆、双绞线等）、集线设备（如集线器、交换机等）、服务器、工作站等组成。为系统提供了一个安全高效的网络平台，以实现信息共享。■计算机网络系统信息传输与管理系统■综合数据库管理系统依据规定标准，汇集各信息采集系统的实时数据、历史数据、系统成果数据和管理数据，进行数据集成、隔离和备份，减少数据冗余，有效地保障信息安全及信息共享。信息传输与管理系统信息服务与应用系统■防汛移动办公系统将无线通信、掌上电脑（PPC）、嵌入式GIS技术与水利行业实际应用结合在一起，实现基于GPRS无线上网的，具有汛情监视与信息查询等功能的移动防汛指挥系统。依据规定的标准，汇集各信息采集系统的实时数据、历史数据、系统成果数据和管理数据，进行数据集成、隔离和备份，减少数据冗余，有效地保障信息安全及信息共享。■信息发布系统系统基于公网，面向公众和专业人士提供与水库有关的公共信息和应用服务，有效地实现对外宣传、政务公开、信息查询、咨询服务等功能，提高公共服务能力。信息服务与应用系统信息服务与应用系统■办公自动化系统系统由个人办公、档案资料管理、公共服务、公文流转和信息自动查询系统组成，能够将信息管理、业务处理和生产管理融为一体，提高各级部门管理水平和工作效率，实现办公自动化。■业务信息服务子系统以图、表、文字等多媒体形式，清晰简洁、图文并茂地展示气象、雨情、水情、工情、实时洪水情势及其发展过程，实时反映发电、调度、管理等信息。信息服务洪水预报洪水调度指挥调度业务管理系统设置气象信息卫星云图雷达回波图天气预报历史重要天气雨情信息工情信息水情信息汛情监视灾情信息防汛值班预报成果页面GIF图片（可以在系统设置中进行调整并可以选择）用户单位：开发商：退出云图选择动态播放退出信息服务气象信息卫星云图信息服务与应用系统■大坝安全分析评价系统利用大坝安全监测系统自动监测数据、人工观测数据和巡视检查记录等，依据水库大坝安全评价导则及专家经验，采用合理的数学模型和评判准则，建立大坝安全分析评价模型，实时综合分析大坝安全运行性态，评定大坝安全类别，对大坝隐患实时进行预警，为水库工程的安全运行和汛限水位动态控制提供辅助决策。信息服务与应用系统■洪水预报系统系统采用自动定时预报、人工干预交互预报、追踪预报、暴雨总量预报等模式，实现实时洪水预报自动化。信息服务与应用系统■洪水调度系统系统采用交互方式，通过浏览器形式的洪水调度软件，实时动态分析水库上、下游防洪形势，提出科学优化调度方案。信息服务与应用系统■供水管理系统在供水监测系统、综合数据库的支持下，提供供水实时信息查询、供水日报、统计报表、供水量与水费计算等供水管理功能，实现供水信息管理智能化。信息服务与应用系统■水质分析系统在水质监测系统、综合数据库和地理信息系统平台基础上，对水环境管理所涉及的各类信息进行综合管理，包括：基础资料查询、水质监测资料查询、水质评价和功能区划管理、水质状况统计、水质保护管理、水环境科研成果发布管理。实现水环境信息的动态监测和分析评估。信息服务与应用系统■枢纽三维场景子系统利用三维GIS技术、三维建模技术、虚拟仿真技术、数据库技术，再现水库枢纽的三维场景，实现实时安全监测信息可视化及三维辅助分析和计算功能。信息服务与应用系统二、水库安全监控与管理信息化■案例分析燕山水库工程位于淮河流域沙颖河主要支流澧河上游干江河上，枢纽工程主要建筑物斜墙土石坝、溢洪道、泄洪（导流）洞和输水洞及电站。大坝坝顶高程117.8米，坝长4070米，最大坝高34.7米。工程任务以防洪为主，结合供水、灌溉，兼顾发电等综合利用。水库控制流域面积1169平方公里，总库容9.25亿立方米。提纲〇、前言一、大坝安全监测自动化二、水库安全监控与管理信息化三、大坝安全监测预警系统四、闸门监控系统三、大坝安全监测预警系统预警原理警源分析子系统警兆分析子系统警情分析子系统预警原理预警原理系统科学是预警系统理论的基础，美国贝尔电话公司的A.D.Hall（1969）提出了系统工程三维结构图，为解决规模宏大、结构复杂、因素众多的复杂巨系统提供了统一的思想方法。将A.D.Hall的三维结构图引入预警系统的物理模型架构中，得到预警系统三维结构图。它包括时间维、逻辑维和知识维。其中，时间维的组成要素主要包括数据采集阶段、系统分析阶段、系统设计阶段和系统实施阶段；逻辑维的组成要素包括明确警义、寻找警源、分析警兆、预报警度和发布或排除警情等；知识维的组成要素主要