王在艾

（1.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007；2.湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心长沙市410007）

大坝安全监测自动化现状及发展趋势

王在艾1，2

（1.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007；2.湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心长沙市410007）

文章简要回顾了大坝安全监测自动化的发展历程，客观评价了大坝安全监测自动化的应用现状，并结合计算机技术、信息化技术、通信技术及物联网、云计算、大数据、移动互联网等新兴技术的发展，总结展望了监测自动化技术的若干发展趋势和发展方向。旨在为水利工程安全监测的自动化、智能化技术应用提供有价值的参考。

大坝安全监测自动化智能化软硬件

引言

大坝作为一种大型水工建筑物，因其自身结构、所处环境和外力作用的复杂性，以及可预期的大坝失事后造成的严重灾难，必须对大坝进行稳定可靠、精确、持续的安全监测工作。

自动化监测技术可有效提升大坝的安全监测能力，提高监测数据的准确度。但监测仪器设备和自动化监测系统的长期稳定运行能力、安全监测资料分析有待加强。

1 国内外大坝安全监测自动化发展历程

大坝安全监测工作起始于19世纪90年代，即1891年德国在埃施巴赫重力坝进行变形观测活动，这是人类历史上首次开展大坝安全监测工作。随后美国布恩顿重力坝于1903年进行了温度监测，澳大利亚巴伦杰克溪拱坝于1908年开展了变形监测工作。

虽然大坝安全人工监测工作开展得很早，但是安全监测自动化却到20世纪60年代才逐步开始，直至20世纪90年代，分布式大坝监测系统在大坝监测自动化领域得到普及，意大利ISMES公司的分布式系统测控装置采用光缆作为通信总线，因此防雷抗干扰能力十分突出。

美国和法国较早地实现了大坝监测资料的集中自动处理，但大坝监测数据采集自动化发展较晚。1981年美国垦务局首先在Monticello拱坝上安装了集中式监测数据采集系统，1982年起在Flaming Gorge等4座混凝土坝上安装了可靠性更高的分布式数据采集系统。1989年加拿大开始在魁北克水电大坝上安装安全监测自动化系统，1992年Waleach大坝安装部署了安全监测自动化系统，监测数据传输到距离大坝200多公里的温哥华大坝安全监测资料分析中心。

我国大坝安全监测工作开始于20世纪50年代，采用光学测量仪器进行变形观测，利用进口的差阻式仪器进行混凝土坝内部观测。

70年代末成功研制了遥测垂线坐标仪和引张线仪，研发了用五芯测法实现差动电阻式仪器监测自动化的集中式测量装置。80年代中期研制成功了差动电容式和步进式的遥测坐标仪和引张线仪，用于混凝土坝水平位移和挠度的监测。利用静力水准原理测量垂直位移的遥测仪器设备也相继研制成功，并在大坝上逐步得到应用。

为满足高混凝土坝和高土石坝的安全监测需要，国家先后组织了“六五”和“七五”两次科技攻关。到20世纪90年代初，研制成功了一批新型监测仪器和设备。同时为了提高大坝安全监测自动化水平，能够接入变形、渗流和应力应变等多种监测项目的集中式数据采集系统以及在线或离线处理的监测信息管理系统和计算分析软件成功研发。

到20世纪90年代初期，我国已有20多座水库大坝安装了安全监测仪器设备，实现了安全监测数据的自动化采集，但由于仪器设备性能和质量还存在欠缺，系统稳定性不足，监测数据精确度不够，大坝安全监测自动化尚未达到实用化程度。

20世纪90年代中期，葛洲坝二江泄水闸安装的分布式变形和应力应变监测系统顺利通过了水利部主持的验收和鉴定，由此揭开了采用国产分布式大坝安全监测系统实现大坝监测自动化的序幕，标志着大坝监测自动化进入了实用化阶段，能够有效保障大坝的安全运行。

2 大坝安全监测自动化现状

2.1 标准与规范

由于大坝安全监测在掌握大坝运行性态、发现安全隐患、确保大坝安全方面的重要性，必须通过法律法规和规程规范来明确各方的权利和义务。我国已先后颁布了差阻式仪器、振弦式仪器产品标准及岩土工程仪器系列型谱，《水电站大坝安全检查实施细则》、《混凝土坝安全监测技术规范》、《水库大坝安全管理条例》、《土石坝安全监测技术规范》、《土石坝资料整编规程（规范）》、《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》等。2001年6月，水利部发布了《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》（SL 268-2001），这是我国大坝安全监测领域中对监测数据自动化系统的第一个行业标准，于2001年12月开始实施。自此大坝安全监测数据自动化系统逐步走上标准化、规范化的发展轨道。随后有关单位发布的《大坝安全监测自动化技术规范》（DL/T 5211-2005）、《大坝安全监测系统验收规范》（GB/T 22385-2008）、《大坝安全监测自动化系统实用化要求及验收规程》（DL/T 5272-2012）等规程规范更是指导和推动了大坝安全监测自动化的发展，同时也对安全监测自动化提出了具体的要求和约束。

2.2 硬件

2.2.1 监测仪器

大坝上多采用正、倒垂线为基准来自动监测大坝的竖向和水平位移，包括混凝土大坝的挠度。观测仪器多采用垂线坐标仪、引张线仪、静力水准仪等。近年来，这些传统的观测仪器得到了很大的发展，在大量程、高精度和高可靠性上取得了长足的进步。引张线仪由单向实现了向双向的发展和应用。遥测垂线坐标仪和引张线仪已经从接触式发展到非接触式，非接触式仪器包括步进式和CCD式。

遥测静力水准仪近年来得到了较快的发展，以前多是采用进口仪器，近年来国内已有多种原理的静力水准仪。静力水准仪是应用连通管原理测量测点间的相对位移。一侧沉降将引起浮子升降，通过各种量测技术来测量浮子的升降，从而观测点间的相对位移。目前主要有差动变压器式、电感式和CCD式等静力水准仪。

光纤传感器是新近发展起来的体积小、精度高、不受电磁干扰、抗腐蚀性环境的传感器，可用于测量温度、位移、应变、压力等物理量。该新型仪器最大的优点是不受电磁干扰，目前防雷抗干扰已经成为我国大坝安全监测自动化中最为棘手的问题。光纤传感器的使用为彻底解决防雷抗干扰问题创造了极为有利的条件。尽管光纤传感器在国内水利工程上的应用尚处于起步阶段，但由于有其他传感器无法比拟的优越性，将使其具有十分广泛的应用潜力，独领风骚几十年的发展前景可能成为不远的现实。国内这方面的研究和研制也已起步，四川大学、长江科学院、武汉大学的有关研究论文近年来已在各专业期刊中发表。

差动电阻式传感器近年来解决了长导线电阻、导线电阻变差对测值的影响，并实现自动化遥测，得到了很大发展。目前差阻式仪器由4线制改为5线制测量方式，仪器电阻、电阻比测量精度、遥测距离、抗干扰能力均优于国外厂家，处于国际先进水平。更为重要的是，差阻式仪器已经完成了大量程、高弹模量和耐高压产品的研制并能批量生产。

国内研发钢弦式仪器已有40多年的历史，随着大坝安全监测自动化的发展，钢弦式传感器近年来也得到了一些发展。至2001年，钢弦式仪器精度、性能、外观都有较大的改观。同时，大多传感器已增加测温功能，对其进行温度补偿修正，率定精度也有所提高。在单支仪器性能方面与国外同类产品相比，仍有一定的差距，但是在振弦式仪器测量方面，国内技术比较高，测量电路能够实现对国产和进口两种不同激振电压的兼容。

传感器的智能化程度不断提高。目前国内已有多家传感器厂家（包括振弦式和压阻式）将率定曲线、传感器出厂编号等直接固化在传感器内部的IC中，这样既提高了测量精度，又可以方便在电缆截断或电缆编号丢失的情况下，对仪器编号的确认和恢复。另外，这种仪器还提供RS-485或RS-232接口，简化了系统结构。

在外部变形监测仪器方面，如水准仪、电子经纬仪和全站仪等，国内也开始批量生产并占有一定的市场份额，但在稳定性和环境适应性方面还需要提高。采用电子经纬仪和水准仪可使传统的外部变形监测实现自动化，电子水准仪+全站仪实现水工建筑物安全监测自动化已经在多个工程获得应用。GPS具有土建工程量小、可以测量三维变形等优点，比较适合高土石坝的外部变形监测。GPS技术已经在清江隔河岩大坝安全监测自动监测系统中得到成功应用。另外，合成孔径雷达干涉测量技术已经开始应用于地震形变、地表沉降和滑坡监测，如果能进一步提高精度，实现地表连续变形测量，这对于大坝，尤其是高土石坝，将具有明显优势。双向引张线自动测量技术能够通过一条引张线同时测量水平和垂直位移，相当于同时安装了原引张线和静力水准系统，且针对老引张线改造不需要增加任何土建工作，施工方便，特别适合我国广大已安装引张线项目的更新改造。

在环境量监测仪器方面，水位、雨量等常规测量仪器近年来随着水文、气象等部门的大量需求得到了快速发展，国产仪器设备的市场占有率非常高，其精度、设备种类、稳定性都相对优于其它监测项目的监测仪器设备。

随着合成孔径雷达干涉测量（InSAR）和差分干涉测量（D-InSAR）技术发展，其在地表沉陷监测中应用已经全面展开，如D-InSAR技术已经在煤矿开采沉陷变形监测中得到应用并用于矿区DEM数据更新。由于该技术的大尺度和面监测特点，在大坝及边坡的表面变形监测中将具有十分明显的优势。

在新型监测系统方面，国外也有很多成功的技术，如英国的高精度微震监测技术就已经在多个边坡工程获得成功运用。该技术克服了目前常规点监测代表性不足、预警能力不强、资料分析困难等缺点，对水库的高边坡与地基监测具有很强的针对性。

声发射技术的原理是当岩体的应力发生改变并超过历史水平时，岩体就会发出一种振动波向四方传播，应力改变愈大，这种波就愈强。在岩体中埋设传感器采集这些振动波的信号，利用专门的软件包加以处理分析，就可以测定出振动波源的空间位置和振源强度，从而揭示出岩体内部可能发生大变形的部位，以便及时采取相应措施。目前在澳大利亚、美国、加拿大等都有应用这种监测技术进行大坝监测的案例。

2.2.2 自动采集设备

自动采集设备包括测量控制单元（MCU）、水雨情遥测终端等。随着大坝安全监测技术的不断进步，自动采集设备也得到了跨越式发展。不仅可以实现传感器的在线式单点测量、巡测，还可实现定时、变幅测量上报。同时还具有存储历史测量数据、校时、可配置及支持多种通信方式等功能，能够满足各种环境条件下的自动采集测量需求。

2.3 软件

2.3.1 监测系统

我国大坝安全监测自动化系统的研究工作是从20世纪80年代初起步的，经历了从集中式系统向分布式系统发展的历程。从近年国内大坝安全监测自动化的工程实例来看，主要还是采用国内的系统，因为国内系统在适用性、售后服务和价格等方面都占有很大优势。分布式系统的共同特点是：

（1）体系分布化。采用分布式结构，测量控制单元可以安装靠近传感器的地方，传感器的信号可以不需要传输较远的距离，信号的衰减和外界的干扰可以大大减轻，系统既适合于传感器分布广，分布不均匀，传感器数量多、种类多、总线距离长的大中型工程自动化监测，也适合于传感器数量少的小型工程的自动化监测。

（2）结构模块化。系统由以前的专用型变成了通用型。根据功能的不同，开发不同的功能模块。系统根据测量传感器的类型的不同，开发了振弦式、电感式、步进式、差动电阻式等测量模块，系统可以通过搭积木的方式，组建满足要求的系统；系统采用内部功能模块化、传感器接口模块化的思想，将系统内部功能模块化，开发了弦式功能模块、模拟量功能模块、通信功能模块等，接口模块根据传感器的类型，开发了相应的接口模块，接口模块不具有测量功能，这样保持系统测量的一致性。

（3）接口多样化。通信方式一般包括有线、无线、卫星、电话线、光纤、GSM/GPRS/3G/4G等。一般系统提供两种或两种以上的通信接口方式，为系统的组网提供了比较大的便利，目前很多工程采用光纤通信，不仅提高了通信速率，也提高了系统抗电磁干扰能力和抗雷击能力。

（4）供电多样化。系统致力于提高性能，设计了各种电源管理电路，最大限度地降低功耗，可以利用交流电、直流电、蓄电池以及太阳能供电等各种方式供电。在特殊场合下，仪器设备可直接采用电池供电，运行时间可达数月之久。

（5）性能可靠化。自动化系统建设的初期，很多系统的工作不稳定、损坏，甚至瘫痪都是由于抗干扰能力不过关，防雷击性能不够造成的，通过近些年的研究和经验的积累，系统从设计、结构、布局、元器件的筛选、通信、电源、电缆埋设等多个方面得到了改善，系统的可靠性得到了提高。

（6）平台网络化。随着网络技术的发展，大坝安全监测系统利用各种网络资源平台实现信息共享和发布，已经开发出多种类型的基于.NET或Java平台的B/S型大坝安全信息系统。

目前，我国自主研发的大坝安全监测系统虽然有了较大的提高，某些方面达到了国际先进水平，但是系统总体性能和国际先进产品相比，还存在一定的差距，特别是在可靠性和长期稳定性方面有待进一步的提高。

2.3.2 系统软件

大坝安全监测软件一般包括数据采集软件、信息管理系统和数据分析软件。

（1）数据采集软件。数据采集软件是基于C/S模式、在Windows环境下可视化的窗口软件，所有监测点均可显示在布置图上，每个测点都与数据库相连接，同时布置图上的每一个测点又与现场测控装置的对应仪器通道相连，操作和选择屏幕布置图上的测点或采集模块就可以完成对该测点或模块的数据采集、换算、处理、入库等全部过程。对自动采集的数据自动入库；对人工测量的数据，提供一个人机界面窗口，可键盘输入进库。

采集软件功能模块主要包括：数据采集、数据管理、数据通讯和系统管理等。

（2）信息管理软件。信息管理软件负责对大坝监测数据、工程文档、巡查信息、监测数据库等进行综合管理。对于具有网络要求的用户，可以采用基于WEB的信息管理软件。

基于.NET或Java平台开发的WEB发布软件可安装在局域网的服务器上，客户端无需额外安装任何其它软件，直接通过IE浏览器访问和查询大坝的各种监测数据、文档和图表。

（3）计算分析软件。计算分析软件负责对采集的数据进行误差检验、模型建立和计算分析。ANSYS、FLAC3D、MARC、ABAQUS、ADINA等数值计算软件在国内已得到广泛应用，利用上述软件和大坝安全监测资料将为确定性模型和混合监控模型的建立、参数反演和大坝安全分析评价提供方便。

发达国家在信息管理系统方面非常重视，如法国电力公司开发了PANDA的大坝监测信息管理系统，该系统可对各种类型的自动化或人工采集数据进行处理，利用Internet/Intranet进行通讯，实现对监测信息的分层管理（包括上层的专家分析中心及下设的各级控制中心）。系统中对监测量的分析评价采用传统的统计模型，模型中仅用11个因子描述各分量。该系统除用于法国的250多座大坝的监测之外，还在阿根廷、多哥等多个国家得到应用。

意大利是最早将人工智能技术引入大坝监测信息处理领域的国家。20世纪90年代，意大利开发了DAMSAFE的决策支持系统，系统包括提供数据的信息层，用于管理、解释和显示数据的工具层，以及基于Internet技术的综合层。该系统采用定性因果关系网络模型对各类监测和结构信息进行综合分析，并采用了专家系统技术开发了针对自动化监测在线检查的MISTRAL子系统，该系统已经得到了较长时间的实际应用。

3 大坝安全监测自动化发展趋势

随着社会的进步，人们观念的不断转变，科学技术特别是信息技术的发展，对大坝安全监测自动化提出了更高更深的要求，大坝安全监测自动化的未来发展趋势展望如下：

（1）传感器智能化。智能仪器是自带微型计算机或者微型处理器的测量传感器，仪器自身具有数据存储、数据传输、逻辑运算判断及自动化操作等功能。随着人工智能技术和电池技术的迅猛发展，逐步具备自检、自校、自诊断功能、物理量直接展示、结果数字化输出、无线传输和人机交互等功能特性。

（2）接口的标准化和即插即用。国内外多个监测仪器生产厂家的仪器设备，由于各家接口和系统不通用、需要专业安装调试队伍等问题严重阻碍了大坝安全监测自动化的推广，为此需要研究通用的通讯协议、数据库接口、通讯接口、传感器接口和电源接口标准，建立健全相应的技术规程规范，从而方便各个系统设备、模块之间的集成。

（3）远程操作与实时诊断。因基层维护管理人员技术知识和素养较低，实现大坝安全监测系统远程实时诊断，为运行维护人员提供维护维修信息具有很重要的现实意义。通过有线或无线网络可实现远程控制、参数设置、故障诊断等操作。如利用无线网络技术，只要在手机能上网的地方，通过3G/4G即可以实现远程数据采集、系统维护、软件升级和维护、故障原因和修复方法以及测值成因分析等，同时通过短消息实现大坝安全报警和故障提示，从而极大的方便大坝安全自动监测系统的运行维护。

（4）系统整合。目前许多水电站与水库大坝均安装部署了大坝安全监测、水情测报、闸门监控、视频监控等自动化系统。我们必须依靠科技进步，将以上各系统有机地整合起来，应用优化技术以达到在平常确保大坝安全的前提下，尽量多蓄水、多发电、多供水，从而创造更多的效益；在汛期有较多的防洪库容，又能实时动态地对水库调度进行优化，从而最大限度达到防灾（减灾）和兴利的目的。

（5）大坝群信息系统集成。利用云计算技术集成流域乃至管理单位所属大坝群的信息系统，利用大数据技术收集整合大坝群通过物联网技术连接传感器的相关数据，同时需要用到GIS技术、数据仓库、数据挖掘、远程通讯等技术。通过建立大坝群安全监测海量数据库，集中进行数据处理，利用数据挖掘技术从中发现新的规律，对充分利用数据资源，提高大坝设计、施工和运行维护水平将起到十分重要的作用。安全监测数据采集、分析评价、远程操控等由云平台进行统一管理。水库大坝主管部门和管理单位以政府购买服务的方式向云平台管理单位寻求需求的满足。目前将大坝信息系统进行集成的工作正在展开，如国家能源局杭州大坝中心正将电力系统大坝安全监测数据集中管理，湖南省大坝安全监测中心正将省内部分大中型水库安全监测信息进行集中管理和发布。从目前情况来看，全环节的数据共享利用、数据统一分析评价，特别是大数据深度挖掘方面还有许多工作要做。

（6）运行管理移动化。近年来移动互联网技术发展迅速，智能手机大量普及，移动基础设施逐步完善。移动互联网可以克服运行管理工作在空间、时间上的阻隔，满足现场突发性、不确定性的日常工作要求。例如大坝安全巡视检查工作可以通过手机APP完成，通过GPS定位、拍照、摄像等手段，实现实时巡查情况的上报，能减轻巡查工作量，规范巡查路线和流程。

（7）虚拟现实。虚拟现实技术是数字水利、数字流域的必然要求，是与GIS、GPS和RS技术相配套的技术。近年来，虚拟现实技术又有了很大的发展，在大坝安全监测自动化方面的应用可以包括：①动态模拟大坝变形、渗流、裂缝等的产生、发展和相互耦合过程，实现三维动态可视化；②利用增强现实模拟上下游溃坝、泄洪和其他荷载变化对大坝安全的影响，进行淹没和损失评估；③利用分布式虚拟现实环境，在因特网环境下，充分利用各地人才和数据资源的优势，协同开发虚拟现实的大坝健康诊断系统等。

[1]赵志仁，等.国内外大坝安全监测技术发展现状与展望［J］.水电自动化与大坝监测，2010，（05）.

[2]沈省三，等.大坝安全监测仪器技术发展现状与展望［J］.大坝与安全，2015，（05）.

[3]黄文钰.浅析水电站大坝安全监测自动化现状及发展趋势［J］.广东科技，2008，（11）.

[4]赵花城.水电站大坝安全监测自动化现状与发展目标［J］.大坝与安全，2007，（04）.

[5]张文飞.浅述水电站大坝安全监测现状及其自动化动态［J］.广东科技，2013，（10）.

2016-10-12）

王在艾（1984-），男，湖南新化人，大学本科，工程师，主要从事大坝安全相关软硬件研究开发工作，手机：15387599699。