多传感器集成水电站监测系统的设计

多传感器集成水电站监测系统的设计

赵民 ,邵伟理

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摘要：随着经济建设的发展和水力资源的不断开发利用，大型水利工程建筑物的数量和规模都在不断增加。但是由此带来的水电站跨坝与滑坡事件也越来越频繁，引起人们对水电站大坝安全监测的高度重视。水电站自动化安全监测主要采用几何监测与物理监测方法，对于外部形变的监测主要采用几何监测的方法，即以GNSS和测量机器人为主要采集对象，实现水电站大坝的自动化监测。但是在GNSS和测量机器人监测过程中特别是在数据传输方面还存在成本过高、供电不足等方面的问题，并且实现的也只是单一的几何监测。在一些隐蔽区域，地下无GNSS信号或者无法用智能机器人进行监测，从而导致数据盲点。对于水电站监测项目，各种传感器可以很好地实现水电站内观自动化监测。因此本文采用智能测量机器人、GNSS天线阵列与多种传感器相结合的多传感器集成的方法实现水电站一体化自动安全物理监测与几何监测的同步。

关键词：水电站安全监测；多传感器；集成

1系统框架

多传感器集成的安全监测系统主要针对的是水电站监测范围大、变形较为复杂的地形，并且需要持续观测，采用多种测量技术同时作业的方式解决单一变形监测技术问题是实际应用中要解决的，基于多传感器集成化的变形监测自动安全监测系统流程如图1所示。现在测量机器人和GNSS用于大坝自动监测技术已经比较成熟，因此对于大坝外部变形量、水平位移、垂直位移、倾斜等的监测用几何传感器GNSS和测量机器人进行数据采集;而对于坝体混凝土应力应变、坝基岩石锚杆应力和锚索载荷、钢筋应力、混凝土和基岩的温度以及接缝、湿度等可用相应的物理传感器采集模块进行数据采集。对于外部变形的监测，测量机器人和GNSS都可以各组一个自动监测系统，相互辅助;对于内部变形、应力应变、渗流渗压、温度以及环境量等，需要各种类型的传感器，包括振弦式、差阻式、压阻式、标准量式、电解质式等各种类型的传感器，如果以每一个传感器作为一个单独数据采集元，加上实际工程项目中监测点众多，很容易造成管理混乱及不便，因此可设计自动化数据采集模块，即数据采集器，允许一种或多种专用传感器接入数据自动采集模块，进行集成管理，对传感器进行信号调理和数据采集控制。

图1  系统流程图

2系统功能架构

按照系统运行流程、工作的目的和性质，将系统的软件实现进行功能模块划分，多传感器集成的自动安全监测系统由多传感器变形监测子系统和变形分析预警子系统两个部分组成，功能架构设计如图2所示。

图2  系统架构图

多传感器变形监测子系统包括项目管理、通信管理、数据采集以及数据管理4个子功能；变形监测分析预警子系统主要包括自动报警以及变形量预测两个功能模块。各个模块的功能如下：1)项目管理：数据采集可能会分属于不同的工程项目，通过该模块，可以选择工程、新建工程、修改工程、删除工程。工程管理信息包括工程名、创建者、创建时间和工程保存路径。工程信息将保存到数据库中，便于后续调用。2)通信管理：通信管理模块主要包括两个方面：一是数据采集器与传感器之间的接入通信；二是数据采集器与监测管理站之间的通信。参数设置可以设置各个串口的通信参数，包括波特率的选取、奇偶检验设置等。3)数据采集：数据采集功能模块包括传感器和采集系统的接入、数据采集参数的设置以及传感器的状态监控。传感器的接入主要是针对不同的监测点采用不同的传感器类型;采集参数设置主要是指目标和采样率的设置；而对于传感器的状态监控指的是传感器的作业进程和电池电量等状态信息的监控。4)数据管理：数据管理主要是采用数据库技术对一些工程信息和监测点成果进行标准化的存储和管理，便于随时提取使用。数据编辑具备数据增加、修改、查询、更新等功能。5)自动报警：主要是指报警限差设置和警报发送设置两个子模块，可设置报警等级和具体限值，为安全监测提供实时警报。6)变形量预测：通过对数据的分析和处理，采用相应的预测模型对变形量进行预测，并以图表得方式直观显示出来。

3数据采集

在确保通信正常后，即可启动数据采集模块。数据 采集包含采集管理和采集数据显示两个部分。采集管理主要是编辑点位信息，注明测站类别( 监测站或基准站) ，选择传感器类型以及相应的传感器编号，设置采样间隔以及采集时间，以方便于下一步数据更新、查询、入库等 数据管理与操作。传感器类型可以是专用的监测传感 器，也可以是测量机器人和 GPS 测量模块。选择不同的 传感器类型，传感器编号也不一样，为了便于管理，在本系统中对每一个传感器都进行详细的编号，每一个传感 器有且仅有一个对应的编号。采样间隔可以根据需要按 照实际情况设定，实行自动化数据采集，也可以人工自己进行操作采集。在采集管理对采集点名、传感器编号、采 样间隔等设置完成后，即可通过连接、监测、退出等按钮 进入或退出采集状态。

4结束语

水电站安全监测可以分为外部观测和内部观测，外部观测是水电站原型观测的重要内容，通过几何监测来实现。内部观测主要是对大坝内部物理量(如应变/应力、温度、环境湿度等)的观测，既可以获取水电站大坝内部变形因子，又可以为外部监测变形分析预报提供参照量。从外部观测的测量机器人、GPS、静力水准、激光准直到内部监测的渗压计、应变计、温度传感器等，其安全监测都是以高可靠、高精度的传感器为基础的。本文综合考虑智能测量机器人、GNSS天线阵列与多种传感器相结合的多传感器集成的方法，实现对水电站的全面、内外观一体化自动安全监测。

参考文献：

[1]基于多传感器信息融合的绝缘子串自动识别方法[J].刘澈,姜勇,姚森敬,刘国伟.机械设计与制造.2019(04)

[2]智能化光纤自动监测系统的研究与应用[J].张巨慧.内蒙古科技与经济.2020(19)