摘要:论述了高新测控技术在水利水电工程中的应用,总结了数据采集、信息管理、分析评价及其计算机和通讯网络等技术的最新研究成果.
关 键 词:数据采集;信息管理;分析评价;通讯网络;计算机;高新技术;水利水电工程
中图分类号:ＴＶ698.21∶ＴＰ274 文献标识码:Ａ 文章编号:1009-640Ｘ(2001)01-0013-9
我国已建堤坝约8.3万多座,坝高15ｍ以上的约1.86万座;堤防长约25万多ｋｍ,其中,大江大河上的重要堤防6.57万ｋｍ.这些水利水电工程在防洪、发电、灌溉、供水和航运等方面,发挥了巨大的社会效益和经济效益,是我国国民经济的重要基础设施.然而,由于工作和运行条件极其复杂,并随着时间的增长,堤坝的病害和老化日趋严重.据不完全统计[1],在3100座大、中型水库大坝中,病险大坝有1248座;8万多座小型水库中,病险坝约占36%,堤防的安全状况也相当严峻.随着西部大开发和西电东送战略目标的逐步实施,高坝大库也越来越多,工程的安全重要性显得越来越突出.并且,大中型水利水电工程规模大、投资多,造价高,少则几亿、几十亿元,多则几百亿元,甚至上千亿元.因此,工程质量的好坏和能否安全运行,不仅会影响工程效益的充分发挥,还将直接关系到下游或两岸人民的生命财产安全.
国内外大量工程实践表明,对水利水电工程进行全面的监测和监控,是保证工程安全运行的重要措施之一.同时,将监测和监控的资料及时反馈给设计、施工和运行管理部门,又可为提高水利水电工程的设计及运行管理水平提供可靠的科学依据.
1 高新测控技术的基本要素及其功能
现代化的测控技术[2],应该具有采集数据、科学管理数据,及时或实时对水利水电工程的安全状况作出分析和评价,并对其异常或险情作出辅助决策等功能.因此,高新测控技术的基本要素包括数据采集系统、数据管理系统和分析评价系统及其计算机通讯网络支撑等(见图1).
图1 水利水电工程高新测控技术示意图
1.1 数据采集系统
通过测控单元(ＭＣＵ)自动采集、笔记本电脑现场采集或人工观测埋入坝体或安装的传感器采集的监测效应量(大坝的变形、渗流、应力应变和温度等)和影响量(水位、气温、降雨和地震等),并输入计算机的数据库.其中,自动化数据采集系统可以实现实时采集,半自动化和人工采集为定期采集.因此,自动化采集数据一般是对水利水电工程关键部位(或坝段)主要监测量(变形和渗流等)的采集.
1.2 数据管理系统
由数据采集系统采集的数据进入计算机数据库后,由数据管理系统对其进行科学有序的管理.包括将电容、电感、电阻、电压、频率等转换为位移、扬压力、渗流量、应力应变、裂缝开合度以及温度等,及它们的误差识别和处理,并将监测量按有关监测规范进行整编和初分析;编制月报和年报等.
1.3 分析评价系统
分析评价系统根据监测到的数据,进行观测资料的分析和反分析,结构和渗流正、反分析,建立各类监控模型和拟定监控技术指标等;将收集到的工程设计、施工、运行管理、有关法规和规范等方面的专家知识进行编辑,构成分析、评价、辅助决策等方面的知识库和推理分析知识.
现简述几种传感器的主要工作原理及其应用情况.
(1)差动电阻式传感器 该传感器为美国加州大学卡尔逊教授所研制.置于其内腔的两根弹性钢丝作为传感元件,受力后一根受拉、一根受压.当环境量发生变化时,两者的电阻值向相反方向变化,根据两个元件的电阻值比值,测出物理量的数值.
我国南京电力自动化设备厂从20世纪50年代开始,已研制出几十万支差动电阻式传感器,并应用于大量的水利水电工程中,取得了成功经验.
(2)振弦式传感器 由前苏联的达维金可夫发明.其核心元件是一根钢弦,钢弦的一端固定,另一端则固定在测量元件(受压膜片或测量端块)上.当受力后,钢弦长度将产生微小变化,引起固定频率的变化,从而测出物理量的数值.
加拿大的Rocktest公司,美国的Sinco,Geokon公司等生产的振弦式传感器性能良好,其中真空式为最佳.近几十年来,我国较多的工程应用了这种传感器.
(3)差动电容式传感器 由我国南京电力自动化研究院研制.其工作原理是,将垂线或引张线穿过由4块组成矩形的电容极板中,当测线发生位移时,电容极板的电容产生变化,从而测出位移量.
该传感器经过20多年的完善,其精度和长期稳定性等均有较大提高,已在不少水利水电工程中应用.
(4)差动电感式传感器 首先由原法国的Telemac公司研制.其工作原理是,当高频交变电流通过垂线坐标仪时,在周围产生交变磁场,接收点的磁感应强度与导线距离成反比;当垂线产生位移时,接收点测得的感应电势发生变化,其变化量的大小反映位移量的大小.
该传感器在我国龙羊峡等水利水电工程中得到成功应用.我国有关厂家也仿制了这类传感器.
(5)步进马达式传感器 由原法国Telemac和意大利ＩＳＭＳ公司研制.其工作原理是,由步进电机驱动光电探头,探头中的光照准器先后对准基准杆和垂线钢丝,然后返回原点,在此过程中,测量电路记录探头前进及返回基准点和垂线钢丝的脉冲数,经计算得到位移量.
该传感器的机械部件较多,易出现故障,其长期稳定性也不易保证.我国有关厂家也仿制了这类传感器,在实际工程应用中的故障率较高.
(6)ＣＣＤ传感器 由河海大学结合国家三峡工程重大基金项目研制.该传感器由若干个特别研制的ＣＣＤ线阵模块和发光二极管阵列模块组成,当垂线穿过并产生位移时,ＣＣＤ线阵模块记录垂线位移与基准点的位置,从而计算出位移量.
该传感器技术先进,精度和可靠性高,在上标和响洪甸等水利水电工程中得到应用.
(7)其它新颖传感技术
①光纤传感技术 光导纤维是由不同折射率的石英玻璃包层及石英玻璃细芯组合而成的纤维.它能使感受到的各种物理量而计算出监测量,以及传送感受的信息通讯.目前,应用于光纤传感的监测量主要是裂缝,应力应变尚需进一步研究.应用信息通讯较为广泛,且安全可靠.
②ＣＴ技术 意称计算机层析成像.它指的是在不破坏物体结构的前提下,根据物体周边所获取的某种物理量(如波速、Ｘ线光强)的一维投影数据,应用数学方法,通过计算机处理,重构物体特定层面的二维图像及其由此重构的三维图像;从而定量描述物体内部材料分布和缺陷.该技术将成为工程结构物内部隐患监测和老化评估的一种重要手段,在国内外得到应用,我国丰满水电站等工程中也得到成功应用.
③渗流热技术 依据渗流场与温度场同时满足扩散方程及其初始和边界条件的原理,利用埋设的温度计测值分析渗流场的分布及其异常部位.
④ＧＰＳ技术 利用卫星定位技术(ＧＰＳ)监测堤坝和岩土边坡的表面变形.
⑤激光传感技术 由激光点光源(即发射点)发射的激光与激光探测仪(即接收端点)构成激光淮直线,由发射的激光在波带板及支架(测点)上观测位移量.它可分大气激光和真空激光准直,其中的真空激光准直除包括激光点光源、波带板及其支架和激光探测仪,即发射点、测点和接收端点以外,还有真空管道.我国丰满和太平哨水电站等大坝坝顶水平位移和垂直位移的10多年观测资料表明,真空激光准直具有精度高、长期稳定等优点.
2.1.2 数据采集装置 数据采集装置将各类传感器测出的物理量(如电阻、电阻比、电容、电感和频率等)转化为数字量(如位移、渗压、应变和温度等),即Ａ/Ｄ转换,以便远程输送.当距离超过100ｍ以后,传感器输出的电量和频率等信号,随距离的增大急剧衰减,以至无法测出物理量,但数字量可远距离输送.因此,一般将几十个传感器按部位接入数据采集装置,使传感器观测的物理量转换为数字量.按监测方式不同,数据采集装置可大致分为以下几种类型.
(1)自动化数据采集装置 国内外自动化数据采集装置主要有,美国Geomation公司的2300系统、Sinco公司的ＩＤＡ系统;我国台湾研华公司的ＡＤＡＭ4000和ＡＤＡＭ5000系统;南京电力自动化设备厂的ＦＷＣ-1系统等.按结构的不同可归纳为总线型和集散型两大类.
①总线型结构 Geomation公司的2370型、ＩＤＡ、ＡＤＡＭ4000、ＡＤＡＭ5000以及ＦＷＣ-1等系统均属于总线型结构.以ＩＤＡ系统为例,其系统结构见图2(ａ),模块箱的结构见图2(ｂ).图中主机为工控机,中继起联接和中断作用.
ＩＤＡ母线有二线信号、二线电源;Ａ1～Ａｎ是智能测量模块,每个模块可接8个传感器;Ｂ1～Ｂｍ是智能传感器.Ａ和Ｂ有解释指令、多路传输、Ａ/Ｄ转换和错误查询等功能.同时具有自动和人工测读的两种功能,并可防雷.
②集散型结构 Geomation公司研制的2350型、2380型等系统属集散型结构.其系统结构见图3.
从图3中可见,ＮＭＳ为主机;ＮＲＵ起中继和网点(即可转成有线的调制信号)的作用;ＭＣＵ(3)是异地单元,也起中继作用(距离近的可以不用);ＭＣＵ(4)和ＭＣＵ(5)也是异地单元,但它能起无线电发射和接收作用;ＭＣＵ(6)～ＭＣＵ(Ｎ)是监测传感器.
在这两种型式中,总线型结构具有抗干扰能力强、可靠性高、现场调机方便和造价低等优点.其中Geomation公司的2370型、ＩＤＡ等系统可接入电式和频率式传感器.
(2)人工或半自动化数据采集装置 人工或半自动化数据采集仪可在现场测读传感器的测值,或用笔记
本电脑采集.其中,差动电阻式采集仪主要有ＳＱ-2型数字电桥、ＸＪ型数字式电阻比检测仪、ＺＪ型数字式和ＰＳＭ-Ｒ型电阻比检测仪等;钢弦式采集仪主要有ＳＤＰ-3型钢弦温度测试仪和ＧＰＣ-1型袖珍式钢弦频率测定仪等.
2.2 数据管理系统
水利水电工程大坝可埋有几百个、几千个甚至上万个传感器.如长江三峡水利枢纽建筑物就埋设约一万多个传感器,其采集数据每年达几百万个,并随着观测年限的增
