北江流域水患歷來十分突出，是我省的重點防洪區(qū)域，作為防洪抗災(zāi)的主要設(shè)施——北江大堤的安全十分重要，它直接關(guān)系到整個流域及珠江三角洲人民生命財產(chǎn)的安全。確保北江大堤的安全，就是確保人民生命財產(chǎn)的安全，也是確保我省20多年以來的改革開放的成果。我們必須走“科技興水，科技興省”的道路，充分運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，采取一定的非工程措施，對影響堤圍安全的一些重要因素進行必要的監(jiān)測和分析，確保能夠?qū)崟r地掌握大堤的運行情況及安全狀態(tài)。

　　為了更好地管理北江大堤，實現(xiàn)水利現(xiàn)代化，廣東省北江大堤管理局委托廣東省水利水電科學(xué)研究院對石角上下靈洲段的3個斷面(7+330、7+505、7+932)　的15孔測壓管進行滲流自動化監(jiān)測工程的試點工作。

　　北江大堤石角段約5.4km，由于大堤修筑在深厚沖洪積層上，強透水砂層及卵石層厚達20m以上，歷史上曾多次決堤，是北江大堤的險段之一。

　　自20世紀(jì)80年代以來，大堤經(jīng)過多次加高、培厚、壓滲、減壓、排滲等工程處理，特別是1990年至1994年進行了四期高壓定噴防滲處理，投入了大量的人力和物力，但是在1994年及1997年較大洪水時，仍出現(xiàn)了一些險情。

　　石角段現(xiàn)有測壓管83孔，用來觀測堤壩的滲漏和浸潤線，測點的分布廣而散，一些測點穿過村莊(如樁號8+806、8+930等)，有的測點則跨過池塘(如樁號8+504)。目前，這些測壓管內(nèi)的水位，全部采用人工的觀測方法進行施測。巡測一遍需要花費很多的時間和精力，測量的結(jié)果和精度與監(jiān)測人員的素質(zhì)關(guān)系較大。如果是在防洪搶險的緊急時期，靠人工觀測數(shù)據(jù)，則很難滿足要求，因為這時需要一小時或更短的時間測量一次數(shù)據(jù)，這樣就必需投入大量的人力物力，而且還容易出現(xiàn)錯測漏測現(xiàn)象。只有實現(xiàn)了安全監(jiān)測自動化，才能夠滿足現(xiàn)代水利工程和防洪指揮的需要。實施自動化監(jiān)測，不僅可以對堤壩的所有監(jiān)測項目進行實時監(jiān)測，而且根據(jù)測得的數(shù)據(jù)通過特定的數(shù)學(xué)模型演算，對堤壩的安全性態(tài)可做出預(yù)測預(yù)報，供有關(guān)部門決策。

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

　　北江大堤石角上下靈洲段滲流自動化監(jiān)測系統(tǒng)，主要由傳感器、分布式數(shù)據(jù)采集模塊、通信線路、防雷器、供電裝置等硬件及數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、通信、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析和信息管理等軟件部分構(gòu)成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

　　2.1 傳感器的選型與檢測

　　據(jù)相關(guān)專家對堤壩滲流的長期研究，認(rèn)為要準(zhǔn)確地掌握堤壩的滲流狀態(tài)，測壓管內(nèi)水位監(jiān)測的精度應(yīng)在0.02mH2O以內(nèi)，才能夠滿足安全分析及預(yù)測預(yù)報的需要。因此，堤壩的滲流監(jiān)測對傳感器的技術(shù)要求較苛刻。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　根據(jù)我們長期從事安全監(jiān)測的實踐經(jīng)驗及北江大堤的具體情況，本自動化監(jiān)測系統(tǒng)選用MPM426W壓阻式液位壓力傳感器，其敏感元件為瑞士KELLER公司生產(chǎn)的高穩(wěn)定性PR-10系列帶隔離膜擴散硅，精度為0.1%F.S。該傳感器的壓力與溫度信號，經(jīng)專用放大電路的多路14位A/D轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換速率＞100次/秒)及微處理器的運算、補償、修正后，再由16位D/A轉(zhuǎn)換器輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA模擬信號，輸出信號每10ms更新一次。

　　用于本工程的所有傳感器，除要求生產(chǎn)廠家嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)外，我們還專門委托武漢大學(xué)對測量精度、零漂和溫漂等控制參數(shù)，首先進行嚴(yán)格的實驗室檢驗和測試，然后再拿去水庫進行實體標(biāo)定。第一批的15支傳感器，經(jīng)過這些措施的檢驗和測試，未能達到我們的設(shè)計要求，全部退回廠家重新制造。重新生產(chǎn)的15支傳感器，仍有一支未能通過檢測。經(jīng)過這樣嚴(yán)格的三次檢測，本試驗段的15支傳感器的質(zhì)量均達到了要求。

　　每支傳感器檢測后的修正數(shù)據(jù)，輸入系統(tǒng)的參數(shù)管理數(shù)據(jù)庫。當(dāng)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集時，采集軟件將會根據(jù)各支傳感器的具體情況，對其輸出的結(jié)果進行自動修正。用戶可通過RS-485接口，對傳感器實現(xiàn)全數(shù)字化溫度補償及非線性修正。

　　2.2 分布式數(shù)據(jù)采集模塊

　　分布式數(shù)據(jù)采集模塊主要由I/V轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機、時鐘電路、通信接口電路、光電隔離電路、過壓保護器以及電源等構(gòu)成。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖

　　I/V轉(zhuǎn)換電路將傳感器輸出的4～20mA電流信號轉(zhuǎn)換成1～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，A/D轉(zhuǎn)換電路將1～5V的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。單片機對采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以獲得測點的水位值，然后，將測點號、水位值及測量時間等存放在數(shù)據(jù)存儲區(qū)。數(shù)據(jù)存儲區(qū)可存儲10天的測量信息。

　　數(shù)據(jù)采集模塊每天定時地自動地進行測量。用戶可通過監(jiān)控機，令系統(tǒng)的每個或某個數(shù)據(jù)采集模塊進行測量或?qū)��?shù)據(jù)等信息上傳；也可對每個模塊進行系統(tǒng)授時，修改其時鐘芯片的時間，以保證整個監(jiān)測系統(tǒng)時間的統(tǒng)一性。

　　通信接口將輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合RS-485電氣接口規(guī)范的信號，以便數(shù)據(jù)的傳輸。時鐘電路為數(shù)據(jù)采集模塊提供標(biāo)準(zhǔn)時間信號，供測量和控制用。為了避免雷擊和各種強電的干擾，在數(shù)據(jù)采集模塊的電源及通信接口的進線處均設(shè)置了過壓保護電路，對傳感器則采取了隔離措施，從而大大提高了數(shù)據(jù)采集模塊的可靠性。

　　2.3 系統(tǒng)的功能與特點數(shù)據(jù)采集模塊實物圖片

　　2.3.1系統(tǒng)的功能

　　① 控制功能：可接受上位機或筆記本電腦的命令，　實現(xiàn)集中控制方式的巡測或選測及自動控制方式的巡測。

　�、� 測量功能：自動對所接入的傳感器進行巡測——逐點依次自動測量并存儲數(shù)據(jù)，或選測——對選定的某一測點進行測量。

　　上下靈洲段各測點的分布，以電子地圖的形式顯示在監(jiān)控機的屏幕上，用戶一目了然，操作簡捷、直觀，只需用鼠標(biāo)點擊圖上的測點，就可以查看對應(yīng)測點的水位數(shù)據(jù)等信息。

　�、� 計時和定時功能：所設(shè)置的實時時鐘電路，供用戶查詢和修改時間，或設(shè)定起始測量時間和測量時間間隔。

　�、� 通訊功能：可與上位機或筆記本電腦實現(xiàn)雙向通訊。設(shè)定分為RS-485和Modem通訊參數(shù)，其中RS-485通訊參數(shù)除通訊端口外，其它參數(shù)則禁止修改。

　　測點名稱、傳感器編號等相關(guān)信息的設(shè)置，其界面如右圖所示。

　　⑤數(shù)據(jù)查詢功能：可以指定具體的測點、日期進行相關(guān)的數(shù)據(jù)查詢，并根據(jù)查詢的結(jié)果，在數(shù)據(jù)表格中體現(xiàn)出來。數(shù)據(jù)表格是將監(jiān)測返回的數(shù)據(jù)以表格的形式反映，并以日期加以限制。當(dāng)汛期采集功能啟用時，可以選擇汛期方式進行數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)圖形功能中，將采集水位以圖形的方式顯示。

　　另外，還可以按照指定的日期查看水位的趨勢圖，　也可以指定具體的某一天，查看對應(yīng)的時刻趨勢圖。

　　⑥雷電保護功能：在電源、通訊和傳感器接口的入口處均設(shè)有防雷保護電路，以防止感應(yīng)雷電流對內(nèi)部電路造成損壞，保證系統(tǒng)長期可靠地工作。

　　2.3.2系統(tǒng)的特點

　　將網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)應(yīng)用到水利工程的安全監(jiān)測中，是本系統(tǒng)的特色之一，這對提高測量的可靠性很有意義。在目前的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中，一個監(jiān)測區(qū)域使用一臺MCU進行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。每臺MCU連接著數(shù)十只傳感器，一旦MCU發(fā)生故障，則由該MCU所監(jiān)測的測量數(shù)據(jù)就會全部丟失，從而影響大壩安全數(shù)據(jù)采集的完整性和可靠性。而在本技術(shù)中，每只傳感器都是一個獨立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，分別直接與上位機通信，實現(xiàn)了真正意義上的分布式監(jiān)測。某個節(jié)點一旦發(fā)生故障，只會丟失一個數(shù)據(jù)，而不會影響到安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的完整性與可靠性。

　　能適用惡劣的環(huán)境，安裝方便，組網(wǎng)靈活，不受場地的限制，　可埋設(shè)在泥土里，是該技術(shù)的特色之二，它較好地解決了北江大堤的防盜難題。

　　遠程監(jiān)控則是本系統(tǒng)的第三大特點，它極大地方便了我們及用戶對本系統(tǒng)的管理。通過電腦與電話線或手機(要求電腦裝有無線Modem)，具有一定權(quán)限的管理人員，均可隨時在任何地方對現(xiàn)場的監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視及調(diào)用數(shù)據(jù)庫里的信息，以便及時地了解系統(tǒng)的運行情況和堤圍的狀況。

3 結(jié)語

　　北江大堤石角上下靈洲段測壓管自動化監(jiān)測系統(tǒng)，由廣東省水利水電科學(xué)研究院研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，是真正意義上的分布式安全監(jiān)測系統(tǒng)，　是“北江大堤安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”的關(guān)鍵技術(shù)之一，是為“預(yù)警系統(tǒng)”所進行的部分前期工作。該技術(shù)解決了數(shù)據(jù)的快速采集、預(yù)處理、傳輸及遠程監(jiān)控問題，特別是解決了北江大堤的防盜難題。

　　該系統(tǒng)測量迅速、準(zhǔn)確，抗干擾能力強，軟件界面友好，操作方便。系統(tǒng)的免維護和自恢復(fù)功能，適合無人值班需要。

　　2005年1月28日，我們用DGK-110平尺電測水位儀，對測壓管內(nèi)的水位進行了人工比測，綜合測量誤差小于0.02mH2O，達到了預(yù)期效果。

　　圖3是B3號測壓管內(nèi)從2005年1月1日～2005年2月28日的水位變化過程曲線，從圖中可以看出飛來峽水利樞紐三次大的放水過程。頭尾兩個曲線波峰，反映的是為疏通北江的航運而放水的情況；中間的一個曲線波峰，是飛來峽水利樞紐為配合從千里之外的廣西、貴州進行應(yīng)急調(diào)水入粵，實施“壓咸補談”與解旱，進行放水的情況。另一方面，從圖中還可以看出：　北江大堤底部的透水性非常強，　幾乎形成“通道”。

圖3 B3測壓管水位過程曲線

參考文獻

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　　[3] 何立民，MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社，1991，