摘要：為了探討建立長江堤防自動化監(jiān)測和安全預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)，以武漢市諶家磯地區(qū)堤防為試驗基地，研制開發(fā)了分布式監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。本文對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、量測儀器、通訊方式、安全評價模型、系統(tǒng)軟件及實現(xiàn)的功能等作了介紹，并闡述了堤防自動化監(jiān)測預(yù)警的方法和原理。

　　關(guān)鍵詞：長江 堤防 自動化監(jiān)測 預(yù)警系統(tǒng)

　　1998年洪災(zāi)暴露出我國在防洪減災(zāi)方面的科技水平不高，尤其在堤防安全的經(jīng)常性監(jiān)控和管理方面很落后，長期以來靠群眾性的抗洪搶險來維護汛期的安全，防汛投入很大但效果卻不好，這種狀況亟需改變。近年來，堤防建設(shè)力度加大，部分堤段的防洪能力得以提高。與此同時，如能進行堤防運行狀態(tài)的經(jīng)常性監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理堤防的險情隱患，則能更好地保障堤防的安全。在監(jiān)測手段方面，由于堤線漫長，地層條件沿程變化大，采用一般的人工監(jiān)測方式不僅工作條件非常惡劣，工作量巨大，而且在汛期江水位猛漲的情況下，適時的監(jiān)測與分析計算很難做到。所以，實現(xiàn)堤防監(jiān)測的自動化是必然的要求和趨勢。在自動化監(jiān)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)科學(xué)的分析對堤防的安全狀態(tài)進行評價和預(yù)報，可以及早發(fā)現(xiàn)險情和維護堤防安全。將堤防的自動化監(jiān)測、安全評價和預(yù)報， 組成一個整體，就是堤防監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。對于長江流域或中下游重要堤防而言，建立這樣的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是一項巨大的工程，其中必然會有很多的技術(shù)難題，如何合理規(guī)劃、設(shè)計和實施監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，需要研究和探索。為此，有必要選擇典型河段堤防進行自動化監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)模式的研究。

　　武漢諶家磯堤防在1998年洪水期間發(fā)生了大量的散浸、管涌險情，汛后發(fā)生堤坡崩塌。該堤的堤身、堤基條件以及險情發(fā)生的特點，在長江中下游堤防中具有一定的代表性。筆者以諶家磯地區(qū)堤防為試驗基地，研制開發(fā)了分布式自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)DSEWS（Dike safety early-warning system），本文結(jié)合對該系統(tǒng)的介紹闡述堤防自動化監(jiān)測預(yù)警的方法和原理。

　　1 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)及功能

　　系統(tǒng)組成包括以下5個主要部分：量測儀器、自動采集控制器、信息傳輸設(shè)備、安全評價理論模型和系統(tǒng)軟件。

　　1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　自動監(jiān)測系統(tǒng)的分布形式有集中式、分布式和混合式3種。20世紀(jì)80年代初期最先發(fā)展出集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，20世紀(jì)80年代中期開始出現(xiàn)了分布式系統(tǒng)，隨后就有將兩者結(jié)合的混合式系統(tǒng)。按照現(xiàn)代自動監(jiān)控方式，諶家磯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)分為采集站（測控單元）、監(jiān)控主站和遠程信息管理中心（如洪指揮中心）3級。以堤防監(jiān)測斷面（或堤段）為測控單元設(shè)立采集站。多個采集站分別用微波將信號傳輸?shù)奖O(jiān)控主站，監(jiān)控主站同時控制多個采集站，向各采集站發(fā)送傳感器設(shè)置、采集參數(shù)、報警參數(shù)等指令。主站的數(shù)據(jù)通過電話公網(wǎng)傳輸?shù)轿錆h市內(nèi)或其它任何地方。

　　1.2量測傳感器

　　一般來說，堤防監(jiān)測項目包括變形監(jiān)測（外部變形及內(nèi)部變形）、滲壓監(jiān)測、滲流量監(jiān)測、結(jié)構(gòu)（涵閘、防滲墻或防洪墻等）應(yīng)力應(yīng)變量測、環(huán)境監(jiān)測（包括江水位、地下水位、氣溫、雨量等）等。其中最主要的是水、土壓力和位移監(jiān)測。對于一個具體的堤防，應(yīng)該根據(jù)該堤防的水文、地質(zhì)、環(huán)境、堤身堤基隱患，選擇確定適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測項目，在監(jiān)測項目和布置上做優(yōu)化設(shè)計。

　　對于不同的監(jiān)測項目，傳感器類型及型號很多，監(jiān)測方式各異。為使監(jiān)測有效可靠，應(yīng)從先進性、環(huán)境適應(yīng)性、長期運行、能實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集等方面，對傳感器進行比選。一般而言，可以將國外高精度但價格昂貴的傳感器與國內(nèi)精度稍低但價格低得多的傳感器搭配使用。在諶家磯堤防監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，主要選用了孔隙水壓力傳感器和自動傾斜計兩種傳感器，分別監(jiān)測堤身堤基的孔隙水壓力和堤坡的滑動位移，其中自動傾斜計系自行研制。

　　1.3采集站

　　采集站執(zhí)行數(shù)據(jù)自動采集、存儲、通信等功能，由以下部件組成：自動采集控制器、電源、微波天線（也可采用總線）及通信模塊、防雷裝置。

　　監(jiān)測斷面的選擇對于堤防安全狀態(tài)的監(jiān)控管理是非常關(guān)鍵的一步，需要根據(jù)土質(zhì)、水文、環(huán)境條件和往年險情情況綜合確定。堤防線路長，監(jiān)測斷面之間距離以百米或千米計。為避免電纜埋設(shè)過長，一般宜對每個監(jiān)測斷面設(shè)立1個采集站，因此采集站可以有多個。本次諶家磯預(yù)警系統(tǒng)試驗暫設(shè)2個，一個采集站以監(jiān)測堤防滲透為主，另一個采集站以監(jiān)測崩岸（滑坡）為主。各個采集站之間以及采集站和主站之間具有獨立性，可以在主站停機的情況下自行采集和處理數(shù)據(jù)。

　　自動采集控制器應(yīng)根據(jù)堤防監(jiān)測項目的輸出信號類型及通道數(shù)要求進行設(shè)計。在可能的情況下最好為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置，以便不同類型的傳感器都可接入，且不同的采集站采用相同的軟、硬件。采樣時間間隔應(yīng)允許選擇。本系統(tǒng)研制的采集控制器分7段設(shè)置，分別為1min、5min、10min、30min、1h、2h和4h.可以自動巡檢和手動定點顯示測量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采集控制器可以設(shè)立報警限值，有通道報警時以每秒閃爍若干次提示，多通道報警輪巡。報警時繼電器吸合30s觸發(fā)撥號報警器聯(lián)網(wǎng)報警。聯(lián)網(wǎng)撥號報警器除可由主控站設(shè)置以外，還可以通過外線或手機進行設(shè)撤防。

　　1.4監(jiān)控主站

　　主站的作用是對各個采集站進行管理和控制、發(fā)送和接收采集的信號、評價安全狀況、報警、向遠程信息中心（遠程辦公室或防汛指揮中心）發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　為了便于堤防安全管理和系統(tǒng)維護，監(jiān)控主站設(shè)在當(dāng)?shù)氐谭拦芾頇C構(gòu)的辦公用房內(nèi)較為合適。本系統(tǒng)將監(jiān)控主站設(shè)在諶家磯堤防管理所。監(jiān)控主站由以下部分組成：監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件、工控微機（包括掃描、打印機等輸入輸出設(shè)備）、微波（或總線電纜）及通信模塊、Modem（調(diào)制解調(diào)器）、電話線路、報警指示燈、防雷裝置等。

　　1.5 通信網(wǎng)絡(luò)

　　指在傳感器、采集站、監(jiān)控主站、遠程信息中心之間進行數(shù)據(jù)和命令傳輸?shù)挠呻娎|、微波、電話網(wǎng)等組成的通信網(wǎng)絡(luò)。

　　信息傳輸方式可以根據(jù)實際需要和環(huán)境條件選擇，專用電纜、超短波、微波、電話網(wǎng)絡(luò)以及地球同步數(shù)字衛(wèi)星等都可以作為信息通訊的手段。本系統(tǒng)中包含有3種通信方式：在傳感器與采集器之間是電纜線連接（電纜線以埋在地下較為恰當(dāng)，要注意防水和防破壞），采集站與監(jiān)控主站之間用微波（無線）方式，而主站信息可以通過電話網(wǎng)絡(luò)傳至任何一個地方。微波通信采用RS485方式，電話通信采用Modem方式。各通訊環(huán)節(jié)都需在使用前檢測，以保證不發(fā)生通信故障或失真。

　　1.6 安全評價模型

　　在預(yù)警系統(tǒng)中，安全評價模型是至關(guān)重要的部分。有了安全評價模型，才能根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)評價堤防的安全。而安全評價的可靠性除了依賴于監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，主要就取決于評價模型的合理性。因此，在預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計和研制中，一定要建立針對堤防具體條件和運行環(huán)境的合理的安全評價模型。但是，由于問題的復(fù)雜性，合理的安全評價模型有待于在堤防監(jiān)測實踐中摸索。

　　堤防滲流是一個飽和-非飽和、非穩(wěn)定-穩(wěn)定的發(fā)展過程。加之滲流場有不同程度的非均質(zhì)和各向異性，幾何形狀和邊界條件又很復(fù)雜。使得采用確定性方法計算堤防的汛期動態(tài)滲流非常困難，難以準(zhǔn)確計算和考慮各種復(fù)雜情況。對于這種非確定的、動態(tài)變化的、部分信息環(huán)境的情況，基于現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、處理、推斷方法，直接用于堤防滲流險情的判斷和預(yù)報是比較合理的。但是，這方面的研究工作還很少見。

　　在邊坡穩(wěn)定方面，力學(xué)性分析方面（極限平衡法和有限元法）對于一些基本穩(wěn)定或基本不穩(wěn)定的邊坡，能夠作出合理的定性的判斷，但對于一些介于穩(wěn)定與非穩(wěn)定之間的邊坡，卻難以準(zhǔn)確計算安全程度。尤其對于發(fā)生了一定位移的邊坡，力學(xué)分析法很難判斷是否會繼續(xù)滑動抑或保持穩(wěn)定。這一方面是由于力學(xué)分析法本身含有諸多假定，不能精確，另一方面是由于邊坡土性不均勻和邊界條件復(fù)雜。因此，對于一個滑坡的評價和預(yù)報，除了做一些力學(xué)分析外，主要也是以現(xiàn)場的位移監(jiān)測成果為依據(jù)�；�于現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計推斷方法，早已用于滑坡的判斷和預(yù)報。在這方面國內(nèi)外已有很多的研究工作和實踐經(jīng)驗。但是，位移的發(fā)展究竟達到什么速率和滿足什么條件，就能判定是否將發(fā)生滑坡，尚沒有一個明確的標(biāo)準(zhǔn)，也就是說還沒有一個滑坡發(fā)生的充分的判據(jù)，實踐中不同研究者采用了各種不同的數(shù)學(xué)或經(jīng)驗的方法。堤防的滑坡又有自身的特點，它往往是與河流沖刷引起的崩岸聯(lián)系在一起，其安全評價和預(yù)報有更大的難度，研究也很少。

　　基于預(yù)警系統(tǒng)的需要和上述研究現(xiàn)狀，本項目研究和建立了初步的以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的滲流安全評價模型和滑坡預(yù)測模型。前者系以土層實際承受的滲透水力坡降與土的臨界水力坡降進行比較，分為安全、輕度危險、嚴(yán)重危險和即將破壞4級標(biāo)準(zhǔn)。后者為采用灰色和突變理論對堤坡位移和滑坡與否進行預(yù)測。此外，為考慮各種土層厚度不均勻和土的抗?jié)B強度的不均勻性，建立了滲流安全評價的概率模型。為了對下一時刻的滲流安全進行預(yù)測，建立了滲流安全灰色預(yù)測模型。表1是所建立的模型種類名稱。

　　1.7 系統(tǒng)軟件

　　系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的主要功能包括；采集、檢測、控制、存儲、計算處理、安全評價及預(yù)測、通信等。

　　1.7.1軟件開發(fā)工具

　　選用目前普遍使用Windows9x的32位操作系統(tǒng)的PC電腦平臺作為本軟件的開發(fā)平臺，可以滿足本預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)要求。采用MS公司的VC++的VB6.0作為開發(fā)環(huán)境，可以廣泛利用Windows下的各種資源，如各種控件、OLE對象等，其提供的數(shù)據(jù)控件、訪問對象等可以方便地進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)，VC可以直接對底層進行訪問。

　　1.7.2 實現(xiàn)的功能

　　軟件采用模塊結(jié)構(gòu)，有數(shù)據(jù)采集處理和安全評價預(yù)警兩大模塊。實現(xiàn)的主要功能有：

　　（1）數(shù)據(jù)采集處理模塊：設(shè)采集站選擇菜單，監(jiān)測剖面圖形可以繪制和修改；傳感器可以逐個在監(jiān)測剖面上安裝（或撤消）并以填表形式輸入編號，類型、型號、量測范圍、生產(chǎn)廠家、標(biāo)定系數(shù)（方程）、安裝部位以及安裝時間；可以隨時設(shè)置或取消報警限值；采集的數(shù)據(jù)以傳感器編號順序列表，注明采集時間；以采集值和時間為軸，顯示信號的時間變化過程，時間軸可以定義，如秒、分、小時、天；數(shù)據(jù)庫可以隨時調(diào)出查看、編輯、另行存儲。自動采集的孔隙水壓力過程線的顯示頁面形式。

　�。�2）安全評價預(yù)警模塊：設(shè)有采集站選擇菜單；調(diào)用采集處理模塊的數(shù)據(jù)；有滲流評價、預(yù)測模型及滑坡預(yù)測模型；評價結(jié)果自動彈出；當(dāng)有警情時自動彈出報警窗口、發(fā)布報警蜂鳴和電話撥號指令。滲流安全評價結(jié)果的顯示頁面形式。

　　（3）遠程信息管理：接收監(jiān)控主站的參數(shù)與數(shù)據(jù)庫，隨時了解堤防運行現(xiàn)狀；安裝有與主站相同的安全評價與預(yù)警軟件，以便能夠進行遠程的安全評價和預(yù)測。

　　總之，本系統(tǒng)軟件靈活適用、功能齊全，適用于堤防的監(jiān)測與安全預(yù)警。

　　2 結(jié)語

　　監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要需要解決以下3方面的關(guān)鍵技術(shù)問題：（1）合理的監(jiān)測布置原則；（2）自動化采集和通信技術(shù)；（3）安全評價和預(yù)測的理論模型。諶家磯堤防監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)DSEWS作為一個試驗研究項目，進行了各方面的研究和摸索，系統(tǒng)已經(jīng)建成并經(jīng)歷過了一段時期的運行考驗，顯示系統(tǒng)的自動化采集及遠程通信穩(wěn)定可靠，監(jiān)控主站和遠程終端可隨時監(jiān)視堤防運行情況及安全狀態(tài)。通過模擬演示，表明系統(tǒng)具有可靠的自動報警功能。系統(tǒng)的軟件界面功能豐富、直觀、使用方便，符合工程專業(yè)特點。DSEWS是一個利用現(xiàn)代科技手段建立的國內(nèi)第一個堤防安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，在長江堤防、病險水庫的管理以及滑坡預(yù)測等方面具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

　　參 考 文 獻：

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